Расчёт огнестойкости металлических конструкций

Расчётный метод [20; 28; 29] позволяет оценить предел огнестойкости огнезащищённых и незащищённых металлических конструкций (из стали или алюминиевых сплавов) по критерию несущей способности (R) элементов.

Температура нагрева металла в каждый момент времени t принимается равномерно распределённой по сечению и объёму элемента. Предел огнестойкости наступает, когда предел текучести металла снизится до величины напряжений от действующей нагрузки; соответствующая этому моменту температура нагрева называется критической.

Изменение предела текучести металла с ростом температуры нагрева выражается безразмерным параметром g _t, представляющим собой отношение предела текучести металла при нагреве к его значению при нормальной температуре:

. (6.1)

Соответствующая температурная зависимость (для каждой марки стали или сплава) может быть представлена в графическом (рис. 6.3), табличном или аналитическом виде. Достижение критической температуры нагрева металла соответствует моменту, когда параметр g _t снизится до уровня нагружения конструкции, который определяется как отношение фактически действующих нормальных напряжений s к их предельной величине s _{y ,0}.

Рис. 6.3. Снижение предела текучести стали (C245, Ст3сп, Ст3пс, А240) при нагреве

 

Расчёт металлических конструкций на огнестойкость проводится при нормативных сопротивлениях материала (для стальных конструкций в качестве s _{y ,0} принимается нормативное сопротивление стали по пределу текучести R_yn по СП 16.13330.2011[58]) на действие длительных нормативных нагрузок.

Расчёт начинается со статической задачи, в результате решения которой определяется уровень нагружения элементов g _t:

при растяжении

; (6.2)

при сжатии

; (6.3)

при изгибе

, (6.4)

где с – коэффициент, учитывающий развитие пластических деформаций; j _t – коэффициент продольного изгиба элемента при нагреве.

Далее по зависимости g _t – t определяется критическая температура нагрева металла t_cr (см. рис. 6.3), затем решением теплотехнической задачи находят время t _u прогрева металла до критической температуры; это время и будет пределом огнестойкости рассчитываемой конструкции по признаку R.

В силу предпосылки о равномерности распределения температуры по объёму элемента допустимо заменить задачу прогрева сечения произвольной конфигурации задачей нагрева неограниченной пластины, одна поверхность которой имеет идеальную теплоизоляцию. Эквивалентность прогрева «реального» сечения и идеализированной пластины достигается использованием понятия приведённой толщины металла d _red, которая определяется как отношение площади сечения А к обогреваемому периметру U:

. (6.5)

В Пособии [20] представлены формулы для определения приведённой толщины наиболее распространённых типов сечений (табл. 6.3), а также кривые прогрева стальных пластин с различной приведённой толщиной и различными типами огнезащиты (рис. 6.4). Если для принятого типа или толщины огнезащитного покрытия график не построен, его можно получить экспериментальным или численным методом (аналогично расчёту температур в железобетонных конструкциях).

 

 

	а)		б)

t, мин

t, мин

t, мин

	в)		г)

 

t, мин

 

Рис. 6.4. Кривые прогрева стальной пластины приведённой толщиной 2-60 мм с облицовкой: а – слоем цементно-песчаной штукатурки толщиной 20 мм, б – то же, 40 мм, в – слоем сухой гипсовой штукатурки толщиной 32 мм, г – из красного кирпича толщиной 65 мм; 1 – стандартная температурная кривая

Таблица 6.3

Формулы для определения приведённой толщины металла [20]

Вид сечения	d red	Вид сечения	d red

ГЛАВА 7. ОГНЕСТОЙКОСТЬ, ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ И ОГНЕЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Общая характеристика

Древесина при отсутствии специальной защиты относится к пожароопасным материалам (табл. 7.1), однако по огнестойкости деревянные конструкции могут конкурировать с некоторыми железобетонными или защищёнными стальными. Пределы огнестойкости незащищённых конструкций из клеёной древесины находятся в диапазоне R30…R45.

Причиной относительно высокой огнестойкости деревянных конструкций является защитное действие обуглившегося слоя древесины, препятствующего проникновению тепла и кислорода в зону горения, а значит, возгоранию более глубоких слоёв элемента.

Таблица 7.1

Характеристики пожарной опасности незащищённой древесины [13]

Характеристики пожарной опасности	Группы
Горючесть	Г4
Воспламеняемость	В3
Распространение пламени по горизонтальной поверхности	РП4
Дымообразующая способность	Д3
Токсичность продуктов горения	Т3