автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Несущая способность изгибаемых клееных деревянных конструкций массивного сечения при тепловом воздействии

С Г' • ! I ^

Министерство внутреннтх дел РФ Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны

На правах рукописи

ХАРИТОНОВ ВИКТОР СЕРГЕЕВИЧ

деревянных конструкций массивного сечения при тепловом воздействии

Специальность 05. 26. 01 Охрана труда и пожарная безопасность

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени 1 кандидата технических наук

Москва - 1992

Министерство внутреннтх дел РФ Всероссийский ордена "Знак Почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны

На правах рукописи ХАРИТОНОВ ВИКТОР СЕРГЕЕВИЧ

нссудая способность изгибаемых клееных деревянных конструкций массивного сечения при тепловом воздействии

Специальность 05.26. 01 Охрана труда и пожарная безопасность

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена во Всероссийском ордена "Знак почета" научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД РФ.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор К Г. Романенков

Научный, консультант - доктор технических наук,

; . • С. Н. С. И. С. МЭЛЧаДСКИЙ.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук,

профессор К В. Жуков, - кандидат технических наук К Е Зигерн-Корн.

Ведущая организация: ПНИИПромзданий

Защита состоится рОЛ^А 1992 г. в

часов - на заседании специализированного совета ДЯ 052.06.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД РФ по адресу: 143900, Балашиха-6, Московской обл..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИШЮ МЕД РФ. .

Автореферат разослан '77 " года,

исх. N (Г[Ц . '

Отвыв на автореферат с подписью, заверенной печатью, просим направить во ВНИИПО МВД РФ по указанному адресу. Телефон для справок: 521 29 00 ' .

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук,

старший научный сотрудник К И. Титков

Обшдя характеристика работы

Актуальность работы. Рациональное использование и всемерная экономия древесины в строительстве Российской Федерации является в настоящее время одной из первостепенных задач. Строительная индустрия России потребляет около трети всей заготавливаемой древесины в республике. Более 50% этого количества древесины используется в зданиях и сооружениях в виде цельных элементов (стоек и балок из бревен, подкосов, стропил, настилов и т. д.). Материалоёмкость и долговечность таких элементов не всегда являются оптимальными. В связи с вышеизложенным очень актуальным является вопрос о дальнейшем увеличении объёма применения в строительстве клееных деревянных конструкций,имеющих ряд существенных преимуществ по сравнению с аналогичными из цельной древесины.

Конструкции из клееной древесины находят применение в животноводческих зданиях и птичниках,в .производственных и складских зданиях (в первую очередь - с химически агрессивной средой), а также .при строительстве торговых, спортивных и зрелищых зданий'большой площади, либо необычной формы. Этому способствовали разработки таких ученых, как Г. Г. Карлсен, В. В. Большаков, А. Б. Губенко, Ю. М. Иванов, Ф. П. Белянкин, Л. М. Ковальчук, Ю. В. Слицкоухов, а также проведенные в дальнейшем ЦНИИСК, ЦНИИпроизданий, ЦНИ-ИЭПсельстроем, МИСИ, ВИПТШ МВД РФ научно-исследовательские работы,позволившие создать широкую номенклатуру клеедере-вянных конструкций массового применения: балки различных типов, арки треугольные и стрельчатого очертания, рамы из прямолинейных элементов и гнутоклееные, колонны, плиты перекрытий и другие.

Клееная древесина без огнезащитной обработки является классическим сгораемым материалом. Вместе с тем конструкции с её применением при пожаре могут обладать достаточно высокой несущей способностью, не обрушаясь. Учитывая объём применения таких конструкций в строительстве, обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений с

использованием конструкций из клееной древесины приобретает большое значение. Огнестойкость относится к числу основных характеристик строительных конструкций и регламентируется СНиП 2.01.02-85 "Противопожарные нормы".

Цель работы заключается в изучении несущей способности клеедеревянных балок массивного сечения при стандартном тепловом воздействии и создании инженерного метода расчета их огнестойкости.

.Научная новизна работы состоит в том, что исследованы закономерности поведения клееных балок и снижения их несущей способности в нестационарных условиях нагрева, получены данные исследований по изменению скорости обугливания древесины массивных элементов при двухмерном тепловом потоке на конструкции, а также прочностных и теплофизических характеристик сосны при нагреве поперек волокон.Разработан инженерный метод расчета пределов огнестойкости рассматриваемого видо .конструкций по признаку обрушения, основанный на решении одновременно двух задач: теплотехнической и статической.

Практическая значимость работы заключается в том, что определены фактические пределы огнестойкости наиболее распространенных в строительстве типов клееных балок. Разработаны алгоритм и программа для определения на ЭВМ поля темгератур в сечениях клееных балок при действии на них высоких темперь^ур "стандартного" пожара.

Практическое внедрение. Результаты экспериментально-теоретических исследований, изложенные в диссертационной работе, внедрены:

- в ЦНИИСК им. Кучеренко при разработке СНиП 2.01.02-85 "Противопожарные нормы" и "Пособия по определению пределов огнестойкости конструкций, пределов распространения огня по конструкциям и групп возгораемости материалов (к СНиП I1-2-80)" и его последующих редакций;

- во ВНИИПО МВД РФ при разработке "Каталога легких ограж-

дающих конструкций ( огнестойкость и горючесть )". М. , ВНИИПО, 1982. Программа и алгоритм теплотехнической части расчета огнестойкости клееных балок массивного сечения включены в ФАП института;

- на Нижегородском швейном учебно-производственном предприятии при оценке огнестойкости деревянных балок чердачного и междуэтажных перекрытий главного производственного корпуса

Апробация работы. Основные результаты работы доложены ; и получили одобрение:

- на советско-финском симпозиуме "Огнестойкость деревянных конструкций" 29. 9-4.10 1980 г. в г. Тбилиси;

- в ВИПГШ МЕД РФ 24.06.1987 г. на кафедре пожарной профилактики в строительстве.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 8 научных статей.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех основных глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Включает 190 страниц текста, иллюстрированного^ рисункам; содержит ¿7 таблиц и список литературы из 102. наименований.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментальных исследований несущей способности клееных деревянных балок массивного прямоугольного сечения в нестационарных условиях нагрева; -уточненные зависимости скорости обугливания древесины массивных элементов при стандартном тепловом воздействии, а также данные по,измерению прочностных и теплофизических характеристик древесины при повышенных температурах;

- метод расчета пределов огнестойкости клеёных деревянных балок массивного сечения по признаку обрушения.

Содержание работы

В первой главе диссертации проведен аналитический об-

эор работ, посвященных экспериментальному исследованию несущей способности клееных конструкций, а также прочностных и теплофизических свойств древесины при повышенных температурах и различных значениях влажности.

Сопоставляются отечественные и зарубежные данные по исследованию скорости . обугливания древесины. Рассмотрены наиболее типичные методы расчета огнестойкости несущих клееных конструкций, их достоинства и недостатки. Сформулированы задачи исследований.

Анализ статистики реальных пожаров в зданиях и сооружениях показывает, что несущая способность клееных конструкций может в некоторых случаях превышать несущую способность аналогичных конструкций из стали и железобетона. Наиболее высокую огнестойкость по признаку обрушения показали оштукатуренные деревянные элементы (3 ч и более). В ряде случаев этот показатель для деревянных клееных конструкций оказывается ниже требуемой нормами величины, что часто приводит при пожарах в зданиях к значительным материальным убыткам и гибели ,шодей.

Экспериментальные исследования, проведенные к моменту начала-работы, позволили авторам выявить некоторые факторы, повышающие огнестойкость клееных конструкций. Полученные данные послужили основой для разработки практических рекомендаций, а также документов нормативного характера. Однако, отсутствие надлежащей экспериментальной базы не позволили на данный момент достаточно глубоко и всесторонне изучить такие вопросы, как влияние величины нагрузки и поверхностей огнезащиты балок на их несущую способность, не проанализированы причины и характер их разрушения в предельном состоянии, не выявлены особенности распределения температуры в различных по размерам сечениях конструкций. Эти вопросы не нашли должного отражения и в зарубежных исследованиях.

Величина скорости обугливания древесины клееных балок

нуждается в уточнении, поскольку для большинства приведенных в отечественной и зарубежной литературе данных для этого показателя характерен значительный разброс ( от о, 32 до 1,0 мм. мин ).

Практически все имеющиеся данные исследований, проведенных на момент начала работы, указывают на линейный характер снижения прочностных свойств древесины с ростом температуры и влажности. Однако, по своему численному значению эти данные для каждого вида напряженного состояния отличаются друг от друга на величину до 30 - 40X, что затрудняет выбор конкретных величин этих сопротивлений для оценки огнестойкости балок расчетным путем. Поэтому необходимы дополнительные исследования прочностных показателей древесины на образцах стандартных размеров.

Теплофизические свойства древесины сосны по данным проведенных исследований определены в диапазоне от 20 до 100°С, что недостаточно с учетом фактических величин прогрева оставшегося сечения конструкций к моменту их обрушения при пожаре.

Эффективность расчетных методов оценки огнестойкости клееных балок целесообразно рассматривать с учетом того, насколько точно в каждом случае решены теплотехническая и статическая задачи. Проведенный анализ показывает, что основной величиной в предлагаемых методах расчета как в нашей стране (Г. М. Кирпиче нков, Б. Г. Максимович, Р. И. Рыков), так и за рубежом (Т. Ли, К. Холм, Е. Шаффер) является глубина или скорость обугливания древесины. Во всех без исключения методах практически не решена теплотехническая задача. Удовлетворительная сходимость данных расчетов с экспериментом достигается авторами в основном за счет выбора "удобной" величины скорости обугливания древесины.

Учитывая вышеизложенное,задачи исследований несущей способности клееных балок массивного сечения при тепловом воздействии сводятся:

1. К экспериментальной оценке огнестойкости типовых конструкций балок по современной методике огневых испытаний, одновременно необходимо:

- определить влияние величины нагрузки и наиболее эффективных видов огнезащиты на огнестойкость конструкций;

- изучить причины, характер разрушения балок и установить закономерности их перехода в предельное состояние;

- изучить особенности и характер распределения температуры в балках при испытаниях на огнестойкость и установить вли- ' яние огнезащитных покрытий на это распределение.

2. К созданию расчетного метода определения пределов огнестойкости клееных балок, для этого необходимо:

- уточнить величину скорости обугливания древесины от времени нагрева и создать модель процесса обугливания с учетом фактического распределения температуры в клеёных балках при стандартном тепловом воздействии;

- уточнить фактическую величину снижения прочности древесины сосны от температуры (до 140 °С включительно) для двух видов напряженного состояния - статического изгиба и скалывания вдоль волокон;

- определить . теплофизические свойства древесины сосны с ростом температуры (до 175°С включительно);

- разработать алгоритм и программу для расчета на ЭВМ поля температур в сечениях клееных балок при стандартном тепловом воздействии.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований типовых и опытных образцов конструкций при совместном действии на них "стандартного" пожара и различных по величине и виду нагрузок.

Основные положения метода огневых испытаний несущих конструкций (в т.ч. балок) приведены в СТ СЭВ 1000-88. Экспериментальная установка ВНИИПО для испытаний балочных конструкций полностью отвечает требованиям СТ СЭВ 5062-85.

Всего на огнестойкость испытано 15 образцов балок. Основные результаты экспериментов представлены в табл.

Таблица

1 N Основные Величина Отношение | Предел Причина!

| об- размеры балок нагрузки ¡огнестой- обруше-!

1 раз- Ь х И х 1, балок кости, ния |

1 ца мм мин

! 1 46

140x150x3000 20 Разрыв |

1 2 60 волокон|

Р-325 кг в рас- |

1 з 55 тянутой|

150x140x3000 21,5 зоне |

1 4 52

1 5 {£-2250 48

120x405x3020 7,5

1 б кг. пог. м 50

1 7 £=2630 54 Сдвиг |

120x405x3100 7,7 досок |

1 8 кг. пог. м 57 по ]

1 9 Р- 2300 65 швам |

| 10 кг 52 на . |

опорах |

1 11 Р = 48

! 12 120x410x3000 4600 о о { , р 50

1 13 КГ 37

! 14 Р- 6900 34

1 15 кг 28

-Ч-

Экспериментальные образцы (N 1-4), а также балки серии 1.462-2 (образцы N 5-13), испытаны под нагрузкой, не превышающей её нормативное значение (Рн). Нагругка на образцы N 14,15 балок при испытаниях на огнестойкость составляла 1,5 Рн.

В качестве поверхностной огнезащиты е образцах N 5,6 использовано покрытие марки ОФП-9 (ГОСТ 23790-80) рецептуры ЦНИИСК им. Кучеренко толщиной 0,6 мм.' Для огнезащиты образцов N 7,8 использовано вспучивающееся покрытие марки ВЦЦ (ГОСТ 13130-80) толщиной 0,5 мм рецептуры ВНИИПО. Все остальные конструкции испытывались без огнезащитной обработки поверхности.

Весовая влажность древесины конструкций перед проведением экспериментов составляла 8,0 - 12,8

Предел огнестойкости балок в зависимости от величины прилагаемого усилия и площади поперечного сечения, как показали эксперименты, может составлять 0,4 - 1,1 ч. Типовые балки серии 1.462-2 (образцы N 5-13), а также экспериментальные образцы N 1-4 при нагрузках, обеспечивающих коэффициенты запаса по нормативным сопротивлениям

yjp сК

(К»оп> 3,1 и К jan > 4,6), имеют предел огнестойкости не менее 0,75 ч.

Установлено, что с ростом величины прилагаемой нагрузки предел огнестойкости балок при одинаковом их рабочем пролете и площади сечения снижается по линейному закону. При нагрузках, составляющих 1,5Рн (образцы N 14,15), предел огнестойкости балок типовых размеров равен в среднем 0,5 ч.

Время от начала опытов до момента воспламенения древесины конструкций без огнезащиты составляет в среднем 5 мин. Покрытие марки ОФП-9 сдерживает возгорание древесины балок в течении 7,5 мин, вспучивающееся покрытие ВДП толщиной 0,5 мм - в течение 9 мин. Испытанные типы покрытий

практически н*? влияют на распределение температуры .в критическом сечении балок, однако, разницу во времени задержки до момента воспламенения древесины конструкций с огнезащитой и без неё следует учитывать в расчете щ огнестойкости.

В качестве примера на рис. 1 приведены средние значения показаний термопар, установленных в различных точках

010 ■ ко-

/ м 41.

-4С ✓

го 30 ьо !О Вренм нырг&г, ниц

$о «

Рис.1. Распределение температуры по сечению балок серии 1.462-2 без огнезашиты. ^ст - стандартней температурный режим; 1-5-показания соответственно 1-5 термопар; X-расчетные данные.

сечения балок серии 1.462-2 без огнезащиты, Для поля температур в сечениях характерно наличие, площадок стабилизации температуры в слоях при 100 С (процесс выпаривания влаги из древсины) и точек перегиба кривых при 270-300° С (начало обугливания и последующего возгорания древесины).

В результате экспериментов для всех видов балок отмечены две схемы разрушения. При отношении 1/h (длины элемента к высоте поперечного сечения) } 20 разрушение конст- • рукций происходит от разрыва волокон в растянутой части их сечения в зоне действияНmat. При отношении 1/h < 20 разрушение балок происходит от сдвига досок относительно друг друга по клеевым швам на опорах в зоне действия 6}wax .

В третьей главе изложены особенности методов исследования скорости обугливания массивных элементов прямоугольного сечения из древесины при стандартном тепловом воздействии, а также прочностных и теплофизических характеристик древесины сосны при нагреве поперёк волокон.

Приведены и обобщены данные экспериментов для последующего их использования в разработанном в четвертой главе метода расчета конструкций.

Скорость обугливания древесины исследовалась на образцах балок массивного сечения (b х h >120 х 120 мм) при условиях, аналогичных условиям испытаний конструкций на огнестойкость. Высокотемпературному нагреву с 3-х сторон подвергались клееные балки сечением 140 х 150 мм, а также балки серии 1.462-2 длиной 3 м без нагрузки при влажности 8,0 - 12,6 %. . Время теплового воздействия ССл ) по режиму "стандартного" пожара составляло 30, 45 и 60 мин. Всего проведено 10 экспериментов.

По окончании опытов образцы извлекали из огневой камеры установки, тушили распыленной водой и подвергали распиловке. Фиксировались усредненная ширина (¿>ср) и максимальная высота ( li') необугленного сечения элементов. Скорость обугливания по одной из боковых граней, учитывая симметричность обогрева, определялась из выражения:

-гг-

2<Гй1к -I

'ек =-, мм. мин . со стороны нижней грани:

Гл

1/ни3 = мм. мин ! Тп

ГГг 7

где ¿<звк --, мм; ¿низ» п~п , мм

2.

Установлено, что более интенсивное обугливание древесины происходит на нижних (обогреваемых) углах прямоугольного сечения конструкций, что-ведёт при 3-х. стороннем нагреве балок к дополнительному снижению момента сопротивления . Радиус скругления углов сечения со стороны нижней грани при испытании балок в течении 1,0 ч равен глубине обугливания . Скорость обугливания древесины балок прямоугольного сечения зависит не только от продолжительности стандартного теплового воздействия, но и от соотношения Ь/в. Так, при Ыв ' '/гадратное сечение) 1ГсТок--ТГйиь ■ при Ь/в = 3,4 (сечение балок серии 1. 462-2) 1/ниь- /,5-ТЛГек. В качестве примера на рис. 2 приведенч зависимость средней

%

% и

\ и

ч 1 1,0

1 0,9

ч о,г

б 0,7

■0 Е о,е

о 8- №

я,ч

Рис.2. Зависимость средней скорости обугливания древесины балок серии 1.462-2 от продолжительности их нагрева

О - боковые грани; ОС - нижняя грань.

2(7 30- 40 .<V ВО 70 Время нагр&Ип мин

скорости обугливания древесины балок серии 1.462-2, полученная в процессе их испытаний на огнестойкость.

С учетом проведенных исследований предложена следующая физическая модель процесса обугливания древесины клееных балок (рис.3). При этом рассматривается одномерная задача, режим нагрева - по стандартной зависимости.

ййижтиш т фрахта обуг-ЛиВомия

Рис. а Модель процесса обугливания и распределение температуры по сечению балок при стандартном тепловом воздействии, а - первый этап; б - второй этап.

Первый этап процесса - интенсивный прогрев поверхностных слоев древесины с выпариванием влаги в окружающую среду и вглубь сечения элемента. При этом образуются три характерные зоны: в зоне 1 происходит частичная деструкция древесины ({;,< 300°С,4г> 175°С); в зоне 2 (при-13>, 100°С ) происходит фазовое превращение влаги в пар; зона 3 - прогреваемая древесина 20 С). Длительность первого этапа по данным проведенных экспериментов для балок из незащищенной древесины составляет 5 мин.

Второй этап процесса: помимо указанного для первого этапа на поверхности илем^кта при 10 > 300°С образуется угольный слой с неоднородной пористой структурой и усадочными трещинами (зона 0).С увеличением продолжительности нагрева происходит перемещение фронта обугливания к центру сечения > 20 °С).

Учитывая характер разрушения балок в критическом сечении. уточнено влияние температуры прогрева древесины для двух видов напряженного состояния: статического изгиба поперек волокон и скалывания древесины вдоль волокон. Влияние температуры прогрева на прочность клеевого соединения при скалывании вдоль волокон достаточно изучено и приведено в отечественной литературе.

Предел прочности стандартных образцов из чистой (без пороков) древесины определялся на установке "1пз1гоп 1122" с нагружающим устройством высокой точности и термокриока-мерой, позволяющей проводить испытания в широком диапазоне значений температур. Температура прогрева образцов составляла 20, 60, 100 и 140°С. При каждом значении температуры испытано по 20 стандартных образцов (всего проведено 320 экспериментов). Время термсстатирования каждого из образцов - не менее 2-х часов.

Установлено, что при нагреве стандартных образцов из чистой древесины сосны до 140°С включительно предел прочности при статическом изгибе снижается в среднем на 29 %, при скалывании по цельной древесины - на 20 % от соответствующих значений пределов прочности при 20°С.

и

Значения временных (Ргр) и нормативных (Н ) сопротивлений соответственно чистой и сортной древесины при 20 С находятся в определенной взаимосвязи, установленной

ООН

СНиП I1-25-80. Сопротивления Р для расчета пределов огнестойкости балок определялись умножением соответствующей величины {?и сортной древесины на коэффициенты снижения прочности, полученные при испытаниях стандартных образцов для каждой температуры их прогрева. В качестве примера на

рис. 4 приведены, зависимости, характеризующие снижение нормативного сопротивления Яогн для сортной древесины при статическом изгибе, с ростом температуры прогрева £<р .

SOO г 0

Й

«V 1SO •

100

X

го ко 60 ВО 100 110 то

Температура прогрева., "

Рис.4. Прочностные характеристики древесины сосны для расчета огнестойкости клееных балок (статический изгиб). 1,2,3 - сортность древесины.

Для определения теплофизических характеристик древесины. сосны с ростом температуры её прогрева использована существующая во ВНИЖЮ установка, в которой реализован известный импульсный метод с применением линейного источника тепла постоянной мощности. Метод не связан с предварительной градуировкой эталонов и позволяет определить ^ , а, Сиз одного эксперимента для каждой средней температуры испытаний на образцах произвольной формы.

Сущность метода заключается в том, .что линейный источник тепла, выполненный из металлической нити определенной длины Л.о , помещается в исследуемый материал. Нить нагревается в течение заданного времени Со , её по-

~1ь-

етоянная электрическая мощность при известном сопротивлении Ними определяется по силе тока У о . В результате нагрева нити на изотермической поверхности термостатированного образца, отстоящей от поверхности нити на расстоянии £0 . наблюдается температурный максимум Тмах и время его наступления ^Стах .

Расчет теплофизических характеристик испытанного образца при определенной температуре производится по следующим зависимостям:

Ч1Г- /иах > Ч-То

где: с/» и ^а - функции, однозначно зависящие от аргумента - г^гпах Значения У^ и приведены в справочной литературе. Зная объемный вес материала, _ по известной формуле определяли коэффициент удельной теплоемкости.

Исследование теплофизических свойств древесины сосны при нагреве поперек волокон пров'о'дились на образцах кубической формы с ребром 70 мм. Влажность образцов для исследований составляла в среднем 12 I. Всего проведено 30 опытов (по 5 образцов при температуре ¿ср , равной (19, 55, 82, 113 и 175°С ). Термостатирование образцов осуществлялось автоматически с помощью высокочастотного регулятора температуры.

В результате обработки полученных экспериментальных данных определены конкретные величины Л ь и Сш-Ь для древесины сосны при нагреве поперек волокон для последующего их использования в теплотехнической части расчета огнестойкости клееных балок: , , ( 0,152 + 0,000210-1 ккал-м- ч- град" ;

Суд^- 0,6 + 0,000105ккал-кг". град'1.

Максимальная относительная ошибка измерения на установке коэффициента теплопроводности составляет 3,1 %, коэффициента температуропроводности - не более 2,2 %.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена разработке метода расчета пределов огнестойкости клееных ба-. лок массивного сечения по признаку их обрушения.

Температурные поля в критических сечениях балок к моменту их обрушения находятся путем решения теплотехнической задачи в нестационарных условиях нагрева при двухмерном тепловом потоке на конструкции.

Для расчета размеров критического сечения, а также напряжений в нем с учетом прогрева древесины, решается статическая задача.

В 'общем виде расчет поля температур в нестационарных условиях нагрева сводится к интегрированию известного дифференциального уравнения Фурье. Для нахождения постоянных интегрирования задаются граничные условия.

Исходя из принятой модели, процесс обугливания с каждой из трех обогреваемых граней развивается в два этапа. Математическая постановка задачи для первого этапа в граничных условиях 3-го ряда и наличия влаги в древесине имеет вид:

дь _ ЛярСА ^¿1 /

Э<с - • с СЭР(1)'Х1{>' 0>т и<?х/ г

где: V/ - интенсивность источника тепла.

На втором этапе в момент образования на поверхности угольного слоя при 300 0 С дополнительно имеем:

дг с^ТЩрг ^ Снг(1)-$1Г' дт 1-(-(?хГГау"и

На границе раздела "уголь-чистая древесина" р< системы уравнений (1) и (2) рассмотрены при условии:

\ о1е ] СН

аПГ' " 9Р _7Т

(2)

х-о - ^Р

Х-+0 граничные уело;

вия 4-го рода).

Точное решение поставленной задачи без упрощающих предпосылок является весьма сложной математической проблемой. Поэтому решение задачи выполнено численно методом элементарных тепловых балансов А. П. Ваничева с .использованием ЭВМ. Программа расчета,составленная ка языке ФОРТРАН, реализована на ЭВМ "ЕС-1033". При этом ^ и Су*, £ для угольного слоя в интервале температур от 300 до 1000 " С включительно приняты равными: ( (

Дъ - 0,105 + 0,000150^ ккал-м"'ч". град"; Сам - 0,410 + 0,000105-Ь ккал-кг"* град"'.

Явление влагопереноса в древесине при составлении алгоритма и программы расчета не учитывалось, поэтому достаточно близкое совпадение результатов расчета с экспериментами наблюдается при температуре прогрева сечения выше 100°С. При температуре ниже 100°С данные опытов выше расчетных значений (рис.1), вместе с тем их расхождение не превышает 12,1 7., что является вполне допустимым.

Сходство схем разрушения балок при нагреве и статических испытаниях позволяет использовать для расчета их огнестойкости зависимости, приведенные в СНиП I1-25-80 (раздел "Изгибаемые элементы", формулы 17,18), подставляя при этом в правую их часть соответствующие значения нормативных сопротивлений (и^при заранее известной температуре прогрева критического сечения.

Несущая способность в условиях пожара клееных балок при 1/Ь > 20 обеспечивается, если выполняется условие:

Мгпах , п огН

ЛТ^Г < К ^ (3)

где: И/р«1- расчетный момент сопротивления критического сечения балки с учетом изменения его формы, которое учитывается коэффициентом (Тп, Ь/о) • Величина ^* определяется графически с помощью номограмм, приведенных в работах И. Г. Романенкова, В. Н. Зигерн-Корна, Г. М. Кирпиченко-ва.

Несущая способность в условиях пожара клееных бсчлок при 1 /1"! < 20 обеспечивается, если выполняется условие:

О- £ / ооРН оогИ

Т^ < Кск1Р ИЛИ /{см.кл. (4)

где 0 - максимальное значение поперечной силы;

3 - статический момент сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной "оси;

й - момент инерции поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси; ¡>

- расчетная ширина сечения к предполагаемому моменту обрушения.

При расчете на действие поперечной силы скругление углов оставшегося сечения не учитывается, а положение нейтральной оси определяется величиной слоя угля со стороны нижней грани балок.

Несущая способность в условиях пожара клееных балок исчерпывается, если достигается равенство левой и правой части уравнений (3) и (4).

Учитывая характер распределения температуры в испы-

огн

танных на огнестойкость балках, при определении Кшг температура прогрева (I9 ) критического сечения принимается равной температуре его центра (4: м. ); при определении Яомр

I ПЬ+Ы „оси , |00 + Ы —^— ; при определении ■—^- .

Величина Ь<р находится путем решения теплотехнической за

дачи.

Расчетный предел огнестойкости балок с поверхностными огнезащитными покрытиями определяется двумя слагаемыми: Пр> = Тп + А Тз . где Тп - расчетное время от начала теплового воздействия до момента обрушения конструкции' без огнезащиты; АТз - разница во времени задержки до

момента воспламенения защищенной покрытиями древесины конструкций и без нее. Величина определяется на основании экспериментов, по данным проведенных исследований Со - 5 мин.

Разработанный метод расчета позволяет оценить несущую способность клееных балок при пожаре с достаточной для практики точностью. Расхождение расчетных и опытных значений не превышает 14,6 X , при расчетах по методам Т. Ли, Г. М. Кирпиченкова и др. погрешность расчетов может достигать 35 % и более.

Выводы

1. В результате проведенных исследований определены фактические' пределы огнестойкости массивных клеедеревянных балок сплошного прямоугольного сечения при различных величинах нагрузки (0,5 Р ; Р ; 1,5 Р ) и соотношениях их геометрических параметров (И/в - 0,94 - 3,4; 1/Ь = 7,3 -21,5). С ростом величины нагрузки предел огнестостойкости балок при одинаковом их рабочем пролете и площади сечения снижается по линейному закону. Результаты исследований позволили установить область применения испытанных конструкций в соответствии с требованиями СНиП 2.01.02-85 " Противопожарные нормы".

2. Тонкие огнезащитные покрытия ОФП-9 ГОСТ 23790-80 и ВПД ГОСТ 13130-80 практически не влияют на распределение температур в критическом сечении балок и огнестойкость испытанных конструкций.

3. В зависимости от соотношения длины рабочего пролета к высоте сечения балок установлены две схемы разрушения конструкций. При 1/Ь >/ 20 разрушение конструкций происходит от разрыва волокон в растянутой их зоне, при 1 /Ь 20 - от скалывания досок по клеевым швам на опорах.

4. Распределение температуры в прямоугольных сечениях балок ( по нижней и двум боковым граням) к моменту их полного обрушения неодинаково. Для поля температур в сечениях характерно наличие площадок стабилизации температуры в слоях при 100°С и точек перегиба кривых при 270-300°С.

d. уточнена зависимость изменения скорости обугливания древесины массивных элементов от продолжительности стандартного теплового воздействия. Для балок прямоугольного сечения (в х h = 120 х 410 мм) серии 1.462-2 величина скорости обугливания снижается по линейному закону и составляет для боковых граней через 0,5 ч нагрева 1,0 мм-мин"; через 1,08 ч - 0,53 мм.мин"; для нижней грани - соответственно 1,2 мм.мин' и 0,76 мм-мин"1.

Созданная модель процесса обугливания удовлетворительно отражает сущность явлений, происходящих в сечениях балок при высокотемпературном нагреве.

6. При нагреве стандартных образцов из чистой древесины сосны до 140°С включительно предел прочности при статическом изгибе снижается на 29 Z, при скалывании по цельной древесине вдоль волокон - на 20 % от соответствующих значений при 20°С и эксплуатационной влажности.

7. С ростом температуры прогрева древесины сосны до 175°С включительно изменение коэффициентов теплопроводности и удельной теплоемкости происходит по линейному закону.

8. Разработан метод расчета пределов огнестойкости клееных деревянных балок массивного сечения по признаку их обрушения в условиях' воздействия "стандартного" пожара. Расхождение расчетных и опытных значений пределов огнестойкости балок по предлагаемому методу не превышает 14,6 Z.

Фактический эффект от внедрения результатов работы в практику строительства ( по состоянию цен на 2.01.92 г.) составляет более 14 тыс. рублей.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Буше в' В. П. , Харитонов В. С. Огнестойкость деревянных несущих конструкций//Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИИПО, 1976. -С. 95-101.

2. БушеЕ В. П. , Давыдов С. В. , Харитонов В. С. Расчет времени до потери несущей способности деревянных конструкций на пожаре//Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИИПО,1977. -С. 3-12.

3. Оценка огнестойкости деревянных несущих конструкций /Бушев В. П. , Харитонов В. С.//Материалы международного симпозиума по проектированию, изготовлению и применению деревянных конструкций в строительстве.-КиевД976.-С. 17-22.

4. Харитонов Е С. Горючесть клеедеревянных балок с огнеза-щитой//Огнестойкость стооительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИИПО, 1979. -С. 138-143.

5. Харитонов К С. Расчет времени до потери несущей способности деревянных конструкций//Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИШЮД980. -С. 64-69.

6. Давыдов С. В., Харитонов В. С., Федоров К К , Гиллер Э. С. Несущая способность деревянных конструкций в условиях "стандартного" пожара //Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М. ВНИИПО,1981. -С. 119-126.

7. Харитонов В. С., Кирпиченков Г. М., Смирнов А. Г. Влияние прогрева древесины на ее прочность//Огнестойкость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИЮЮ, 1983.-С. 45-53.

8. Харитонов Е С., Павлова Л. Е Расчет температурных полей в клееных деревянных балках массивного сечения//Огнестой-кость строительных конструкций: Сб. науч. тр. -М.: ВНИИПО, 1986. -С. 18-24.

Соискатель

Е С. Харитонов

Подписано в печать 24.08.92 г. Т. - 75

Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. 1,39. Уч.-изд.л. 1,0. Заказ Л 270. Бесплатно.

Т. - 75 экз

Типография ВНИИПО МВД РФ 143900, г.Балашха-6