Прогнозирование огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 05.26.03

"Пожарная и промышленная безопасность" (технические науки, отрасль - строительство)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Прогнозирование Огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой

Голованов В.И.

Москва 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении

"Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны" Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийный бедствий (ФГУ ВНИИПО МЧС России)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор И.С. Молчадский

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор В.И. Присадков доктор технических наук, профессор В.М. Ройтман доктор технических наук, профессор П.Д. Одесский

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений "ЦНИИПромзданий"

Защита состоится 22 мая 2008 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета ДС 205.003.01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу: 143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, д. 12, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России

Автореферат разослан ____________ 2008 г. Исх. № ________

Отзыв на автореферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу.

Телефон для справок: 521-29-00

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук Е.Ю. Сушкина

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы. Обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений из стальных конструкций является важной государственной задачей. Для современного строительного производства характерно изготовление строительных конструкций и изделий индустриальными методами. Стальные конструкции находят широкое применение при возведении высотных зданий в качестве колонн, несущих элементов покрытий, каркасов. Эти конструкции отвечают задачам технического прогресса: они надежны, обладают высокими прочностными качествами, обеспечивают высокие темпы изготовления и возведения, благодаря высокой прочности они экономичны по затрате материала, транспортабельны и долговечны. С ростом строительства значительно увеличивается потребление металла в этой сфере.

В то же время элементы стальных конструкций должны отвечать требованиям противопожарной безопасности. Под действием высокой температуры во время пожара несущая способность стальных конструкций резко снижается, а иногда происходит их разрушение. Применение стальных конструкций, выполненных без учета требований огнестойкости, может привести к человеческим жертвам и значительным убыткам.

В связи с современными тенденциями в промышленном строительстве возводить объекты на больших площадях проблема предотвращения ущерба от крупных пожаров приобретает большое значение. Поэтому одной из главных задач при эксплуатации зданий является обеспечение нормативных прочностных свойств несущих стальных элементов не только в обычных условиях, но и при воздействии высоких температур, связанных с пожаром.

Таким образом, обеспечение работоспособности стальных конструкций при пожарах является весьма важной задачей.

В настоящее время большое внимание уделяется строительству нефтегазового комплекса, автодорожных тоннелей большой протяженности, где режимы огневого воздействия на строительные конструкции более интенсивны и значительно отличаются от "стандартного". Влияние более интенсивного температурного режима на прочностные характеристики металла и в конечном счете на огнестойкость стальных конструкций требует изучения.

Проблема огнестойкости решается усилиями многих научно-исследовательских, проектных организаций разных стран.

Расчет сжатых стальных элементов до потери ими несущей способности под действием огня и постоянной рабочей нагрузки производится как у нас в стране, так и за рубежом по обычным формулам строительной механики с заменой значения прочностных характеристик стали при нормальной температуре на их величины при повышенных температурах.

При огневом воздействии в стальных строительных конструкциях под действием постоянной нагрузки возникает деформация температурной ползучести, накопление которой приводит к потере несущей способности этих конструкций. Однако в настоящее время деформация ползучести не принимается во внимание при расчете критической температуры сжатых и изгибаемых стальных элементов как в отечественных, так и в зарубежных методиках.

Экспериментально-аналитических исследований по проблеме устойчивости сжатых стальных элементов конструкций в условиях воздействия высоких температур не проводилось. Данных по испытаниям на ползучесть при растяжении и сжатии стали и нестационарном режиме нагрева, необходимых для расчета устойчивости сжатых стальных элементов и расчета деформирования сжатых и изгибаемых элементов конструкций, также нет. Поэтому решение проблемы устойчивости и расчета деформации сжатых и изгибаемых стальных конструкций в условиях воздействия высоких температур является весьма важной практической задачей.

Проведенные за рубежом исследования деформаций ползучести при расчете на огнестойкость изгибаемых стальных элементов могут быть использованы частично, поскольку характеристики отечественных сталей отличаются от зарубежных.

Увеличение пределов огнестойкости стальных конструкций возможно благодаря использованию различных огнезащитных материалов и применению вновь разрабатываемых марок сталей с повышенными показателями термостойкости.

Целью работы является разработка метода расчета огнестойкости стальных сжатых и изгибаемых конструкций по критическим деформациям на основе изучения прочностных и деформативных свойств строительных сталей в условиях различных режимов огневого воздействия, в том числе отличных от "стандартного", и определения огнезащитной эффективности материалов для стальных конструкций.

Для достижения данной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:

- разработать математическую модель процесса деформирования стальных конструкций при пожаре с учетом температурной ползучести материала;

- исследовать механизм изменения прочностных и деформативных свойств применяемых в строительстве сталей: малоуглеродистой ВСт3пс, низколегированной 09Г2С и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости;

- установить особенности процесса кратковременной температурной ползучести исследованных марок стали при нестационарных режимах нагрева и получить параметры и аналитические зависимости для расчета этих деформаций;

- исследовать влияние интенсивности нагревания на величину критической температуры сжатых стальных стержней;

- разработать метод оценки несущей способности изгибаемых и сжатых стальных конструкций из наиболее типичных марок стали ВСт3пс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций, и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости в условиях огневого воздействия;

- исследовать закономерности огнезащитных свойств новых материалов для стальных конструкций и определить теплофизические характеристики этих материалов, необходимые для расчетов прогрева конструкций;

- установить критерии выбора систем пассивной защиты стальных конструкций от огневого воздействия.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- выявлены основные закономерности термосилового деформирования сжатых и изгибаемых стальных элементов с учетом деформации температурной ползучести и различных режимов огневого воздействия;

- предложена математическая модель расчета деформирования стальных балок в условиях огневого воздействия с учетом температурной ползучести стали, позволяющая определять влияние скорости нагрева на процесс деформировании балки. Модель апробирована с использованием экспериментальных данных, полученных автором и опубликованных в литературе, для стальных балок в условиях огневого воздействия. Результаты расчетов и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются;

- разработан новый метод определения устойчивости сжатых стальных стержней для оценки влияния гибкости, величины статической нагрузки, скорости нагрева, марки стали на критическую температуру и деформацию этих стержней при нестационарных режимах нагрева;

- выявлены особенности напряженно-деформированного состояния сжатых стальных стержней, получен новый метод определения критической температуры сжатых стальных стержней различной гибкости л с учетом деформации кратковременной температурной ползучести;

- разработан новый метод определения кратковременной температурной ползучести стали при растягивающем и сжимающем напряжении и стационарном и нестационарном режиме нагрева для оценки деформативной способности строительных сталей;

- выявлены основные закономерности и взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами исследованных марок стали при повышенных температурах;

- получены новые экспериментальные данные, характеризующие влияние и вид напряженного состояния, скорости нагрева и марки стали на деформацию температурной ползучести исследованных марок стали;

- впервые установлена взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами исследованных марок стали и температурными режимами в условиях огневого воздействия, показана возможность оценки необратимых температурных деформаций стали;

- предложена методика определения огнезащитных свойств покрытий и облицовок для стальных конструкций, позволяющая выбрать наиболее эффективный вариант огнезащиты. Получены зависимости изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости облицовок при их нагреве до высоких температур. Построены номограммы прогрева стальных пластин с различными видами огнезащитных материалов.

Практическая значимость работы. Решена научно-техническая проблема оценки предела огнестойкости, в том числе огнестойкости стальных несущих конструкций из традиционно применяемых марок стали и новых, с повышенными показателями термостойкости, с учетом условий их эксплуатации, различных условий огневого воздействия. Разработаны научно-методические основы выбора наиболее эффективного огнезащитного покрытия для стальных конструкций.

Разработаны расчетные и экспериментальные методы оценки несущей способности изгибаемых стальных конструкций из наиболее применяемых марок стали ВСт3пс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций, и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости с учетом деформации ползучести и различных режимов огневого воздействия для прогнозирования в условиях эксплуатации, противопожарного нормирования огнестойкости несущих стальных конструкций с учетом критических деформаций;

Разработаны инженерные методы оценки предела огнестойкости стальных конструкций по критическим деформациям, определения прочностных и деформативных параметров различных марок стали для задач математического моделирования процесса деформирования стальных балок в условиях различных режимов огневого воздействия.

Результаты работы позволяют сформулировать требования по выбору огнезащитных материалов для стальных конструкций с нормируемым пределом огнестойкости и учетом критериев необратимых деформаций, в том числе на стадии проектирования, снижению материального и социального ущерба.

Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством или при непосредственном участии автора в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена "Знак почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны" (ФГУ ВНИИПО) МЧС России с 1976 года при выполнении ряда Государственных программ (в том числе МВД, Госстроя России), плана НИР ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке:

НПБ 236-97 Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности;

НПБ 231-96 Потолки подвесные. Метод испытания на огнестойкость;

СНиП 21-01-97* Пожарная безопасность зданий и сооружений;

ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Общие требования;

ГОСТ 30247.1-94 Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции;

МГСН 4.19-2005 Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий-комплексов в городе Москве;

МГСН 5.03-02 Нормы проектирования городских автотранспортных тоннелей;

Методика определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты железобетонных конструкций автодорожных тоннельных сооружений. - М.: ВНИИПО, 2007;

Инструкции по расчету фактических пределов огнестойкости металлических конструкций. - М.: ВНИИПО, 1983;

Справочника "Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций, пожарная опасность строительных материалов, огнестойкость инженерного оборудования зданий". - М.: ВНИИПО, 1999;

Технической информации (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). - М.: ВНИИПО, 1995-2005;

Проект федерального закона № 487983-4 "О техническом регламенте "Общие требования пожарной безопасности" (внесен Правительством Российской Федерации, принят в первом чтении постановлением Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации от 13 ноября 2007 года за № 5404-4 ГД).

Результаты диссертации использованы в лекциях Учебного центра ФГУ ВНИИПО МЧС России, Учебно-консультативного центра МГСУ и Государственной академии профессиональной подготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС).

Получены экспериментальные данные об огнезащитной эффективности новых эффективных материалов, которые использованы различными предприятиями-производителями, проектными и строительными организациями, органами ГПС.

На защиту выносятся:

- основы обеспечения требуемой огнестойкости стальных конструкций с учетом деформации кратковременной температурной ползучести и новых эффективных огнезащитных материалов;

- результаты математического моделирования процесса деформирования изгибаемых стальных балок из исследованных марок стали в условиях огневого воздействия;

- методики исследования прочностных и деформативных свойств стали при растяжении и сжатии в условиях нестационарных режимов нагрева;

- научно обоснованные методы оценки несущей способности сжатых и изгибаемых стальных конструкций в условиях огневого воздействия с учетом кратковременной температурной ползучести;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния марки стали на прочностные и деформативные свойства исследованных сталей при нагреве до высоких температур;

- экспериментальные данные о влиянии уровня напряжения и температурных режимов нагрева стали на деформацию температурной ползучести стали при растяжении и сжатии;

- результаты исследований огнестойкости стальных изгибаемых балок из различных марок стали с огнезащитой и без неё;

- методика определения устойчивости и несущей способности сжатых стальных стержней различной гибкости при различных режимах нагрева;

- результаты экспериментальных и теоретических исследований огнезащитной способности новых эффективных материалов для стальных конструкций;

- эффективные способы защиты стальных конструкций от теплового воздействия в условиях огневого воздействия.

Достоверность полученных результатов подтверждается данными крупномасштабных огневых экспериментов, адекватностью теоретических моделей реальным условиям статической нагрузки стальных конструкций в условиях огневого воздействия, выбором критериев и параметров, позволяющих сравнивать теоретические и экспериментальные данные, удовлетворительной точностью экспериментальных методов и погрешностями измерений.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена большим объемом экспериментально-теоретических исследований со стальными элементами в натуральную величину, апробацией методик оценки огнезащитной эффективности строительных конструкций, соответствием результатов расчетных и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения результатов работы в Государственную противопожарную службу и другие ведомства.

Экспериментально-теоретические разработки выполнены применительно к стальным сжатым и изгибаемым конструкциям из малоуглеродистой стали ВСт3пс, низколегированной 09Г2С и новых марок стали 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости и с новыми огнезащитными материалами.

Апробация работы. Результаты работы, основные её положения и выводы докладывались и обсуждались на Х Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений (Москва, 1990), ХIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95" (Москва, 1995), Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы" (Москва, 1997), II Международном семинаре "Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита объектов (Москва, 1997), ХV Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (Москва, 1999), ХVI Всероссийской научно-практической конференции "Крупные пожары: предупреждение и тушение" (Москва, 2001), Всероссийской научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда" (Москва, 2002), ХVIII Всероссийской научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (Москва, 2003), ХIХ Международной научно-практической конференции "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений" (Москва, 2005), научно-практической конференции "Пожарная защита зданий и сооружений в условиях Сибири и Крайнего Севера" (Иркутск, 2005), Международной научно-практической конференции "Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации" (Гомель, Беларусь, 2006), VII научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций". (Москва, 2007), ХХ Международной научно-практической конференции "Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах" (Москва, 2007).

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 52 печатные работы. В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также выполненной с коллегами (И.А. Болодьяном, И.С. Молчадским, И.Р. Хасановым, А.П. Шевчуком, А.В. Ружинским, Н.П. Савкиным, Р.А. Яйлияном, В.И. Щелкуновым и др.) и соискателями автора. Под руководством и при непосредственном участии автора определялись направления исследований, разрабатывались установки, методики экспериментов, осуществлялся анализ и обобщение полученных результатов, формулировались выводы и проводилось внедрение в практику.

Объем и структура работы. Диссертационная работа изложена на 337 страницах машинописного текста и состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает 174 наименования. Общий объем работы включает 79 рисунков и 37 таблиц.

2. Основное содержание работы

Диссертация состоит из введения, шести, глав, выводов и списка литературы.

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы и ставятся задачи исследования, излагаются основные положения, выносимые на защиту, даются сведения, характеризующие практическую значимость результатов исследований, их апробацию и публикацию в научно-технической литературе.

Первая глава (аналитический обзор) посвящена анализу современного состояния проблемы обеспечения пожарной безопасности стальных строительных конструкций в условия огневого воздействия. Рассматривается специфика обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений в части обеспечения огнестойкости стальных несущих конструкций. Проводится анализ наиболее крупных пожаров за последние годы в сооружениях различного функционального назначения со стальными конструкциями, повлекших за собой гибель людей и значительные убытки. Подчеркивается, что в условия большого объёма строительства нефтегазового комплекса и автодорожных тоннелей значительной протяженности режимы огневого воздействия на строительные конструкции в этих сооружениях более интенсивны и значительно отличаются от "стандартного".

Изучению проблемы обеспечения огнестойкости строительных конструкций посвящены работы таких известных специалистов, как А.И. Яковлев, В.П. Бушев, В.А. Пчелинцев, В.Ф. Федоренко, В.М. Ройтман, В.В. Жуков, И.С. Молчадский, А.Ф. Милованов, В.С. Федоров, В.В. Соломонов, В.Н. Зигерн-Корн, Н.И. Зенков, В.Г. Олимпиев, Т. Харматти, Д. Тоор, С. Магнуссон, О. Петтерсон, и других ученых.

Однако исследования механизма огневого воздействия на стальные конструкции с огнезащитой до настоящего времени не привели к созданию обоснованного подхода к решению проблемы достоверной оценки огнестойкости стальных конструкций в зависимости от деформированного состояния и режимов огневого воздействия.

Результаты анализа состояния проблемы и обобщения работ по исследованию огнестойкости строительных конструкций позволяют сделать вывод о том, что существующие теоретические модели не учитывают влияние различных режимов нагрева стали на огнестойкость строительных конструкций.

Экспериментально-аналитических исследований по проблеме устойчивости сжатых стальных элементов конструкций в условиях огневого воздействия проводилось недостаточно, как и исследований на ползучесть при растяжении и сжатии стали и при нестационарном режиме нагрева, необходимых для расчета устойчивости сжатых стальных элементов и учета деформированного состояния сжатых и изгибаемых элементов конструкций при огневом воздействии.

В существующих методиках критическую температуру рассчитывают в момент обрушения стального элемента. Расчет сжатых и изгибаемых стальных элементов до потери ими несущей способности под действием огня и постоянной рабочей нагрузки производится по обычным формулам строительной механики, с заменой в расчетах значения прочностных характеристик стали при нормальной температуре на их величины при повышенных температурах.

Изменение предела текучести и модуля упругости стали с повышением температуры имеет важное значение при расчетах на прочность сжатых и изгибаемых элементов. Однако не менее существенным в поведении стали при высоких температурах оказывается явление ползучести.

При огневом воздействии в стальных строительных конструкциях под действием постоянной нагрузки возникает деформация температурной ползучести, накопление которой приводит к потере несущей способности этих конструкций. Однако в настоящее время деформация ползучести не принимается во внимание, при расчете критической температуры сжатых и изгибаемых стальных элементов. Влияние скорости нагрева на прочностные и деформативные свойства стали изучено не достаточно.

Обрушение несущих стальных конструкций при воздействии на них температурного режима "стандартного пожара" происходит через 10-15 мин после начала пожара. Использование различных вариантов огнезащиты позволяет увеличить предел огнестойкости стальных конструкций до требуемых значений. Однако обоснованный выбор покрытий и облицовок для стальных конструкций, в зависимости от их огнезащитной эффективности, условий эксплуатации и других критериев, до сих пор не разработан.

Таким образом, с учетом вышеизложенного, выбраны следующие направления работы:

- разработка математической модели, позволяющая рассчитывать процесс деформирования стальных конструкций при огневом воздействии с учетом температурной ползучести материала и различных температурных режимов нагрева стали;

- разработка методики и проведение огневых испытаний для определения предела огнестойкости сжатых и изгибаемых стальных конструкций из различных марок стали с огнезащитой и без неё;

- исследование механизма изменения прочностных и деформативных свойств сталей при высоких температурах: малоуглеродистой ВСт3пс, низколегированной 09Г2С и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости;

- установление особенностей процесса кратковременной температурной ползучести исследованных марок стали при нестационарных режимах нагрева и определение параметров и аналитических зависимостей для расчета этих деформаций при растяжении и сжатии, различных уровнях напряженного состояния и режимах нагрева;

- исследование влияния скорости нагрева стали, гибкости, эксцентриситета приложения нагрузки на величину критической температуры сжатых стальных стержней;

- исследование закономерностей огнезащитных свойств новых эффективных материалов для стальных конструкций и определение их теплофизических характеристик, которые необходимы для расчетов прогрева конструкций;

- установление критериев выбора систем пассивной защиты стальных конструкций от огневого воздействия.

Вторая глава (экспериментальные исследования прочностных и деформативных свойств строительных сталей в условиях высоких температур) посвящена изучению прочностных и деформативных свойств известных строительных сталей и новых, с повышенными показателями термостойкости, в условиях высоких температур, а также влиянию различных факторов (скорости нагружения образцов, растягивающем и сжимающем напряжениях) на диаграммы работы стали.

В диссертации исследуются механические и деформативные свойства наиболее часто используемых в строительстве стали марок: малоуглеродистой ВСт3пс, низколегированной 09Г2С, а также двух новых марок стали с повышенными показателями термостойкости: обычной 06БФ и повышенной прочности 06МБФ.

Целью исследований механических свойств наиболее применяемых и новых термостойких марок стали, рекомендованных для несущих строительных конструкций, является определение диаграмм растяжения и сжатия в условиях высоких температур.

Исследования проводились в предварительно оптимизированных условиях эксперимента. С этой целью была разработана методика испытаний. Для проведения испытаний на сжатие и растяжение были спроектированы и изготовлены печи, имеющие особое распределение обмотки по ее длине. Для проведения исследований по изучению прочностных характеристик сталей, исключающих влияние деформации ползучести на кривую деформации-напряжения, эксперименты проводились со скоростью нагружения образцов при растяжении и сжатии, которая была эквивалентна увеличению напряжения 90 МПа /мин.

Эксперименты на растяжение при нагреве проводились на круглых цилиндрических образцах. Для экспериментов на сжатие были специально разработаны цилиндрические образцы с выточками по торцам. Для исключения контактного трения по торцам образцов цилиндрические выточки заполнялись графитовым порошком.

Для сравнительных исследований прочностных показателей при растяжении и сжатии в условиях повышенных температур были выбраны стали ВСт3пс и 09Г2С, отличающиеся прочностными показателями и химическим составом (рис.1).

Выявлено, что диаграммы растяжения и сжатия для малоуглеродистой стали ВСт3пс и низколегированной 09Г2С имеют одинаковый качественный характер, механические характеристики несколько отличаются друг от друга. Диаграммы сжатия превышают соответствующие диаграммы растяжения. Причиной указанного отличия является небольшое влияние контактного трения по торцам на напряженное состояние образцов и более сильное влияние неточностей при изготовлении образцов.

По данным проведенных исследований были построены кривые изменения прочностных показателей и ( рис. 2), характеризующих снижение модуля упругости Е и предела текучести сталей ВСт3пс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ в условиях повышенных температур.

Анализ динамики изменения коэффициентов и показал, что характер снижения кривых является монотонным для всех марок сталей. Кривые коэффициента также снижаются с ростом температуры, но в интервале 200-400 0С скорость снижения уменьшается (за счет упрочнения), а выше 400 0С вновь увеличивается.

растяжение _ _ _ _ _ _ сжатие

1 - 293 К; 2 - 473 К; 3 - 573 К; 4 - 673 К;

5 - 773 К; 6 - 873 К.

_________ растяжение

_ _ _ _ _ _ сжатие

1 - 293 К; 2 - 473 К; 3 - 573 К;

4 - 673 К; 5 - 773 К; 6 - 873 К.



Рис. 1. Диаграммы работы низколегированной стали марки 09Г2С (а) и малоуглеродистой стали марки ВСт3пс (б) при сжатии и растяжении в условиях повышенных температур со скоростью нагружения 90 МПа/мин

Рис. 2. Прочностные параметры (а) и (б), учитывающие снижение модуля упругости и предела текучести сталей ВСт3пс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ при повышенных температурах

Более резкое снижение выше 400 0С связано с явлением рекристаллизации стали и вследствие этого с повышением ее пластичности.

Выявлено, что снижение и для малоуглеродистой стали и низколегированной при повышенных температурах происходит более интенсивно, чем у новых сталей с повышенными показателями термостойкости.

Полученные нами зависимости влияния температуры стали на прочностные показатели исследованных сталей позволяют повысить точность расчетов на огнестойкость.

Третья глава (исследование кратковременной температурной ползучести стали) посвящена экспериментально-аналитическому исследованию влияния температурного режима, напряжения растяжения или сжатия на деформацию кратковременной температурной ползучести сталей марок ВСт3пс, 09Г2С, 06БФ, 06МБФ и выявлению механизма их действия.

С использованием теории ползучести, предложенной Д. Тором, позволяющей рассматривать влияние изменяющейся во времени температуры, показано, что структура стали, получавшаяся в результате ползучести, зависит от параметра "приведенного времени" и практически может считаться одинаковой при одинаковых значениях .

Проведены экспериментальные исследования для определения параметров ползучести со сталями ВСт3пс, 09Г2С, 06БФ, 06МБФ.

Деформация ползучести для определенной марки стали зависит от величины напряжения и от "приведенного времени" , которое определяется соотношением

где: - "приведенное время" параметр, характеризующий режим нагрева, ч; T - температура, К; - время, ч; м - параметр характеризующий марку стали, К.

Расчет деформации ползучести проводился по аналитической зависимости:

=

где:- параметры ползучести, зависящие от величины напряжения.

Исследования кратковременной температурной ползучести проводились при растяжении и сжатии для определения сравнительных характеристик ползучести стали. Эксперименты на ползучесть при сжатии проводились на модернизированной рычажной установке, которая сблокирована с переносной муфельной электропечью.

Величина м и соотношение между напряжением и параметрами Z и были определены при испытаниях на ползучесть при растяжении с постоянной температурой и напряжением.

Согласно принятой теории ползучести величина деформации ползучести зависит только от напряжения у и "приведенного времени" и, тогда величина и в двух испытаниях должна быть одинаковой.

Если деформации ползучести в двух экспериментах имеют одинаковое значение при одной и той же величине напряжения, тогда:

,

где: - температура при экспериментах №1и 2;

- время достижения одинаковой деформаций при испытаниях №1 и 2;

Параметр Z определяем из соотношения

,

где - скорость установившейся ползучести во время стандартных испытаний на ползучесть.

Влияние температуры при испытании стали в условиях постоянного напряжения составляющего 150 МПа для стали ВСт3пс, представлено на рис. 3. Аналогичные кривые ползучести получены для всех исследуемых марок стали. Кривые ползучести имеют ярко выраженные участки установившейся ползучести, на которых скорость ползучести постоянна.

Рис. 3. Характерные кривые ползучести малоуглеродистой стали марки ВСт3пс при напряжении у = 150 МПа и различных режимах нагрева

Значения Z, определенные при испытаниях сталей ВСт3пс, 09Г2С, представлены на графиках в качестве функции напряжения на рис. 4а с одной переменной в логарифмической шкале, и на рис. 4б с двумя переменными в логарифмической шкале. С помощью этих графиков получены аналитические зависимости между Z и напряжением.

Определено, что значения в качестве функции напряжения достаточно приближены к прямой линии на графике, где обе переменные сведены к логарифмической шкале (рис. 5).

В табл. 1 представлены значения параметра м, аналитические зависимости между напряжением у и Z , а также зависимости между напряжением у и исследуемых марок сталей.

Установлено, что теория ползучести, примененная в данной работе для вывода аналитических зависимостей с целью определения деформации ползучести при растяжении и получившая хорошую сходимость с экспериментом, применима для определения деформации ползучести при сжатии.

Рис. 4. Соотношение между Z и напряжением у, представлено на графике с Z-осью в логарифмической шкале (а) и с обеими осями в логарифмической шкале(б)

Рис. 5. Соотношение междуи напряжением у, представлено на графике с обеими осями в логарифмической шкале.

Таблица 1

Марка стали	Временное сопротивление ув, МПа	Предел текучести, уу, МПа	м, К	Z, ч-1
ВСт3пс	405	250	27200
09Г2С	490	350	23000
06БФ	476	375	23600
06МБФ	576	471	22100

При сравнении значений параметров ползучести сталей марок ВСт3пс, 09Г2С установлено, что значения параметров при растяжении и сжатии м и мс , Z и Zc , и различаются. Однако кривые ползучести растяжения и сжатия, отличаются незначительно, поэтому можно сделать вывод, что при определении еп расхождение между параметрами ползучести мало влияет на конечный результат.

При одинаковом напряжении абсолютная величина скорости установившейся ползучести при растяжении и при сжатии одинакова в пределах погрешности эксперимента.

С целью экспериментальной проверки полученных аналитических зависимостей для определения деформации ползучести при нестационарном режиме нагрева образцов были проведены исследования на ползучесть при растяжении и сжатии в условиях произвольно изменяющихся режимов нагрева.

Сходимость экспериментальных и аналитически рассчитанных данных ползучести сталей в условиях нестационарного режима нагрева удовлетворительная (рис. 6).

Рис. 6. Кривые ползучести и режимы нагрева стали марки 06БФ при растягивающем напряжении у=200 МПа

В четвертой главе (экспериментально-аналитическое исследование несущей способности сжатых стальных элементов при воздействии высоких температур) представлено исследование деформативности и устойчивости сжатых стальных стержневых элементов при нагреве с учетом принятых допущений: а) деформации по сечению распределяются согласно гипотезе плоских сечений; б) изогнутая ось стержня принимается в виде синусоидальной кривой.

Установлено, что до нагрева в сечении сжатого стержня всегда имеется разность напряжений на противопожарных гранях, перпендикулярных плоскости изгиба, которая при нагреве стержня вызывает увеличивающуюся с ростом температуры разность деформации ?е стали на отмеченных гранях, в результате чего происходит деформирование оси стержня.

Потеря несущей способности внецетренно сжатого стержня происходит вследствие увеличения прогиба в процессе нагрева. Деформирование оси внецентренно сжатого стержня принимаем по полуволне синусоиды, тогда прогиб будем определять по формуле

,

где - разность фибровых деформаций стержня; - расчетная длина, м; - высота сечения, м.

Установлено, что выражение для расчета критической деформации ползучести стали, вызывающей потерю несущей способности стержня, имеет вид:

,

где ;

- площадь сечения, м2; е - эксцентриситет, м; - момент сопротивления сечения, м3; - гибкость; - рабочее напряжение, Па;

- коэффициент уровня напряжений, возникающих за счет прогиба

Для упрощения расчет критической температуры сжатых стальных стержней предлагается проводить по заранее построенным кривым ползучести.

Для центрально сжатых стержней, у которых начальный эксцентриситет можно принять равным 0 , формула для определения приобретает вид:



Для центрально сжатых стержней большой гибкости () на основании экспериментальных данных выявлена зависимость изменения разности фибровых деформаций ползучести стали с ростом температуры и нагрузки на стержень. Такая зависимость была найдена на основе обработки результатов испытаний центрально сжатых стержней при действии высокой температуры

,

где ,

- начальная температура стержня, К; - температура стержня в процессе нагрева, К; - предел текучести стали, Па.

Для определения критической температуры центрально сжатых стальных стержней большой гибкости получена зависимость:

При рассмотрении представленных данных (рис. 7а) о влиянии скорости нагрева на величину видно, что достижение критической температуры, приводящей к потере несущей способности стержня, может произойти при стационарном режиме нагрева, т.е. когда скорость нагрева равна нулю за счет накопления деформации ползучести . Этот факт еще раз показывает, что основную роль при потере устойчивости в условиях высоких температур играет деформация ползучести .

Установлено, что большое влияние на величину оказывает гибкость сжатого стержня. Из приведенных на рис. 7б данных видно, что при увеличении гибкости стержня величина уменьшается, причем темп уменьшения значительнее в области средних и больших гибкостей.

Цель проведенного экспериментального исследования состояла в изучении фактической работы сжатых стальных стержней из марок стали, рекомендованных для несущих строительных конструкций. Эксперименты проводились при различных величинах гибкости , уровней нагружения, эксцентриситета приложения нагрузки при режимах нагрева, близких к реальным режимам нагрева стальных несущих конструкций при пожарах, и при проверке результатов аналитического расчета этих стержней, приведенного в главе 4. Кроме этого, настоящие испытания имели цель проверить как практически влияет скорость нагрева в диапазоне от 3 до 30 град/мин на величину критической температуры , которая соответствует требованиям норм по пределам огнестойкости.

Рис. 7а. Зависимость скорости нагрева н на критическую температуру Ткр центрально сжатого стержня гибкостью л=122 из стали марки ВСт3пс Рис. 7б. Зависимости гибкости л на критическую температуру Ткр центрально сжатых стержней из стали ВСт3пс

Испытания на сжатие при нагреве проводились на стержнях прямоугольного сечения. Всего было испытано 64 стержня из стали марки ВСт3пс и 40 стержней из стали марки 09Г2С.

Эксперименты проводились на модернизированной рычажной установке, в которой образцы стержней нагружались постоянной статической нагрузкой и непрерывно нагревались с заданной скоростью. Стержни испытывались с применением опор, которые позволяли создавать в плоскости изгиба шарнирное закрепление, а в перпендикулярной плоскости закрепление стержня было близким к полному защемлению.

Сжатые элементы строительных конструкций при пожаре теряют устойчивость после достижения критической продольной деформации вследствие ползучести металла. Для определения критической продольной деформации необходимо знать разность краевых деформаций, а следовательно, и величину прогиба. Поэтому определение прогиба сжатых стержней при высоких температурах является важным звеном при определении критической температуры сжатых стержней.

Для примера в табл. 2 приведены результаты испытаний центрально сжатых и внецентренно сжатых стержней из малоуглеродистой стали ВСт3пс и низколегированной стали 09Г2С. Для сравнения в этой таблице указаны экспериментальные и рассчитанные значения критических температур испытанных стержней.

Анализ результатов испытаний сжатых стержней при нагреве показывает, что теоретические величины критических температур хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Для большинства испытанных стержней разница между экспериментальными и теоретическими величинами не превышает 5 %. Несколько большая разница (до 10 %) наблюдается у отдельных образцов большой гибкости, для которых добиться равномерного распределения температуры по длине сложнее.

При сравнении значений критических температур для стержней из сталей ВСт3пс и 09Г2С при прочих равных условиях значения для стержней из низколегированной стали 09Г2С выше, чем для стержней из малоуглеродистой стали ВСт3пс. Отсюда следует, что величина в условиях повышенных температур больше у элементов, изготовленных из сталей повышенной прочности.

Установлено, что расчет критической температуры, проведенный при крупномасштабных огневых испытаниях для стальных колонн и моделей стержней, имеет лучшую сходимость с экспериментальными данными полученными по новой методике расчета, по сравнению с используемой в настоящее время (табл. 2).

Таблица 2

№ п/п	Марка стали	Предел текучести уу, МПа	Нагрузка, N, кН	Геометрические параметры конструкции	Критическая температура нагрева
				F·104, мІ	W ·106, мі	L, м	л	Опыт	Расчет по трад. методике	Погрешность, %	Расчет по методике автора	Погрешность, %
Испытания центрально сжатых колонн, ВНИИПО (В.С. Федоренко)
1	Ст3	295	1627	96	194	3,50	48	763	808	+5,9	783	+2,6
2	09Г2С	360	900	96	194	3,50	123	913	828	9,3	895	+2,0
3	09Г2С	310	1100	96	194	3,50	170	673	570	15,3	687	-2,1
Испытания внецентренно сжатых колонн (Германия)
4	-	235	900	104	267	3,60	71,1	741	873	+18	789	-6,5
5	-	233	600	104	267	3,60	71,1	863	923	+7,0	846	+2,0
6	-	266	800	87	292	3,60	55,5	858	883	+3,0	853	+0,6
Испытания стержней (получены автором)
7	ВСт3пс	250	42	6	2	0,26	45	843	898	+6,5	868	+3,0
8	ВСт3пс	250	31	6	2	0,35	61	873	943	+8,0	890	+1,9
9	ВСт3пс	250	59	6	2	0,415	72	828	883	+6,6	802	-3,1
10	09Г2С	350	100	6	2	0,26	45	818	863	5,5	635	-2,1
11	09Г2С	350	100	6	2	0,35	61	800	863	+7,8	786	-1,8
12	09Г2С	350	50	6	2	0,646	112	847	920	+8,6	840	-0,8

Полученное в диссертации удовлетворительное совпадение экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о приемлемости принятых в основу аналитических исследований допущений, а также дает основание считать условия работы испытываемых стержней достаточно близкими к расчетным.

В пятой главе (экспериментально-аналитическое исследование несущей способности стальных изгибаемых балок при воздействии высоких температур) рассмотрены теоретические и экспериментальные аспекты прогнозирования деформированного состояния стальных балок из сталей с повышенными показателями термостойкости в условиях огневого воздействия.

Математическая модель основана на следующих допущениях: а) деформации по сечению распределяются согласно гипотезе плоских сечений; б) для определения кривизны стержня принимается приближенное выражение: , где - радиус кривизны изогнутой оси стержня; в) изогнутая ось отрезка, на которое разбивается балка, принимается в виде параболы. В расчетной модели прогиб балки при огневом воздействии рассчитывался в конце каждого временного интервала, где сумма остаточной деформации от предыдущих временных периодов и деформации ползучести во временной интервал рассчитывалась с помощью уравнений ползучести, описанных в главе 3.

Распределение деформации по высоте поперечного сечения балки рассматривалось как сумма деформаций от сжатия и от изгиба , а зависимость деформации от напряжения определялась по формуле



Условия равновесия балки от продольной силы и изгибающего момента запишутся в виде: нагревание температура стальной стержень

;

,

где - расстояние до нейтральной оси, м; h - высота балки, м; - площадь элемента, мІ.

С помощью формул для определения N и М получаем значения и

;

После вторичного интегрирования приближенного дифференциального уравнения изогнутой оси балки и преобразований, с учетом граничных условий опирания балки, получаем рекуррентные формулы для угла поворота и прогиба в i - м узле:



где ; ; G - количество узлов разбиения балки; - длина участка; S - координата, по которой ведется интегрирование.

Используя рекуррентные формулы и граничные условия на опорах балки при G>?, получаем формулы для определения угла поворота и прогиба k-го узла:

;

.

Таким образом, получена замкнутая система расчета деформированного состояния балки в условиях огневого воздействия.

Используя полученное уравнение, в качестве примера определим прогиб в среднем сечении балки при её разбивке на 10 равных участков, где G = 10 - количество участков на которое разбита балка; = L/G - длина участка балки: k = 5 - номер участка балки. При этом

Получена математическая модель для решения численным методом деформации балок из сталей с исследованными прочностными и деформативными характеристиками при огневом воздействии.

С целью исследования огнестойкости стальных двутавровых балок и сопоставления с расчетными данными были проведены крупномасштабные эксперименты с балками из исследованных марок стали. Для проведения испытаний на огнестойкость была модернизирована установка для испытаний на огнестойкость плит перекрытий и покрытий.

Установлено, что при одинаковом значении нормативного сопротивления для конструкций из указанных марок стали, в сравнении с обычными марками, в процессе нагревания наблюдается более продолжительное сохранение прочностных свойств. В данном случае исключается характерное для обычных марок стали начальное быстрое нарастание деформаций температурной ползучести под действием постоянной нагрузки, накопление которой приводит к потере несущей способности конструкций. Таким образом, время достижения предельных деформаций продлевается.

Опытные образцы для огневых испытаний представляли собой сварные двутавровые балки длиной 3000 мм и высотой поперечного сечения 180 мм которые подвергались трехстороннему тепловому воздействию. Наружная поверхность верхней полки двутавра (не обогреваемая) теплоизолировалась. Основные результаты испытаний стальных двутавровых балок представлены в табл. 3.

Для примера на рис. 8 представлены диаграммы изменения температур и прогибов при испытаниях двутавровых балок из исследованных марок стали под нагрузкой и расчетные значения прогибов. Проведенная корреляция экспериментальных и расчетных данных полученных предложенным методом показала их удовлетворительную сходимость.

Установлено, что данная математическая модель может быть использована для расчета стальных конструкций любой конфигурации, с огнезащитой и без нее. Численное решение статической задачи позволяет учитывать разнообразные режимы нагрева стали, в зависимости от применяемой огнезащиты и режима огневого воздействия.

Таблица 3 Сравнение результатов Огневых испытаний и расчетов стальных балок

№ п/п	Марка стали, термообработка	Класс стали	Предел текучести уу, МПа	Нагрузка, N, кН	Изгибающий момент Мн , кН·м	Степень нагружения, гт	Критическая температура нагрева, єС
							Опыт	Расчет по гт и ге	Погрешность, %	Расчет по м , Z и еt0	Погрешность, %
	ВСт3пс горячекат.	255	277	40,00	29,40	0,44	667	554	-16,9	620	-7,0
				53,65	39,43	0,59	619	523	-15,5	582	-6,0
	06БФ горячекат.	255	321	53,65	39,43	0,51	679	666	-1,9	676	-0,4
				53,65	39,43	0,51	698	666	-4,6	676	-3,2
	06БФ термически улучшенная	255	321	53,65	39,43	0,51	654	666	+1,8	676	+3,3
				53,65	39,43	0,51	691	666	-3,6	676	-2,2
	09Г2С горячекат.	345	373	77,50	58,13	0,65	601	509	-15,3	575	-4,3
				77,50	58,13	0,65	589	509	-13,6	575	-2,4
	06БФ термически упрочненная	255	321	77,50	58,13	0,76	611	575	-5,8	604	-1,1
				77,50	58,13	0,76	622	575	-7,5	604	-2,8
	06БФ горячекат.	255	321	77,50	58,13	0,76	605	575	-5,0	604	-0,2
	06БФ горячекат. с огнез. покр. "ОГРАКС"			77,50	58,13	0,76	591	575	-2,8	604	+2,1
	06БФ горячекат.	255	321	77,50	58,13	0,76	627	575	-8,3	604	-3,7
				77,50	58,13	0,76	628	575	-8,5	604	-3,9
	06МБФ горячекат.	345	471	53,65	39,43	0,35	677	700	+3,4	705	+4,1
				53,65	39,43	0,35	686	700	+2,1	705	+2,8

Предложенный расчетный метод позволяет получить следующие преимущества, в отличие от традиционных методов: повысить точность расчетов стальных несущих конструкций на огнестойкость; расширить диапазон применения расчетного метода с внедрением новых условий работы и режимов обогрева конструкций при пожаре; использовать расчетный метод в развитии системы "гибкого" нормирования в области пожарной безопасности.

Рис. 8. Экспериментальные и расчетные диаграммы крупномасштабных огневых испытаний двутавровых балок под нагрузкой.

В шестой главе (расчет температур в сечениях несущих стальных элементов, защищенных эффективными материалами) изложена методика расчета температуры стальных конструкций, защищенных эффективными материалами, проведен анализ экспериментальных исследований огнезащитной эффективности покрытий и рассмотрены особенности выбора средств огнезащиты.

Анализ исследований показывает, что для расчета предела огнестойкости стальных элементов с огнезащитой необходимо определить время до потери несущей способности, т.е. время прогрева элементов до наступления критической деформации, либо критической температуры.

Расчет производится при следующих начальных и граничных условиях.

Начальные условия:

- температура по сечению конструкции одинакова и равна температуре окружающей среды Тн = 293 К.

Граничные условия:

- температура Тв пожара в помещениях изменяется по кривой стандартного пожара, характеризуемой зависимостью

;

- коэффициент теплоотдачи от нагревающей среды с температурой Тв к поверхности с температурой Т0 вычисляется по формуле

.

Приведенная степень черноты системы "огневая камера - поверхность конструкции" определяется зависимостью:

Программа для расчета температуры стальных конструкций составляется по алгоритму, который представляет собой ряд формул, полученных на основе решения краевой задачи теплопроводности методом элементарных балансов (конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности Фурье при внешней и внутренней нелинейности и наличии отрицательных источников тепла: испарения воды в облицовке и нагрева стального элемента).

В теплотехническом расчете используются данные о характеристиках теплопереноса: коэффициенте теплопроводности , теплоемкост...