Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор по огнестойкости стальных конструкций, состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1. Обзор данных по поведению несущих стальных конструкций при реальных пожарах в зданиях различного назначения 11
1.2. Способы огнезащиты несущих стальных конструкций 21
1.3. Физические свойства стали и облицовок в условиях высоких температур 29
1.3.1. Прочностные и деформативные свойства стали 29
1.3.2. Теплотехнические свойства облицовок 32
1.4. Методы оценки огнестойкости стальных конструкций 40
1.4.1. Экспериментальные методы 40
1.4.2. Аналитические методы 50
1.4.3. Обоснование выбора методов оценки огнестойкости стальных элементов 63
1.5. Задачи дальнейшего исследования 66
ГЛАВА 2. Исследование прочностных и деформативных свойств строительных марок сталив условиях высоких температур 68
2.1. Исследуемые марки стали 68
2.2. Диаграмма работы стали при растяжении в условиях высоких температур 71
2.2.1, Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 71
2.2.2. Методика испытаний образцов на растяжение для определения диаграмм <т - є при стационарном режиме нагрева 77
2.2.3. Анализ экспериментальных данных 78
2.3. Определение деформации ползучести 92
2.3.1. Модель теории ползучести, принятая в работе 92
2.3.2. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 96
2.3.3. Определение параметров ползучести u., Z и єп0 в ходе проведения испытаний на ползучесть 99
2.3.4. Анализ экспериментальных данных 113
ГЛАВА 3. Экспериментально-аналитическое исследование несущей способности изгибаемых стальных конструкций в условиях огневого воздействия 114
3.1. Огневые испытания изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой 114
3.1.1. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 115
3.1.2. Методика испытаний стальных балок на огнестойкость под нагрузкой 119
3.1.3. Анализ результатов испытаний 125
3.2. Модель расчета стальной балки при тепловом воздействии 126
3.2.1. Исходные данные 126
3.2.2. Алгоритм определения фактических пределов огнестойкости стальных балок по критическим деформациям .131
3.2.3. Математическая модель прогиба балки 133
3.3. Сравнение расчетных деформаций стальных балок с деформациями, зарегистрированными во время испытаний 141
3.4. Выводы 149
ГЛАВА 4. Исследование теплоизолирующей способности огнезащитных облицовок при нагреве 151
4.1. Исходные предпосылки 151
4.2. Метод определения теплофизических характеристик огнезащитных облицовок с использованием ЭВМ 153
4.2.1. Общие положения 153
4.2.2. Алгоритм расчета стальной неограниченной пластины, облицованной с одной стороны и с идеальной теплоизоляцией с другой 154
4.2.3. Определение приведенной толщины металла стальной конструкции 159
4.2.4. Определение теплофизических характеристик новых видов огнезащитных облицовок 163
4.3. Метод построения номограмм прогрева стальных конструкций со вспучивающимися покрытиями 167
4.4. Выводы ; 171
Основные результаты и выводы 172
Литература
- Физические свойства стали и облицовок в условиях высоких температур
- Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
- Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
- Алгоритм расчета стальной неограниченной пластины, облицованной с одной стороны и с идеальной теплоизоляцией с другой
Введение к работе
Актуальность работы.
В практике строительства широкое распространение получили стальные конструкции, обладающие высокой прочностью, относительной легкостью и долговечностью. Однако под воздействием высоких температур при пожаре они деформируются, теряют устойчивость и несущую способность. Деформа-ции и потеря прочности стальных балок, ферм, колонн в результате пожара влекут за собой обрушение отдельных частей или целиком зданий.
В настоящее время пределы огнестойкости несущих строительных конструкций уникальных сооружений типа АЭС или телебашни радиотелевизионных передающих станций (высота которых 300 м и более) назначаются согласно действующим требованиям СНиП. Нормы предполагают, что строительные конструкции должны выдержать воздействие на них высоких температур по стандартному режиму и не обрушиться в течение нормативного времени.
Анализ опыта работы по обеспечению пожарной безопасности уникальных объектов, показал, что только сохранение несущей способности для них не достаточно. Ремонт или замена несущих конструкций после пожара, имеющих значительные деформации, либо невозможна, либо сопряжена со значительными затратами, гораздо большими, чем затраты на их огнезащиту. Необратимые температурные деформации несущих строительных конструкций могут надолго прервать производственный процесс, что связано не только со значительным материальным ущербом, но и с немалыми социальными последствиями из-за прекращения работы этих особо ответственных объектов.
В последнее время возросшая актуальность темы огнестойкости несущих стальных конструкций привела к появлению большого числа новых технических разработок. В частности к ним относятся новые марки конструкционных сталей с повышенными показателями огнестойкости. Строительные конструк-
ции из таких сталей под нагрузкой, при воздействии высокой температуры дольше сохраняют свою несущую способность, в сравнении с обычными сталями, при прочих равных условиях.
Одной из актуальных тем является исследование прочностных и дефор-мативных характеристик новых марок стали при повышенных температурах.
Аналогичным образом развивается область огнезащиты стальных конструкций. Появились новые виды огнезащитных материалов, обладающих высокой огнезащитной эффективностью, передовыми технологиями нанесения и эксплуатации. В связи с этим возникает необходимость исследований теплотехнических характеристик данных материалов, а также научной оценки новых способов повышения огнестойкости стальных конструкций.
Разработка проектов уникальных зданий и сооружений связана с повышенными требованиями по обеспечению мер пожарной безопасности. Для этого требуется оценка огнестойкости строительных конструкций и, при необходимости, разработка противопожарных систем пассивного действия!'
На сегодняшний день существующие испытательные методы не дают возможности оперативно и без значительных материальных затрат определять огнестойкость конструкций. Традиционные методы расчета огнестойкости не учитывают влияние пластических деформаций температурной ползучести стали при потере прочности и устойчивости конструкции при тепловом воздействии, что не дает возможности рассчитывать деформирование конструкций при пожаре.
В настоящее время, как у нас в стране, так и за рубежом, определение пределов огнестойкости стальных элементов по несущей способности при тепловом воздействии и постоянной нормативной нагрузке сводится к расчету критической температуры Ткр стали, и последующем решении теплотехнической задачи. При этом значения предела текучести сут и модуля упругости Е стали при нормальной температуре заменяют на их величины при повышенных
температурах. Считается, что время т достижения критической температуры Ткр стали является пределом огнестойкости конструкции по обрушению:
Те = Ткр => MPit = Мн, или NpJ = NH
где: NH - нормативная нагрузка, кг; Мн - действующий изгибающий момент (для балок), кг-м;
NpJ (MPJ -несущая способность конструкции при тепловом воздействии.
Однако, например по ГОСТ 30247.1-94 [2], предел огнестойкости конструкции определяется по достижению предельных деформаций или скорости нарастания деформаций. Данные нормативные показатели в настоящее время подтверждаются только экспериментальным путем. В этом случае критическая температура Ткр является косвенным показателем огнестойкости, а критерием нормирования выступает критическая деформация єкр.
Изменение предела текучести ау и модуля упругости Е стали с повыше-нием температуры имеет весьма важное значение при расчетах на прочность стальных элементов. Но не менее существенным в поведении стали при высоких температурах оказывается явление ползучести. При нагреве в стальных конструкциях под действием постоянной нагрузки возникает деформация температурной ползучести єп, накопление которой может привести к потере несущей способности. В большей степени данное обстоятельство относится к изгибаемым конструкциям: балкам, фермам. В настоящее время деформации ползучести, при расчете критической температуры стальных элементов, не принимается во внимание как у нас в стране, так и в зарубежных методиках.
В связи с этим, возрастает актуальность разработки нового метода расчета огнестойкости стальных конструкций по деформациям, с учетом температурной ползучести стали. Нормативными критериями наступления предельного состояния следует принимать максимально допустимые деформации строительных элементов.
Особую актуальность предлагаемый расчетный метод имеет при проектировании уникальных зданий и сооружений, включающих стальные конструкции, имеющие значительные размеры по высоте и длине. В дальнейшем, в связи с большей универсальностью метода по сравнению с традиционными, он может использоваться для оценки огнестойкости любых конструкций из стали.
В нашей стране ранее решением проблем огнестойкости занимались А.ИЛковлев, В.П.Бушев, В.Г.Олимпиев, В.А.Пчелинцев, В.С.Федоренко, В.И.Мурашев, И.С.Молчадский, Ю.Н.Работнов, В.И.Розенблюм, М.Я.Ройтман, В.И.Голованов, Р.АЛйлиян, за рубежом И.Дорн, Н.Хофф, О.Петерсон, С.Магнуссон, Д.Тор и др.
Цель работы.
Разработка метода расчета пределов огнестойкости изгибаемых стальных конструкций по достижению критических деформаций, с учетом температурной ползучести стали.
Научная новизна работы.
исследованы прочностные и деформативные характеристики новых марок сталей 06БФ и 06МБФ при испытаниях на растяжение и на ползучесть при повышенных температурах;
определены температурные зависимости теплофизических характеристик десяти новых огнезащитных материалов для стальных конструкций;
разработана модель процесса деформирования стальных балок с учетом температурной ползучести, позволяющая учитывать различные режимы нагрева стали, и рассчитывать огнестойкость изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой, с использованием указанных характеристик.
Практическая значимость работы.
Исследованные прочностные и деформативные характеристики новых марок сталей, а также теплофизические характеристики огнезащитных материалов при нагреве, используются для математического моделирования и прогнозирования огнестойкости стальных изгибаемых конструкций с огнезащитой.
При возведении уникальных зданий и сооружений, а также при нестандартном проектировании, предлагается использование нового расчетного метода для оценки огнестойкости изгибаемых стальных конструкций. Основой расчета является математическая модель деформированного состояния балки, учитывающая температурную ползучесть стали при различных режимах теплового воздействия. Нормативными критериями предлагается принимать максимально допустимые деформации строительных элементов.
Результаты работы внесены в различные банки данных в области пожарной безопасности, для разработки мероприятий по обеспечению огнестойкости несущих строительных конструкций.
Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились при непосредственном участии автора в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена "Знак почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны" (ФГУ ВНИИПО) МЧС России с 1994 года, при выполнении ряда Государственных программ и плана НИР ФГУ ВНИИПО МЧС России.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались:
на XV научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (ВНИИПО, Москва, 1999 г.), XVI научно-практической конференции "Крупные пожары: предупреждение и тушение" (ВНИИПО, Москва, 2001 г.), XVII научно-практической конференции (ВНИИПО, Москва, 2002 г.), XVIII научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах", (ВНИИПО, Москва, 2003 г.), XIX научно-практической конференции, "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений", (ВНИИПО, Москва, 2005 г.), XX научно-практической конференции, "Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах" (ВНИИПО, Москва, 2007 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ.
Объём работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Список использованной литературы включает 126 наименований. Общий объём работы, включая 52 рисунка и 20 таблиц, составляет 198 страниц машинописного текста.
На защиту выносятся следующие положения:
результаты исследований прочностных характеристик новых марок сталей, полученные при стандартных испытаниях на растяжение и на ползучесть при повышенных температурах;
метод оценки огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой по критическим деформациям, с учетом температурной ползучести стали;
схема установки и результаты огневых испытаний изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой;
результаты исследований теплотехнических характеристик новых огнезащитных облицовок для стальных конструкций.
В процессе выполнения исследований автор использовал данные по химическому составу и прочностным характеристикам новых марок сталей, полученные в ГУП ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко (Ю.Д.Морозов, Л.И.Эфрон, О.Н.Чевская, Н.Н.Штычков, П.Д.Одесский, Д.В.Соловьев, В.А.Москаленко, А.М.Степашин, И.П.Шабалов, Д.В.Кулик).
Автор выражает признательность всем специалистам, способствовавшим успешному завершению работы.
Физические свойства стали и облицовок в условиях высоких температур
Основными прочностными характеристиками стали, отвечающими за прочность и устойчивость конструкции при нормальных условиях и при нагревании, являются предел текучести ат и модуль упругости Е стали. Данные параметры определяются из диаграмм растяжения стали а - є при нормальных и при повышенных температурах на специальных образцах стали при помощи муфельных печей и разрывных машин [3].
При нормальной температуре потеря несущей способности стальных стержней происходит в результате увеличения нагрузки до ее критического значения Ркр [7]. В условиях нагревания потеря несущей способности конструкций происходит при постоянной нагрузке. Повышение температуры стержней до определенного значения (критическая температура tKp) приводит к изменению основных механических характеристик металла (модуля упругости Е и предела текучести с?т), что является причиной, вызывающей новые состояния сжатого стержня, в результате которых рабочая нагрузка через определенный промежуток времени оказывается для него критической [17, 16, 23]. Поэтому возникает необходимость установить, при каких условиях и каким образом каждая из указанных характеристик металла оказывает влияние на потерю несущей способности стержней, имеющих различные конструктивные показатели.
При повышении температуры обычных углеродистых сталей происходит снижение предела текучести [21]. При температуре до 400 С предел текучести стали класса Ст. 3 снижается примерно на 28 %, при температуре 500 С - более чем на 45 %, а при температуре 600 С - на 65 %. Снижение предела текучести при повышении температуры стали может быть выражено зависимостью: Gj =yT(7T (1-2) где ут — коэффициент снижения предела текучести при повышении температуры; ат - предел текучести стали при данной температуре в кГ/см2; ат - предел текучести стали при нормальной температуре в кГ/см2. Аналогичным образом повышение температуры вызывает снижение модуля упругости стали Е (рис. 1.9). , кГ/см 2200000 2000000 —- . №00000 1600000 mooooo 1200000 О . 200 0Л 600 ВОЗ С
Так, например, при повышении температуры стали, содержащей 0,5% углерода, до 400 С величина модуля упругости снижается примерно на 12%, при повышении температуры до 500 С - 18%, а при повышении температуры до 600 С - на 26%. Снижение модуля упругости при повышении температуры стали может быть выражено зависимостью: Е1=уЕ-Е (1.3) где уЕ — коэффициент уменьшения модуля упругости при повышении температуры; Е1 - модуль упругости стали при данной температуре в кГ/см2; Е - модуль упругости стали при нормальной температуре в кГ/см2.
Под действием постоянных по величине усилий при высокотемпературном нагреве в нагруженных элементах стальных конструкций происходит непрерывно растущая во времени деформация металла - деформация температурной ползучести 8П. Деформацию ползучести, происходящую в металлических конструкциях при пожарах, в течение нескольких часов или минут называют кратковременной, в отличии от длительной ползучести, происходящей в течение нескольких месяцев и лет.
Стандартные испытания на ползучесть проводят по ГОСТ 3248-81 [4]. Условный предел ползучести - напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или заданную скорость ползучести.
Кратковременная ползучесть при пожаре в стальных элементах конструкций происходит при постоянной нагрузке, но скорость нагрева стали может изменяться в зависимости от интенсивности пожара, а также от типа и толщины изоляции. Поэтому при расчете на огнестойкость стальных конструкций необходимо иметь данные о развитии деформации ползучести при изменяющейся в процессе нагрева температуре и напряжении, соответствующем условиям работы стали в конструкциях.
В настоящее время во ВНИИПО существует методика испытания стали для определения кратковременной ползучести при растяжении [4, 39], которая предусматривает нагревание нагруженных образцов. Исследование пластических свойств стали проводится на установке ZST 3/3-502 (Германия).
Данные по кратковременной ползучести конструкционных марок стали ВстЗп и 09Г2с были получены В.И .Головановым и апробированы на расчетной модели огнестойкости сжатых стальных стержней [22, 23].
Подробное исследование прочностных и деформативных свойств новых марок стали 06БФ и 06МБФ в условиях высоких температур приведено в главе 2, а также в работах [47, 49, 51, 53]. Определение диаграмм работы стали, характеристик отиЕ новых марок сталей, а также параметров ползучести ц , Z и еп0 стали в условиях нестационарного нагрева в данной работе проводилось с целью разработки методики расчета огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с учетом деформаций ползучести, в условиях высоких температур.
Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
Исследования по определению прочностных характеристик различных марок стали проводились на экспериментальной базе и оборудовании ФГУ ВНИИПО МЧС России и ФГУП "ЦНИИчермет им. И.П.Бардина".
Испытания образцов сталей на растяжение проводились согласно ГОСТ 9651-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах" [3]. Настоящий стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов и изделий из них номинальным диаметром или наименьшим размером в поперечном сечении 3,0 мм и более, а для тонких листов и лент толщиной от 0,5 мм. Регистрация показателей производится при температурах от 35 до 1200 град. Стандарт определяет следующие механические свойства стали: предел текучести физический; предел текучести условный; временное сопротивление; относительное равномерное удлинение; относительное удлинение после разрыва; относительное сужение поперечного сечения после разрыва.
Исследования на прочность при сжатии автором не проводились, так как ранее в работе [22] было установлено, что разница в пределе текучести и модуле упругости между растяжением и сжатием составляет 1-7 %. Это дает возможность принимать прочностные и деформативные характеристики без большой погрешности. Форма и размеры образцов для экспериментов на растяжение в условиях высоких температур в гидравлической разрывной машине.
Опытные образцы для экспериментов на растяжение из сталей 06БФ и 06МБФ представляли собой цилиндрические стержни со специальными утолщениями по концам для крепления в механических захватах (см. рис. 2.1). Расчетная длина образцов принималась равной /0=30 мм, а диаметр d0=6 мм.
Цилиндрический образец для испытаний на растяжение на универсальной испытательной машине "Heckert FR 100". Эксперименты на растяжение при нагреве сталей ВСтЗпс и 09Г2С проводились на круглых цилиндрических образцах, рис. 2.2. Расчетная длина образцов принималась равной !0 =100 мм, а диаметр d0 =5 мм. На головках образцов имелась резьба, соответствующая гаечной резьбе в удлинительных штангах.
Размер образцов назначался с учетом того, чтобы их можно было использовать также для испытаний на ползучесть при растяжении, и применять одинаковые приспособления для замера деформаций.
В работе [39] установлено, что удаление поверхностного слоя малоуглеродистых и низколегированных сталей не влияет на величину механических характеристик при нагреве. Поэтому при изготовлении образцов из пластин поверхностный слой не сохранялся. 100 со
Эксперименты для определения диаграмм а-є при стационарных режимах нагрева образцов на растяжение для стали с улучшенными показателями огнестойкости проводились на универсальной испытательной машине "Heckert FR 100" немецкого производства (рис. 2.3). Для остальных марок испытания на растяжение проводились на гидравлической разрывной машине "Р-10" (рис. 2.4) с максимальным усилием 100 кН, российского производства. Схема установки стального образца на разрывной машине представлена на рис. 2.5.
Обе машины оснащены двумя механическими захватами, предназначенными для удержания опытного образца в вертикальном положении и обеспечивающими отсутствие поперечных и изгибающих усилий на образце при растяжении. Максимальное усилие создаваемое машиной обеспечивает плавное нарастание напряжений в сечении образца с заданной скоростью до момента разрыва образца. Регистрация усилия (кН), прилагаемого к образцу при его удлинении, производится с помощью встроенного автоматического самопишущего устройства на диаграммной ленте.
Нагревательные устройства
Равномерность распределения температуры по высоте печи имеет большое значение, особенно при экспериментах с определением малых деформаций. С этой целью для проведения испытаний на растяжение во ВНИИПО были специально спроектированы и изготовлены печи, имеющие особое распределение обмотки по ее длине. Витки обмотки из нихромовой проволоки распределялись вокруг керамического муфеля таким образом: наиболее часто в нижней части печи, более редко - в верхней и еще реже в средней части печи, где располагается расчетная длина образца. Максимальная температура нагрева муфеля - 1000 С. В результате проведенной тарировки печи по трем термопарам было установлено, что разница температур по высоте муфеля составила: при температуре до 300С - ± 2С, 600С- ± 4С, до 900С - ± 6С, что удовлетворяет требованиям ГОСТ 9651-73.
С целью поддержания равномерного температурного поля внутри электропечи торцы керамического муфеля изолировались от внешней среды экранами из минераловатных базальтовых плит.
Регулировка температурного режима в печах осуществлялась путем постепенного подбора необходимой мощности нагревательной обмотки электропечи с помощью электрического трансформатора мощностью 40 кВт.
Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры
Испытания балок проводились на модернизированной горизонтальной установке для испытаний на огнестойкость панелей, настилов, плит, перекрытий, покрытий и подвесных потолков (схема показана в п. 1.4 на рис. 1.11), с внесенными автором изменениями, по специально разработанной методике.
Для проведения испытаний на огнестойкость стальных горизонтальных балок вышеуказанная установка была модернизирована и дополнена специальными приспособлениями для опирання и нагружения образцов (см. рис. 3.1). Объем камеры сгорания был изменен при помощи огнеупорных вкладышей и составлял в сумме 5,88 м3. В этом объеме действовали 2 форсунки для сжигания керосина, поддерживающие в камере сгорания температурный режим.
Установка работала на жидком топливе (керосине), сжигаемом в огневой камере при помощи длиннопламенных форсунок с воздушным дутьем, расположение которых обеспечивает равномерное распределение тепла от пламени по всей нагреваемой поверхности образца.
Горелки создавали пламя длиной до 1,2 м и диаметром до 0,5 м. Ось пламени горелок была параллельна поверхности испытываемых конструкций, причем пламя горелок не касалось их поверхности.
Установка дополнялась приспособлениями для установки образцов балок: шарнирно-подвижная опора, шарнирно-неподвижная опора и приспособление для удержания балки от скручивания поперечного сечения.
Установка была оснащена специальным рычажным механизмом для нагружения образцов балок. Опора рычага была шарнирно закреплена на установке при помощи растяжек, связывающих ее с основанием. 1 - образец балки; 2 - приспособление для удержания балки от скручивания; 3 - рычаг; 4 - приспособление для передачи нагрузки на балку; 5 - опора рычага; 6 - поддон с грузами; 7 - кладка печи; 8 - форсунка; 9 - дымовой канал; 10- вкладыши (бетонные, либо кирпичные); 11 - покрывная железобетонная плита.
Точка нагружения, через которую нагрузка передавалась на образец, находилась в средней части рычага. Отношение большого и малого плеча рычага составляло 4,75 м : 1,75 м = 2,71. Нагружение рычага осуществлялось чугунными грузами весом 330 кг и 25 кг, которые размещались в специальном поддоне, подвешенном на свободном конце рычага.
Образцы для испытаний Опытные образцы для огневых испытаний представляли собой сварные двутавровые балки длиной 3000 мм и высотой поперечного сечения 180 мм (рис. 3.2).
Балки были изготовлены из листовой горячекатаной стали по ТУ 14-1-5399-2000 толщиной проката 10 мм и 12 мм. Всего было подготовлено 16 образцов стальных балок из сталей: ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ.
Для предотвращения от преждевременного скручивания балки были дополнены специальными ребрами жесткости, расположенными в центральной части образцов и по краям. Прогибы образцов в середине пролетов и на опоре в ходе нагружения и в процессе испытания измеряли приборами Максимова. Точки замера прогибов показаны на рис. 3.2.
Температура в огневой камере печи измерялась печными термопарами, равномерно распределенными по длине образцов в пяти местах, а на образцах балок температура измерялась термопарами типа ТХА, установленными в количестве 3-х штук в среднем сечении образцов на стенке двутавра и внутренней поверхности полок двутавра. Схема расстановки термопар на образцах показана на рис. 3.2. Термопары на образцах устанавливались методом зачеканивания.
Температура образцов замерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар диаметром 0,5 мм, изолированных нитью кремнеземной Kl 1С6 с пропиткой лаком КО, способным выдерживать температуру 1100 С. Показания термопар регистрировались 12-точечными электронными автоматическими потенциометрами типа КСП-4 с градуировкой ХА на 1100С.
Один образец балки, был представлен к огневым испытаниям с огнезащитным покрытием "ОГРАКС-В-СК" по ТУ 5728-021-13267785-00 с изм. 1. толщиной 0,69 мм.
Методика испытаний стальных балок на огнестойкость под нагрузкой Испытания стальных балок на огнестойкость проводились по специально разработанной автором методике.
Опытные образцы стальных балок устанавливались на экспериментальную установку и опирались на шарнирно-подвижную и шарнирно-неподвижную опоры. Для этого использовались специальные приспособления для опирання и удержания балки от скручивания.
Далее по периметру печи, в несколько рядов укладывались кирпичи для увеличения высоты огневой камеры до уровня балки. Поверх кирпичной кладки устанавливались две покрывные железобетонные плиты так, чтобы балка находилась между ними, а нижняя (обогреваемая) поверхность плит была на одном уровне с верхней полкой балки (см. рис. 3.1). Таким образом имитировалась конструкция перекрытия, а для балки обеспечивался трехсторонний обогрев.
После установки покрывных плит и приспособлений для нагружения балки, поверх балки укладывались минераловатные плиты для исключения теплоотдачи в окружающую среду. Все стыки, щели и неплотности установки также заделывались минераловатными плитами.
Алгоритм расчета стальной неограниченной пластины, облицованной с одной стороны и с идеальной теплоизоляцией с другой
Расчет производится при условии изменения температуры нагревающей среды во времени по стандартной температурной кривой по ГОСТ 30247.0-94 [1], уравнение которой имеет вид: ґ6 г=3451(0,133г + і) + ґн (4.1) где: fBjT - температура нагревающей среды, К; х - время в секундах; tH - начальная температура нагревающей среды, К. Коэффициент передачи тепла - а, Вт/(м2 град), от нагревающей среды с температурой /вд к поверхности конструкции с температурой tQ вычисляется по формуле: 155 а = 29 + 5,77 - — (4.2) ..г- о где: 5w/7 - приведенная степень черноты системы: "нагревающая среда поверхность конструкции": = (1/,)+(1/,,)-1 (43) где: 5 - степень черноты огневой камеры печи, s = 0,85; s0 - степень черноты обогреваемой поверхности конструкции. Расчет температуры металлической конструкций производится с помощью ЭВМ.
Программа для расчета составляется по алгоритму, который представляет собой ряд формул, полученных на основе решения краевой задачи теплопроводности методом элементарных балансов (конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности Фурье (1.5) при внешней и внутренней нелинейности и наличии отрицательных источников тепла: испарение воды в облицовке и нагрев металла). По этим формулам температура конструкции вычисляется последовательно через расчетные интервалы времени - Ат до заданного критического значения. Начальные условия для расчета принимаются следующими: Начальная температура во всех точках по сечению конструкции до пожара и температура окружающей среды вне зоны пожара одинакова и равна tH = 293 К.
Величина расчетного интервала времени - Ат (шаг программы) выбирается такой, чтобы она целое число раз укладывалась в интервале машинной записи результатов расчета. При этом выбранная величина Ат не должна превышать значения, которое вычисляется по формуле (4.6).
Незащищенные металлические конструкции
Алгоритмом для машинного расчета незащищенных металлических конструкций является формула имеющая вид: стАг = - / Т+п ч«( ..г - „)+ „ (4.4) Уcmnp У- cm cmlcm ) где: tcmiAr - температура стержня через расчетный интервал времени Дт, К; tcm - температура стержня в данный момент времени - т, К; te г - температура нагревающей среды в данный момент времени-т, К; а - коэффициент передачи тепла от нагревающей среды к поверхности конструкции, Вт/(м град);
Сст - начальный коэффициент теплоемкости металла, Дж/(кгград); Dcm - коэффициент изменения теплоемкости металла при нагреве, Дж/(кг град2); Уст - удельный вес металла, кг/м3; Ъпр - приведенная толщина металла, м: 5ПР = Jj С4-5) где: F - площадь поперечного сечения стержня, м2; 77- обогреваемый периметр сечения стержня, м. Максимальный расчетный интервал времени Ахтах вычисляется по формуле: А тах = (4-6) а где аи/ш-максимально возможные значения в расчете. 157 Конструкции с огнезащитными облицовками
Для плоских конструкций с одномерным потоком тепла по толщине алгоритм машинного расчета составляется на основании схемы, изображенной на рис. 4.1. Огнезащитная облицовка толщиной Ьо разбивается на я-ое число слоев Ах.
Для представления сложной геометрии двухмерной конструкции в одном измерении необходимо использовать единый параметр для всех видов сечений - приведенную толщину металла 5пр. Физический смысл 5пр состоит в том, что сечение стержневой конструкции любого профиля с огнезащитой приводится к виду стальной облицованной пластины определенной толщины, бесконечных размеров, с идеальной теплоизоляцией с необогреваемой стороны (см. рис 4.1). Значение приведенной толщины металла не зависит от конфигурации профиля и длины стержневой конструкции. Данная величина прямо пропорциональна массивности конструкции и обратно пропорциональна обогреваемой поверхности конструкции. Таким образом, при одинаковом тепловом воздействии и равных теплофизических характеристиках конструкций приведенная толщина металла является единственным показателем, определяющим время прогрева конструкции до заданной температуры.
В зарубежной практике аналогичным образом применяется величина "Section Factor" (м"1), являющаяся обратным значением приведенной толщины металла.
Приведенная толщина металла конструкции 5пр (мм) определяется следующим образом: - для незащищенных конструкций и для конструкций со вспучивающимися покрытиями по формуле (4.5); - для конструкций облицованных штукатурками и плитными материалами с толщиной облицовки 8о менее 20 мм по формуле (4.5), с учетом вычислений обогреваемого периметра конструкции Я по таблице 4.1. - для конструкций, облицованных штукатурками и плитными материалами с толщиной облицовки 50 более 20 мм по формулам (4.10-Н-.15).
