автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Огнестойкость изгибаемых стальных конструкций

0031В4648

На правах рукописи

ПЕХОТИКОВ Андрей Владимирович

ОГНЕСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

V'

Специальность 05 26 03 «Пожарная и промышленная безопасность» (Технические науки, отрасль - строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 ФЕ8 2008

Москва 2008

На правах рукописи

ПЕХОТИКОВ Андрей Владимирович

ОГНЕСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05 26 03 «Пожарная и промышленная безопасность» (Технические науки, отрасль - строительство)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена «Знак почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны" МЧС России (ФГУ ВНИИПО МЧС России)

Научный руководитель Кандидат технических наук, с н с

В И Голованов

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор

Н В Смирнов

Кандидат технических наук, доцент ММ Казиев

Ведущая организация Центральный научно-исследовательский

и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений "ЦНИИПромзданий"

IV

ti

Защита состоится « 13 » марта 2008 г в 10 часов 00 мин на заседании диссертационного совета ДС 205 003 01 при ФГУ ВНИИПО МЧС России по адресу 143903, Московская область, г Балашиха, мкр ВНИИПО, д 12, в зале совета

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ФГУ ВНИИПО МЧС России

Автореферат разослан« б» 2008 г

Отзыв на автореферат с заверенными подписями и печатью просим выслать в ФГУ ВНИИПО МЧС России по указанному адресу Телефон для справок 521 -29-00

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

Исх № ^

старший научный сотрудник

Сушкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы состоит в широком распространении в практике строительства стальных конструкций, обладающих высокой прочностью, легкостью и долговечностью При возникновении пожара под воздействием высоких температур и нагрузки они деформируются, что влечет за собой обрушение отдельных частей или целиком зданий, и почти всегда связано со значительным материальным ущербом и человеческими жертвами В большей степени это относится к изгибаемым стальным конструкциям балкам, ригелям, фермам

Для повышения огнестойкости несущих стальных конструкций применяется огнезащита, а также специальные марки сталей с повышенными показателями термостойкости В связи с этим появляется необходимость исследования прочностных и деформативных характеристик новых марок стали и огнезащитной способности новых видов огнезащитных материалов В настоящее время, как у нас в стране, так и за рубежом, определение пределов огнестойкости стальных элементов сводится к расчету критической температуры Ткр стали, и последующем решении теплотехнической задачи При этом значения предела текучести и модуля упругости стали заменяют на их величины при повышенных температурах

Однако нормативными показателями при испытаниях на огнестойкость являются предельные деформации конструкции, которые в настоящее время определяются только экспериментальным путем

При нагреве в стальных конструкциях под действием постоянной нагрузки возникают необратимые деформации температурной ползучести, накопление которых может привести к потере несущей способности конструкции Традиционный метод расчета не учитывает влияния температурной ползучести стали на огнестойкость стальных конструкций В связи с этим, в случаях нестандартного проектирования, требуется дополнительная оценка огнестойкости конструкции по достижению предельных деформаций

Целью работы является разработка метода расчета пределов огнестойкости изгибаемых стальных конструкций по достижению критических деформаций, с учетом температурной ползучести стали

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи

- разработать расчетную модель процесса деформирования стальных изгибаемых элементов в условиях нагрева и апробировать ее на моделях испытанных конструкций,

- провести лабораторные исследования новых марок сталей на растяжение и ползучесть при повышенных температурах,

- провести крупномасштабные огневые испытания изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой,

- при использовании численных методов компьютерного моделирования определить теплофизические характеристики новых огнезащитных материалов для стальных конструкций

Объект исследований изгибаемые стальные конструкции с огнезащитой

Научная новизна работы заключается в следующем

- исследованы прочностные и деформативные характеристики новых марок сталей 06БФ и ОбМБФ при испытаниях на растяжение и на ползучесть при повышенных температурах,

- определены температурные зависимости теплофизических характеристик семи новых огнезащитных материалов для стальных конструкций,

- разработана модель процесса деформирования стальных балок с учетом температурной ползучести стали, позволяющая учитывать различные режимы нагрева стали, и рассчитывать огнестойкость изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой, с использованием исследованных 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

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

Практическая реализация.

Результаты, полученные в диссертационной работе, использованы при разработке следующих документов и баз данных

1 Проект федерального закона № 487983-4 "О техническом регламенте "Общие требования пожарной безопасности" (внесен Правительством Российской Федерации, принят в первом чтении постановлением Государственной Думы Федерального Собрания Российской Федерации от 13 ноября 2007 года за № 5404-4 ГД),

2 Методика определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты железобетонных конструкций автодорожных тоннельных сооружений - М ВНИИПО, 2007,

3 Справочник "Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций, пожарная опасность строительных материалов, огнестойкость инженерного оборудования зданий" -М ВНИИПО, 1999,

4 Техническая информация (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы) - М ВНИИПО, 2000 - 2005,

5 Электронная база данных для информационно-поисковой системы по огнестойкости строительных конструкций,

Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными данными, полученными на основе нормативных методик, проведением крупномасштабных огневых испытаний балок, применением

аттестованного оборудования, проведением не менее 3-х экспериментов при каждом испытании образцов, статистической обработкой результатов, удовлетворительным соответствием результатов расчета и эксперимента

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в настоящей работе, подтверждена большим объемом исследований и сравнением характеристик различных марок конструкционных сталей разных классов прочности, исследованием огнезащитной эффективности различных видов огнезащитных материалов для стальных конструкций, соответствием результатов расчетов и экспериментов, а также положительными результатами внедрения в целях сертификации огнезащитных составов и обеспечения огнестойкости строительных конструкций 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. Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах

Объем и структура работы Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений Материалы изложены на 198 страницах машинописного текста, включающего 20 таблиц и 52 рисунка

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложены общие положения работы, цель и задачи исследования

В первой главе ("Аналитический обзор по огнестойкости стальных конструкций, состояние вопроса и задачи исследования") представлен анализ исследований в области огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой Выполнен аналитический обзор по реальным пожарам в зданиях различного назначения, собраны сведения о различных способах огнезащиты стальных конструкций Рассмотрены экспериментальные и аналитические методы оценки огнестойкости стальных конструкций, а также сформулированы принципы их выбора

В нашей стране и за рубежом решением проблемы обеспечения огнестойкости стальных конструкций занимались такие исследователи как А И Яковлев, В П Бушев, В Г Олимпиев, В А Пчелинцев, В С Федоренко, В И Мурашев, И С Молчадский, Ю Н Работнов, М Я Ройтман, Р А Яйлиян, В И Голованов, И Дорн, Н Хофф, О Петерсон, С Магнуссон, Д Тор и др

Определено, что традиционные методы расчета огнестойкости изгибаемых стальных конструкций не дают надежных результатов, так как не учитывают влияния пластических деформаций температурной ползучести стали и различных режимов теплового воздействия на несущую способность конструкции

Установлены параметры, влияющие на процесс деформирования изгибаемых стальных конструкций при нагревании, а также изучены методы определения прочностных характеристик стали при высоких температурах

Проанализированы и определены методы исследования теплотехнических свойств облицовок в условиях высоких температур Предложен метод подбора теплотехнических характеристик материалов способом решения обратной задачи теплопроводности на основании полученных экспериментальных данных

Сформулированы задачи дальнейшего исследования Во второй главе ("Исследование прочностных и деформативных свойств строительных марок стали в условиях высоких температур") для проведения сравнительного анализа были выбраны четыре марки стали, принадлежащие к различным классам прочности и областям применения малоуглеродистая сталь ВСтЗпс, низколегированная 09Г2С, и новые марки с повышенными показателями термостойкости обычной 06БФ и повышенной 06МБФ прочности, разработанные ЦНИИСК им В А Кучеренко

Прочностные и деформативные характеристики сталей определялись по разработанным методикам, основанным на положениях ГОСТ 9651-84 "Металлы Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах" и ГОСТ 3248-81 * "Металлы Метод испытания на ползучесть"

Основные термомеханические характеристики стали получены из диаграмм работы стали 0-е при растяжении в условиях высоких температур Эксперименты проводились на цилиндрических стальных образцах, с использованием разрывных машин "НескеЛ БК 100" и "Р-10", с максимальным усилием 100 кН

Для проведения испытаний на растяжение былй специально спроектированы и изготовлены печи, имеющие особое распределение обмотки по ее длине Испытания проводились при стационарном режиме нагрева, при следующих значениях температур (К) комн , 373, 473, 573, 673, 773, 823, 873, 923, 973 Температура образцов замерялась с помощью хромель-алюмелевых термопар диаметром 0,5 мм, приваренных к поверхности образца

Скорость нагружения образцов при растяжении была эквивалентна увеличению напряжения 90 МПа в минуту При такой скорости нагружения влияние деформации ползучести на кривую деформации-напряжения очень незначительно

В результате экспериментов были получены диаграммы работы стали о-8, и определены следующие механические характеристики стали предел текучести физический, предел текучести условный, временное сопротивление, относительное удлинение, относительное сужение (на примере стали марки 06БФ см таблицу 1)

Посредством математической обработки экспериментальных данных были установлены зависимости уЕ и ут, учитывающие изменения модуля упругости Е и предела текучести от сталей при различных температурах, представленные в графическом виде на рйс 1 Данные прочностные параметры могут использоваться при расчетах пределов огнестойкости стальных конструкций по существующим методикам для исследуемых марок сталей ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ, 06МБФ

Таблица 1

Результаты испытаний на растяжение стали 06БФ

№ п/п Разруш. усилие Ртах, кН Усилие при пределе текучести Ро.З(т), кН р г пласт, кН Времен, сопротивление а», Н/мм2 Предел текучести с 0,2(т), Н/мм2 ^пласт., Н/мм2 Относительное удлинение 85, % Относительное сужение ч<, % Температура испыт. К

1 11,99 9,02 9,02 427 321 321 31 78 комн.

2 11,52 8,54 8,54 406 301 301 26 78 373

3 11,31 8,31 8,14 396 291 285 24,5 76 473

4 10,81 8,01 7,60 370 274 260 27 76 573

5 10,18 7,56 7,14 365 271 256 30 80 673

6 9,37 7,45 6,99 326 259 243 27 77 773

1 7,71 6,80 6,53 281 248 238 26 75 823

8 7,19 6,93 5,83 247 238 200 39 79 873

9 5,46 5,20 4,92 190 181 171 36 83 923

10 4,10 3,84 3,43 142 133 119 43 83 973

Ге ГГ

ВСтЗпс; 09Г2С; 06БФ; 06МБФ.

Рис. 1. Коэффициенты уЕ и уг, снижения модуля упругости и предела текучести сталей при различных температурах.

Анализ данных по испытаниям стали на растяжение при повышенных температурах показал, что с увеличением температуры образца прочностные характеристики стали снижаются У новых марок сталей ОбБФ и 06МБФ скорость снижения предела текучести стт (Т) с ростом температуры меньше, чем у традиционных марок ВСтЗпс и 09Г2С, что может свидетельствовать о повышенных пределах огнестойкости конструкций из термостойких сталей, определяемых стандартными испытаниями на огнестойкость

Эксперименты на ползучесть при растяжении исследуемых марок сталей ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ проводились на стальных цилиндрических образцах, на испытательной установке 2ЭТ 3/3

Схема приложения усилия к образцу, схема печи, замер деформаций образцов аналогичны испытаниям на растяжение Однако в данном эксперименте есть ряд существенных отличий нагрузка, прикладываемая к образцу, поддерживается постоянной в течении всего эксперимента, время проведения опыта ограничивается достижением предельной деформации образца Таким образом, условия работы образца максимально приближаются к реальным условиям работы стали при пожаре

В результате экспериментов были получены диаграммы ползучести для разных марок стали при различных уровнях напряжений и разных температурных режимах

С целью осуществления математической обработки диаграмм ползучести и определения параметров ползучести, была принята существующая теория ползучести, разработанная академиком Ю Н Работновым

Данная теория предполагает, что пластическая деформация связана с движением некоторых структурных элементов, вызванных температурными флуктуациями При данном напряжении и данном структурном состоянии материала скорость ползучести пропорциональна количеству активированных структурных элементов

Для того чтобы учесть изменение-температуры во времени вводится функция времени в

0 = }ехр(-£)Л- (1)

о 1

где в - параметр приведенное время", характеризующий режим нагрева, ч , Т - температура, К, т - время, ч , - параметр, характеризующий марку стали, К

И Дорном были проведены металлографические и рентгенографические исследования образцов, подвергнутых ползучести, которые показали что структура, получавшаяся в результате ползучести, зависит от параметра в, и практически может считаться одинаковой при одинаковых значениях в, но разных температурах

Величина р, характеризующая марку стали рассчитывается при двух равных в для разных температур и времени (см рис 2)

Тг Т, 1п(г,/г,)

М= 2 1 V " (2)

*\ '2

Скорость ползучести 2 по отношению к приведенному времени

йея <1е„ с!т « 2 = —- = —---= е (ехр —)

ав ах ае (3)

где е„ - деформация ползучести, %, еп - скорость установившейся ползучести во время стандартных испытаний на ползучесть, мин'1

Пересечение прямолинейного участка графика с осью деформации обозначено через е„о , и также зависит только от величины напряжения Расчет деформации ползучести проводился по зависимости 5„=(£„0/1п2)соБЬ-1(2г^»°) (4)

где е„0, 2- параметры ползучести, зависящие от напряжения На рис 2 представлены экспериментальные кривые ползучести е - г стали, на примере стали марки 06БФ, при различных напряжениях и режимах нагрева Для других исследуемых сталей ВСтЗпс, 09Г2С, и 06МБФ эксперименты и расчеты проводились аналогичным образом Параметры ползучести ц, 2 и е„о для исследуемых сталей представлены в таблице 2

Данные таблицы 2 используются для определения деформации ползучести е„ по аналитическим зависимостям Удовлетворительная сходимость экспериментальных и аналитически рассчитанных кривых ползучести дает основание считать полученные зависимости приемлемыми для расчета деформации ползучести

при Т = 773 К при ст = 150 МПа

и % Т, Т2

Время г, мин Время г, мин

1 - при ст = 200 МПа; 2-170 МПа; 1 - при Т=803 К; 2 - при Т=773 К;

3-150 МПа; 4-130 МПа; 5-100 МПа. 3 - при Т=753 К; 4 - при Т=743 К.

Рис. 2. Экспериментальные кривые ползучести стали на примере марки 06БФ при различных напряжениях и режимах нагрева для определения параметров ползучести ц,2и ело.

Таблица 2

Параметры ползучести исследуемых марок сталей р , и е„д

Марка стали Временное сопротивление, СТв, МПа Предел текучести, От, МПа ЛК £п0

ВСтЗпс 366 277 27200 "ст <; 100 <7 >100 1 г = 137670-43 |г= З.О-Ю'-е005" 3,3-10~6 -ст1'7

09Г2С 482 373 23000 ст <110 ст > 110 2 = ЗЗОсг40 2 = 2,5-10® е0-027" 3,4 ■ 10~6ст''5

06БФ 427 321 23600 ~ст < 110 ст > 110 г = 760ст4'5 2 = 3,2 • 1010 е0'"" 9,8 • 10~7ст2,1

06МБФ 576 471 22100 ст < 1201 ст > 120] г = 270ст4'5 г = 1,2 -10'Vю6" 4,5 ■ 10"6сг''6

* о - МПа.

Третья глава ("Экспериментально-аналитическое исследование несущей способности изгибаемых стальных конструкций в условиях огневого воздействия") посвящена огневым испытаниям стальных балок и разработке математической модели для оценки огнестойкости изгибаемых стальных конструкций.

На экспериментальной базе ВНИИПО были проведены крупномасштабные огневые испытания опытных образцов двутавровых балок из различных марок стали: ВСтЗпс, 09Г2С, 06БФ и 06МБФ, с целью исследования огнестойкости стальных конструкций под нагрузкой при огневом воздействии, а также получения исходных данных для разработки и апробирования математической модели расчета деформированного состояния стальных балок в условиях нестационарного нагрева.

Испытания балок проводились на модернизированной горизонтальной установке для испытаний на огнестойкость плит перекрытий и покрытий, с внесенными изменениями, по специально разработанной методике и новой расчетной схеме, см. рис. 3.

4750

2000

I - 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);

II - покрывная железобетонная плита.

Рис. 3. Схема рычажной установки для испытаний балок под нагрузкой.

Образцы для испытаний представляли собой сварные двутавровые балки длиной 3000 мм и высотой сечения 180 мм. Образец загружали при помощи рычажного механизма и кран-балки нормативной нагрузкой, и подвергали трехстороннему тепловому воздействию.

Предел огнестойкости конструкции устанавливался по достижению предельных деформаций, и определялся следующими критериями:

- прогиб достиг величины L/20 = 300/20 = 15 см;

- скорость нарастания деформаций достигла

где: Ь - длина балки, Ь = 300 см; И - высота сечения балки, Ь = 18 см. Всего было испытано 16 образцов. Экспериментальные и расчетные данные по прогреву и деформации на примере трех испытанных двутавровых балок представлены в графическом виде на рис. 4.

— стандартная температурная кривая;

-а- температура балки №1, сталь ВСтЗпс горячекатаная; температура балки №13, сталь 06БФ горячекатаная;

— температура балки №15, сталь 06МБФ горячекатаная; —— прогиб в середине пролета, балка №1, Р=4000 кг;

— прогиб в середине пролета, балка №13, Р=7750 кг;

— прогиб в середине пролета, балка №15, Р=5365 кг;

Рис. 4. Результаты исследования огнестойкости двутавровых стальных балок под нагрузкой (пунктиром показан расчетный прогиб).

L2/(9000 Ь) = 3002/(9000* 18) = 0,55 см/мин.

1000

о

о

20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 Время, мин

Исследования показали, что при прочих равных условиях, для конструкций из марок стали 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости, в сравнении с традиционными марками, в процессе нагревания имеет место более продолжительное сохранение прочностных свойств

Исследованные новые марки стали являются эффективным средством повышения огнестойкости несущих стальных конструкций В сочетании с огнезащитными материалами стальные конструкции из данных марок стали способны обеспечить высокие нормативные требования по огнестойкости, предъявляемые на объектах с повышенной пожарной опасностью

С целью реализации на программном уровне расчетной модели деформированного состояния балки в условиях нестационарного нагрева бьп разработан алгоритм определения фактических пределов огнестойкости стальных балок по критическим деформациям (рис 5)

Особенностью данного алгоритма является усовершенствованное решение теплотехнической и статической задач Для статическии задачи вводятся прочностные характеристики и параметры ползучести стали определяемые по представленным методикам Теплотехническая задача решается на основании математической обработки и обобщения полученных экспериментальных данных по огнезащитной эффективности облицовок

Основу алгоритма составляет разработанная модель деформированного состояния балки в усчовиях нестационарного нагрева, с учетом вчия-ния кратковременной температурной ползучести стали

В расчетной модели последовательность огневого воздействия подразделяется на ряд временных интервалов Дт Прогиб балки в середине сечения рассчитывается в конце каждого временного интервала Для осуществления расчета необходимо знать кривизну балки, для чего определяется распределение деформации по всем элементам, на которые разбивается поперечное сечение балки Кривизна сечения К может быть рассчитана как

(5)

где Ет - деформация от изгиба, %,И- высота балки, м Дифференциальное уравнение центрального прогиба балки у"(х) = Кк

Рис 5 Алгоритм определения фактических пределов огнестойкости стальных балок по критическим деформациям

После интегрирования и преобразований были получены уравнения для угла поворота и прогиба балки Задаваясь разбиением балки длиной I на конечное число отрезков й, получаем

*' = -7г1Х(С + ~0 (7)

Сг I

где / = Ь/С - длина отрезка

Опуская промежуточные выкладки, получаем формулу для определения прогиба в £-ом сечении

в 2 в

+ + (8)

(9)

1,1=1

Используя уравнение (7) и переходя к в—>оо получаем зависимость Л1я угла поворота в произвольном сечении балки

у'(х) = - ~ с1э

о о т

где / к = х, I I = я,

Используя рекуррентную формулу (8) получаем формулу для прогиба в к+1 узле

У(х) = - ^^ {Щ^Л - - ре(5)(£ - 5)с& (10)

£ О ^ х

Таким образом, получена замкнутая система решения задачи расчета деформированного состояния балки в условиях нагрева

Данная математическая модель была решена численным методом с помощью ЭВМ, для конкретных балок из сталей с исследованными прочностными характеристиками

Модель апробирована с использованием полученных экспериментальных данных, см таблицу 3, опубликованных в литературе Резучьтаты расчетов и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются для различных уровней нагружения, марок сталей и режимов нагревания конструкций, при максимальной погрешности, составляющей 7 % Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности применения предложенной расчетной модели для оценки и прогнозирования огнестойкости изгибаемых стальных конструкции с огнезащитой, с использованием характеристик стали, полученных по указанным методикам

Таблица 3

Сравнение результатов испытаний и расчетов стальных балок

№ п/п Марка стали, термообработка Нагрузка, N, кН Степень нагру-жения, Тт Критическая температура, °С

Опыт Расчет по трад методу Погреш ность, % Расчет по предлаг методу Погреш ность, %

1 ВСтЗпс горячекат 40,00 0,44 667 554 -16,9 620 -7,0

2 53,65 0,59 619 523 -15,5 582 -6,0

3 06БФ горячекат 53,65 0,51 679 666 -1,9 676 -0,4

4 53,65 0,51 698 666 -4,6 676 -3,2

5 06БФ терм улучш 53,65 0,51 654 666 +1,8 676 +3,3

6 53,65 0,51 691 666 -3,6 676 -2,2

7 09Г2С горячекат 77,50 0,65 601 509 -15,3 575 -4,3

8 77,50 0,65 589 509 -13,6 575 -2,4

9 06БФ терм упроч 77,50 0,76 611 575 -5,8 604 -1,1

10 77,50 0,76 622 575 -7,5 604 -2,8

11 06БФ горячекат 77,50 0,76 605 575 -5,0 604 -0,2

12 06БФ с огнез покрытием 77,50 0,76 591 575 -2,8 604 +2,1

13 06БФ горячекат 77,50 0,76 627 575 -8,3 604 -3,7

14 77,50 0,76 628 575 -8,5 604 -3,9

15 06МБФ горячекат 53,65 0,35 677 700 +3,4 705 +4,1

16 53,65 0,35 686 700 +2,1 705 +2,8

Четвертая глава ("Исследование теплоизолирующей способности огнезащитных облицовок при нагреве") посвящена исследованию огнезащитной эффективности облицовок для стальных конструкций и определению теплофизических характеристик огнезащиты на основании обработки экспериментальных данных

Экспериментальные данные по прогреву конструкций с огнезащитой обрабатывались при помощи существующей модели для теплового расчета конструкций, основанной на решении дифференциального уравнения Фурье способом элементарных тепловых балансов

Для одномерной модели уравнение-теплопередачи имеет вид

°тГт дт~ дх

(П)

Начальные условия при г = 0, температура во всех точках системы равна Г = Го = 293 °К

Граничн ые условия

(гвг/юо)4-(г0/юо)4

при х = 0 а = 29 + 5,77 ¡пр —^-^-(12)

1 вт * о

при х = <?„+ 6ст д = 0

где Тв г - температура нагревающей среды, "К

Г.г=3451в(0,133г + 1)+Г0 (13)

Т0 - начальная температура нагревающей среды, °К, г - время, с, а ■ коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 град), д - тепловой поток, Вт/м2, з„р -приведенная степень черноты системы "среда - поверхность конструкции" 1

= 0Л)+(1Ао)-1

где ^ - степень черноты огневой камеры печи я = 0,85, Яц - степень черноты обогреваемой поверхности конструкции Температура через расчетный интервал времени Ат температура на обогреваемой поверхности облицовки

2лф(Г, -Г0)+0,55(Г,2-Т1)+а{Т, -Г„)Л-г| ГоАх2(С + ОТ0) температура во внутренних слоях облицовки т = Аф(г„, -2Г„ + г„„) + 0,5д(г„2_,-2Т1 +Г„\,)] _

у^{С + ВТ„) * (15)

температура на стальной пластине

т 2ДГ[4Г„-ГСТ)+0,5Д(Г„2-Г1)1

ьх\уМс+отст)+гГстбсАсст+осттст)] - * (16)

На основании математической обработки экспериментальных данных были получены теплофизические характеристики облицовок при повышенных температурах (см таблицу 4), и построены номограммы прогрева стальных неограниченных пластин с различной толщиной стали и различными видами огнезащитных материалов, рис 6

Таким образом получено замкнутое решение алгоритма расчета пределов огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с различными видами огнезащиты

+ Т0-Тф (14)

Таблица 4

Теплофизические характеристики огнезащитных облицовок при повышенных температурах

№ п/п Наименова- Плот- Влаж- Значения коэффициентов теплопроводности >.т ,

ние ность, ность, Вт/(м К) и теплоёмкости ст , Дж/(кг К) при

материала кг/м3 % различных температурах Т, К

1 Огнезащитное Т 273 473 493 553 943 1373

покрытие 250 3 хт 0,05 0,09 0,06 0,02 0,04 0,08

ОП-2000 ст 656 776 880 1008 1248 1120

2 Огн. покрытие Т 273 373 573 873 1173

"Signulan 250 14 Хт 0,05 0,055 0,03 0,05 0,07

Ноесо" Ст 656 680 768 1100 1400

3 Огнезащитное Т 293 373 423 473 1273

покрытие 600 15 Хт 0,12 0,18 0,08 0,05 0,07

ОФПМ-12 Ст 933 1000 2167 1583 1617

4 Минераловат- Т 293 1273

ные плиты 180 5 Хт 0,055 0,11

"Рагос FPS-17" Ст 1500 3000

5 Мин. плиты Т 293 1273

"Rockwool 165 5 Хт 0,035 0,09

Conlit 150 Р" Ст 1650 3050

6 Огнезащитное Т 293 400 453 500 1273

покрытие 600 2 Хт 0,12 0,12 0,06 0,12 0,233

"ЭСМА" Ст 1000 1167 2167 1650 1650

7 Огнезащитная Т 293 1273

нггукатурка 400 5 хт 0,247 0,247

"Пенокс" Ст 840 840

Приведенная толщина металла, мм

Рис. 6. Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Яоску/оо! СопШ" при Т,<р= 773 К.

Основные результаты и выводы по работе

1 Разработана модель процесса деформирования изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой при температурном воздействии Данная модель позволяет учитывать влияние температурной ползучести стали на прогиб конструкции при различных режимах нагрева стали Модель составляет основу расчетного алгоритма определения огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой, с учетом исследованных прочностных и деформативных характеристик стали

Представленные расчетные данные, полученные с использованием предложенной модели и опубликованные в литературе, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными для стальных балок в условиях огневого воздействия, что говорит о возможности применения расчетной модели для прогнозирования огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой

2 Проведены исследования прочностных и деформативных свойств конструкционных сталей малоуглеродистой ВСтЗпс, низколегированной 09Г2С и новых марок сталей 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости Выполненные эксперименты и аналитическая обработка опытных данных позволили

- выявить характер изменения модуля упругости Е (Т) и предела текучести стт (Т) исследуемых сталей при растяжении в условиях высоких температур, посредством вычисления коэффициентов изменения данных параметров от температуры 7е и 7т,

- установить закономерности, характеризующие влияние на деформацию температурной ползучести стали таких физических факторов как уровень напряженного состояния и марка стали,

- определить параметры р , Ъ, епд, описывающие процесс ползучести стали при нестационарных режимах нагрева, соответствующих прогреву стальных конструкций с огнезащитой при огневом воздействии

3 Разработана экспериментальная установка и методика проведения крупномасштабных испытаний изгибаемых стальных конструкций на огнестойкость Конструктивное исполнение установки позволяет создавать и контролировать в огневой камере различные режимы огневого воздействия,

а также обеспечивать различные уровни нагружения, соответствующие реальным условиям работы конструкции при пожаре Проведенные на данной установке крупномасштабные эксперименты с двутавровыми стальными балками под нагрузкой позволили

- определить критические температуры и время наступления предельных состояний по деформации и скорости нарастания прогиба для стальных изгибаемых конструкций из различных марок стали при разных уровнях нагружения

- установить, что для незащищенных конструкций, при использовании новых марок сталей 06БФ и 06МБФ, в сравнении с традиционными марками стали ВСтЗпс и 09Г2С, увеличивается время достижения критических деформаций (до 40 минут) Это позволяет сделать выводы о возможности применения новых сталей для повышения пределов огнестойкости незащищенных стальных конструкций, повышении их надежности при пожаре и снижении материальных затрат на устройство огнезащиты

4 В результате систематических исследований и математической обработки экспериментальных данных с использованием ЭВМ получены зависимости изменения теплофизических параметров огнезащитных облицовок при нагреве до высоких температур

Установлено, что значения коэффициентов теплопроводности Хт и теплоемкости ст облицовок с ростом температуры изменяются, и данная зависимость носит нелинейный характер, что не соответствует принятым в традиционных расчетных методиках линейным записям теплофизических характеристик С целью повышения точности расчетов на ЭВМ, предложена запись теплофизических характеристик в виде дискретных интерполируемых значений, при различных температурах облицовки

На основании полученных теплофизических характеристик построены номограммы прогрева стальных неограниченных пластин с различными толщинами стали <5сга и различными видами огнезащитных материалов С их помощью представляется возможность определять температуру прогрева стержневых конструкций с приведенной толщиной стали 3„р = 8ст

Результаты работы отражены в следующих публикациях

1 Голованов В И , Пехотиков А В , Павлов В В Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций - М Пожарная безопасность - 2002 - №3 - С 48

2 Голованов В И , Пехотиков А В , Павлов В В Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минера-ловатных плит "11оск\Уоо1 Соп1и" - М Пожарная безопасность, - 2006,

- №4, с 78-85

3 Голованов В И , Пехотиков А В , Яйлиян Р А , Павлов В В Расчет деформации стальных балок из сталей с повышенными показателями огнестойкости в условиях огневого воздействия - М Пожарная безопасность - 2006, - №5, с 28-35

4 Голованов В И , Павлов В В , Пехотиков А В Классификация и методы оценки огнестойкости подвесных потолков - М Материалы XIII научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95", ВНИИПО, 1995 г, с 344-345

5 Голованов В И , Павлов В В , Пехотиков А В Исследование огнестойкости многопустотных железобетонных плит перекрытий с различными видами огнезащиты - М Материалы XIV научно-практической конференции "Пожарная безопасность - история, состояние, перспективы", ВНИИПО, 1997 г , с 154-155

6 Пехотиков А В , Голованов В И , Павлов В В Новые виды огнезащиты и методы определения огнестойкости стальных несущих конструкций

- М Материалы XV научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", ВНИИПО, 1999 г

7 Голованов В И , Павлов В В , Пехотиков А В Огнестойкость многопустотных железобетонных панелей перекрытий с различными видами огнезащиты -М Пожарная безопасность - 1999-№2 -с 57-65

8 Голованов В И , Пехотиков А В , Ерохов К Л Огнезащита многопустотных железобетонных перекрытий - М Пожарное дело - 2000 -№4 - с 41-43

9 Голованов В И , Пехотиков А В , Павлов В В , Метод расчета и критерии нормирования необратимых деформаций несущих строительных элементов при пожарах в уникальных зданиях и сооружениях - М Материалы XVI научно-практической конференции "Крупные пожары предупреждение и тушение", ВНИИПО, 2001 г, с 293-294

10 Пехотиков А В Расчет необратимых деформаций несущих стальных конструкций с огнезащитой - М Материалы XVII научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда", ВНИИ-ПО, 2002 г, с 164-166

11 Голованов В И , Павлов В В , Пехотиков А В Экспериментальное исследование огнестойкости фальшполов - М Материалы XVII научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда", ВНИИПО, 2002 г, с 166-167

12 Пехотиков АВ, Соловьев ДВ (ГУП ЦНИИСК им В А Кучеренко), Голованов В И Исследование огнестойкости несущих конструкций из новых марок стали под нагрузкой - М Материалы XVIII научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах", ВНИИПО, 2003 г, с 145-146

13 Голованов ВИ, Павлов ВВ, Пехотиков А В Исследование эффективности средств огнезащиты железобетонных блоков сборной обделки для сооружения Лефортовских тоннелей закрытым способом - М Материалы XVIII научно-практической конференции, "Снижение риска гибели людей при пожарах", ВНИИПО, 2003 г , с 262-263

14 Пехотиков А В , Голованов В И , Павлов В В Исследование прочностных и деформативных характеристик новых строительных марок стали при повышенных температурах - М Материалы XIX научно-практической конференции, "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений", ВНИИПО, 2005 г, с 183-187

15 Голованов В И, Павлов В В , Пехотиков А В Эффективные способы огнезащиты железобетонных конструкций тоннельных сооружений и методы их оценки - М Материалы XIX научно-практической конференции, "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений", ВНИИПО, 2005 г, с 180-183

16 Голованов В И , Пехотиков А В , Павлов В В Новые огнезащитные облицовки для несущих стальных конструкций - М Материалы XX научно-практической конференции, "Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах", ВНИИПО,-2007 г, с 227-229

17 Пехотиков А В , Голованов В И , Павлов В В Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности - М Территория "Неф-тегаз" - 2007 - № 4 - с 72-77

Подписано в печать 01 02 08г Формат 60x84/16 Печать офсетная уел печл 1,63 Уч-изд л 1043 Т-80 экз Заказ №7

Типография ВНИИПО МЧС России 143903, Московская обл , г Балашиха, мкр ВНИИПО, д 12

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ПО ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Обзор данных по поведению несущих стальных конструкций при реальных пожарах в зданиях различного назначения.

1.2. Способы огнезащиты несущих стальных конструкций.

1.3. Физические свойства стали и облицовок в условиях высоких температур.

1.3.1. Прочностные и деформативные свойства стали.

1.3.2. Теплотехнические свойства облицовок.

1.4. Методы оценки огнестойкости стальных конструкций.

1.4.1. Экспериментальные методы

1.4.2. Аналитические методы.

1.4.3. Обоснование выбора методов оценки огнестойкости стальных элементов

1.5. Задачи дальнейшего исследования.

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ И

ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАРОК СТАЛИ В УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР.

2.1. Исследуемые марки стали

2.2. Диаграмма работы стали при растяжении в условиях высоких температур.

2.2.1, Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

2.2.2. Методика испытаний образцов на растяжение для определения диаграмм <т - е при стационарном режиме нагрева.

2.2.3. Анализ экспериментальных данных

2.3. Определение деформации ползучести

2.3.1. Модель теории ползучести, принятая в работе.

2.3.2. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

2.3.3. Определение параметров ползучести , Z и еп0 в ходе проведения испытаний на ползучесть.

2.3.4. Анализ экспериментальных данных

ГЛАВА 3. ЭКС1ШРИЗУШНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ИЗГИБАЕМЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ ОГНЕВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ.

3.1. Огневые испытания изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой

3.1.1. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.

3.1.2. Методика испытаний стальных балок на огнестойкость под нагрузкой.

3.1.3. Анализ результатов испытаний

3.2. Модель расчета стальной балки при тепловом воздействии.

3.2.1. Исходные данные.

3.2.2. Алгоритм определения фактических пределов огнестойкости стальных балок по критическим деформациям

3.2.3. Математическая модель прогиба балки.

3.3. Сравнение расчетных деформаций стальных балок с деформациями, зарегистрированными во время испытаний.

3.4. Выводы

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛИРУЮЩЕЙ

СПОСОБНОСТИ ОГНЕЗАЩИТНЫХ ОБЛИЦОВОК ПРИ НАГРЕВЕ

4.1. Исходные предпосылки

4.2. Метод определения теплофизических характеристик огнезащитных облицовок с использованием ЭВМ.

4.2.1. Общие положения.

4.2.2. Алгоритм расчета стальной неограниченной пластины, облицованной с одной стороны и с идеальной теплоизоляцией с другой

4.2.3. Определение приведенной толщины металла стальной конструкции

4.2.4. Определение теплофизических характеристик новых видов огнезащитных облицовок.

4.3. Метод построения номограмм прогрева стальных конструкций со вспучивающимися покрытиями.

4.4. Выводы

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. ДеформаI 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 конструкции 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 <гт 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:

Тс = Ткр => MpJ = Мн, или NpJ = NH где: NH - нормативная нагрузка, кг; М„ - действующий изгибающий момент (для балок), кг-м;

NPtt - 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 екр.

Изменение предела текучести ау и модуля упругости Е стали с повыше1 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 еп, 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

A.ИЛковлев, В.П.Бушев, В.Г.Олимпиев, В.А.Пчелинцев, В.С.Федоренко,

B.И.Мурашев, И.С.Молчадский, Ю.Н.Работнов, В.И.Розенблюм, М.Я.Ройтман,

B.И.Голованов, Р.АЛйлиян, за рубежом И.Дорн, Н.Хофф, О.Петерсон,

C.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. и

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана модель процесса деформирования изгибаемых стальных конструкций под нагрузкой при температурном воздействии. Данная модель позволяет учитывать влияние температурной ползучести стали на прогиб конструкции при различных режимах нагрева стали. Модель составляет основу расчетного алгоритма определения огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой, с учетом исследованных прочностных и деформативных характеристик стали.

Представленные расчетные данные, полученные с использованием предложенной модели и опубликованные в литературе, удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными для стальных балок в условиях огневого воздействия, что говорит о возможности применения расчетной модели для прогнозирования огнестойкости изгибаемых стальных конструкций с огнезащитой.

2. Проведены исследования прочностных и деформативных свойств конструкционных сталей: малоуглеродистой ВСтЗпс, низколегированной 09Г2С и новых марок сталей 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости. Выполненные эксперименты и аналитическая обработка опытных данных позволили:

- выявить характер изменения модуля упругости Е (Т) и предела текучести От (Т) исследуемых сталей при растяжении в условиях высоких температур, посредством вычисления коэффициентов изменения данных параметров от температуры уе и ут;

- установить закономерности, характеризующие влияние на деформацию температурной ползучести стали таких физических факторов как уровень напряженного состояния и марка стали;

- определить параметры р , Z, еп0, описывающие процесс ползучести стали при нестационарных режимах нагрева, соответствующих прогреву стальных конструкций с огнезащитой при огневом воздействии.

3. Разработана экспериментальная установка и методика проведения крупномасштабных испытаний изгибаемых стальных конструкций на огнестойкость. Конструктивное исполнение установки позволяет создавать и контролировать в огневой камере различные режимы огневого воздействия, а также обеспечивать различные уровни нагружения, соответствующие реальным условиям работы конструкции при пожаре. Проведенные на данной установке крупномасштабные эксперименты с двутавровыми стальными балками под- нагрузкой позволили:

- определить критические температуры и время наступления предельных состояний по деформации и скорости нарастания прогиба для стальных изгибаемых конструкций из различных марок стали при разных уровнях нагружения.

- установить, что для незащищенных конструкций, при использовании новых марок сталей 06БФ и 06МБФ, в сравнении с традиционными марками стали ВСтЗпс и 09Г2С, увеличивается время достижения критических деформаций (до 40 минут). Это позволяет сделать выводы о возможности применения новых сталей для повышения пределов огнестойкости незащищенных стальных конструкций, повышении их надежности при пожаре и снижении материальных затрат на устройство огнезащиты.

4. В результате систематических исследований и математической обработки экспериментальных данных с использованием ЭВМ получены зависимости изменения теплофизических параметров огнезащитных облицовок при нагреве до высоких температур.

Установлено, что значения коэффициентов теплопроводности Хт и теплоемкости ст облицовок с ростом температуры изменяются, и данная зависимость носит нелинейный характер, что не соответствует принятым в традиционных расчетных методиках линейным записям теплофизических характеристик. С целью повышения точности расчетов на ЭВМ, предложена запись теплофизических характеристик в виде дискретных интерполируемых значений, при различных температурах облицовки.

На основании полученных теплофизических характеристик построены номограммы прогрева стальных неограниченных пластин с различными толщинами стали дст и различными видами огнезащитных материалов. С их помощью представляется возможность определять температуру прогрева стержневых конструкций с приведенной толщиной стали дпр = дст.

1. ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования".

2. ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции".

3. ГОСТ 9651-84 "Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах".

4. ГОСТ 3248-81 "Металлы. Метод испытания на ползучесть".

5. СНиП 21-01-97* "Пожарная безопасность зданий и сооружений".

6. СНиП 2.01.02-85 "Противопожарные нормы".

7. СНиП 2.01.07-85 "Нагрузки и воздействия".

8. СНиП И-23-81* "Стальные конструкции".

9. НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности".

10. НПБ 232-96 "Порядок осуществления контроля за соблюдением требований нормативных документов на средства огнезащиты". г

11. МГСН 5.01-94* "Стоянки легковых автомобилей".12. Стандарт ФРГ DIN 4102 Т2.

12. Стандарт Великобритании BS 476.

13. Стандарт Финляндии Nordtest method, NT Fire 021.15. "Каталог стальных несущих конструкций (Огнестойкость)". М.: ВНИИ-ПО- 1984.-75 с.

14. Инструкция по расчету фактических пределов огнестойкости металлических конструкций. М.: ВНИИПО - 1983. - 115 с.

15. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М.: Стройиздат - 1988. - 144 с.

16. Яковлев А.И., Шейнина JI.B., Сорокин А.Н. Исследование теплофизиче-ских характеристик бетонов путем решения обратной задачи теплопроводности с помощью ЭВМ // Огнестойкость строительных конструкций. г М.: ВНИИПОМВД СССР, 1975.-Вып. 3. С. 3-11.

17. Савкин Н.П., Голованов В.И. Напыляемые покрытия на основе минеральных волокон для огнезащиты стальных конструкций // Огнестойкость строительных конструкций. М.: ВНИИПО, 1980. - Вып. 8. - С. 70-73.

18. Яковлев А.И., Бушев В.П., Олимпиев В.Г. Руководство по испытанию строительных конструкций на огнестойкость.- М.: ВНИИПО, 1980, 51 с.

19. Бушев В.П., Пчелинцев В.А., Федоренко B.C., Яковлев А.Я. Огнестойкость зданий. — М.: Стройиздат, 1970,. 264 с.

20. Яковлев А.И., Голованов В.И. Устойчивость центрально-сжатых стержней при огневом воздействии // Огнестойкость строительных конструкций. -М.: ВНИИПО МВД,СССР, 1983. С. 5-11.

21. Романенков И.Г., Левитес Ф.А., "Огнезащита строительных конструкций.", Стройиздат, 1991, 178 с.

22. Отчет НПКЦ "Интерсигнал" "Разработка технических решений по огнезащите строительных конструкций глубокой части ТРК на Манежной площади." Москва, 1996, 94 с.

23. Отчет об испытаниях на пожарную опасность "Испытания на огнестойкость стальной балки с огнезащитной краской Nullifire S605". "WARRINGTON FIRE RESEARCH CENTRE", 1988,21 с.

24. Отчет об испытаниях на пожарную опасность "Испытания на огнестойкость стальной балки с огнезащитной краской "BARRIER 87". Институт Джордано (Италия), 1990, 35 с.

25. Отчет об испытаниях на пожарную опасность "Испытания на огнестойкость стальных конструкций с огнезащитным покрытием "ПИРО-СЕЙФ Фламмопласт СП-А2" -М.: ВНИИПО 1996^ 19 с.

26. Отчет об испытаниях на пожарную опасность "Испытания на огнестойкость стальных конструкций с огнезащитным покрытием ОЗС-МВ" М.: ВНИИПО- 1996, 19 с.

27. Отчет об испытаниях на пожарную опасность "Испытания на огнестойкость стальных конструкций, защищенных минераловатными плитами и огнезащитным покрытием."Файрекс-400" М.: ВНИИПО - 1996, 19 с.

28. Астахова И.Ф., Молчадский И.С., Спорыхин А.Н. Моделирование процессов теплопереноса при пожаре в помещении. — Воронеж: 1998, 220 с.

29. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Огнестойкость многопустотных железобетонных панелей перекрытий с различными видами огнезащиты. -М.: Пожарная безопасность. 1999.- №2. - с. 57-65.

30. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В., Ерохов K.JL Огнезащита многопустотных железобетонных перекрытий. М.: Пожарное дело. -2000.-№4.-с. 41-43.

31. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков.А.В. Обеспечение огнестойкости несущих строительных конструкций М.: Пожарная безопасность. - 2002,-№3.-С. 48.

32. С.А.Лупанов, Н.А.Зуева Обстановка с пожарами в Российской федерации в 1-м полугодии 2006 года-М.: Пожарная безопасность, 2006, №5, с. 122.

33. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Инженерный метод расчета огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Rockwool Conlit" М.: Пожарная безопасность, 2006, №4, с. 78-85.

34. 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 Сталь с повышенной огнестойкостью для металлических конструкций -М.: "Сталь", 2004, № 9, с. 48.

35. B.C. Золоторевский Механические испытания и свойства материалов — М.: Металлургия, 1974, 303 с.

36. М.Н.Степнов Статистическая обработка результатов механических испытаний. М.: Машиностроение, 1972, 176 с.

37. Голованов В.И., Яйлиян Р.А., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Расчет деформации стальных балок из сталей с повышенными показателями огнестойкости в условиях огневого воздействия М.: Пожарная безопасность. -2006, №5, с. 28-35.

38. Tohr I. Deformation and critical loads of steel beams under fire exposure conditions. -Stockholm- 1973- 123 p.

39. Т. В. Игар, К. Macco Почему разрушился Центр международной торговли? Наука, разработки, предположения USA: ЮМ, - 2001 - №55, с. 11-21.

40. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Классификация ■ и методы оценки огнестойкости подвесных потолков. М.: Материалы XIII научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95", ВНИИПО, 1995 г., с. 344-345.

41. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Новые виды огнезащиты и методы определения огнестойкости стальных несущих конструкций М.:

42. Материалы XV научно-практической конференции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", ВНИИПО, 1999 г.

43. Пехотиков А.В. Расчет необратимых деформаций несущих стальных конструкций с огнезащитой М.: Материалы XVII научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда", ВНИИПО, 2002 г., с. 164-166.

44. Голованов В.И., Павлов-В.В:, Пехотиков А.В: Экспериментальное исследование огнестойкости фальшполов М.: Материалы XVIIr научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда", ВНИИПО, 2002 г., с.166-167.

45. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Исследование эффективности средств огнезащиты железобетонных блоков сборной обделки для сооружения Лефортовских тоннелей закрытым способом М.: Материалы

46. XVIII научно-практической конференции, "Снижение риска гибели людей при пожарах", ВНИИПО, 2003 г., с.262-263.

47. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. -М.: Атомиздат, 1976.

48. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учеб. пособие для вузов.- 3-е изд.- М.: Энергия, 1979, 320 с.

49. Годовский Ю.К. Теплофизические методы исследования полимеров. -М.: "Химия", 1976.

50. Дульнев Г.Н. и Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Справочная книга. -JI.:, Энергия, 1974, 264 с.

51. Определение удельной интенсивности тепловыделения при горении веществ и материалов в условиях пожара /Методические рекомендации. -М.: ВНИИПО МВД СССР, 1988.

52. Скуратов С.М., Колесов В.П., Воробьев А.Ф. Термохимия, М.: изд-во МГУ, 1964, ч. 1, 302с.; ч. II, 434с.

53. Wilhoit R.C., J. Chem. Education, 1967, v.44, № 7.

54. Wunderlich B. In: Diferential Thermal Analysis.Ed. by A. Weissberger, B.W. Rossister. V. 1, pt. V, ch. 8, Phys. Methods of Chemistry. New York, 1971.

55. Пилоян Г.О. Введение в теорию термического анализа. М.: Наука, 1964. -232 с.

56. Уэндландт У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. - 526 с.

57. Молчадский О.И. Прогноз пожарной опасности строительных материалов при использовании методов термического анализа. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук М.: ВНИИПО, 2001, 167 с.

58. Страхов B.JI, Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы огнезащиты, содержащей в своем составе воду // Пожаров-зрывобезопасность, 1998, №2. с.12-19.

59. Страхов B.JI, Гаращенко А.Н., Рудзинский В.П. Математическое моделирование работы и определение комплекса характеристик вспучивающейся огнезащиты.//Пожаровзрывобезопасность. т.8., №3, 1997 - с.21-30.

60. В.М.Ройтман, Е.В.Консева Оценка огнестойкости стальных конструкций на основе кинетической концепции- прочности Огнестойкость строительных конструкций-М.: ВНИИПО, 1979, с. 114-124.

61. Petterson О., Magnusson S., Thor I. Fire engineering design of steel1 structures. Lund. 1976, 321 p.

62. Хофф H. Продольный прогиб и устойчивость. Пер. с англ. под ред. Кеппе-на И.В.- М: Издательство иностранной литературы 1965, 154 с.

63. С.А. Шестериков Динамический критерий устойчивости при ползучести для стержней М.: Прикладная механика и техническая физика, 1961, №3, с.42-48.

64. В.И.Розенблюм Устойчивость сжатого стержня в условиях ползучести — М.: Наука, "Инженерный сборник", 1954, т.18, с. 99-104.

65. Л.М.Кочанов Теория ползучести М.: Физматгиз, 1960, 456 с.

66. В.Ф.Воробьев Устойчивость стержней в условиях ползучести М.: Прикладная механика и техническая физика, 1961, №6, с.135-144.

67. А.П.Кузнецов Устойчивость сжатых стержней из дюралюминия в условиях ползучести М.: Прикладная механика и техническая физика, 1961, №6, с.160-161.

68. Ю.Н.Работнов, С.А. Шестериков Устойчивость стержней и пластинок в условиях ползучести — М.: Прикладная математика и механика, 1957, т.21, вып. 3, с.406-412.

69. Ю.Н.Работнов Ползучесть элементов конструкций М.: "Наука", 1966, с.166-190.

70. G. Gerard Creep Buckling Hypothesis. JAS. 1976, v.23, №9.

71. B. Parlour Protecting buildings from fire. Fire safety. 2004, №5, c. 18-19.

72. В.М.Ройтман, В.Г. Щерба Пожарная безопасность зданий повышенной этажности М.: Жилищное строительство, 2006, №5, с.22-25.

73. М.А.Малкин Пассивная противопожарная защита М.: Строительные материалы, 2006, №4, с.ЗЗ.

74. Ding Jun, Li Guo-Qiang, Sakumoto Y. Огнестойкость строительных конструкций зданий. Использование метода конечных элементов и компьютерной программы ANSYS для стальных конструкций Constructions Steel Research, 2004. 60 № 7 с. 1007-1027.

75. Можарова Н.П. Составы для огнезащиты строительных конструкций различного назначения М.: Материалы конференции "Пожарная безопасность зданий и сооружений 2005", Пожаровзрывобезопасность, 2005, № 5, с. 31-33.

76. Ерохов K.JL Методы нанесения огнезащитных покрытий на строительные конструкции механизированным способом — М.: Метроинвест, 2005, № 5, с. 39-41.

77. Огнезащитный материал на основе минеральной ваты Rockwool Stein-wolle mit "Wasserkuhlung" Brandshutz off. und privatwirt. Gebauden, 2005, № 2, c. 52.

78. Страхов B.JL, Каледин В.О., Каледин Вл.О., Давыдкин Н.Ф. Программно-методическое обеспечение расчетов огнезащиты металлических несущих конструкций М: Пожаровзрывобезопасность, 2006, № Зз с. 36-45.

79. Compositional Analysis by Thermogravimetry. Edited by Ernest C.M. -Philadelphia, STP ASTM 997, 1988.

80. Хемчуров P.A., Кеплер X., Прокофьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994.352 с.

81. Куликов В. Краткий сравнительный анализ программ SCAD, "Лира" "Мираж" и MicroFe М: "Проект" - 1996, № 2-3.

82. Максимов В. С чем идем в третье тысячелетие? М.: "САПР и графика" -2000.- № 12.

83. Викторов Е., Васенин В., Холщевников В., Луков А. Обзор новых версий программных комплексов Еврософт М.: Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века - 2002, №6, С.39-40.

84. Золотов В. Архитектурно-строительные системы автоматизированного проектирования высокого уровня Минск: Строительство и недвижимость -2001 г., №39.

85. В.Карпиловский, Э.Криксунов, М.Перельмутер, Программы прочностных расчетов SCAD, Проект, 1998, № 3.

86. Э.Криксунов, М.Микитаренко, А.Перельмутер, М.Перельмутер, Программа для расчета стальных строительных конструкций, ч. 1, САПР и графика, 1999, №4.

87. Константинов И.А. Применение программы SCAD для расчета стержневых систем — СПб: Строительная механика, Ч. 1. Учебное пособие, изд-во СПбГПУ, 2003, 82 с.

88. В.А.Баженов, Э.З.Криксунов, А.В.Перельмутер, О.В.Шишов Автоматизированное проектирование несущих конструкций зданий и сооружений М: Строительная информатика, изд-во АСВ, 2006 - 460 с.

89. Шестериков С.А.Закономерности ползучести и длительной прочности -М.: "Машиностроение", 1983, 105 с.

90. Павлов П.А. Основы инженерных расчетов элементов машин на усталость и длительную прочность, 1988, 256 с.

91. Павлов П.А. Сопротивление материалов. Учебное пособие, 2003, 528 с.

92. Махутов Н.А. Прочность конструкций при малоцикловом нагружении, 1983,272 с.

93. Нормы расчета на прочность оборудования и трубопроводов атомных энергетических установок. Госатомэнергонадзор, 1989, 525 с.

94. Thayra C.N. Теория высокотемпературной прочности материалов, 1986, 280 с.

95. Chadek Y.N. Ползучесть металлических материалов 1987, 305 с.

96. Кудрявцев А. С., Каштанов А. Д., Марков В. Г., Лаврухин В. С. Ползучесть хромистой мартен ситной стали в теплоносителе на основе свинца М.: "Вопросы материаловедения" № 1(49), 2007, с. 78-82.

97. СП 53-102-2004 "Общие правила проектирования стальных конструкций", 2004 г.

98. Бехтин В.И., Ройтман В.М., Слуцкер А.И., Кадомцев А.Г. Кинетика разрушения нагруженных материалов при переменной температуре М: "Журнал технической физики", 1998, т.68, № И, с. 76-81.

99. Баженов С.В., Дудеров Н.Г., Нагановский Ю.К. Огнезащитная эффективность металлоамонийпирофосфатов и полифосфатов аммония в эпоксидных композициях. М.: Пожаровзрывобезопасность, 1992. № 1. - С. 17-21.

100. О.И.Молчадский, Н.Г. Дудеров, Н.В.Смирнов. Получение методами ТА исходных данных для расчетных методов оценки пожароопасности материалов — Волгоград: Тезисы докладов. IV Международная Конференция. "Полимерные материалы пониженной горючести", 2000 г.

101. М.Я. Ройтман Противопожарное нормирование в строительстве. -М.: Стройиздат, 2-е изд., перераб. и доп., 1985, 590 с.

102. Н.К.Снитко Устойчивость стержневых систем в упруго-пластической области-СПб: Стройиздат, 1968, 248 с.

103. Н.А.Ильин Оценка огнестойкости строительных конструкций по номограммам Куйбышев: Куйбышев. ЦНТИ, 1990, 36 с.

104. К.А.Басов ANSYS в примерах и задачах М: КомпьютерПресс, 2002, 223 с.

105. Хечумов Р.А., Кепплер X., Прокофьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций М: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 1994,352 с.

106. Кудрявцев Е.М. Mechanical Desktop Power Pack: Основы работы в системе -М: ДМК Пресс, 2001, 536 с.

107. Молчадский И.С. Пожар в помещении М.: ВНИИПО, 2005, 456 с.

108. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Расчет огнестойкости конструкций из стали с повышенными показателями огнестойкости для объектов нефтегазовой промышленности М.: Территория "Нефтегаз" - 2007.-№ 4. - с. 72-77.

109. Пожарная безопасность. Энциклопедия -М.: ВНИИПО, 2007, 416 с.