Особенности инженерных расчетов металлических конструкций на огнестойкость

Общие положения

Предел огнестойкости металлических конструкций может быть определен путем расчета для двух предельных состояний: R — потере несущей способности, / — потере теплоизолирующей способности.

В общем случае для расчета предела огнестойкости металлических конструкций необходимо решение двух задач:

  • • Теплофизической: расчет температуры прогрева сечений металлических конструкций при воздействии «стандартного» пожара.
  • • Прочностной: расчет изменения несущей способности металлических конструкций в зависимости от температуры прогрева сечений металлических конструкций при воздействии «стандартного» пожара.

Расчет температуры прогрева металлических конструкций при воздействии «стандартного» пожара

Температуру металлических конструкций при воздействии пожара принимают равномерно распределенной по сечению элементов вследствие высокой температуропроводности металла.

Скорость прогрева металлических элементов конструкций при воздействии «стандартного» пожара зависит от приведенной толщины металла конструкции bred, а также толщины и теплофизических свойств огнезащитных покрытий металла (если они имеются).

Как уже отмечалось выше, теплофизические характеристики строительных материалов, в том числе материалы огнезащиты и металлы, в условиях нагрева при пожаре изменяют свои значения. Причем эти изменения настолько существенны, что требуют их учета при расчетах конструкций на огнестойкость. В связи с этим температурные зависимости теплофизических характеристик материалов огнезащиты и металлов специально изучаются и вносятся в справочные данные по оценке огнестойкости различных объектов.

Удельная теплоемкость и теплопроводность некоторых типов огнезащиты металлических конструкций приведены в табл. 1.9.

Таблица 1.9

Удельная теплоемкость и теплопроводность некоторых типов огнезащиты металлических конструкций

Вид облицовки

рс, кг/м3

Вт/(м • °С)

сг кДж/(кг • °С)

Цементно-песчаная

штукатурка

1930

0,84 -0,00044/

0,77 +0,00063/

Силикатный кирпич

1730

0,79 -0,00035/

0,84 +0,00060/

Красный кирпич

1580

0,45 +0,00023/

0,71 +0,00042/

Асбестовый картон

865

0,13 +0,00020/

0,84 +0,00063/

Т оркрет-штукатурка (ВНИПИТеплопроект)

600

0,13 +0,00080/

0,92 +0,00049/

Огнезащитная штукатурка (НИИМосстрой)

600

0,12 +0,00022/

0,92 +0,00063/

Напыляемая огнезащитная

штукатурка

(НИИМосстрой)

490

0,097 +0,00022/

0,92 +0,00063/

Огнезащитное покрытие ФТМП (ЦНИИСК

им. В.А. Кучеренко)

400

0,058 +0,00023/

0,92 +0,00063/

Огнезащитное покрытие ОФПММ (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко)

250

0,047 +0,00035/

0,99 +0,00063/

Минеральная вата

124

0,051 +0,00058/

0,75 +0,00063/

Изменение температуры нагрева Tm(bred, xj) элементов стальных конструкций, не имеющих огнезащиты, в зависимости от приведенной толщины металла bred и времени воздействия «стандартного» пожара xf приведены на рис. 1.17.

Изменение температуры нагрева ^элементов стальных конструкций в зависимости от приведенной толщины металла 5= 5,10,15, 20,30,40,60 мм и времени ^воздействия «стандартного» пожара (кривая 7) [7]

Рис. 1.17. Изменение температуры нагрева ^элементов стальных конструкций в зависимости от приведенной толщины металла 5re(J= 5,10,15, 20,30,40,60 мм и времени ^воздействия «стандартного» пожара (кривая 7) [7]

При решении теплофизических задач огнестойкости для металлических конструкций с огнезащитой приведенная толщина металла определяется с учетом теплофизических свойств и толщины защитного слоя по следующим формулам:

• для прямоугольного пустотелого сечения:

a, b — размеры сторон сечения по стали, м;

Ъш толщина стенки сечения длиной а, мм; bsh то же длиной Ь

5у-— толщина огнезащитного слоя, мм;

с,р cv — удельные теплоемкости материала огнезащиты и стали, кДж/(кг-°С);

Рр ps — средние плотности огнезащиты и стали соответственно, кг/м3;

• для круглого кольцевого сечения:

где — толщина стенки сечения, мм; сI — диаметр наружный сечения, мм;

• для круглого сплошного сечения:

• для двутаврового сечения, с облицовкой по контуру, приведенная толщина полки равна

где bsn толщина полки, мм.

Для двутаврового сечения с облицовкой коробчатого сечения приведенная толщина металла определяется как для стержня прямоугольного пустотелого сечения, в котором две стороны являются полками двутавра 8 , а две другие стороны принимаются равными половине толщины стенки 8ss/ 2.

Для облегчения инженерных оценок огнестойкости металлических конструкций с огнезащитой, с помощью вычислительных экспериментов были определены температуры нагрева металлических элементов с различными типами огнезащиты при воздействии «стандартного» пожара, в зависимости от приведенной толщины металла. Эти данные вошли в блок справочных материалов, используемых при оценках огнестойкости различных объектов.

Расчет изменения несущей способности металлических конструкций в зависимости от температуры прогрева сечений металлических конструкций при воздействии «стандартного» пожара.

Решение прочностной задачи огнестойкости металлических конструкций сводится к определению момента времени воздействия пожара Ту при котором несущая способность конструкции Ф[Дту)] снизится до величины действующей на нее нагрузки MH(NH) (предельного состояния по признаку R — потере несущей способности).

Искомое значение предела огнестойкости конструкции в этом случае определяется из условия:

где Ту. (R) — предел огнестойкости конструкции по предельному состоянию потеря несущей способности по признаку R;

NH, Мн — соответственно продольная сила или изгибающий момент от нормативной рабочей нагрузки.

Решение прочностной задачи огнестойкости для металлических конструкций может также сводиться к определению значения критической температуры нагрева элемента при пожаре Т%, при которой несущая способность элемента снизится до величины действующих на него усилий.

Соответственно, искомое значение фактического предела огнестойкости конструкции будет определяться временем воздействия пожара Ту = Ту., при котором температура нагрева элемента при пожаре Tm(xj) достигнет величины Т^

где т, — предел огнестойкости металлической конструкции.

При расчете несущей способности металлических конструкций, с учетом воздействия пожара, следует учитывать изменение механических свойств металла от температуры нагрева при пожаре и возможное изменение расчетной схемы конструкции в рассматриваемых условиях.

Предел огнестойкости статически определимых конструкций определяется максимальным пределом огнестойкости их элементов.

При назначении нагрузок для расчета несущей способности конструкций при пожаре рекомендуется учитывать все постоянные нагрузки и кратковременные нагрузки на перекрытия жилых и общественных зданий, принимая коэффициент перегрузки равным единице. От мостовых и подвесных кранов учитывать только вертикальные составляющие нагрузок от собственного веса.

Расчетные сопротивления металла при расчете конструкций на огнестойкость следует умножать на коэффициент условий работы металла при пожаре утТ.

Расчетные сопротивления металла для расчета предела огнестойкости конструкции определяются путем деления нормативных сопротивлений на соответствующие коэффициенты надежности у, т.е.

Значения коэффициента условий работы при пожаре для центральнорастянутых элементов определяется по формуле

где NH растягивающая сила, Н;

Ап площадь сечения элемента, нетто, м2;

Ryn нормативное сопротивление (предел текучести стали), Па. Значение коэффициента условий работы при пожаре для центрально сжатых элементов определяется из условия

где фг— коэффициент продольного изгиба, зависящий от гибкости А, и температуры нагрева элемента при пожаре Т;

Аь — площадь поперечного сечения элемента, брутто, м2.

где X — гибкость элемента, определяемая по указаниям СНиП «Металлические конструкции»;

A,|im — предельная гибкость, вычисляемая по формуле

где Ered — коэффициент, характеризующий деформацию стали при нагреве до температуры Т и определяемый по формуле

где Е — модуль упругости стали (Е= 2,1105 МПа);

К = 4 ? 10-9 — для элементов, не имеющих огнезащиты, и К = = 6 • 10-9 — для элементов, имеющих огнезащиту.

Значение коэффициента условий работы при пожаре для изгибаемых элементов вычисляется из условия прочности:

где Мя — изгибаемый момент от нормативных нагрузок, Нм;

Wpl пластический момент сопротивления сечения, м3. Критическая температура прогрева при пожаре изгибаемых элементов определяется в зависимости от значения коэффициента утТ.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >