- •А.М. Зайцев, м.Д. Грошев огнестойкость и огнезащита строительных конструкций
- •Введение
- •1. Последствия воздЕйСтвия пожаров на строительные конструкции и материалы
- •1.1. Статистика пожаров в Российской Федерации и последствий огневого воздействия на строительные конструкции и материалы
- •Контрольные вопросы
- •2. Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций и зданий
- •2.1. Пожарная опасность строительных материалов
- •2.1.1. Горючесть строительных материалов
- •2.1.2. Воспламеняемость горючих материалов
- •2.1.3. Распространение пламени по поверхности материалов
- •2.1.4. Дымообразующая способность горючих строительных материалов
- •2.1.5. Токсичность строительных материалов
- •2.2. Пожарно-техническая классификация строительных конструкций и зданий
- •2.2.1. Классификация строительных конструкций по огнестойкости
- •2.2.2. Классификация строительных конструкций по классу пожарной опасности
- •2.2.3. Классификация зданий по степени огнестойкости
- •2.2.4. Классификация зданий по конструктивной пожарной опасности
- •2.2.5. Классификация зданий по функциональной пожарной опасности
- •2.2.6. Категорирование производственных помещений по взрывопожарной и пожарной опасности
- •Контрольные вопросы
- •3. Последовательность нормативного обеспечения пРоТивопожарной защиты проектируемого здания
- •Контрольные вопросы
- •4.1.2. Расчетное определение фактических пределов огнестойкости строительных конструкций
- •5.2. Расчет несущей способности бетонных и железобетонных конструкций при воздействии стандартного пожара
- •5.3. Примеры расчета
- •6.2. Расчет температуры прогрева металлических конструкций при воздействии пожара
- •6.3. Методика расчета предела огнестойкости огнезащищенных металлических конструкций при стандартном и экстремальном температурных режимах пожаров
- •6.4. Примеры расчета
- •Контрольные вопросы
- •7.2. Решение прочностной задачи огнестойкости для деревянных конструкций
- •7.3. Примеры расчета
- •8.2. Аналитическое решение задачи с использованием метода перехода от граничных условий третьего рода к граничным условиям первого рода со стороны огневого воздействия
- •8.3. Построение расчетной номограммы
- •8.4. Методика расчета предела огнестойкости ограждающих конструкций с учетом реальных условий теплообмена на ограждающих поверхностях
- •8.5. Анализ расчетной номограммы и методики расчета
- •8.6. Построение расчетных номограмм для температурных режимов, пропорциональных стандартному пожару
- •8.7. Методика расчета предела огнестойкости ограждающих конструкций с учетом реальных условий теплообмена на обеих поверхностях
- •8.8. Примеры расчета
- •Контрольные вопросы
- •9. Способы повышения предела огнестойкости строительных конструкций
- •9.1. Повышение предела огнестойкости железобетонных конструкций
- •9.2. Огнезащита металлических конструкций
- •9.2.1. Способы повышения предела огнестойкости металлических конструкций
- •9.2.2. Огнезащитные материалы для стальных конструкций
- •9.3. Огнезащита элементов деревянных конструкций и их узлов
- •9.3.1. Пожароопасные свойства деревянных конструкций
- •9.3.2. Огнезащитная пропитка древесины
- •9.3.3. Снижение горючести древесных материалов с помощью покрытий
- •9.3.4. Огнезащитные материалы для древесины
- •Контрольные вопросы
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Приложение 1 Пожарная безопасность в строительстве. Термины и определения
- •Приложение 2 Требования норм и правил к огнестойкости зданий, сооружений и строительных конструкций
- •Приложение 3 теплофизические характеристики строительных материалов
- •1. Последствия воздЕйСтвия пожаров на строительные конструкции и материалы 6
- •2. Пожарно-техническая классификация строительных материалов, конструкций и зданий 12
- •7. Расчет пределов огнестойкости деревянных 74
- •8. Расчет предела огнестойкости ограждающих 84
- •9. Способы повышения предела огнестойкости 100
- •Огнестойкость и огнезащита строительных конструкций
- •3 94006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84
6.4. Примеры расчета
Приводятся примеры расчета предела огнестойкости огнезащищенных стальных конструкций при огневом воздействии температурного режима стандартного пожара (примеры 6.1 – 6.6), а также при высокоинтенсивном воздействии пламени углеводородного топлива с температурой горения, равной 1100 0С [20,23,30] (примеры 6.7 – 6.9). Среднюю температуру огнезащитного слоя для этого случая принимаем при температуре равной 540 0С.
Характерным примером экстремального температурного воздействия на строительные конструкции, можно считать последствия террористической атаки самолетов на здания Всемирного торгового центра 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке. Здания небоскребов сохранили состояние устойчивости после динамических ударов самолетов и взрывов авиационного топлива, а последовавшие затем пожары явились причиной наступления предела огнестойкости несущих колонн башен. Горение авиационного топлива совместно с содержимым горючих материалов офисов на очень ограниченной площади со свободным доступом кислорода имело параметры, значительно отличающиеся от стандартного пожара как по температурному режиму – температура пожара сразу приняла максимальное значение, – так и по условиям теплообмена конструкций с пламенем. Следовательно, фактический предел их огнестойкости значительно снизился по сравнению с расчетными значениями, произведенными для температурного режима стандартного пожара. Значительная часть колонн была повреждена, в месте ударов самолетов огнезащитная облицовка была также значительно разрушена (степень повреждения неизвестна), и, следовательно, эффективность огнезащиты значительно снизились. Поэтому прогрев несущих колонн происходил значительно интенсивнее, чем это предусматривалось при проектировании.
Пример 6.1. Рассчитать фактический предел огнестойкости стальной балки.
Дано: стальная, шарнирноопертая балка пролетом 1= 6 м; сечение – двутавр, № 36; площадь сечения А = 6190 мм2; высота сечения h = 360 мм; ширина полки bf = 145 мм; толщина стенки δW = 7,5 мм; Wpl = 7,43 10-4 м3. Нормативное сопротивление стали (по пределу текучести) – 245 МПа.
Нагрузка на балку – нормативная, равномерно распределенная qH=15 кН/м.
Решение:
1. Определяем значение максимального изгибающего момента в балке от нормативной нагрузки:
MH = qH l2 / 8 = 15 х 62 / 8 = 67,5 кНм = 67,5 103 Нм.
2. Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре mt заданной балки.
Согласно формуле (4.7) mt =MH/( Wpl хRYn),
mt = 67,5х103 / 7,43х10-4х245х106 = 0,37.
3. Определяем значение критической температуры нагрева балки при пожаре. Согласно табл. 4.1, при mt =0,37; t =575 0С.
4. Определяем значение приведенной толщины металла δred Согласно табл. П. 4.1 для балки с нагрузкой по верхней полке, имеем:
δred= A / (U – a) = 6190/1440 = 5,43 мм,
где U – a = 2h – 2δW + 3bf = 2х360–2 х 7,5+3 х145 = 1140 мм; a=bf =145.
5. Определяем значение фактического предела огнестойкости рассматриваемой балки. Согласно рис. 4.2, при δred =5,43 мм критическая температура прогрева балки при воздействии пожара t = 575 0С будет достигнута в момент времени воздействия пожара, равный: τ = τ f.x = R9,5.
Пример 6.2. Рассчитать фактический предел огнестойкости центрально растянутого металлического элемента при стандартном пожаре.
Дано: труба стальная 159х8 мм, площадь сечения А = 38,30 см2; нормативное сопротивление стали RYn=265 МПа; нормативная нагрузка NH=330 кН; условия обогрева – по всему наружному периметру.
Решение:
1. Определяем значение коэффициента условий работы при пожаре mt заданного элемента.
Согласно формуле (6.2), для центрально-растянутых элементов
.
2. Определяем значение критической температуры нагрева элемента при пожаре. Согласно табл. 6.1, при mt =0,33 t ≈ 610 0С.
3. Определяем значение приведенной толщины металла рассматриваемого элемента. Согласно табл. П. 4.1, для рассматриваемого сечения элемента (полое кольцо, обогреваемое по всему наружному периметру)
4. Определяем значение фактического предела огнестойкости рассматриваемого элемента. Согласно рис. 6.2, при δred = 3,9 мм, критическая температура нагрева рассматриваемого элемента t ≈ 610 0С будет достигнута в момент времени воздействия пожара, равный τ = τ f.x ≈ R9.
Пример 6.3. Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости при стандартном пожаре огнезащищенной однопролетной свободно опертой стальной двутавровой балки № 20 (ГОСТ 8239-96), находящееся под действием нормативной равномерно распределенной нагрузки (с учетом собственного веса) qн = 5886 Н/п.м. Пролет балки 6 м, марка стали – С235. Критическая температура 477 0С. Балка теплоизолированная по профилю цементно-песчаной штукатуркой толщиной f = 0,02 м, f = 1930 кг/м3; w=2 %.
Решение:
Предел огнестойкости балки находим по времени прогрева нижней полки (наиболее напряженной части сечения) до критической температуры 477 0С. Определяем приведенную толщину нижней полки. С этой целью воспользуемся формулой (6.15):
где l = 0,0084 м, толщина полки балки.
Принимаем время = 30 мин. По рис. 6.3 определяем tпов = 680 0С.
Рассчитываем значения теплофизических характеристик материалов:
ср,f = 0,837 – 0,00044 450 = 0,639 Вт/м0С,
сср,f = 0,77 + 0,00063 450 = 1,054 кДж/кг0С,
,
сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг 0С.
По формуле (6.17) рассчитываем значение F0 при = 0,5 ч:
По формуле (6.18) рассчитываем параметр N:
По рис. 6.4 определяем значение = 0,3.
По формуле (6.16) рассчитываем значение tм:
tм = 680 – 0,3 (680 – 20) = 482 0С.
Получили, что за 30 мин нижняя полка прогрелась до температуры чуть выше критической. Поэтому примем время прогрева до критической температуры равным 29,5 мин. Таким образом, предел огнестойкости будет равен (по интерполяции) τ f.x =R29,1.
Пример 6.4. Рассчитать фактический предел огнестойкости при стандартном пожаре металлической колонны с огнезащитой из цементно-песчаной штукатурки.
Дано: колонна стальная, коробчатого сечения.
Размеры сечения: ахb = 200 х 200 мм; толщина стенки δx= δy=10 мм= δs. Огнезащита колонны – облицовка слоем цементно-песчаной штукатурки; толщина облицовки δf = 20 мм. Критическая температура нагрева колонны при пожаре t =500 0C.
Решение:
1. Определяем значение приведенной толщины металла колонны с учетом наличия огнезащиты. Согласно формулам (6.9) – (6.11),
= 10(200 – 10) / (200 – 20) –
– 0,25(1,05х1930) / (0,56х7800) х 202 / (200 + 20) = 10,34 мм;
= 10,34 мм;
(10,34х200 + 10,34х200) / (200+200) = 10,34 мм.
2. Рассчитываем значения теплофизических характеристик материалов:
ср,f = 0,837 – 0,00044 450 = 0,639 Вт/м0С,
сср,f = 0,77 + 0,00063 450 = 1,05 кДж/кг0С,
,
сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг 0С.
3. Принимаем время = 45 мин. По рис. 6.3 определяем tпов = 775 0С.
4. По формуле (6.17) рассчитываем значение F0 при = 45 мин:
.
5. По формуле (6.18) рассчитываем параметр N:
6. По рис. 6.4 определяем значение = 0,37.
7. По формуле (6.16) рассчитываем значение температуры стальной колонны:
tм = 775 – 0,37 (775 – 20) = 495 0С.
Получили, что за 45 мин колонна прогрелась до температуры чуть ниже критической. Поэтому примем время прогрева до критической температуры (по экстраполяции) равным 47,5 мин. Таким образом, предел огнестойкости будет равен (по экстраполяции) τ f.x =R47,5.
Пример 6.5. Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости при стандартном пожаре огнезащищенной стальной колонны длинной 3,8 м с шарнирным опиранием по концам. Колонна имеет замкнутое коробчатое сечение из двух равнобоких уголков №18 с толщиной полки 0,011 м и длинной полки а = 0,18 м. Сталь марки С235. Теплоизоляция из силикатного кирпича толщиной f = 0,065 м, f = 1730 кг/м3, w = 2 %. Критическая температура стального стержня равна 500 0С.
Решение:
Как и в предыдущем примере определяем red:
Рассчитываем средние значения теплофизических характеристик материалов:
силикатного кирпича:
ср,f = 0,791 – 0,00035 450 = 0,634 Вт/м0С,
сср,f = 0,837 + 0,0006 450 = 1,107 кДж / кг0С,
стали: сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг0С.
Принимаем время прогрева = 2,5 ч, по рис .6.3 определяем tпов = 990 0С.
Рассчитываем значение F0:
.
Рассчитываем параметр N:
.
По рис. 6.4 определяем = 0,51.
По формуле (6.16) рассчитываем tм = 990 – 0,51 (990 – 20) = 495 0С.
Таким образом, предел огнестойкости равен (по экстраполяции) τf.x = R152.
Пример 6.6. Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости при стандартном пожаре колонны из примера № 6.5 с огнезащитой из минераловатных плит на синтетическом связующем толщиной f = 0,05 м, f = 125 кг/м3, w = 2 %.
Критическая температура стального стержня равна 500 0С.
Решение:
Как и в примере № 6.5, определяем red:
Рассчитываем среднее значение теплофизических характеристик материалов:
минераловатных плит:
ср,f = 0,51 + 0,0006 450 = 0,321 Вт/м0С,
сср,f=0,754 + 0,00063 450 = 1,038 кДж / кг0С,
стали: сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг0С.
Принимаем время прогрева = 1,5 ч; по рис. 6.3 находим tпов = 995 0С.
Рассчитываем значение F0:
.
Рассчитываем параметр N:
.
По рис. 6.4 определяем = 0,42.
По формуле (6.16) рассчитываем tм = 995 – 0,42 (995 – 20) = 586 0С.
Полученное значение превышает критическое значение температуры. Поэтому принимаем = 80 мин. Для этого времени рассчитываем значение Fo:
.
По рис. 6.4 определяем = 0,52.
По рис. 6.3 определяем tпов = 908 0С.
По формуле (6.16) рассчитываем значение tм:
tм = 985 – 0,52 (985 – 20) = 483 0С.
По интерполяции получаем 500 0С при = 82 мин. Поэтому предел огнестойкости равен τ f.x =R82.
Пример 6.7 (аналогичен примеру 6.3). Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости огнезащищенной однопролетной свободно опертой стальной двутавровой балки № 20 (ГОСТ 8239-96), находящейся под действием нормативной равномерно распределенной нагрузки (с учетом собственного веса) qн = 5886 Н/пм. Пролет балки 6 м, марка стали – Ст. 3. Критическая температура 477 С. Балка теплоизолированная по профилю цементно-песчаной штукатуркой толщиной 0 = 0,02 м, с = 1930 кг/м3; w = 2 %.
Решение:
Предел огнестойкости балки находим по времени прогрева нижней полки (наиболее напряженной части сечения) до критической температуры 477 0С. Определяем приведенную толщину нижней полки. С этой целью воспользуемся формулой
где l = 0,0084 м, толщина полки балки.
Определяем средние значения теплофизических характеристик материалов:
ср,f = 0,837 – 0,00044 540 = 0,60 Вт/м0С,
сср,f = 0,77 + 0,00063 540 = 1,11 кДж/кг0С,
сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг0С.
Рассчитываем значение F0 при = 0,5 ч (как в исходном примере):
.
Рассчитываем значение параметра N:
.
По рис. 6.5 определяем значение = 0,67.
По формуле (6.21) рассчитываем значение tм:
tм = 20 + 0,671080 =744 0С.
Получили, что за 30 мин нижняя полка прогрелась до температуры выше критической. Поэтому время прогрева необходимо принять меньшим. Произведя аналогичные вычисления, получим, что время прогрева нижней полки до критической температуры в этом случае составляет 13,5 мин. Таким образом, в данном случае время наступления предела огнестойкости происходит более чем в два раза быстрее, чем при стандартном температурном режиме.
Пример 6.8 (аналогичен примеру 6.5). Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости огнезащищенной стальной колонны длинной 3,8 м с шарнирным опиранием по концам. Колонна имеет замкнутое коробчатое сечение из двух равнобоких уголков №18 с толщиной полки 0,011 м и длинной полки а = 0,18 м. Сталь марки Ст. 5. Огнезащита из силикатного кирпича толщиной 0 = 0,065 м, с = 1730 кг/м3, w = 2 %. Критическая температура стального стержня равна 500 0С.
Решение:
Как и в предыдущем примере определяем red:
Рассчитываем средние значения теплофизических характеристик материалов:
силикатного кирпича:
ср,f = 0,791 – 0,00035 540 = 0,602 Вт/м0С,
сср,f = 0,837 + 0,0006 540 = 1,161 кДж / кг0С,
стали: сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг0С.
Принимаем время прогрева = 2,5 ч (как в исходном примере).
Рассчитываем значение F0:
.
Рассчитываем значение параметра N:
.
По рис. 6.5 определяем = 0,56.
По формуле (4.21) рассчитываем значение температуры стального стержня:
tм = 20 + 0,561080 = 625 0С.
Полученное значение температуры стального стержня значительно выше критической. Произведя аналогичные вычисления, получим, что время прогрева стальной колонны до критической температуры составляет 129 мин (расхождение по времени наступления предела огнестойкости по сравнению со стандартным температурным режимом пожара составляет 23 мин, или 15,1 %).
Пример 6.9 (аналогичен примеру 6.6). Рассчитать прогрев и определить предел огнестойкости колонны из примера 6.6 с огнезащитой из минераловатных плит на синтетическом связующем толщиной 0 = 0,05 м, с = 125 кг/м3, w=2 %. Критическая температура стального стержня равна 500 0С.
Решение:
Как и в примере 6. 6, определяем red:
Рассчитываем среднее значение теплофизических характеристик материалов:
минераловатных плит:
ср,= 0,051 + 0,0006 540 = 0,375 Вт/м0С;
сср,f =0,754 + 0,00063 540 = 1,094 кДж / кг0С;
;
стали: сср,s = 0,44 + 0,00048 250 = 0,56 кДж/кг0С.
Принимаем время прогрева = 1,5 ч (как в исходном примере).
Рассчитываем значение F0:
.
Рассчитываем параметр N:
.
По рис. 6.5 определяем = 0,6.
По формуле (6.21) рассчитываем значение температуры стального стержня:
tм = 20+ 0,61080=668 0С.
Полученное значение превышает критическое значение температуры. Поэтому примем время огневого воздействия равным 52 мин. Произведя аналогичные вычисления, получим, что время прогрева стальной колонны до критической температуры составляет 51,5 мин (расхождение по времени наступления предела огнестойкости по сравнению с температурным режимом стандартного пожара составляет 30,5 мин или 38,1 %).