Прогнозирование огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой

Алгоритм расчета температур для случая, когда стальная пластина с одной стороны ограничена идеальной теплоизоляцией, а с другой - облицовкой состоит из следующих формул:

- температура обогреваемой поверхности облицовки:

;

- температура в средних слоях "" облицовки:

;

где:;

- температура стальной пластины:

где:

Исследования огнезащитной эффективности покрытий для стальных конструкций позволили получить зависимости изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости огнезащитных облицовок при огневом воздействии (табл. 4). Для получения этих зависимостей проводились огневые испытания стальных облицованных конструкций. При наличии экспериментальных данных путем решения обратной задачи теплопроводности с помощью ЭВМ по разработанной программе были определены теплофизические характеристики (коэффициенты теплопроводности и теплоемкости) материала.

Таблица 4 Теплотехнические характеристики облицовок

Полученные параметры теплофизических характеристик для различных облицовок позволили построить номограммы прогрева стальных неограниченных пластин в зависимости от толщины стали , и толщины облицовки для 16 видов материалов.

В тех случаях, когда получение теплофизических характеристик расчетом не представлялось возможным (например, при исследовании вспучивающихся покрытий), проводились дополнительные теплофизические испытания огнезащищенных стальных плит, в результате которых определялись зависимости огнезащитной способности покрытий от толщины металла . Эти зависимости можно применять для расчета пределов огнестойкости конструкций.

Анализ исследований по определению огнезащитной эффективности средств огнезащиты позволил разработать структурно-методологическую схему выбора огнезащиты (рис. 9).

Рис. 9. Структурно-методологическая схема выбора огнезащиты

Основные выводы

1. Разработана система методик по исследованию огнестойкости сжатых и изгибаемых стальных конструкций из сталей обычных марок и сталей с повышенными показателями термостойкости и с использованием различных видов огнезащитных материалов.

2. Разработана математическая модель, описывающая динамику деформирования несущих стальных балок, в условиях различных режимов огневого воздействия. Выявлен механизм действия деформации температурной кратковременной ползучести на процесс нарастания прогиба в балках. Определены параметры, описывающие процесс деформирования стальных изгибаемых элементов при высоких температурах.

Предложенная математическая модель расчета деформирования стальных балок в условиях огневого воздействия, с учетом температурной ползучести стали, позволяет определять влияние скорости нагрева на процесс деформировании балки.

Модель апробирована с использованием экспериментальных данных, полученных автором и опубликованных в литературе для стальных балок из сталей в условиях стандартного огневого воздействия. Результаты расчетов и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются.

3. Создана современная по техническому уровню экспериментальная установка для проведения испытаний на огнестойкость изгибаемых стальных балок при статической нагрузке. Конструктивное исполнение установки позволяет создавать и контролировать в огневой камере различные режимы огневого воздействия, обеспечивать различные уровни нагружения соответствующие реальным условиям эксплуатации (способ опирания, трехсторонней обогрев, трехметровый пролет балки и др.).

Выявлены основные закономерности влияния напряженного состояния и скорости нагрева стали на величину критической деформации стальных балок. Показано, что использование новых марок стали с термостойкими добавками увеличивает время до момента обрушения балок при огневом воздействии.

4. Проведенный комплекс исследований прочностных и деформативных свойств сталей конструкционных и сталей с повышенными показателями термостойкости позволил:

- установить закономерности, характеризующие уровень и вид напряженного состояния, влияние скорости нагрева и марки стали на деформацию температурной ползучести малоуглеродистой стали ВСт3пс, низколегированной 09Г2С и новых марок сталей 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости;

- выявить основные закономерности и взаимосвязь между прочностными свойствами при повышенных температурах и видом напряженного состояния (растяжение, сжатие), скоростью нагружения исследованных марок стали;

- выявить характер изменения модуля упругости Е (Т) и предела текучести при нагреве исследуемых сталей при растяжении и сжатии и установить величину расхождения прочностных показателей;

5. Предложена модель деформации кратковременной температурной ползучести. В основу модели положена теория ползучести, позволяющая рассматривать влияние температуры, которая изменяется со временем. Адекватное описание этой моделью наблюдаемой динамики нарастания необратимых деформаций стали в экспериментах позволяет рекомендовать её для определения ползучести стали в условия огневого воздействия. Её использование позволило:

- установить взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами исследованных марок стали и температурными режимами в условиях огневого воздействия, показать возможность оценки необратимых температурных деформаций стали с учетом различных скоростей нагрева;

- определить параметры ползучести м , , Z и мс, и Zc, описывающие процесс ползучести при нестационарных режимах нагрева, соответствующих режимам нагрева стальных конструкций с различными видами огнезащитных покрытий при огневом воздействии;

- установить, что деформацию ползучести , не превышающую 2%, при режимах нагрева стали от 3 до 30 град/мин можно рассчитывать в данном интервале при средней скорости нагрева.

6. Разработаны расчетные и экспериментальные методы оценки несущей способности сжатых стальных конструкций из наиболее применяемых марок стали ВСт3пс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций, с учетом деформации ползучести и различных режимов огневого воздействия для прогнозирования, математического моделирования, противопожарного нормирования несущих стальных конструкций по критическим деформациям.

Сконструирована, изготовлена и оснащена приборами лабораторная установка для исследования несущей способности сжатых стальных стержней при высокотемпературном воздействии и разработана методика экспериментального определения прогиба в среднем сечении сжатых элементов.

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

Предложенный в настоящей главе метод расчета критической температуры одинаково приемлем для сжатых стальных стержней из строительных сталей с реальными размерами и их моделей.

7. Предложена новая методика определения огнезащитных свойств покрытий и облицовок для стальных конструкций, позволяющая выбрать наиболее эффективный вариант огнезащиты.

На основании систематических исследований и математической обработки результатов с использованием численных методов на базе ЭВМ получены зависимости изменения теплофизических характеристик облицовок при нагреве их до высоких температур. С их помощью обработаны экспериментальные данные крупномасштабных экспериментов по исследованию огнезащитной эффективности различных видов покрытий для стальных конструкций и установлены зависимости скорости прогрева стали от вида, толщины облицовки. Это позволило:

-определить зависимости для расчетов толщины стальной облицованной неограниченной пластины , скорость прогрева которой будет аналогична скорости прогрева стенки стержня конструкции;

- установить, что важным фактором, влияющим на прогрев стальных конструкций является приведенная толщина металла , которая в значительной степени зависит от формы сечения. Подбирать оптимальную форму сечения с точки зрения огнестойкости следует до выбора вида и толщины огнезащиты;

- построить номограммы прогрева стальных неограниченных пластин с различной толщиной стали и с различными видами огнезащитных материалов. С помощью данных номограмм можно определять температуру прогрева стержневых конструкций обогреваемых с четырёх сторон с приведенной толщиной стали = ;

- выявить основные закономерности и взаимосвязь между огнезащитными свойствами материалов и процессом деформирования несущих стальных элементов при огневом воздействии. Получить данные, характеризующие реальные условия нагрева стали при огневом воздействии на строительные конструкции с различными видами огнезащитных покрытий;

- получить новые экспериментальные данные, характеризующие влияние на огнезащитную эффективность способа крепления плитных материалов, грунтовочного и поверхностного слоев для огнезащитных покрытий, штукатурок и вспучивающихся красок.

8. Разработана система научно обоснованного выбора огнезащитных покрытий в целях обеспечения требуемой огнестойкости для стальных конструкций, позволяющая использовать её для практических целей.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях

1. Яковлев А.И., Голованов В.И. Расчет критической температуры при определении предела огнестойкости сжатых стальных конструкций // Огнестойкость строительных конструкций: Сб. научн. тр. - М.: ВНИИПО . -1984. - С. 5-12.

2. Яковлев А.И., Савкин Н.П. Голованов В.И. Гипсокартонные листы - огнезащитная облицовка несущих металлических конструкций производственных зданий и сооружений // Промышленное строительство. - 1984. -№1. - С. 29-32.

3. Голованов В.И. Прочностные свойства строительных сталей при сжатии в условиях высоких температур. // Обеспечение пожарной безопасности зданий, сооружений и населенных пунктов: Сб. научн. тр. - М.:ВНИИПО. - 1990. - С. 45-50.

4. Голованов В.И., Зотов С.В. Расчет несущей способности строительных конструкций при реальном пожаре в помещениях радиотелевизионной башни // Огнестойкость строительных конструкций и безопасность людей при пожаре: Сб. научн. тр. - М.: ВНИИПО. - 1991 - С. 8-14.

5. Голованов В.И. Учет температурной ползучести стали при расчетах на огнестойкость металлических конструкций // Пожаровзрывобезопасность. - 1993. - №3. - С. 47-50.

6. Голованов В.И. Ружинский А.В. Метод испытания на огнестойкость стальных конструкций с огнезащитными покрытиями и облицовками // Пожаровзрывобезопасность. - 1994. - №2. - С. 37-39.

7. Голованов В. И., Ружинский А.В. Методы огнезащиты несущих металлических конструкций // Материалы Всероссийской XIII научно-практической конференции, - М.: ВНИИПО. - 1995. - С. 366-367.

8. Голованов В.И., Харитонов В.С. Огнестойкость строительных конструкций // Юбилейный сборник трудов ФГУ ВНИИПО МЧС России, 1997. - С. 232-250.

9. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Огнестойкость многопустотных железобетонных перекрытий с различными видами огнезащиты // Пожарная безопасность. - 1999. - №2. - С. 57-66.

10. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Новые виды огнезащиты и методы определения огнестойкости стальных несущих конструкций // Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы Всероссийской XV научно-практической конференции. - М.: ВНИИПО. -1999. - С. 121-122.

11. Страхов В.П., Крутов А.М., Голованов В.И и др. Разработка композиционной огнезащиты повышенной эффективности из термостойких базальтоволокнистых материалов и водосодержащих составов// Пожаровзрывобезопасность. -1999. - №2. - С. 13-24.

12. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Огнезащита многопустотных железобетонных перекрытий // Пожарное дело. - 2000. - №4. - С. 41-43.

13. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Метод расчета и критерии нормирования необратимых деформаций несущих строительных элементов при пожарах в уникальных зданиях и сооружениях // Крупные пожары: предупреждение и тушение: Материалы Всероссийской XVI научно-практической конференции - М.: ВНИИПО. - 2001. - С.293-294.

14. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций // Пожарная безопасность. - - 2002. - №3. - С. 48-58.

15. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Соловьев Д.В. Исследование огнестойкости несущих конструкций из новых марок стали под нагрузкой // Снижение риска гибели людей при пожарах: Материалы Всероссийской XVIII научно-практической конференции. М.:ФГУ ВНИИПО, - 2003. - С.145-146.

16. Голованов В.И., Яйлиян Р.А. Математическая модель расчета деформации стальных балок в условиях пожара.// Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений: Материалы XIX международной научно-практической конференции. - М.:ФГУ ВНИИПО, - 2005. - С. 132-137.

17. Голованов В.И. Деформация кратковременной температурной ползучести строительных сталей с улучшенными деформативными свойствами. // Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений: Материалы международной XIX научно-практической конференции. - М.: ФГУ ВНИИПО, - 2005. - С. 208-211.

18. Голованов В.И. Математическая модель расчета прогиба стальных балок в условиях пожара с учетом кратковременной температурной ползучести стали // Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации "ЧС - 2006": Материалы докладов международной научно- практической конференции, Гомель, Беларусь. - 2006. - С. 253-255.

19.Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит " ROCKWOOL CONLIT" // Пожарная безопасность. - 2006. - №4. -С.78- 85.

20. Голованов В.И., Яйлиян Р.А., Пехотиков А.В. Расчет деформации балок из сталей с повышенными показателями огнестойкости в условиях огневого воздействия // Пожарная безопасность. - 2006. - №5. - С.28-36.

21. Голованов В.И., Пехотиков А.В., Павлов В.В. Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности // Территория нефтегаз. - 2007. -№4. - С.72-77.

22. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Новые огнезащитные облицовки для несущих стальных конструкций. // Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах: Материалы XX международной научно-практической конференции. - М.:ФГУ ВНИИПО, - 2007. - С.227-229.

23. Голованов В.И. Расчет деформации стальных балок в условиях огневого воздействия // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций: Материалы VII международной научно-практической конференции - М.: Центр "Антистихия" - 2007. - С.37-38.

24. Хасанов И.Р., Голованов В.И. Развитие методов исследования огнестойкости и пожарной опасности строительных конструкций и инженерного оборудования // Юбилейный сборник трудов ФГУ ВНИИПО МЧС России, - 2007. -С. 121-158.

Размещено на Allbest.ru