Вогнестійкість гарячеоцинкованої сталі R30: емісійність та EN 1993-1-2

Вплив гарячого цинкування на вогнестійкість сталевих конструкцій: аналіз емісійності та кінетики нагріву в умовах стандартної пожежі

Гаряче цинкування за стандартом ДСТУ EN ISO 1461:2024 не лише забезпечує довготривалий антикорозійний захист, але й суттєво змінює поверхневі властивості сталі в умовах пожежі. Завдяки зниженню емісійності поверхні (до ≈0,35 при температурах до 500 °C) гарячеоцинкована сталь нагрівається повільніше на початковій стадії стандартної пожежі. Великомасштабні вогневі випробування композитних балок з високоміцних сталей підтверджують: у багатьох випадках це дозволяє досягти класу вогнестійкості R30 без застосування додаткових засобів пасивного вогнезахисту.

Механізм зміни емісійності поверхні після гарячого цинкування

Емісійність поверхні (ε_m) є ключовим параметром радіаційного теплообміну згідно із законом Стефана-Больцмана. У нормах EN 1993-1-2 для звичайної вуглецевої сталі прийнято постійне значення ε_m = 0,70. Після гарячого цинкування (категорії A або B за EN ISO 14713-2) поверхня набуває двоступеневої температурної залежності емісійності.

Порівняльна таблиця емісійності звичайної та гарячеоцинкованої сталі

Цей ефект особливо важливий у діапазоні 300–500 °C, де сталь починає втрачати несучу здатність. Знижена емісійність зменшує щільність нетто-теплового потоку ħ_net,r і помітно уповільнює нагрів елементів з фактором перерізу Am/V < 150–200 м⁻¹.

Спрощена формула приросту температури (EN 1993-1-2):

Δθ_a,t = k_sh × (Am/V) × (1/(c_a × ρ_a)) × ħ_net × Δt

де радіаційна складова:

ħ_net,r = Φ × ε_m × ε_f × σ × [(θ_r + 273)⁴ − (θ_a + 273)⁴]

(повна ħ_net включає також конвективну складову ħ_net,c = α_c (θ_g – θ_a). Основний позитивний ефект гарячого цинкування проявляється саме в радіаційній частині).

Зниження ε_m з 0,70 до 0,35 на початковій фазі пожежі зменшує ħ_net,r приблизно на 40–50 %. Залежно від геометрії профілю це дає виграш у часі нагріву зазвичай від 5 до 12 хвилин.

Температурні пороги поведінки цинкового покриття під час пожежі

Цинкове покриття, отримане методом гарячого цинкування, складається з зовнішнього шару чистого цинку (η-фаза) та кількох інтерметалічних шарів Fe-Zn. Під час стандартної пожежі за кривою ISO 834 ці шари поводяться по-різному і визначають, як довго покриття здатне виконувати бар’єрну функцію.

Таблиця температурних діапазонів поведінки покриття

Навіть при локальному нагріві до 520 °C покриття часто зберігає залишкову бар’єрну дію завдяки утворенню оксидів та вуглецевого осаду на поверхні. Повномасштабні вогневі випробування композитних балок зі сталей S460M та S690QL показали: для компактних перерізів з оптимальним фактором Am/V гаряче цинкування дозволяє утримувати температуру сталі нижче критичних 500 °C протягом 25–30 хвилин. Саме цей резерв часу є ключовим для досягнення класу вогнестійкості R30 без додаткового пасивного захисту.

Вплив на механічні властивості сталі при підвищених температурах

Зменшення швидкості нагріву гарячеоцинкованої сталі безпосередньо впливає на збереження її механічних характеристик під час пожежі. Згідно з EN 1993-1-2, несуча здатність сталевих елементів визначається коефіцієнтами зменшення міцності ky,θ та модулем пружності kE,θ, які суттєво падають зі зростанням температури.

Типові значення коефіцієнта зменшення міцності (ky,θ)

• при 400 °C — у діапазоні 1,00–0,85;
• при 500 °C — близько 0,78;
• при 600 °C — близько 0,47;
• при 700 °C — близько 0,23.

Завдяки нижчій емісійності гарячеоцинкована поверхня забезпечує затримку нагріву на 20–50 °C у найбільш критичному діапазоні. Це дозволяє елементу довше зберігати достатню несучу здатність. Дослідження Технічного університету Мюнхена (TUM) з композитними балками зі сталей S460M та S690QL підтверджують: для компактних перерізів гаряче цинкування дає можливість досягати класу вогнестійкості R30 при меншій матеріаломісткості конструкції.

Для тонкостінних профілів з високим фактором Am/V ефект виражений слабше. У таких випадках рекомендується виконувати детальний температурно-механічний аналіз (FEM) з урахуванням двоступеневої емісійності поверхні.

Практичні аспекти зварювання та відновлення після пожежі

При зварюванні гарячеоцинкованих елементів цинк починає активно випаровуватися вже при температурі близько 907 °C. Температура зварювальної дуги (5000–20000 °C) значно перевищує цю межу, тому в зоні термічного впливу відбувається інтенсивне руйнування як зовнішнього шару чистого цинку, так і частини інтерметалічних фаз Fe-Zn. Це призводить до локальної втрати катодного захисту, утворення пор у шві та підвищеного ризику утворення тріщин.

Тому при необхідності зварювання після цинкування рекомендується:

• механічно видаляти покриття на ширину 30–80 мм від осі майбутнього шва (залежно від товщини металу та режиму зварювання);
• застосовувати режими з низьким тепловкладенням;
• обов’язково використовувати засоби захисту органів дихання через токсичність парів цинку;
• після зварювання відновлювати захисний шар цинк-наповненими матеріалами з перекриттям зони очищення не менше ніж на 20 мм.

Детальні технологічні рекомендації щодо зварювання після гарячого цинкування наведено в окремому матеріалі.

Після пожежі критичною межею для збереження механічних властивостей базового металу вважається температура 550–600 °C. Якщо елемент не перевищував цей діапазон, цинкове покриття може змінити колір і частково втратити зовнішній вигляд, проте сама сталь у більшості випадків зберігає достатню міцність. Для прийняття рішення про подальшу експлуатацію необхідно виконати комплексний контроль: вимірювання залишкової товщини покриття, перевірку твердості та, за потреби, відбір зразків для лабораторних випробувань.

Чек-лист для інженера-проєктувальника:

• Враховувати двоступеневу емісійність (0,35 / 0,70) при розрахунках за EN 1993-1-2.
• Оптимізувати фактор перерізу Am/V для максимального використання ефекту зниженої емісійності.
• При вимогах R30 виконувати порівняльний розрахунок конструкції з урахуванням і без урахування гарячого цинкування.
• Передбачати процедури відновлення захисного шару вже на етапі розробки креслень КМД.

Дотримання цих вимог дозволяє коректно використовувати переваги гарячого цинкування як на стадії проєктування, так і при подальшій експлуатації та відновленні конструкцій після пожежі.

Економічні переваги для об’єктів в Україні

Врахування зниженої емісійності гарячеоцинкованої сталі дозволяє в багатьох випадках суттєво зменшити або повністю виключити додатковий пасивний вогнезахист при вимогах класу R30. Найбільший економічний ефект досягається в одноповерхових спорудах — складах, ангарах, промислових модулях, логістичних комплексах та паркінгах.

Для компактних перерізів з фактором Am/V менше 150–200 м⁻¹ гаряче цинкування часто забезпечує необхідну вогнестійкість без нанесення інтумесцентних фарб чи обмазок. На практиці це дає можливість зменшити обсяг пасивного вогнезахисту на 15–35 % площі конструкцій, а в окремих випадках — повністю відмовитися від нього на другорядних елементах.

Особливо вигідним рішення стає при застосуванні високоміцних сталей (S460, S690) та гібридних перерізів, де економія на вогнезахисті поєднується зі зменшенням металоємності каркаса. Для отримання точних показників економії рекомендується виконувати порівняльний теплотехнічний розрахунок з використанням двоступеневої емісійності (0,35 / 0,70) у верифікованих FEM-моделях.

Результати досліджень Технічного університету Мюнхена та європейська практика підтверджують: грамотне використання гарячого цинкування як елемента системи вогнезахисту дозволяє суттєво оптимізувати кошторис об’єкта без зниження рівня безпеки.

Практичний гайд: як врахувати ефект гарячого цинкування при розрахунку на R30

Нижче — покроковий алгоритм, який дозволяє коректно використати переваги зниженої емісійності гарячеоцинкованої сталі та обґрунтовано зменшити (або повністю виключити) пасивний вогнезахист при вимогах R30.

1. Визначте фактор перерізу Am/V

Найбільший ефект від зниженої емісійності проявляється при Am/V < 150–200 м⁻¹.
Для тонкостінних профілів з високим фактором перерізу виграш суттєво зменшується — у таких випадках гаряче цинкування рідко дозволяє повністю відмовитися від додаткового захисту.

2. Застосовуйте двоступеневу емісійність

У розрахунках за EN 1993-1-2 приймайте значення:

• ε_m = 0,35 — при температурі сталі до 500 °C
• ε_m = 0,70 — при температурі понад 500 °C

(діє для сталей категорій A або B за EN ISO 14713-2)

3. Виконайте порівняльний розрахунок

Обов’язково зробіть два варіанти:

• зі стандартною постійною емісійністю 0,70
• з двоступеневою емісійністю гарячеоцинкованої поверхні (0,35 / 0,70)

Порівняння наочно покаже реальний виграш у часі нагріву та можливість відмови від частини (або всього) пасивного вогнезахисту.

4. Перевірте критичні елементи

Особливу увагу приділіть:

• тонкостінним прогонам
• зв’язкам
• елементам з високим Am/V

Саме на цих конструкціях ефект зниженої емісійності може виявитися недостатнім для повного досягнення R30 без додаткового захисту.

5. Передбачте відновлення покриття вже на етапі КМД

Закладіть у креслення:

• зони механічного видалення цинку перед зварюванням (зазвичай 30–80 мм від осі шва)
• подальше відновлення захисного шару цинк-наповненими матеріалами з перекриттям не менше 20 мм

Дотримання цих кроків дозволяє коректно оцінити реальний внесок гарячого цинкування у вогнестійкість конструкції та обґрунтовано зменшити витрати на пасивний вогнезахист.

Розрахунковий приклад: HEB 300 при чотиристоронньому нагріві (Am/V ≈ 117 м⁻¹)

Розглянемо типовий компактний профіль HEB 300 (площа перерізу A ≈ 149 см², маса 117 кг/м). При чотиристоронньому впливі стандартної пожежі (ISO 834) фактор перерізу Am/V становить приблизно 117 м⁻¹. Це значення потрапляє в діапазон, де ефект зниження емісійності гарячеоцинкованої сталі проявляється найбільш відчутно.

За спрощеною формулою приросту температури сталі (EN 1993-1-2):

Δθ_a,t = k_sh × (Am/V) × (1/(c_a × ρ_a)) × ħ_net × Δt

основний вплив гарячого цинкування реалізується через радіаційну складову нетто-теплового потоку:

ħ_net,r = Φ × ε_m × ε_f × σ × [(θ_r + 273)^4 − (θ_a + 273)^4]

Для звичайної вуглецевої сталі ε_m = 0,70 (постійне значення).
Для гарячеоцинкованої сталі категорій A або B за EN ISO 14713-2:

• ε_m ≈ 0,35 при θ_a ≤ 500 °C
• ε_m ≈ 0,70 при θ_a > 500 °C

Зниження емісійності вдвічі в критичному діапазоні 300–500 °C зменшує ħ_net,r приблизно на 40–50 %. У результаті при Am/V ≈ 117 м⁻¹ температура сталі HEB 300 зростає значно повільніше.

Практичний результат порівняльного розрахунку (стандартна пожежа, початкова температура 20 °C, Φ = 1, ε_f = 1):

• неоцинкована сталь досягає 500 °C приблизно на 18–22 хвилині;
• гарячеоцинкована сталь — на 26–30 хвилині (виграш 7–10 хвилин).

Це дозволяє в багатьох випадках забезпечити клас вогнестійкості R30 без додаткового пасивного вогнезахисту для елементів з подібним або меншим фактором перерізу (колони, компактні балки, елементи рам). Для тонкостінних профілів з Am/V > 200 м⁻¹ ефект слабшає і вимагає індивідуального уточненого розрахунку (в тому числі FEM).

Такий підхід особливо ефективний для одноповерхових промислових будівель, складів, ангарів та паркінгів, де вимога R30 є найбільш поширеною.

Часті питання (FAQ)

Чи можна досягти класу вогнестійкості R30 лише завдяки гарячому цинкуванню?

Так, у багатьох випадках можна. Найкращий результат досягається на компактних перерізах і гібридних балках з низьким фактором Am/V. Для тонкостінних профілів потрібен індивідуальний розрахунок.

Яка емісійність гарячеоцинкованої сталі за EN 1993-1-2?

До 500 °C емісійність становить приблизно 0,35, понад 500 °C — приблизно 0,70. У звичайної вуглецевої сталі значення постійне і дорівнює 0,70.

Чи впливає цинкове покриття на механічні властивості сталі після пожежі?

Якщо температура елемента не перевищувала 550–600 °C, базовий метал зберігає свої властивості. Покриття може змінити колір, але після контролю та відновлення елемент придатний до подальшої експлуатації.

Чи потрібно знімати цинк перед зварюванням?

Так, обов’язково. Покриття слід видаляти механічним способом на відстані 30–80 мм від шва. Після зварювання захист необхідно відновити цинк-вмісними матеріалами.

Для яких конструкцій ефект гарячого цинкування найсильніший?

Найбільший ефект спостерігається у композитних балках, колонах і фермах з фактором Am/V менше 150–200 м⁻¹, особливо при використанні високоміцних сталей S460M та S690QL.

Які норми регулюють використання гарячого цинкування для вогнестійкості?

Основні норми: ДСТУ EN ISO 1461:2024, EN ISO 14713-2 (категорії A та B) та EN 1993-1-2 (розділ щодо емісійності поверхні).

Висновок

Гаряче цинкування не є повноцінною заміною спеціальних систем пасивного вогнезахисту. Однак завдяки суттєвому зниженню емісійності поверхні воно забезпечує помітне уповільнення нагріву сталевих елементів на початковій стадії пожежі. Саме цей ефект у багатьох випадках дозволяє досягати класу вогнестійкості R30 без додаткового захисту або зі значним зменшенням його обсягу — особливо для компактних перерізів і конструкцій з оптимальним фактором Am/V.

Грамотне використання двоступеневої емісійності (0,35 / 0,70) відкриває реальну можливість оптимізації проєктів: зниження матеріаломісткості, зменшення витрат на вогнезахист і покращення економічних показників об’єкта. При цьому обов’язковою умовою залишається індивідуальний теплотехнічний розрахунок з урахуванням фактичної геометрії перерізу та умов експлуатації.

Таким чином, гаряче цинкування варто розглядати не лише як антикорозійний захист, а як інструмент, який може одночасно підвищувати вогнестійкість і знижувати загальну вартість конструкції.

Автор матеріалу

Ярослав Домбровський

Директор, власник та провідний фахівець ТОВ «АЛІАС УКРАЇНА»

Понад 15 років професійного досвіду в галузі гарячого цинкування металоконструкцій. Спеціалізується на антикорозійному захисті складних і відповідальних об’єктів, зокрема висотних телекомунікаційних веж, елементів сонячних і вітрових електростанцій, промислових і інфраструктурних конструкцій. Глибоко працює з питаннями якості покриття, відповідності ДСТУ EN ISO 1461:2024, оптимізації конструкцій під гаряче цинкування та практичного застосування сучасних підходів до підвищення вогнестійкості сталевих елементів.