СОДЕРЖАНИЕ

Введение................................................................................................ 3

1.    Общие положения............................................................................ 4

2.    Статический расчет......................................................................... 4

2.1.    Общие положения.................................................................. 4

2.2.    Центрально-нагруженные стержни...................................... 5

2.3.    Изгибаемые и внецентренно-нагруженные стержни......... 6

2.4.    Фермы...................................................................................... 7

3.    Номограммы огнестойкости стальных конструкций

с огнезащитой минераловатными плитами "Conlit"..................... 8

3.1.    Результаты экспериментальных исследований.................. 8

3.2.    Приведенная толщина металла конструкций.....................10

3.3.    Построение номограмм с использованием

расчетного метода.................................................................10

3.4.    Использование номограмм.................................................18

4.    Пример расчета предела огнестойкости стальной колонны с

огнезащитой минераловатными плитами "Conlit"........................19

Приложение "Общие положения теплотехнического расчета

стальных конструкций с огнезащитой"..........................................21

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

В результате сравнительного анализа данных по испытаниям были получены теплофизические характеристики материала облицовки из минераловатных плит "Conlit": 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 "Conlit". 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 "Conlit" при различных толщинах облицовки.

Для расчетов на ЭВМ были построены модели стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Conlit" 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«_P 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<p. 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 "Conlit" фирмы "Rockwool", рис. 3, 4,5,6.

3.5. Использование номограмм

Номограммы огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Conlit" фирмы "Rockwool" предназначены для определения пределов огнестойкости стальных конструкций при критических температурах стали: к_Р = 450 °С, 500 °С, 550 °С и 600 °С, см. рис. 3, 4, 5, 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 "Conlit". 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 формулам (1...4) для определения критической температуры стали исследуемой конструкции и принять ближайшее значение кр из приведенного выше ряда, либо принять нормативное значение 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 "Conlit", 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 "Conlit".

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

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

4. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПРЕДЕЛА ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНОЙ КОЛОННЫ С ОГНЕЗАЩИТОЙ МИНЕРАЛОВАТНЫМИ ПЛИТАМИ "CONLIT"

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 Мн = 40 т. Колонна имеет огнезащиту из минераловатных плит "Conlit" 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 у_т и у_е при

следующих параметрах:

N_H = 40000 кг;

F= 26,8 см² - взято из справочника конструктора;

Дн - 2800 кг/см² - для стали Ст5 по ГОСТ 380-71;

Е_н= 2100000 кг/см²;

/₀ = 300 см - для случая шарнирного опирания обеих концов; j_mm = 1840 см⁴ - взято из справочника конструктора.

Ут = 0.53

Ye — 0,09,

Для полученных коэффициентов у_т и у_е по таблице 1 находим

значения температур и наименьшую принимаем за критическую температуру:

t_Kp = 519 °С

2.    По формуле (5) вычисляем приведенную толщину металла конструкции. Геометрические размеры и площадь сечения колонны берутся из ГОСТ 8239-89 для двутавра N° 20.

1 = 789,6 мм - для случая 4-х стороннего обогрева колонны;

F = 2680 мм².

<5_пр = 3,4 мм.

3.    Определив критическую температуру конструкции t_Kp = 519 °С выбираем номограммы с ближайшими значениями t_Kp = 500 °С и t_Kp = 550 °С. Для заданной толщины минераловатных плит "Conlit" <5₀ = 30 мм (см. легенду) и для найденной приведенной толщины металла <5_пр = 3,4 мм находим два значения предела огнестойкости конструкции при t_Kp = 500 °С и t_Kp- 550°С;

Т,= 75 мин, Т₂= 81 мин.

Интерполируя данный отрезок получаем значение предела огнестойкости при t_Kp = 519 °С;

Т =77 мин.

Приложение: Общие положения теплотехнического расчета стальных конструкций с огнезащитой.

Начальник отдела доктор технических наук

Заместитель начальника отдела кандидат технических наук

Старший научный сотрудник

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Работа выполнена на основании договора № 1974/Н-3.2 от 11.01.2006 г., заказчик: ЗАО "Минеральная вата", адрес: 143980, Россия, г. Железнодорожный, ул. Автозаводская, д. 48 а.

В работе использованы положения следующих нормативных документов:

-    ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования" [1];

-    НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности" [2];

-    Технологический регламент 11-06 "Рабочая инструкция композиции огнезащитной для стальных конструкций из минераловатных плит Rockwool серии Conlit марки Conlit 150 с сеткой из стекловолокна и клея Conlit Glue" [3].

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 "Conlit" фирмы "Rockwool" получены расчетные теплофизические характеристики материалов, на основании которых были рассчитаны номограммы огнестойкости стальных конструкций сданной 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 "Conlit", а также решение обратных задач.

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

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:

t,_s = 345 lg(0,133т + l) + t„    (6)

где

t_&__x - температура нагревающей среды, °К; т - время в секундах;

ti - начальная температура нагревающей среды, °К.

2. Коэффициент передачи тепла - а, Вт/(м² К), от нагревающей среды с температурой t_&x к поверхности конструкции с температурой t₀ вычисляется по формуле:

а = 29 + 5,77 s_v

где

- приведенная степень черноты системы: "нагревающая среда - поверхность конструкции":

1

^пр ~ (V ^s)⁺(V ⁵о)^—1

где

5 - степень черноты огневой камеры печи. 5 = 0,85;

s₀ - степень черноты обогреваемой поверхности конструкции.

ИНСТРУКЦИЯ ПО РАСЧЕТУ ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ОГНЕЗАЩИТОЙ ИЗ МИНЕРАЛОВАТНЫХ ПЛИТ “CONLIT” ПРОИЗВОДСТВА ФИРМЫ “ROCKWOOL”

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]).

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 (1 ...4) настоящей инструкции.

1.4.    Теплотехнический расчет производится с помощью номограмм огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой минераловатными плитами "Conlit" по п.З 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.

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

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 уг и у_е.

Таблица 1 Значения коэффициентов ут и уе, учитывающих изменения нормативного сопротивления RH и модуля упругости Е стали в зависимости от температуры.

Температура в °С Г Уе 20 1,0 1,0 100 0,99 0,96 150 0,93 0,95 200 0,85 0,94 250 0,81 0,92 300 0,77 0,90 350 0,74 0,88 400 0,70 0,86 450 0,65 0,84 500 0,58 0,80 550 0,45 0,77 600 0,34 0,72 650 0,22 0,68 700 0,11 0,59

Коэффициенты уг и уе вычисляются по формулам:

(1)

(2)

где

Nh - нормативная нагрузка, кг;

F - площадь поперечного сечения стержня, см²;

R» - начальное нормативное сопротивление металла, кг/см²; Ей - начальный модуль упругости металла, кг/см², для сталей - Еи= 2100000 кг/см²;

/о - расчетная длина стержня, см;

Jmm - наименьший момент инерции сечения стержня, см⁴.

Расчетная длина - /о стержня принимается равной:

-    шарнирное опирание по концам - /;

где

I - длина стержня, см;

-    защемление по концам - 0,5 /;

-    один конец защемлен другой свободен - 2 /;

-    один конец защемлен, другой шарнирно оперт - 0,7 I.

Критическая температура центрально-растянутых стержней определяется по таблице 1 в зависимости от коэффициента ул 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.

ROCKWOOL

НЕГОРЮЧАЯ ИЗОЛЯЦИЯ

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

(3)

где

Ми - 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 у_т и у_е.

Коэффициент уг вычисляется по формуле:

(4)

где

е - эксцентриситет приложения нормативной нагрузки - N, см. Коэффициент у_е находится по формуле (2).

Критическая температура внецентренно-растянутых стержней определяется по таблице 1 в зависимости от коэффициента уг, 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 по формулам

(1 ... 4).

3. Номограммы огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой минераловатными плитами "Conlit"

3.1. Результаты экспериментальных исследований

Для построения номограмм были обобщены результаты огневых испытаний стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Conlit", проведенные во ВНИИПО (отчеты № 6088 от 25.01.06 г., № 6166 от 26.02.06 г., № 3293 от 22.04.2002 г., № 4520 от 23.12.2003 г., № 1469 от 09.12.98 г. и № 1235 от 29.06.98 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" [1];

■    НПБ 236-97 "Огнезащитные составы для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности" [2].

В качестве опытных образцов, на которые устанавливалась огнезащита, были использованы стальные колонны двутаврового профиля, высотой 1700 мм, с разной приведенной толщиной металла, в количестве 12 штук.

Схема установки огнезащиты на опытные образцы показана на рис. 1. Минераловатные плиты "Conlit" крепились на колонны в виде коробчатого сечения при помощи спец, клея "Conlit Glue" производства фирмы "Rockwool". Порядок крепления плит описан в отчетах по испытаниям и соответствовал технологическому регламенту 11-06 "Рабочая инструкция композиции огнезащитной для стальных конструкций из минераловатных плит Rockwool серии Conlit марки Conlit 150 с сеткой из стекловолокна и клея Conlit Glue" [3].

Рис. 1. Схема установки огнезащиты из минераловатных плит "Conlit" на опытные образцы колонн

Для построения номограмм были использованы температурные кривые прогрева колонн, облицованных минераловатными плитами "Conlit", со следующими параметрами:

№ п/п	Приведенная толщина металла, мм	Толщина огнезащиты, мм	Время достижения критической температуры 500 °С, мин
1	3,4	50	101
2	3,4	30	75
3	4,8	50	130
4	4,8	20	84
5	3,4	20+50=70	122
6	6,54	30	127
7*	3,4	20	60,5
8*	3,4	50	97,5
9*	3,4	50	100
10	3,4	50	95
11	6,1	2x50=100	185
12*	3,4	20	62

* - представленные данные, получены в ходе проведения сертификационных испытаний композиции огнезащитной выполненной из минераловатных плит Rockwool серии Conlit марки Conlit 150 (с сеткой) и клея Conlit Glue (отчеты № 1235 от 29.06.98 г., № 3293 от 22.04.2002 г., № 4520 от 23.12.2003 г., № 6088 25.01.2006 г.).

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.

Результаты испытаний стальных конструкций с огнезащитой из минераловатных плит "Conlit" были проанализированы и обобщены. Температурные кривые прогрева испытанных конструкций с различными приведенными толщинами и толщинами облицовки показаны на 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:

(5)

где

F - площадь поперечного сечения металлической конструкции, мм ; I - обогреваемая часть периметра конструкции по таблице 3, 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.