Огнезащита в стальном строительстве Украины

В развитых странах сталь является безоговорочным лидером среди конструкционных материалов гражданской и промышленной инженерии, который, наряду с бетоном, используется в строительных конструкционных решениях. Примером долговечности сооружений стального строительства, которые эксплуатируются более 100 лет, могут служить Эйфелева башня в Париже (1889) и Бессарабский рынок в Киеве (1912).

Преимущества стали как строительного материала – соотношение цены и качества, прочность и пластичность, сборное изготовление, адаптивность конфигураций, скорость, долговечность, многократность использования досконально обобщены в специальной литературе [2, 3] и не вызывают сомнений. Требования современности и тенденций строительного бизнеса на первый план преимуществ от использования металла выдвигают также условия «сухого» строительства и свободу дизайна – возможность создавать пространства с большими пролетами и самыми изощренными архитектурными формами.

Согласно докладу Организации экономического сотрудничества и развитию расходы стали в строительном секторе превышают 50% от общего мирового потребления стали [4], а в некоторых странах около 70% коммерческого строительства осуществляется с помощью стальных конструкций. В Украине этот показатель не превышает 15%, что, прежде всего, связано с объемом украинского строительного рынка – всего 2,2% в структуре ВВП. Кроме того, сниженные темпы внедрения стального строительства в национальную строительную отрасль обусловлены проведением мероприятий по огнезащите [5, 6], что значительно повышает стоимость как стальных конструкций, так и объекта строительства в целом. Необходимость в большинстве случаев огнезащитной обработки строительного металла обусловлена тем, что при возникновении пожара металл быстро теряет свою прочность и в конечном счете приводит к потере несущей способности конструкции вплоть до разрушения здания. Поэтому обязательным условием использования стальных конструкций в строительстве является обеспечение соответствующего класса огнестойкости, регламентируемого согласно действующему законодательству.

Известно [7], что затраты на огнезащиту металлоконструкций в Украине могут достигать 40-45% от стоимости самих конструкций. В то же время в странах Европейского Союза за последние 30 лет доля противопожарной защиты была снижена до 10-15% цены стального каркаса в коммерческих многоэтажных домах [8]. Такая ситуация является результатом планомерных исследований специалистов по инженерной пожарной безопасности и ученых, разрабатывающих инновационные эффективные огнезащитные технологии, спрос на которые растет пропорционально развитию стального строительства.

История развития огнезащитной отрасли в Украине.

Современные огнезащитные технологии в Украине были начаты в конце 80-х годов прошлого века научными исследованиями и разработками Института физико-органической химии и углехимии им. Л. М. Литвиненко НАН Украины (ИнФОУ НАН Украины) по заказу Всесоюзного научно-исследовательского института противопожарной обороны – главного в СССР института в области пожарной безопасности. Результатом этого сотрудничества стала разработка технологии получения первого отечественного огнезащитного покрытия нового поколения на основе вспучивающегося графита и ряда оригинальных полимерных антипиренов, которые производились на Опытном производстве ИнФОУ и применялись для огнезащиты в первую очередь объектов стратегического значения — сооружений ВПК, складов боеприпасов, машзалов АЭС [9, 10]. Научно-исследовательские проекты по разработке рецептур эффективных огнезащитных составов и изделий, необходимых для оборонной инфраструктуры, основанные на фундаментальных исследованиях реакционной способности и механизмов химических превращений, продолжаются и финансируются НАН Украины.

Первое украинское предприятие, основную продукцию которого составляли средства пассивной огнезащиты, НПП Спецматериалы, было организовано в г. Донецк в 1991 г. и долгое время занимало позиции монополиста на отечественном рынке. Впоследствии в Украине появились новые производители противопожарной продукции — Ковлар Групп (г. Киев, 2015 г.) и Капитель Днепр (г. Днепр), которые добавили в ассортимент лакокрасочных материалов и огнезащитные составы. На отечественных предприятиях на сегодняшний день производится практически весь ассортимент средств противопожарного назначения, известный в практике огнезащиты, способный полностью удовлетворить потребности украинского рынка.

С начала 90-х годов, когда огнезащитная обработка строительных конструкций получила статус нормируемой отрасли, и по сей день осуществлялась нормотворческая и регуляторная деятельность соответствующих государственных структур и институтов.

Новый толчок как развитию огнезащитной отрасли, так и металлическому строительству в Украине был осуществлен с появлением в 2013 г. общественной организации Украинский Центр Стального Строительства (УЦСС), созданной под эгидой и при поддержке международной горно-металлургической группы компаний Метинвест.

УЦСС объединяет в своих рядах участников рынка стального строительства – ведущих производителей и дистрибьюторов стального проката, заводы по производству металлоконструкций, кровельных и фасадных систем, отраслевые проектные и научные организации, монтажные и строительные компании, производителей средств огнезащиты. Основной целью функционирования УЦСС является увеличение части стальных конструкций в строительстве с 25% до 60% в коммерческом строительстве, а также активное продвижение передовых систем ограждающих, кровельных и несущих конструкций в жилом и коммерческом секторах. Для достижения заявленной цели члены организации решают целый ряд задач:

• Сокращение расходов стального строительства путем технического развития
• Устранение нормативных и правовых барьеров для выбора стали как строительного материала, особенно в части огнезащиты металлоконструкций
• Развитие современных стальных решений, направленных на снижение стоимости строительства
• Позиционирование стали в качестве приоритетного материала в строительстве

Деятельность УЦСС направлена на пропаганду современных методов и рекомендаций при проектировании металлоконструкций, изменение регуляторного режима отрасли, а также постоянный мониторинг ключевых проблем, стоящих перед проектировщиками и строителями с выработкой адекватных решений.

Комитет по огнезащите УЦСС

С первых дней работы в составе УЦСС создан комитет по огнезащите, основной функцией которого является поиск путей снижения огнезащиты стальных конструкций для удешевления стоимости стального строительства. В рамках этой задачи деятельность комитета была направлена в соответствии с двумя основными векторами:

• Просветительская работа по разъяснению экономически целесообразных положений, методов, нормативов как из средств огнезащиты, так и по огнезащитной обработке стальных конструкций
• Участие комитета в государственной нормотворческой деятельности по вопросам огнезащиты и пожарной безопасности в направлении гармонизации с европейскими стандартами и их адаптации к существующему национальному законодательству

За десять лет напряженного труда специалистами комитета по огнезащите было сделано много весомых шагов согласно указанным направлениям. В 2014 г. была издана первая публикация УЦСС «Огнезащита стальных конструкций» [11], которая является бестселлером не только среди украинских специалистов, но и приобрела популярность на постсоветских территориях. Эту книгу следует отнести к первому украинскому учебнику по предмету огнезащиты и огнезащитной обработке стальных строительных конструкций. За время существования УЦСС таких полезных и информативных изданий было много, среди которых необходимо выделить ежегодный Аналитический обзор рынка средств огнезащиты стальных конструкций [12], который также является подробным каталогом текущих средств огнезащиты, сертифицированных и присутствующих на рынке Украины с подробным описанием технической документации и данными сертификатов соответствия.

Согласно с направлением адаптации норм и стандартов ЕС к украинским реалиям членами комитета по огнезащите проводилась кропотливая системная работа по грамотному внедрению положений Еврокодов в национальное стальное строительство. Результатом этого труда было создание и издательство практического пособия к ДСТУ-Н EN 1993-1-2:2010 для архитекторов, проектировщиков, инженерно-технических работников строительных организаций «Расчет стальных конструкций на огнестойкость согласно Еврокоду 3» [13]. В этом руководстве изложены методические рекомендации по проектированию стальных конструкций согласно с Еврокодом 3 с учетом национальных приложений Украины и требований по огнестойкости. Представлены также основные варианты температурно-временных зависимостей, расчетные методы и справочные материалы для условий стандартного температурного режима, применяемого в большинстве случаев.

Чтобы осознать практическую отдачу от применения для определения класса огнестойкости конкретной стальной конструкции критической температуры металла, обратимся к простому примеру [12].

В Украине длительное время как основная критическая (проектная) температура стальных конструкций с огнезащитными покрытиями и облицовкой согласно ДСТУ Б В.1.1-4-98* использовалась температура около 500 °С. Принятие ДСТУ-Н Б EN 1993-1-2:2010 и ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 позволяет применять дифференциальный подход к определению критической температуры, заключающийся в расчете огнестойкости стальных конструкций и проектировании огнезащиты в соответствии с Еврокодом 3. Применение расчетных методов проектирования позволяет определить критическую температуру стальных элементов конкретного здания с учетом температурно-временной зависимости расчетного сценария пожара, как это разъяснено в вышеуказанном руководстве.

Рассмотрим данные Сертификата соответствия применяемой в Украине интумесцентной краски (рис. 1). Если проектировать огнезащиту колонны с профильным коэффициентом сечения А_m/V = 200 м-1 в соответствии с положениями ДСТУ Б В.1.1-4-98* (критическая температура Θ_а,cr = 500 °С), необходимо обеспечить слой покрытия толщиной 0,90 мм. При проектировании огнезащиты этой же колонны, но с применением рассчитанного согласно ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 значение (Θ_а,cr = 650 °С толщина покрытия составляет всего 0,46 мм, что почти вдвое (на 49 %) сокращает расход огнезащитной краски.

Таким образом, наглядно продемонстрировано, что использование расчетных значений Θ_а,cr при проектировании огнезащитной обработки позволяет значительно снизить расход огнезащитного материала, а соответственно и затраты, связанные с работами по нанесению, что значительно сэкономит средства девелоперам строительного рынка.

Рисунок. 1 – Фрагмент Приложения к Сертификату соответствия [12]

Знаковой для огнезащитной отрасли является и книга «Расчет огнестойкости стальных конструкций и проектирование огнезащиты в соответствии с Еврокодом 3 и национальными приложениями», в которой представлена методология проектирования стальных конструкций согласно Еврокоду 3 и учет требований по огнестойкости». Она включает в себя основы проектирования и поведения стальных конструкций в условиях пожара и соответствующих аварийных расчетных ситуаций. Поведение конструкций в условиях пожара во многом обусловлено расчетной температурно-временной зависимостью, которая называется расчетным сценарием пожара. Именно учет прогнозируемого сценария пожара может обусловить параметры огнестойкости металлической конструкции, чем изменить значение Θ_а,cr , а соответственно и необходимую толщину огнезащитного покрытия, как это было показано в предыдущем примере (рис. 1).

Профессиональный подход к огнезащитной обработке, который формируется в результате консалтинговой и просветительской деятельности комитета по огнезащите УЦСС, почти всегда позволяет иметь экономические преференции, благодаря учету, казалось бы, простых или несущественных вещей. Например, благодаря тщательному расчету коэффициента сечения элементов стальных конструкций, подлежащих огнезащитной обработке. Даже незначительное его изменение может уменьшить количество огнезащитного материала, необходимого для обеспечения нормированных параметров стальной огнестойкости конструкции. Как следует из анализа данных сертификата соответствия на огнезащитное покрытие (рис. 2), снижение значения профильного коэффициента сечения всего на 30 м^-1 (с 200 м^-1 до 170 м^-1) позволяет на 11% снизить расход огнезащитного материала.

Рисунок. 2 – Фрагмент Приложения к сертификату соответствия [12]

При участии комитета по огнезащите УЦСС разработан основополагающий для стального строительства и огнезащиты стандарт ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 «Проектирование стальных конструкций. Расчет конструкций на огнестойкость» [14], внесенный в главный нормативный документ в области пожарной безопасности – ДБН В 1.1.7:2016 «Пожарная безопасность объектов строительства».

Этот стандарт устанавливает требования по проектированию стальных конструкций зданий и сооружений при пожаре с применением только пассивных методов огнезащиты.

На сегодняшний день комитет по огнезащите трансформирован в центр консалтинга по огнезащите УЦСС – команду высококвалифицированных технических экспертов в области огнезащиты строительных конструкций. Специалисты предоставляют бесплатные консультации и всестороннюю поддержку участникам строительного процесса (инвесторам, девелоперам, архитекторам, проектировщикам) по нормированию огнестойкости строительных конструкций и их огнезащите.

Современные тенденции развития пассивной огнезащиты

Развитие и производство огнезащитных материалов для стальных конструкций на мировом строительном рынке обуславливают следующие основные факторы [11, 15]:

• Рост объемов капитального строительства с применением стальных конструкций
• Развитие нефтедобывающего и газового комплексов
• Повышение требований пожарной безопасности, страхование недвижимости и увеличение капитала страховых компаний

Повышение объемов производства и реализации огнезащитных материалов является всемирной тенденцией и находится в прямой зависимости от развития строительства и усовершенствования нормативных документов по регулированию отрасли гражданской обороны и пожарной безопасности. Объем глобального рынка пассивной огнезащиты по данным [6] должен расти с годовыми темпами 4,7% с 2020 по 2027 год (рис. 3).

Рисунок 3 – Динамика мировых продаж средств огнезащиты за период 2016-2027 годы [16]

По последним аналитическим данным [17] производство противопожарных средств выросло с 4,44 миллиарда долларов США в 2022 году до 4,81 миллиарда долларов США в 2023 году при среднегодовом темпе роста (CAGR) 8,2%. Это в условиях, когда российская агрессия подорвала шансы на восстановление мировой экономики после пандемии COVID-19, по крайней мере, в краткосрочной перспективе. Тем не менее. ожидается, что в 2027 году рынок пассивной противопожарной защиты вырастет до 6,27 млрд долларов со среднегодовым темпом роста 6,9% [17].

Такое повышение стоимости рынка огнезащиты обусловлено, прежде всего, растущими инвестициями в строительный сектор. Согласно отчету Global Construction Perspectives прогнозируется, что мировая строительная индустрия достигнет рекордных 8 триллионов долларов к 2030 году.

Ключевой тенденцией, приобретающей популярность на рынке пассивной противопожарной защиты, является технологический прогресс и использование приобретенных фундаментальных научных знаний. Основные компании, работающие в области пассивной огнезащиты, сосредоточены на разработке технологических решений для пассивной противопожарной защиты, чтобы укрепить свои позиции. Особенно это касается тонкослойных вспучивающихся (интумесцентных) покрытий, которые являются одним из основных методов повышения огнестойкости конструкций из металла. Несмотря на то, что штукатурные смеси и плиты являются более надежным средством огнезащиты, особенно для обеспечения высоких значений класса огнестойкости (R) – 120 мин и выше, в последнее время предпочтительным материалом выбора для стальных конструкций являются огнезащитные интумесцентные покрытия. Такая ситуация объясняется прежде всего тем, что именно тонкослойные покрытия не нарушают архитектурные формы и дизайнерские проекты, которые опираются на эстетические возможности и преимущества стали в строительстве.

По прогнозам [16] рост средств реактивной огнезащиты – интумесцентных покрытий должен составлять 5-6%. Такая ситуация стимулирует развитие рынка огнезащитных покрытий интумесцентного типа для стальных конструкций по следующим направлениям:

• Повышение огнезащитной эффективности покрытия с увеличением предела огнестойкости до 150-180 мин при минимизации толщин и расхода средства огнезащиты
• Увеличение срока эксплуатации покрытия и его стойкости к воздействию влаги и других факторов внешней среды
• Отказ от применения в составе покрытия галогенсодержащих антипиренов и других токсичных компонентов в соответствии с ограничением химических веществ и препаратов (REACH), запрещающих использование в строительной индустрии вредных для здоровья реагентов и сырья

Выбор между реактивными (тонкослойными интумесцентными) и теплоизоляционными (штукатурками, плитами и т.п.) средствами огнезащиты зависит от требований к пожарной опасности защищаемого объекта. Исходя из общих представлений об эффективности и эксплуатационных возможностях огнезащитных материалов для стальных конструкций, следует учитывать следующие обстоятельства:

• Для обеспечения предела огнестойкости R30 – R45 наиболее целесообразно использовать тонкослойные интумесцентные покрытия
• Предел огнестойкости R60 можно обеспечить красками, штукатурками и плитами. Приоритет использования того или иного материала может быть продиктован дополнительными условиями – стоимость огнезащиты, конфигурация стальных элементов, условия эксплуатации и режим предполагаемого огневого воздействия
• Начиная с предела огнестойкости R90, наиболее надежными для обеспечения огнезащитной эффективности и эксплуатационных характеристик являются плиты и штукатурки. Тем не менее, для сохранения архитектурной привлекательности дизайнерских решений из металла растет популярность реактивной огнезащиты, которая в зависимости от приведенной толщины конструкции может обеспечить класс огнестойкости до 180 мин.

Согласно обзору рынка пассивной противопожарной защиты США за последние несколько лет производство тонкослойных покрытий выросло на 14%. Такая же тенденция характерна и для штукатурок и облицовочных материалов, составляющих около половины средств огнезащиты, производимых в Северной Америке. При этом прогнозируется, что спрос на штукатурные материалы (спреи) для стальных конструкций будет расти, в связи с более дешёвыми закупочными ценами и большей надежностью при обеспечении повышенных требований огнестойкости к некоторым видам несущих стальных конструкций.

Другая ситуация с соотношением тонкослойных огнезащитных покрытий и штукатурок наблюдается в Великобритании [16]. За последние годы доля покрытий интумесцентного типа превышает 80% при ощутимом падении вклада штукатурных материалов в общее количество огнезащитных средств – с 8% до 1%.

Важным фактором, стимулирующим развитие огнезащитной отрасли, является увеличение добычи нефти и газа, особенно сланцевого в Китае и США, а, соответственно, и ужесточение требований пожарной безопасности на предприятиях соответствующего профиля. Эти обстоятельства, с одной стороны, создают дополнительные условия для роста мирового рынка огнезащиты, а с другой, изменяют структуру и характеристики средств огнезащиты, в частности, относительно тонкослойных интумесцентных покрытий. Да, естественно должна увеличиваться доля покрытий, способных обеспечивать огнезащиту в условиях углеводородного пожара. По оценкам аналитиков, именно эти покрытия будут увеличивать объем рынка и будут пользоваться наибольшим потребительским спросом.

Прогнозировать ситуацию на рынке огнезащиты Украины на ближайшую перспективу практически невозможно, учитывая войну, которая происходит в стране, и возможные драматические изменения как макроэкономических факторов, так и развития строительной индустрии. Обычно все оптимистичные прогнозы связаны с ожиданиями скорейшего этапа послевоенного восстановления государства, которое предоставит новые возможности и стремительное развитие огнезащитной отрасли как неотъемлемой части национального строительного сектора.

Литература

1. «Steel» Building Value. ASI Head Office.
2. Avendaño J.I. Utilization of BIM in Steel Building Projects: A Systematic Literature Review. / J.I. Avendaño, S. Zlatanova,  A. Domingo, P. Pérez, C. Correa // Buildings/ — 2022, 12 – P. 713. 
3. Putri S. O., Firmansyah. The Efficiency of Steel Material as Buildings Construction. IOP Conference Series // Materials Science and Engineering/ — 2020, 879(1), 012148. 
4. Steel Market developments: Q2 2020. Directorate for science, technology and innovation steel committee. OECD. 8 June — 2020. — 49р.
5. ДБН В.1.2-7:2008. Система забезпечення надійності та безпеки будівельних об’єктів. Основні вимоги до будівель і споруд. Пожежна безпека. [Чинний від 2008.10.01]. Вид. офіц. К.: ДП «Укрархбудінформ». —  2008. — 31с.
6. Вахитова Л. Н., Калафат К. В. Огнезащита стальных конструкций. К.: Украинский Центр Стального Строительства, НПП Интерсервис. — 2013. — 154с.
7. Калафат К. В. Цена огнезащиты // F+S: технологии безопасности и противопожарной защиты. – 2014, 2 (68). — С. 34 – 36.
8. How to cost steel framed buildings. Costing Steelwork. — 2017. 1. — Р. 1-7.
9. Вахитова Л.Н., Чеповский В.О. Некоторые аспекты огнезащиты металлоконструкций машзалов // F+S: технологии безопасности и противопожарной защиты. – 2010, 1 (43). — С. 62—6.
10. Вахітова Л.М. Захист металевих будівельних конструкцій від впливу корозії й вогню / Л.М. Вахітова, П.О. Фещенко, М.П. Лапушкін, К.В. Калафат // Будівництво України. — 2007, 2. — С. 8-12
11. Вахитова Л. Н., Калафат К. В. Огнезащита стальных конструкций. К.: Український Центр Сталевого Будівництва, НПП Интерсервис. — 2013. — 154 с.
12. Калафат К. В., Вахитова Л. Н. Аналитический обзор средств огнезащиты стальных конструкций 2021 – 2022. К.: Український Центр Сталевого Будівництва, ТОВ «Издательский Дом «Аванпост-Прим». — 2021. — 230 с.
13. Калафат К.В. Розрахунок сталевих конструкцій на вогнестійкість відповідно до Єврокоду 3. Практичний посібник до ДСТУ-Н EN 1993-1-2:2010. Рекомендований НТР Мінрегіону України. К.: Український Центр Сталевого Будівництва, НПП Интерсервис. — 2016. — 81 с.
14. ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 Проектування сталевих конструкцій. Розрахунок конструкцій на вогнестійкість. Байтала Х, Бєлоконь О., Поклонський В., Немчинов Ю., Тарасюк В., Фесенко О.,  Калафат К. [Чинний від 2017.04.01]. Вид. офіц. К.: Укрархбудінформ. — 2016. — 151 с.
15. Вахітова Л., Калафат К. Тенденції українського ринку вогнезахисних матеріалів для сталевих конструкцій // Надзвичайна ситуація. — 2017. (дата звернення: 1.10.2020)
16. Passive Fire Protection Market Size, Share & Trends Analysis Report By Product (Intumescent Coatings, Cementitious Materials), By Application (Construction, Warehousing), And Segment Forecasts, 2020 – 2027 // Market Analiz Report. — 2020. — 115р.
17. Passive Fire Protection Global Market Report 2023.