Особенности расчета предела огнестойкости изгибаемых конструкций из строительных сталей

Аннотация. В рамках данной статьи были проведены экспериментальные и численные исследования несущей способности стальных балок из сталей классов прочности С255, С355, С390, С355П, С390П при воздействии температурного режима стандартного пожара. Цель исследования — уточнение метода расчета предела огнестойкости изгибаемых стальных балок с учетом неравномерного распределения температуры в поперечном сечении, что позволит повысить точность расчетов и безопасность таких конструкций в практике строительства.

Обеспечение требуемых пределов огнестойкости стальных конструкций путем совершенствования расчетных методов, основанных на экспериментальных исследованиях прочностных свойств современного строительного проката при высоких температурах и результатах огневых испытаний стальных конструкций, является одним из приоритетных направлений в области противопожарной защиты зданий и сооружений [1]. Огнестойкость строительных конструкций может быть оценена либо экспериментальным, либо расчетным методом. Однако проведение огневых испытаний конструкций – это трудоемкий и дорогостоящий процесс, требующий значительной подготовки. Поэтому основное внимание в исследованиях уделяется совершенствованию и разработке надежных расчётных методов [2-4].

С целью получения данных, характеризующих поведение современного стального проката при огневом воздействии, распределения температуры по сечению балок при трехстороннем нагреве и фактического предела огнестойкости, были проведены исследования на экспериментальной базе ВНИИПО МЧС России. Эксперименты были проведены со сварными двутавровыми балками № 18 (рисунок 1) класса прочности С355, С390, С355П, С390П. Испытания на огнестойкость проводились в условиях стандартного температурного режима и различных значениях нагрузки по ГОСТ 30247.0–94 и ГОСТ 30247.1–94, где установлены требования к оборудованию, размещению термопар и регистрации необходимых параметров.

Проанализировав полученные результаты был сделан вывод о том, что в сечении конструкции температурный градиент от верхней до нижней полки составляет 100-200 ℃. В связи с этим был разработан и предложен новый метод расчёта предела огнестойкости стальных изгибаемых конструкций.

Расчёт предела огнестойкости стальных балок в настоящее время проводится по времени достижения критической температуры нижней полки в условиях стандартного температурного режима [1]. В этом случае не учитывается несущая способность менее прогретой части поперечного сечения балки, что приводит к заниженным показателям фактического предела огнестойкости конструкции.

С целью совершенствования метода расчета пределов огнестойкости стальных балок, предложен метод, учитывающий неравномерный прогрев поперечного сечения конструкции.

Суть метода заключается в вычислении несущей способности нагретой конструкции поэлементно. Поперечное сечение балки делится на несколько площадок. Далее определяется положение нейтральной оси, которая разделяет сечение на растянутую и сжатую зоны. Несущая способность поперечного сечения определяется как сумма моментов всех площадок. Затем строится график снижения ее несущей способности во времени. По этому графику определяют предел огнестойкости, т.е. время нагревания, по истечении которого несущая способность конструкции R снизится до величины рабочей нагрузки, т. е. когда будет иметь место равенство:

M_p,t = M_н (1)

где: M_p,t – несущая способность изгибаемой конструкции при температурном воздействии; M_н – изгибающий момент от нормативной нагрузки.

В данной работе значение температуры в процессе нагрева стали принимали по результатам огневых испытаний. Термопары, которые фиксировали изменение температуры, были установлены в трёх точках поперечного двутаврового сечения: на верхней полке t1, в середине стенки t₂ и на нижней полке t₃ (рисунок 1).

Таким образом, несущую способность балки при неравномерном распределении температуры поперечного сечения предлагается рассчитывать по формуле:

где: A_i — элементарная площадь поперечного сечения с температурой t_i, Y_i — расстояние от нейтральной оси сечения до центра тяжести элементарной площадки A_i с температурой t_i; R_yn — предел текучести стали при температуре 20 °С; γ_i – коэффициент снижения предела текучести стали при растяжении и сжатии и температуре t_i.

На рисунке 2 представлены расчетные температурные поля в сечении балки на 20 минуте огневого воздействия по режиму стандартного пожара.

На основании предлагаемого метода была создана программа [5], включающая в себя электронную таблицу Microsoft Office Excel и семейство макросов на Visual Basic for Applications.

Для подтверждения надежности результатов, с помощью созданной программы, были выполнены расчеты по оценке огнестойкости стальных двутавровых балок и проведено сравнение с экспериментальными исследованиями.

Результаты экспериментов и расчетов предела огнестойкости, опытных образцов по предлагаемому методу представлены в таблице 1.

Из анализа данных таблицы 1 можно сделать следующие выводы:

Для сравнения расчётных значений собственного предела огнестойкости стальных балок 60Б2 из стали класса прочности С355 проведены расчёты по двум разным методикам, а именно по предложенному усовершенствованному методу [5] и по методу Яковлева А. И. [1], который используется в настоящее время. Из анализа результатов расчёта по предложенному методу видно, что утрата несущей способности по предложенному методу произойдет на 17 минуте огневого воздействия, а по существующим инженерным методикам произойдет на 12 минуте, что на 5 минут меньше, чем по предложенному методу расчёта с учётом неравномерного прогрева поперечного сечения.

Используя при расчётном обосновании собственной огнестойкости стальных несущих конструкций предложенный метод возможно уменьшить приведённую толщину металла, либо огнезащитного покрытия, что может привести к снижению себестоимости строительства.

Перейти к содержимому PDF