МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И
ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

Утверждаю

Начальник

ФГУ ВНИИПО МЧС России

доктор техн. наук, профессор

_____________ Н.П. Копылов

07.04.2006 г.

ИНСТРУКЦИЯ

по расчету фактических пределов огнестойкости стальных
конструкций с огнезащитой из минераловатных плит
Paroc FPS-17

Заместитель начальника

ФГУ ВНИИПО МЧС России

доктор техн. наук, профессор                                                      И.А. Болодьян

МОСКВА 2006

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Работа выполнена на основании контракта № 5783-ОС от 03.12.2004 г., заказчик: Фирма PAROC Оу Аb, адрес: Neilikkatie 17, P.O. Box 294, FI-01301 Vantaa, Finland.

В работе использованы положения следующих нормативных документов:

- ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования»;

- НПБ 236-97 «Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности»;

- Технологический регламент № 050877-К «Система огнезащиты стальных конструкций с применением минераловатных плит PAROC FPS-17».

Расчет производился на ЭВМ «Intel Pentium» при использовании комплекса вычислительных программ для расчета теплового состояния конструкций.

В результате проведенной во ВНИИПО серии экспериментальных исследований по определению огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17 получены расчетные теплофизические характеристики материалов, на основании которых были рассчитаны номограммы огнестойкости стальных конструкций с данной облицовкой.

Полученные номограммы, в сочетании с представленным ниже расчетным методом, позволяют производить оценку огнестойкости стальных конструкций любой конфигурации, при различных толщинах облицовки из минераловатных плит Раrос FPS-17, а также решение обратных задач.

ИНСТРУКЦИЯ ПО РАСЧЕТУ ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ОГНЕЗАЩИТОЙ ИЗ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ПЛИТ PAROC FPS-17

1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Расчет пределов огнестойкости стальных конструкций производится по признаку потери несущей способности в нагретом состоянии - R (по классификации ГОСТ 30247.0-94).

1.2. Сущность метода заключается в определении критической температуры стали исследуемой конструкции, в результате которой наступает ее предел огнестойкости - статический расчет и определении времени от начала теплового воздействия до достижения критической температуры - теплотехнический расчет.

1.3. Статический расчет конструкции производится по формулам п. 2 настоящей инструкции.

1.4. Теплотехнический расчет производится с помощью номограмм огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой минераловатными плитами Раrос FPS-17 по п. 3 настоящей инструкции.

2. СТАТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

2.1. Общие положения

Предел огнестойкости стальных конструкций наступает в результате прогрева их сечения или отдельных его частей до критической температуры.

Критическая температура стальных конструкций, находящихся под действием нагрузки, рассчитывается в зависимости от вида конструкции, схемы ее опирания, марки металла и величины нагрузки.

2.2. Центрально-нагруженные стержни

Предел огнестойкости центрально-нагруженных стержней наступает в результате прогрева их сечения до критической температуры.

Критическая температура центрально-сжатых стержней определяется как наименьшая величина из двух найденных по таблице 1 значений в зависимости от коэффициентов γ_т и γ_е.

Таблица 1

Значения коэффициентов γ_т и γ_е, учитывающих изменения нормативного сопротивления R^н и модуля упругости Е стали в зависимости от температуры.

Коэффициенты γ_т и γ_е вычисляются по формулам:

где:

N_н - нормативная нагрузка, кг;

F - площадь поперечного сечения стержня, см²;

R^н - начальное нормативное сопротивление металла, кг/см²;

Е_н - начальный модуль упругости металла, кг/см²,

для сталей - Е_н = 2100000 кг/см²;

l₀ - расчетная длина стержня, см;

J_min - наименьший момент инерции сечения стержня, см⁴.

Расчетная длина - l₀ стержня принимается равной:

- шарнирное опирание по концам - l;

где l - длина стержня, см;

- защемление по концам - 0,5 l;

- один конец защемлен, другой свободен - 21;

- один конец защемлен, другой шарнирно оперт - 0,71.

Критическая температура центрально-растянутых стержней определяется по таблице 1 в зависимости от коэффициента γ_т, вычисленного по формуле (1).

2.3. Изгибаемые и внецентренно-нагруженные элементы

Предел огнестойкости изгибаемых и внецентренно-нагруженных элементов наступает в результате повышения температуры их наиболее напряженной грани до критической величины.

В случае незащищенных элементов и защищенных элементов сплошного сечения температура наиболее напряженной грани принимается равной температуре всего сечения. В случае элементов, изготовленных из прокатных профилей, температура наиболее напряженной грани принимается равной температуре соответствующей полки (стенки) поперечного сечения.

Критическая температура изгибаемых элементов определяется по таблице 1 в зависимости от коэффициента γ_т, вычисляемого по формуле:

где:

М_н - максимальный изгибающий момент от действия нормативных нагрузок, кг см.

W - момент сопротивления сечения, см³.

Критическая температура внецентренно-сжатых стержней определяется как наименьшая величина из двух найденных по таблице 1 значений в зависимости от коэффициентов γ_т и γ_е.

Коэффициент γ_т вычисляется по формуле:

где:

е - эксцентриситет приложения нормативной нагрузки - N_н, см.

Коэффициент γ_е находится по формуле (2).

Критическая температура внецентренно-растянутых стержней определяется по таблице 1 в зависимости от коэффициента γ_т, вычисляемого по формуле (4).

2.4. Фермы

Предел огнестойкости металлических ферм наступает в результате потери несущей способности наиболее слабого, с точки зрения огнестойкости элемента.

Для выявления такого элемента определяются пределы огнестойкости всех нагруженных стоек, раскосов и поясов фермы. Критическая температура этих элементов находится в соответствии с п.п. 2.1 ÷ 2.3.

3. НОМОГРАММЫ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ОГНЕЗАЩИТОЙ МИНЕРАЛОВАТНЫМИ ПЛИТАМИ PAROC FPS-17

3.1. Результаты экспериментальных исследований

Для построения номограмм были обобщены результаты огневых испытаний стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17, проведенные во ВНИИПО (отчеты № 6204 от 23.03.06 г. и № 6231 от 03.04.06 г.), с подробным описанием конструкций, их геометрических размеров, условий проведения испытаний, поведения конструкций во время испытаний, а также температурные кривые прогрева в различных точках конструкций при воздействии температурного режима «стандартного пожара».

Испытания проводились в соответствии со следующими нормативными документами:

- ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования»;

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

В качестве опытных образцов, на которые устанавливалась огнезащита, были использованы стальные колонны двутаврового профиля, высотой 1700 мм, с разной приведенной толщиной металла, в количестве 6 штук (по 2 образца на каждое испытание).

Монтаж минераловатных плит PAROC FPS-17 осуществлялся по негрунтованной поверхности стальных колонн в соответствии с требованиями, изложенными в «Технологическом регламенте № 050877-К. Система огнезащиты стальных конструкций с применением минераловатных плит PAROC FPS-17».

Схема монтажа огнезащиты на опытные образцы показана на рис. 1. Минераловатные плиты Раrос FPS-17 крепились на колонны в виде коробчатого сечения, при помощи клея КНАУФ-Флексклебер по ТУ 5745-012-04001508-97. Порядок крепления плит описан в отчетах по испытаниям.

Испытания колонн проводились при четырехстороннем тепловом воздействии по стандартному температурному режиму согласно ГОСТ 30247.0. Порядок проведения испытаний и испытательное оборудование представлено в вышеуказанных отчетах.

Для построения номограмм были использованы температурные кривые прогрева колонн, облицованных минераловатными плитами Раrос FPS-17, со следующими параметрами:

Таблица 2

^*- представленные данные получены в ходе проведения сертификационных испытаний системы огнезащиты на основе минераловатных плит PAROC FPS-17 и клея КНАУФ-Флексклебер для стальных конструкций (отчет № 6204 от 23.03.06 г.);

^**- на момент окончания огневого воздействия через 240 мин достижения критической температуры 500°С зафиксировано не было. Средняя температура на опытном образце составила 320°С.

Результаты испытаний стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17 были проанализированы и обобщены. Температурные кривые прогрева испытанных конструкций с различными приведенными толщинами и толщинами облицовки показаны на рис. 2.

Рис. 1. Схема монтажа системы огнезащиты выполненной на основе минераловатных плит PAROC FPS-17 и клея КНАУФ-Флексклебер.

Экспериментальные кривые прогрева стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос
FPS-17

Рис. 2.

3.2. Приведенная толщина металла конструкций

Для представления сложной геометрии двухмерной конструкции в одном измерении необходимо использовать единый параметр для всех видов сечений - приведенную толщину металла, вычисляемую формуле:

где

F - площадь поперечного сечения металлической конструкции, мм²;

П - обогреваемая часть периметра конструкции, мм.

3.3. Построение номограмм с использованием расчетного метода

В данной работе был использован расчетный метод определения прогрева стальных конструкций с огнезащитой, общие положения которого представлены в приложении.

В результате сравнительного анализа данных по испытаниям были получены теплофизические характеристики материала облицовки из минераловатных плит Раrос FPS-17: плотность, влажность, степень черноты, коэффициент теплопроводности и коэффициент теплоемкости, - при нормальных условиях, а также при воздействии температурного режима. Для этого на ЭВМ было построено несколько моделей испытанных ранее конструкций и проведен ряд теплотехнических расчетов с использованием подобранных свойств материала минераловатных плит Раrос FPS-17. Сравнительные расчеты проводились до достижения среднего расхождения между результатами расчетов и испытаний не более 20 %.

Теплофизические характеристики облицовки, полученные в результате анализа данных по испытаниям, далее были использованы для построения зависимостей (номограмм) огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17 при различных толщинах облицовки.

Для расчетов на ЭВМ были построены модели стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17 с разными значениями толщин облицовки и приведенной толщины металла.

Далее были проведены теплотехнические расчеты данных конструкций при воздействии температурного режима «стандартного пожара» и с использованием полученных свойств материала.

За предел огнестойкости конструкции принималось время нагревания, по истечении которого средняя температура стальной конструкции достигала критической величины. Критическая температура t_кр принималась для значений: 450°С, 500°С (по НПБ 236-97), 550°С и 600°С.

В результате расчетов был получен ряд значений пределов огнестойкости конструкций при различных критических температурах t_кр. Все эти данные были сведены в таблицы пределов огнестойкости конструкций для 4-х значений критических температур, по которым были построены номограммы огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17, рис. 3, 4, 5, 6.

3.4. Использование номограмм

Номограммы огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Раrос FPS-17 предназначены для определения пределов огнестойкости стальных конструкций при критических температурах стали: t_кр = 450°С, 500°С, 550°С и 600°С, см. рис. 3, 4, 5, 6 соответственно.

Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Paroc FPS-17

при t_кp = 450°C

Рис. 3.

Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Paroc FPS-17

при t_кp = 500°C

Рис. 4.

Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Paroc FPS-17

при t_кp = 550°C

Рис. 5

Огнестойкость стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит Paroc FPS-17

при t_кp = 600°С

Рис. 6.

Номограммы построены в координатах: «Приведенная толщина металла, мм» - «Время, мин», где «Время» - время достижения предела огнестойкости конструкции. Каждая точка номограммы соответствует пределу огнестойкости стальной конструкции с определенной приведенной толщиной металла и толщиной минераловатных плит Paroc FPS-17. Точки номограммы, соответствующие конструкциям с одной и той же толщиной минераловатных плит, соединены линиями одного цвета и обозначены в легенде в виде значений толщины облицовки (мм). Для поиска промежуточных значений приведенной толщины металла и толщины облицовки следует использовать интерполяцию графиков номограммы.

Для определения предела огнестойкости конструкции необходимо предварительно произвести статический расчет по п. 2 для определения критической температуры стали исследуемой конструкции и принять ближайшее значение t_кр из приведенного выше ряда, либо принять нормативное значение t_кр. Далее следует определить приведенную толщину металла конструкции по формуле (5).

Определив критическую температуру и выбрав соответствующую ей номограмму, на поле номограммы находится график, соответствующий заданной толщине минераловатных плит Paroc FPS-17, см. легенду. Выбранный график является функцией зависимости времени предела огнестойкости конструкции от приведенной толщины металла и используется для определения предела огнестойкости стальной конструкции с огнезащитой минераловатными плитами Paroc FPS-17.

Аналогичным образом данные номограммы могут использоваться для решения обратных задач: поиска минимальной толщины минераловатных плит Paroc FPS-17, для обеспечения заданного предела огнестойкости, и поиска минимальной приведенной толщины металла конструкции для обеспечения заданного предела огнестойкости.

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРЕДЕЛА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНОЙ КОЛОННЫ С ОГНЕЗАЩИТОЙ МИНЕРАЛОВАТНЫМИ ПЛИТАМИ PAROC FPS-17

Исходные данные:

Дана стальная колонна, выполненная из двутавра № 20 по ГОСТ 8239-89, длиной 3,0 м, с шарнирным опиранием по концам, нагруженной центрально приложенной нагрузкой N_н = 40 т. Колонна имеет огнезащиту из минераловатных плит Раrос FPS-17 толщиной 30 мм. Определить предел огнестойкости колонны при условии 4-х стороннего обогрева.

Расчет:

1. Согласно п. 2.2. вычисляем критическую температуру:

По формулам (1) и (2) вычисляем коэффициенты γ_т и γ_е при следующих параметрах:

N_н = 40000 кг;

F = 26,8 см - взято из справочника конструктора;

R^н = 2800 кг/см² - для стали Ст5 по ГОСТ 380-71;

Е_н = 2100000 кг/см²;

l₀ = 300 см - для случая шарнирного опирания обеих концов;

J_min = 1840 см⁴ - взято из справочника конструктора.

γ_т = 0,53

γ_е = 0,09

Для полученных коэффициентов γ_т и γ_е по таблице 1 находим значения температур и наименьшую принимаем за критическую температуру:

t_кр = 519°C.

2. По формуле (5) вычисляем приведенную толщину металла конструкции. Геометрические размеры и площадь сечения колонны берутся из ГОСТ 8239-89 для двутавра № 20.

П = 789,6 мм - для случая 4-х стороннего обогрева колонны;

F = 2680 мм².

δ_пр = 3,4 мм.

3. Определив критическую температуру конструкции t_кр = 519 °С выбираем номограммы с ближайшими значениями t_кp = 500°С и t_кр = 550°С. Для заданной толщины минераловатных плит Раrос FPS-17 δ₀ = 30 мм (см. легенду) и для найденной приведенной толщины металла δ_пр = 3,4 мм находим два значения предела огнестойкости конструкции при t_кр, = 500°С и t_кp = 550°С:

τ₁ = 68 мин, τ₂ = 72 мин.

Интерполируя данный отрезок получаем значение предела огнестойкости при t_кр = 519°С:

τ = 69,5 мин.

Приложение: Общие положения теплотехнического расчета стальных конструкций с огнезащитой.

Приложение
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ОГНЕЗАЩИТОЙ

1. Расчет производится при условии изменения температуры нагревающей среды во времени по кривой «стандартного пожара» (ГОСТ 30247.0-94), уравнение которой имеет вид:

где:

t_в,τ - температура нагревающей среды, °К;

τ - время в секундах;

t_н - начальная температура нагревающей среды, °К.

2. Коэффициент передачи тепла - α, Вт/(м²К), от нагревающей среды с температурой t_в,τ к поверхности конструкции с температурой t₀ вычисляется по формуле:

где

s_пр - приведенная степень черноты системы: «нагревающая среда - поверхность конструкции»:

где

s - степень черноты огневой камеры печи, s = 0,85;

s₀ - степень черноты обогреваемой поверхности конструкции.

3. Расчет температуры металлического стержня конструкций производится с помощью ЭВМ.

Программа для расчета составляется по алгоритму, который представляет собой ряд формул, полученных на основе решения краевой задачи теплопроводности методом элементарных балансов (конечно-разностный метод решения уравнения теплопроводности Фурье при внешней и внутренней нелинейности и наличии отрицательных источников тепла: испарение воды в облицовке и нагрев металла стержня). По этим формулам температура стержня вычисляется последовательно через расчетные интервалы времени - ∆τ до заданного критического значения.

4. Начальные условия для расчета принимаются следующими:

Начальная температура во всех точках по сечению конструкции до пожара и температура окружающей среды вне зоны пожара одинакова и равна t_н = 293°К.

5. Величина расчетного интервала времени - ∆τ (шаг программы) выбирается такой, чтобы она целое число раз укладывалась в интервале машинной записи результатов расчета. При этом выбранная величина ∆τ не должна превышать значения, которое вычисляется по формуле (11).

6. Незащищенные металлические конструкции

Алгоритмом для машинного расчета незащищенных металлических конструкций является формула, имеющая вид:

где

t_cm,∆τ - температура стержня через расчетный интервал времени - ∆τ, °К;

t_cm - температура стержня в данный момент времени - τ, °К;

t_в,τ - температура нагревающей среды в данный момент времени - τ, °К;

α - коэффициент передачи тепла от нагревающей среды к поверхности конструкции, Вт/(м² град);

С_cm - начальный коэффициент теплоемкости металла, Дж/(кг град);

D_cm - коэффициент изменения теплоемкости металла при нагреве, Дж/(кг град²);

γ_cm - удельный вес металла, кг/м³;

δ_пр - приведенная толщина металла, м:

где

F - площадь поперечного сечения стержня, м²;

П - обогреваемый периметр сечения стержня, м.

7. Максимальный расчетный интервал времени - ∆τ_max вычисляется по формуле:

где α и t_cm - максимально возможные значения в расчете.

8. Конструкции с огнезащитными облицовками

Для плоских конструкций с одномерным потоком тепла по толщине алгоритм машинного расчета составляется на основании схемы, изображенной на рис. 7. Огнезащитная облицовка толщиной δ₀ разбивается на n-ое число слоев ∆х.

Рис. 7. Схема к расчету на ЭВМ прогрева стальной пластины с огнезащитной облицовкой.

9. Температура на стальной пластине - t_cm,∆τ через расчетный интервал времени - ∆τ, вычисляется по формулам:

- температура на обогреваемой поверхности облицовки:

- температура во внутренних слоях облицовки:

- температура на стальной пластине:

где

А - начальный коэффициент теплопроводности облицовки, Вт/(м град);

В - коэффициент изменения теплопроводности облицовки при нагреве, Вт/(м град²);

С - начальный коэффициент теплоемкости облицовки, Дж/(кг град);

D - коэффициент изменения теплоемкости облицовки при нагреве, Дж/(кг град²);

 - фиктивная температура.

где

p_в - начальная весовая влажность облицовки, %;

r - скрытая теплота парообразования воды, r = 2260·10³ Дж/кг.