Программно-методическое обеспечение расчетов огнезащиты металлических несущих конструкций Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

¿t.

УДК 614.841.1.001.57

ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТОВ ОГНЕЗАЩИТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Ввиду невозможности экспериментального определения фактических пределов огнестойкости и требуемых толщин огнезащиты крупногабаритных металлических конструкций сложной пространственной формы становится актуальной разработка соответствующих расчетных методик. Рассматриваемая в статье методика позволяет учитывать все основные особенности поведения конструкций такого типа при одновременном силовом и огневом нагружении. Для облегчения практического использования методики создан и сертифицирован вуста-новленном порядке программный комплекс "Огнестойкость", версия НСНМ.1, построенный по "оконной" технологии системы Windows. Это позволяет существенно облегчить процесс ввода исходных данных, построения расчетных схем и обработки результатов расчетов. Практические возможности программного комплекса иллюстрируются на примере крупногабаритных ферм стропильных, широко применяемых в настоящее время для одноэтажных зданий торговых комплексов.

Д-р техн. наук, директор по науке ЗАО "Теплоогнезащита"

В. Л. Страхов

ЗАО "Теплоогнезащита"

В. О. Каледин Вл. О. Каледин

НПКЦ "Интерсигнал"

И. Ф. Давыдкин

Крупногабаритные металлические конструкции сложной пространственной формы находят все большее применение при строительстве многофункциональных комплексов, высотных зданий, подземных транспортных развязок, мостов и эстакад. В силу очевидных причин экспериментальное определение их фактических пределов огнестойкости и требуемых толщин огнезащиты не представляется возможным, поэтому актуальной является разработка соответствующих расчетных методик.

Особое значение проблема обеспечения достаточной огнестойкости строительных конструкций приобретает в случае перечисленных выше уникальных зданий и сооружений. Это обусловлено тем, что потеря огнестойкости их конструкциями приводит к гораздо более серьезным последствиям по сравнению с обычными зданиями. Указанная особенность уникальных зданий и сооружений на практике учитывается установлением более высоких по сравнению с обычными зданиями нормативных (требуемых) пределов огнестойкости их строительных конструкций (до 3 ч и более).

Вместе с тем металлические строительные конструкции имеют наименьшие фактические пределы огнестойкости по сравнению с конструкциями других типов [1,2]. Это объясняется высокой теп-

лопроводностью металла, обусловливающей быстрый прогрев сечения конструкций при огневом воздействии. Нагрев металла приводит к снижению его упругости и прочности, что влечет за собой появление недопустимо больших деформаций (прогибов) и разрушение несущих металлических конструкций.

Фактические пределы огнестойкости стальных конструкций (колонн, балок, стоек, прогонов, ригелей и т.п.) зависят от приведенной толщины металла*. Даже для очень массивных стальных конструкций с приведенной толщиной металла 30 мм фактические пределы огнестойкости не превышают 0,5 ч, а для наиболее широко применяемых конструкций с приведенной толщиной металла на уровне 5 мм — 10 мин. Поэтому проблема повышения фактических пределов огнестойкости наиболее актуальна для стальных конструкций.

Основные положения современной методики расчета огнестойкости и огнезащиты металлических строительных конструкций изложены в работах [3,4], доложены на международных конференциях [5-7] и опубликованы более чем в 50 статьях, например [8-10]. Их сущность заключается в следующем.

Параметры огнезащиты выбранного варианта, обеспечивающие требуемый (нормативный) пре-

* Под приведенной толщиной металла понимается отношение площади сечения элемента конструкции к обогреваемой части периметра сечения.

дел огнестойкости каждой конкретной конструкции, определяют из условия:

ПФ > Птр,

где Пф — фактический предел огнестойкости рассматриваемой конструкции с огнезащитой; Птр — требуемое (нормативное) значение предела огнестойкости.

Требуемая толщина выбранного средства огнезащиты рассматриваемой конструкции определяется теплотехническим расчетом из условия непревышения температурой защищаемого объекта критического значения в конце огневого воздействия в течение времени, равного требуемому пределу огнестойкости

Под критической температурой металла каждого элемента конструкции понимается такая температура нагрева, при которой происходит потеря его несущей способности при заданных нормативных нагрузках. Критическая температура металла рассматриваемой конструкции определяется статическим расчетом.

За нормативную нагрузку принимают наиболее неблагоприятные сочетания нормативных постоянных и временных длительных статических нагрузок согласно СНиП 2.01.07-85* "Нагрузки и воздействия" и п. 1.12 СНиП 2.03.01-84* "Бетонные и железобетонные конструкции", существенно влияющих на напряженное состояние конструкции при пожаре. В тех случаях, когда нельзя установить значение нормативной нагрузки, разрешается принимать ее равной 0,7 от расчетной нагрузки. Расчетная схема приложения нормативной нагрузки должна соответствовать проекту.

Определение несущей способности проводится при предварительно заданной температуре для каждого из обогреваемых элементов рассматриваемой конструкции. При этом используется допущение о равномерном распределении температуры по поперечному сечению элемента и кусочно-постоянном ее распределении по длине элемента.

В качестве метода расчета несущей способности конструкций целесообразно использовать метод конечных элементов (МКЭ) в форме метода перемещений [3]. Согласно МКЭ рассчитываемая конструкция мысленно разбивается на фрагменты конечного размера (конечные элементы), взаимодействующие друг с другом в конечном числе точек —узлов конечно-элементной сетки. Для моделирования металлических пространственных конструкций применяются балочные конечные элементы, воспринимающие растяжение - сжатие, кручение, поперечные изгиб и сдвиг.

При расчетах используются трехзвенные диаграммы деформирования, построенные с учетом за-

висимости от температуры упругих, пластических и прочностных свойств металла, аналогичные диаграммам, приведенным в методических рекомендациях [4]. Тем самым учитываются неупругие деформации материалов конструкции.

Проводимые в ходе определения критической температуры статические расчеты базируются на общих требованиях расчета металлических конструкций в соответствии со СНиП 11-23-81* "Стальные конструкции". В результате расчета для заданной температуры определяются перемещения и внутренние силовые факторы, действующие в сечениях конструкции, а также запасы по упругости, пластичности и разрушению в сечениях элементов всех типов и по устойчивости сжатых элементов. Это позволяет проверить выполнение условий сохранения несущей способности и недопущения предельных деформаций как конструкции в целом, так и отдельных ее элементов.

Критическая температура металла рассчитывается в интерактивном режиме работы пользователя с компьютером методом параметрического исследования влияния нагрева на характеристики напряженно-деформированного состояния конструкции. Варьируемым параметром является температура нагрева элементов конструкции. Результаты расчета представляются в виде графиков и эпюр, что дает возможность наглядно определить последствия для прочности строительной конструкции в целом, которые вызывают нагрев и потеря несущей способности ее различных конструктивных элементов. Методика, в частности, позволяет определять критическую температуру металла дифференцированно для различных (однородных) элементов сложной конструкции, имеющих разный уровень нагружения. В этих случаях осуществляется последовательно ряд вариантов параметрических расчетов. В каждом из вариантов фиксируется температура тех элементов, которые в предыдущем варианте достигли критического состояния. Вычислительный процесс продолжается до тех пор, пока не наступает катастрофическое разрушение сложной конструкции в целом.

Для проведения численных расчетов металлических конструкций (в том числе их наиболее сложного случая — статически неопределимых рам) авторами разработан специальный программный комплекс "Огнестойкость", версия НСНМ.1. Он сертифицирован по ГОСТ Р ИСо/мЭК 9126-93, ГОСТ Р ИСО/МЭК ТО 9294-93 и прошел регистрацию в Российском агентстве по патентным и товарным знакам на основании Закона РФ "О правовой охране программ для электронных вычислительных машин и баз данных". Этот программный комплекс разработан применительно к 1ВМ-совме-

Рис. 1. Общий вид конечно-элементной модели фермы с эпюрой нормативной нагрузки (МН)

стимым компьютерам и удовлетворяет современным требованиям по точности и достоверности получаемых результатов. При его реализации использована "оконная" технология системы Windows, что существенно облегчает процесс ввода исходных данных, построения расчетных схем рассматриваемых конструкций и обработки результатов расчетов.

Практические возможности программного комплекса рассмотрим на примере крупногабаритных ферм стропильных, широко применяемых в настоящее время для одноэтажных зданий торговых комплексов. Элементами ферм являются стальные стержни коробчатого прямоугольного сечения. Требуемый предел огнестойкости этих конструкций - R 30.

Фермы стропильные воспринимают нагрузку от веса кровли, выполненной по профилированному стальному настилу, и снеговую нагрузку. В условиях пожара эти конструкции обогреваются равномерно по всему контуру поперечного сечения газовой средой с температурой, изменяющейся во времени по стандартному режиму, задаваемому зависимостью

Tf= To + 345lg(8t +1),

где T0 — начальная температура, °С;

t — время, мин.

Рассматривались две фермы стропильные одинаковой структуры, выполненные из тонкостенных коробчатых профилей прямоугольных сечений

□ 120x80x6, П80х80х3 и п60х60х3. Их различие заключалось в уровне действующих нормативных нагрузок: ферма № 1 нагружена равномерно распределенной погонной нагрузкой 19,1 кН/м; ферма № 2 — 22,42 кН/м.

Общий вид конечно-элементной модели фермы с эпюрой нормативной нагрузки (от собственного веса покрытия и снеговой нагрузки) показан на рис. 1*. Левая опора фермы представляет собой неподвижный шарнир, а правая — подвижный. Модель состоит из 31 суперэлемента, нумерация которых показана на рис. 1. Узлы суперэлементов совпадают с узлами рассматриваемой конструкции, при этом нижний и верхний пояса фермы моделировались неразрезными балками, а сочленение поясов с раскосами (наклонными элементами) и стойками (вертикальными элементами) фермы считалось шарнирным. По длине каждый суперэлемент разбивался на три конечных элемента.

Типичные результаты расчетов критической температуры металла для первой из рассматриваемых ферм, выполненных с использованием упомянутого выше программного комплекса, приведены на рис. 2, 3.

Рис. 2 иллюстрирует кинематику деформирования фермы при нагреве до различных температур. Можно видеть, что при 500°С максимальный прогиб фермы еще относительно невелик — не более 30 мм. При повышении температуры еще на 100°С прогиб резко увеличивается и достигает уже

* Иллюстрации даны в виде "окон" в системе Windows, с которыми работает расчетчик, использующий программный комплекс "Огнестойкость" версии НСНМ.1.

450 мм. При этом видно, что наибольшие деформации развиваются в приопорных зонах фермы.

Такой характер деформирования рассматриваемой конструкции при одновременном действии нормативной нагрузки и температуры нагрева можно объяснить, анализируя показанные на рис. 3 распределения в элементах фермы критериев упругости и пластичности.

Под критерием упругости понимается отношение действующих напряжений к пределу пропорциональности материала при данной температуре, а под критерием пластичности—отношение действующих напряжений к пределу текучести при данной температуре. Для элементов конструкции, работающих за пределом пропорциональности, критерий упругости принимает значения больше

а

б

Рис. 2. Кинематика деформирования фермы при нагреве до 500°С (а) — максимальный прогиб 27 мм, при нагреве до 600°С (б) — максимальный прогиб 450 мм

единицы (см. рис. 3, а ). Для элементов конструкции, перешедших в пластическое состояние, критерий пластичности становится равным единице (см. рис.3, б-г).

Из рис. 3, а следует, что при 550°С в расположенных в зоне опор стержнях фермы критерий упругости стал больше единицы. Это означает, что материал этих стержней под действием нагрузки и температуры перешел предел пропорциональности ("работает" на втором участке трехзвенной диа-

граммы деформирования). Однако подавляющее большинство стержней еще "работает" в упругой области, поэтому деформация рассматриваемой механической системы относительно невелика.

Как видно из рис. 3, б, переход материала рассматриваемой конструкции в пластическое состояние начинается при 570°С в крайних стержнях фермы: критерий пластичности в этих элементах становится равным единице. При дальнейшем повышении температуры переход в пластическое со-

а

б

2

Рис. 3. Распределение в элементах фермы критерия упругости при нагреве до 550°С (а); критерия пластичности при нагреве до 570 (б), 600 (в) и 650°С (г)

в

стояние элементов фермы резко интенсифицируется: при 600°С в пластическое состояние переходят стержни приопорных зон, а при повышении температуры еще на 50°С этот процесс захватывает уже и продольные элементы по всей длине фермы (см. рис. 3, в, г). При этом конструкция полностью теряет свою несущую способность.

Таким образом, из проведенного анализа процесса потери несущей способности рассматриваемой конструкции следует, что этот процесс начинает развиваться лавинообразно при температурах, превышающих 600°С. Расчеты показали, что для фермы № 1 критическая температура металла составляет 614°С, а для фермы № 2 — 594°С. Полу-

Таблица 1. Теплофизические характеристики основных компонентов вспучивающегося покрытия*

Связующее Кокс Наполнитель

Рс, кг/м3 сс,Дж/(кг-К) Хс ,Вт/(м-К) Рк , кг/м3 ск ,Дж/(кг-К) К ,Вт/(м-К) Рн, кг/м3 сн ,Дж/(кг-К) К ,Вт/(м-К)

1550 1340 0,52 1600 1490 2,0 4100 690 5,0 2 обозначения соответствующих физических величин взяты из работы [4].

* Принятые в табл. 1 и

Таблица 2. Характеристики вспучивающегося покрытия*

Ро , кг/м3 фо К ,Вт/(м-К) Цн к Q, кДж/кг Т °С ± нп , С Т °С ± кп , С

1300 0,16 0,43 0,06 0,41 1500 180 400

J Структура сечения эпемента 18

шш

Ширина (по оси (). м [0,104

Высоте (по осип).« : 0,104

Местные оси повернуты на }0 ^ градусов

Тип

л!

VI

У,2/П У2

Прямое -0,052 -0.052 0.052 0,052 Прялок -0.04 -0,04 0.04 0.04 Прячо^- -0,03? -0,037 0,037 0,037

хз

УЗ

Материал

Пенококс 607 Сталь С255 Воздух

Е

Штить | ¡Свяэать о элементом Котировать из... | Дотировать | | | |[. X Отменить

2

1

Рис. 4. Структура расчетного сечения элементов ферм 080x80x3: 1 — вспучивающееся покрытие с пенококсом; 2 — стальная стенка толщиной 3 мм; Ту — температура газовой среды, воздействующей на обогреваемую поверхность рассматриваемого элемента строительной конструкции; I, II, III — точки расчетной области, для которых строятся зависимости температуры от времени

Таблица 3. Требуемые толщины огнезащитного покрытия элементов ферм стропильных

Тип конструкции Элемент конструкции Толщина покрытия, мм

Фермы стропильные Тонкостенный профиль □120x80x6 0,2

№ 1 Тонкостенные профили □ 80x80x3 и 060x60x3 0,40

Фермы стропильные Тонкостенный профиль □120x80x6 0,27

№2 Тонкостенные профили □ 80x80x3 и 060x60x3 0,45

Примечание. Приведенные данные типу огнезащиты Б 607 НВ. относятся к

ченные результаты использованы при расчетах требуемых толщин огнезащиты указанных конструкций.

Анализ современных способов и средств огнезащиты показал, что в данном случае для огнезащиты рассматриваемых строительных конструкций целесообразно использовать вспучивающееся покрытие "Нуллифайе 8-607", применяемое для конструкций с требуемым пределом огнестойкости не более 90 мин.

Необходимые для проведения численных расчетов теплофизические характеристики вспучивающегося покрытия "Нуллифайе 8-607" определяли по методике [4]. Полученные для данного материала характеристики приведены в табл. 1 и 2.

а

б

J Отсчеты температуры в характерных точках

Марка

Элемент

1.С

Г, I-

О -0.052 -0,04

18 0.04 -0.04

!,мк 360 990 1020 1050 1090 1110 1140 1170 1200 1230 1260 1290 1320 1350 1390 1410

1440 1470

1500 1530

1560 1590 1620

1650 1680 1710

1740 1770 1800

Т.С 379 385 391 339 404 410 417 423 429 436 442 449 455 461 467 474 490 497 493 500 506 513 519 525 532 538 545 551 557

Экспоргнронасъ в

л

Рис. 5. Распределение температуры по сечению элементов ферм П80х80х3 с огнезащитой вспучивающимся покрытием "Нуллифайе 8-607" исходной толщиной 0,4 мм в моменты времени 20 (а) и 30 (б) мин от начала огневого воздействия, а также зависимость от времени температуры в характерных точках сечения (в); I-III — см. рис. 4

в

Кроме указанных в табл. 1 и 2 характеристик вспучивающегося покрытия, определяемых известными лабораторными методами, были получены значения для параметров согласования с экспериментом математической модели его работы в условиях пожара [4]: коэффициента вспучивания ку и параметра лучистого теплопереноса 0. Как показали результаты специальных численных исследований математической модели, от этих параметров зависит, в основном, огнезащитная эффективность покрытия и они консервативны к изменению в достаточно широких пределах условий нагрева.

Для определения значений указанных параметров для рассматриваемого покрытия использовались результаты испытаний его образцов на установке лучистого нагрева и в огневых печах ВНИИПО. Испытания проводились для различных толщин покрытия и стальных пластин, на которые оно наносилось. В ходе исследований изменялись в достаточно широких пределах параметры и продолжительность теплового (огневого) воздействия на испытываемые образцы.

Параметры согласования с экспериментом математической модели работы вспучивающегося покрытия "Нуллифайе 8-607" имеют значения: ку =30, 0 = 4-10 -11 Вт/(м-К4).

Требуемые толщины огнезащиты для каждого из рассматриваемых элементов строительных конструкций определяли из условия непревышения температурой защищаемой поверхности критического значения, при котором достигается предел огнестойкости конструкции.

Вид окна с параметрами сечения элемента фермы П80х80х3 и его теплотехнической расчетной схемой показан на рис. 4.

Типичные результаты расчетов для данного элемента фермы с огнезащитой вспучивающимся покрытием "Нуллифайе 8-607" начальной толщиной 0,4 мм иллюстрируются рис. 5, на котором приведены распределения температуры по сечению элемента и зависимости от времени температуры в характерных точках сечения, показанных на расчетной схеме рис. 4.

Результаты расчетов требуемых толщин огнезащиты элементов рассматриваемых ферм стропильных сведены в табл. 3.

Таким образом, принятый в рассматриваемой методике дифференцированный подход к определению требуемых толщин огнезащиты строительных конструкций позволяет учесть разницу в приведенной толщине их металла, характере обогрева, интенсивности нагружения и благодаря этому получить экономию огнезащитных материалов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Романенков И. Г., Левитес Ф. А. Огнезащита строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1991.— 320 с.

2. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1988. — 143 с.

3. Давыдкин Н. Ф., Страхов В. Л. Огнестойкость конструкций подземных сооружений / Под ред. И. Я. Дормана. — М.: Информационно-издательский центр "ТИМР", 1998. — 296 с.

4. Страхов В. Л., Кругов А. М., Давыдкин Н. Ф. Огнезащита строительных конструкций / Под ред. Ю. А. Кошмарова. — М.: Информационно-издательский центр "ТИМР", 2000 — 433 с.

5. Davidkin N. F., Strakhov V. L., Kaledin V. О., Krutov A. M. Estimation of Fire-Resistance Limits in Building Structures for Underground Facilities // Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations: Second International Seminar, Moscow, 1997. — P. 69-72.

6. Strakhov V. L., Garashchenko A. N., Krutov A. M., Davidkin N. F. Optimization of Fire-Protection for Building Structures in Underground Facilities // Fire-and-Explosion Hazard of Substanсes and Venting of Deflagrations: Second International Seminar, Moscow, 1997. — P. 136-139.

7. Strakhov V. L., Krutov A. M., Kaledin Vl. O., Davidkin N. F. Fire-Resistance Estimation and Flexible Design of Fire Protection for Buildings and Structures Using Computer Modeling // 3rd International Seminar on Fire and Explosion Hazards. April 10th 2000. Lake Windermere, English Lake District, UK. Univercity of Central Lancashire, 2000.

8. Давыдкин Н. Ф., Страхов В. Л., Каледин Вл. О. Расчет огнестойкости и параметров огнезащиты пролетных строений тоннеля в районе пересечения Беговой улицы с Ленинградским проспектом // Подземное пространство мира. — 2004. — № 2-3. — С. 63-69.

9. Давыдкин Н. Ф., Страхов В. Л., Каледин Вл. О. Расчет огнестойкости и параметров огнезащиты металлических несущих конструкций перекрытий торгово-развлекательного комплекса в Центральном районе г. Тольятти // Подземное пространство мира. — 2005. — № 1-2. — С. 53-58.

10. Страхов В. Л., Каледин Вл. О., Давыдкин Н. Ф., Марченко А. Ю. К вопросу математического моделирования в задачах огнестойкости строительных конструкций // Вопросы строительной механики, безопасности конструкций и гидравлики: Сб. научн. тр. — Вып. 3. — 2005. — С.71-78.

Поступила в редакцию 22.05.06.