Вогнезахист у сталевому будівництві України

В розвинених країнах сталь є беззаперечним лідером серед конструкційних матеріалів цивільної та промислової інженерії, який поряд з бетоном використовується в будівельних конструкційних рішеннях. Прикладом довговічності споруд сталевого будівництва, які експлуатуються понад 100 років, можуть служити Ейфелева вежа в Парижі (1889 р.) та Бессарабський ринок у Києві (1912 р.).

Переваги сталі як будівельного матеріалу – співвідношення ціни та якості, міцність і пластичність, збірне виготовлення, адаптивність конфігурацій, швидкість, довговічність, багаторазовість використання досконально узагальнені в спеціальній літературі [2, 3] та не викликають сумнівів. Вимоги сучасності та тенденцій будівельного бізнесу на перший план переваг від використання металу висувають також умови «сухого» будівництва та свободу дизайну – можливість створювати простори з великими прольотами та самими витонченими архітектурними формами.

Згідно з доповіддю Організації економічного співробітництва та розвитку витрати сталі у будівельному секторі перевищують 50% від загального світового споживання сталі [4], а у деяких країнах близько 70% комерційного будівництва здійснюється за допомогою сталевих конструкцій. В Україні цей показник не перевищує 15%, що, перш за все, повﹸязано з обсягом українського будівельного ринку – лише 2,2% в структурі ВВП. Крім того, знижені темпи впровадження сталевого будівництва в національну будівельну галузь обумовлені проведенням заходів з вогнезахисту [5, 6], що значно підвищує вартість як сталевих конструкцій так і обﹸєкту будівництва в цілому. Необхідність у більшості випадків вогнезахисної обробки будівельного металу обумовлена тим, що при виникненні пожежі метал швидко втрачає свою міцність та в кінцевому результаті призводить до втрати несучої здатності конструкції аж до руйнування будівлі. Тому обов’язковою умовою використання сталевих конструкцій у будівництві є забезпечення відповідного класу вогнестійкості, який регламентується згідно з діючим законодавством.

Відомо [7], що витрати на вогнезахист металоконструкцій в Україні можуть досягати 40-45% від вартості самих конструкцій. В той же час в країнах Європейського Союзу за останні 30 років частку протипожежного захисту було знижено до 10-15% ціни сталевого каркаса в комерційних багатоповерхових будинках [8]. Така ситуація є наслідком планомірних досліджень спеціалістів з інженерної пожежної безпеки та науковців, що розробляють інноваційні ефективні вогнезахисні технології, попит на які зростає пропорційно розвитку сталевого будівництва.

Історія розвитку вогнезахисної галузі в Україні

Сучасні вогнезахисні технології в Україні були започатковані в кінці 80-их років минулого століття науковими дослідженнями та розробками Інституту фізико-органічної хімії і вуглехімії ім. Л. М. Литвиненка НАН України (ІнФОВ) на замовлення Всесоюзного науково-дослідного інституту протипожежної оборони — головного в СРСР інституту у галузі пожежної безпеки. Результатом цієї співпраці стала розробка технології отримання першого вітчизняного вогнезахисного покриття нового покоління на основі графіту, що спучується, та низки оригінальних полімерних антипіренів, які вироблялися на Дослідному виробництві ІнФОВ та застосовувалися для вогнезахисту в першу чергу об’єктів стратегічного значення — споруд ВПК, складів боєприпасів, машзалів АЕС [9, 10]. Науково-дослідні проєкти з питань розробки рецептур ефективних вогнезахисних складів та виробів, необхідних для оборонної інфраструктури, що базуються на фундаментальних дослідженнях реакційної здатності та механізмів хімічних перетворень складових, продовжуються та фінансуються НАН України.

Перше українське підприємство, основну продукцію якого складали засоби пасивного вогнезахисту, НВП Спецматеріали, було організовано в м. Донецьк у 1991 р. й протягом тривалого часу займало позиції монополісту на вітчизняному ринку. Згодом в Україні зﹸявилися нові виробники протипожежної продукції — Ковлар Груп (м. Київ, 2015 р.) та  Капітель Дніпро (м. Дніпро), які додали до асортименту лакофарбових матеріалів й вогнезахисні склади. На вітчизняних підприємствах на сьогодні виробляється практично весь асортимент засобів протипожежного призначення, відомий у практиці вогнезахисту, який здатен повністю задовольнити потреби українського ринку.

З початку 90-их років, коли вогнезахисна обробка будівельних конструкцій здобула статус нормованої галузі, і до сьогодні здійснювалася нормотворча та регуляторна діяльність відповідних державних структур та інституцій.

Новий поштовх як розвитку вогнезахисної галузі, так і металевому будівництву в Україні було надано з появою у 2013 р. громадської організації Український Центр Сталевого Будівництва (УЦСБ), яка була створена під егідою та за підтримки міжнародної гірничо-металургійної групи компаній Метінвест.

УЦСБ об’єднує у своїх лавах учасників ринку сталевого будівництва – провідних виробників та дистриб’юторів сталевого прокату, заводи з виробництва металоконструкцій, покрівельних та фасадних систем, галузеві проєктні та наукові організації, монтажні та будівельні компанії, виробників засобів вогнезахисту. Основною метою функціонування УЦСБ є збільшення частки сталевих конструкцій у будівництві з 25% до 60% у комерційному будівництві, а також активне просування передових систем огороджувальних, покрівельних та несучих конструкцій у житловому та комерційному секторах. Для досягнення заявленої мети члени організації вирішують цілу низку завдань:

• Скорочення витрат сталевого будівництва шляхом технічного розвитку
• Усунення нормативних та правових бар’єрів для вибору сталі як будівельного матеріалу, особливо в частині вогнезахисту металоконструкцій
• Розвиток сучасних сталевих рішень, спрямованих на зниження вартості будівництва
• Позиціонування сталі як пріоритетного матеріалу в будівництві

Діяльність УЦСБ спрямована на пропаганду сучасних методів та рекомендацій при проєктуванні металоконструкцій, на зміну регуляторного режиму галузі, а також постійний моніторинг ключових проблем, які стоять перед проєктувальниками та будівельниками з виробленням адекватних рішень.

Комітет з вогнезахисту УЦСБ

З перших днів роботи в складі УЦСБ було створено комітет з вогнезахисту, основною функцією якого є пошук шляхів зниження вогнезахисту сталевих конструкцій для здешевлення вартості сталевого будівництва. В межах цього завдання діяльність комітету була спрямована відповідно до двох основних векторів:

• Просвітницька робота щодо роз’яснення економічно доцільних положень, методів, нормативів як із засобів вогнезахисту так і з вогнезахисної обробки сталевих конструкцій
• Участь комітету у державній нормотворчій діяльності з питань вогнезахисту та пожежної безпеки у напрямку гармонізації з європейськими стандартами та їх адаптацією до існуючого національного законодавства

За десять років напруженої праці спеціалістами комітету з вогнезахисту було зроблено багато вагомих кроків згідно із зазначеними напрямками. В 2014 р була видана перша публікація УЦСБ «Вогнезахист сталевих конструкцій» [11], яка є бестселером не тільки серед українських спеціалістів, а й набула популярності на пострадянських теренах. Цю книгу слід віднести до першого українського підручника з предмету вогнезахисту та вогнезахисної обробки сталевих будівельних конструкцій. За час існування УЦСБ таких корисних та інформативних видань було багато, серед яких необхідно виділити щорічний Аналітичний огляд ринку засобів вогнезахисту сталевих конструкцій [12], який також є докладним каталогом поточних засобів вогнезахисту, сертифікованих та присутніх на ринку України з детальним описом технічної документації та даними сертифікатів відповідності.

Згідно з напрямком адаптації норм та стандартів ЄС до українських реалій членами комітету з вогнезахисту проводилася кропітка системна робота щодо грамотного впровадження положень Єврокодів в національне сталеве будівництво. Результатом цієї праці було створення та видавництво практичного посібника до ДСТУ-Н EN 1993-1-2:2010 для архітекторів, проєктувальників, інженерно-технічних працівників будівельних організацій «Розрахунок сталевих конструкцій на вогнестійкість згідно з Єврокодом 3» [13]. У цьому посібнику викладено методичні рекомендації для проєктування сталевих конструкцій згідно з Єврокодом 3 з урахуванням національних додатків України та вимог щодо вогнестійкості. Наведено також основні варіанти температурно-часових залежностей, розрахункові методи та довідкові матеріали для умов стандартного температурного режиму, що застосовується у більшості випадків.

Щоб усвідомити практичну віддачу від застосування для визначення класу вогнестійкості металу відповідної для конкретної сталевої конструкції критичної температури, звернемося до простого прикладу [12].

В Україні тривалий час як основна критична (проєктна) температура сталевих конструкцій з вогнезахисними покриттями та облицюванням згідно з ДСТУ Б В.1.1-4-98* використовувалася температура близько 500 °С.  Прийняття ДСТУ-Н Б EN 1993-1-2:2010 та ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 дозволяє застосовувати диференціальний підхід до визначення критичної температури, що полягає у розрахунку вогнестійкості сталевих конструкцій та проєктування вогнезахисту відповідно до Єврокоду 3. Застосування розрахункових методів проєктування дозволяє визначити критичну температуру сталевих елементів конкретної будівлі з урахуванням температурно-часової залежності розрахункового сценарію пожежі, як це роз’яснено у згаданому вище посібнику.

Розглянемо дані Сертифікату відповідності інтумесцентної фарби (рис. 1), яка застосовується в Україні. Якщо проєктувати вогнезахист колони з профільним коефіцієнтом перерізу А_m/V = 200 м^-1 відповідно до положень ДСТУ Б В.1.1-4-98* (критична температура Θ_а,cr = 500 °С), необхідно забезпечити шар покриття товщиною 0,90 мм. При проєктуванні вогнезахисту цієї ж колони, але із застосуванням розрахованого згідно з ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 (значення Θ_а,cr = 650 °С) товщина покриття складає всього 0,46 мм, що майже вдвічі (на 49%) скорочує витрати вогнезахисної фарби.

Таким чином, наочно продемонстровано, що використання розрахункових значень Θ_а,cr при проєктуванні вогнезахисної обробки дозволяє значно знизити витрати вогнезахисного матеріалу, а відповідно й витрати, пов’язані з роботами з нанесення, що має значно зекономити кошти девелоперам будівельного ринку.

Рисунок. 1 – Фрагмент Додатку до Сертифіката відповідності [12]

Знаковою для вогнезахисної галузі є й книга «Розрахунок вогнестійкості стальних конструкцій і проєктування вогнезахисту у відповідності до Єврокоду 3 і національними додатками», у якій представлена методологія проєктування сталевих конструкцій згідно з Єврокодом 3 та урахуванням вимог щодо вогнестійкості». Вона містить основи проєктування та поведінки сталевих конструкцій в умовах пожежі та відповідних аварійних розрахункових ситуацій. Поведінка конструкцій в умовах пожежі багато в чому зумовлена розрахунковою температурно-часовою залежністю, яка називається розрахунковим сценарієм пожежі. Саме урахування прогнозованого сценарію пожежі може обумовити параметри вогнестійкості металевої конструкцію, чим змінити значення Θ_а,cr, а відповідно й необхідну товщину вогнезахисного покриття, як це було показано у попередньому прикладі (рис. 1).

Професійний підхід до вогнезахисної обробки, який формується в результаті консалтингової та просвітницької діяльності комітету з вогнезахисту УЦСБ, майже завжди дозволяє мати економічні преференції, завдяки урахуванню здавалось би простих чи несуттєвих речей. Наприклад, завдяки ретельному обрахуванню коефіцієнту перерізу елементів сталевих конструкцій, що підлягають вогнезахисній обробці. Навіть незначна його зміна може зменшити кількість вогнезахисного матеріалу, необхідного для забезпечення нормованих параметрів сталевої вогнестійкості конструкції. Як походить з аналізу даних сертифіката відповідності на вогнезахисне покриття (рис. 2), зниження значення профільного коефіцієнта перерізу всього на 30 м^-1 (з 200 м^-1 до 170 м^-1) дозволяє на 11% знизити витрати вогнезахисного матеріалу.

Рисунок. 2 – Фрагмент Додатку до сертифіката відповідності [12]

За участю комітету з вогнезахисту УЦСБ було розроблено основоположний для сталевого будівництва та вогнезахисту стандарт ДСТУ-Н Б В.2.6-211:2016 «Проєктування сталевих конструкцій». Розрахунок конструкцій на вогнестійкість [14], який було внесено в головний нормативний документ в галузі пожежної безпеки – ДБН В 1.1.7:2016 «Пожежна безпека об’єктів будівництва».

Цей стандарт встановлює вимоги щодо проєктування сталевих конструкцій будівель і споруд у разі пожежі із застосуванням лише пасивних методів вогнезахисту.

На сьогодні комітет з вогнезахисту трансформовано у центр консалтингу з вогнезахисту УЦСБ – команду висококваліфікованих технічних експертів у галузі вогнезахисту будівельних конструкцій. Фахівці надають безкоштовні консультації та всебічну підтримку учасникам будівельного процесу (інвесторам, девелоперам, архітекторам, проєктувальникам) з питань нормування вогнестійкості будівельних конструкцій та їх вогнезахисту.

Сучасні тенденції розвитку пасивного вогнезахисту

Розвиток та виробництво вогнезахисних матеріалів для сталевих конструкцій на світовому будівельному ринку обумовлюють такі основні фактори [11, 15]:

• Зростання обсягів капітального будівництва із застосуванням сталевих конструкцій
• Розвиток нафтовидобувного та газового комплексів
• Підвищення вимог пожежної безпеки, страхування нерухомості та збільшення капіталу страхових компаній

Підвищення обсягів виробництва та реалізації вогнезахисних матеріалів є загальною світовою тенденцією та знаходиться в прямій залежності від розвитку будівництва та удосконалення нормативних документів з регулювання галузі цивільної оборони і пожежної безпеки. Обсяг глобального ринку пасивного вогнезахисту за даними [6] мав зростати з річними темпами 4,7% з 2020 по 2027 рік (рис. 3).

Рисунок 3 – Динаміка світових продажів засобів вогнезахисту за період 2016-2027 роки [16]

За останніми аналітичними даними [17] виробництво протипожежних засобів зросло з 4,44 мільярда доларів США у 2022 році до 4,81 мільярда доларів США у 2023 році при середньорічному темпі зростання (CAGR) 8,2%. Це в умовах, коли російська агресія підірвала шанси на відновлення світової економіки після пандемії COVID-19, принаймні в короткостроковій перспективі. Тим не менш. очікується, що у 2027 році ринок пасивного протипожежного захисту зросте до 6,27 мільярда доларів із середньорічним темпом зростання 6,9% [17].

Таке підвищення вартості ринку вогнезахисту обумовлене, перш за все, зростаючими інвестиціями у будівельний сектор. Згідно і звітом Global Construction Perspectives прогнозується, що світова будівельна індустрія досягне рекордних 8 трильйонів доларів до 2030 року.

Ключовою тенденцією, яка набуває популярності на ринку пасивного протипожежного захисту є технологічний прогрес та використання набутих фундаментальних наукових знань. Основні компанії, що працюють у галузі пасивного вогнезахисту, зосереджені на розробці технологічних рішень для пасивного протипожежного захисту, щоб зміцнити свої позиції. Особливо це стосується тонкошарових інтумесцентних покриттів (таких, що спучуються), які є одним з основних методів підвищення вогнестійкості конструкцій з металу. Незважаючи на те, що штукатурні суміші та плити є більш надійним засобом вогнезахисту особливо для забезпечення високих значень класу вогнестійкості (R) – 120 хв. та вище, в останній час переважним матеріалом вибору для сталевих конструкцій є вогнезахисні інтумесцентні покриття. Така ситуація пояснюється, перш за все, тим, що саме тонкошарові покриття не порушують архітектурні форми та дизайнерські проєкти, які спираються саме на естетичні можливості та переваги сталі у будівництві.

За прогнозами [16] зростання засобів реактивного вогнезахисту – інтумесцентних покриттів має складати 5-6% Така ситуація стимулює розвиток ринку вогнезахисних покриттів інтумесцентного типу для сталевих конструкцій за такими напрямками:

• Підвищення вогнезахисної ефективності покриття зі збільшенням межі вогнестійкості до 150-180 хв. при мінімізації товщин та витрат засобу вогнезахисту
• Збільшення терміну експлуатації покриття та його стійкості до дії вологи та інших факторів зовнішнього середовища
• Відмова від застосування у складі покриття галогенвмісних антипіренів та інших токсичних компонентів згідно з обмеженням хімічних речовин та препаратів (REACH), що забороняють використання в будівельній індустрії шкідливих для здоров’я людини реагентів та сировини

Вибір між реактивними (тонкошаровими інтумесцентними) та теплоізоляційними (штукатурками, плитами, тощо) засобами вогнезахисту залежить від вимог до пожежної небезпеки обﹸєкту, що захищається. Виходячи з загальних уявлень про ефективність та експлуатаційні можливості вогнезахисних матеріалів для сталевих конструкцій, слід враховувати наступні обставини:

• Для забезпечення межі вогнестійкості R30 – R45 найбільш доцільно використовувати тонкошарові інтумесцентні покриття
• Межу вогнестійкості R60 можна забезпечити фарбами, штукатурками і плитами. Пріоритет використання того чи іншого матеріалу може бути продиктований додатковими умовами – вартість вогнезахисту, конфігурація сталевих елементів, умови експлуатації та режим передбачуваного вогневого впливу
• Починаючи з межі вогнестійкості R90, найнадійнішими для забезпечення вогнезахисної ефективності та експлуатаційних характеристик є плити та штукатурки. Тим не менш, для збереження архітектурної привабливості дизайнерських рішень з металу зростає популярність реактивного вогнезахисту, який в залежності від приведеної товщини конструкції може забезпечити клас вогнестійкості до 180 хв.

Згідно з оглядом ринку пасивного протипожежного захисту США за останні кілька років виробництво тонкошарових покриттів зросло на 14%.  Така ж тенденція характерна і для штукатурок та облицювальних матеріалів, які становлять близько половини засобів вогнезахисту, вироблених у Північній Америці. При цьому прогнозується, що попит на штукатурні матеріали (спреї) для сталевих конструкцій зростатиме, у зв’язку з дешевшими закупівельними цінами та більшою надійністю при забезпеченні підвищених вимог вогнестійкості до деяких видів несучих сталевих конструкцій.

Інша ситуація щодо співвідношення тонкошарових вогнезахисних покриттів та штукатурок спостерігається у Великій Британії [16]. За останні роки  частка покриттів інтумесцентного типу перевищує 80% за відчутного падіння вкладу штукатурних матеріалів у загальну кількість засобів вогнезахисту – з 8% до 1%.

Важливим фактором, що стимулює розвиток вогнезахисної галузі, є збільшення видобутку нафти і газу, особливо сланцевого в Китаї та США, а, відповідно, й посилення вимог пожежної безпеки на підприємствах відповідного профілю. Ці обставини, з одного боку, створюють додаткові умови для зростання світового ринку вогнезахисту, а з іншого, змінюють структуру та характеристики засобів вогнезахисту, зокрема стосовно тонкошарових інтумесцентних покриттів. Так, природно повинна збільшуватися частка покриттів, здатних забезпечувати вогнезахист в умовах вуглеводневої пожежі. За оцінками аналітиків, саме ці покриття збільшуватимуть обсяг ринку і користуватимуться найбільшим споживчим попитом.

Прогнозувати ситуацію на ринку вогнезахисту України на найближчу перспективу практично неможливо з огляду на війну, яка відбувається в країні, та на можливі драматичні зміни як макроекономічних факторів так і розвитку будівельної індустрії. Звичайно всі оптимістичні прогнози повﹸязані з очікуваннями найскорішого етапу післявоєного відновлення держави, яке надасть нові можливості та стрімкий розвиток вогнезахисній галузі як невідﹸємній частині національного будівельного сектору.

Література

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, «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.