Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций Электронная библиотека российских диссертаций
Каталог

Обратная связь

Я ищу:

Содержимое электронного каталога российских диссертаций

Диссертационная работа:

Голованов Владимир Ильич. Прогнозирование огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой : диссертация ... доктора технических наук : 05.26.03 / Голованов Владимир Ильич; [Место защиты: ФГУ "Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны"]. - Балашиха, 2008. - 301 с. : 36 ил.


Для получения доступа к работе, заполните представленную ниже форму:


*Имя Отчество:
*email



Содержание диссертации:

ВВЕДЕНИЕ 7

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 21

  1. Состояние вопроса 21

  2. Теоретические аспекты обеспечения несущей способности стальных конструкций в условиях огневого воздействия 29

  1. Прочностные свойства строительных сталей и специфика их поведения в области высоких температур 29

  2. Взаимосвязь деформации кратковременной температурной ползучести с режимом нагрева стали и уровнем напряжения 38

  1. Особенности поведения стальных элементов при потере ими несущей способности в условиях огневого воздействия 41

  2. Методы исследования огнезащитной эффективности покрытий

и способы огнезащиты для стальных конструкций 54

1.3 Состояние нормативной базы и методы оценки огнестойкости

стальных несущих конструкций 64

  1. Требуемая огнестойкость сжатых и изгибаемых стальных элементов 64

  2. Методы испытаний на огнестойкость стальных колонн и

балок 66

  1. Методы испытания по оценке огнезащитной эффективности покрытий и облицовок для стальных конструкций 71

  2. Методы контроля по обеспечению требуемой огнестойкости

стальных конструкций с огнезащитой при приемке зданий и

сооружений в эксплуатацию 74

1.4 Основные направления исследований 78

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И
ДЕФОРМАТИВНЫХ СВОЙСТВ СТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ В
УСЛОВИЯХ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР 83

2.1 Исследуемые марки стали 83

2.2 Описание экспериментального оборудования и контрольно-
измерительной аппаратуры 84

  1. Методика испытаний образцов на растяжение для определения диаграмм а- є при стационарном режиме нагрева 93

  2. Методика испытаний образцов на сжатие для определения диаграмм а- є при стационарном режиме нагрева 101

  3. Сравнение результатов испытаний на растяжение и сжатие при стационарном режиме нагрев 108

  4. Анализ экспериментальных данных 112

3 ИССЛЕДОВАНИЕ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ТЕМПЕРАТУРНОЙ
ПОЛЗУЧЕСТИ СТАЛИ 119

  1. Основные положения теории ползучести при нестационарных режимах нагрева стали 119

  2. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 123

3.3 Определение параметров ползучести \х ,Z и є„о в ходе проведения

испытаний на ползучесть при растяжении 126

  1. Определение параметров ползучести |ЛС, Zc и єсПо в ходе проведения испытаний на ползучесть при сжатии 144

  2. Сравнение результатов испытаний на ползучесть при растяжении

и сжатии 148

3.6 Эксперименты на ползучесть при растяжении и сжатии

в условиях нестационарного режима нагрева стали 150

3.7 Определение доверительных границ результата измерений при
исследованиях прочностных и деформативных свойств исследуемых
сталей 165

3.8 Анализ экспериментальных данных 172

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СЖАТЫХ СТАЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР 174

4.1 Аналитическое исследование деформативности и устойчивости
центрально сжатых стальных стержней гибкостью Л > 104

при нагреве 174

4.2 Аналитическое исследование деформативности и устойчивости
внецентренно сжатых стальных стержней при нагреве 183

4.3 Экспериментальное исследование деформативности и устойчивости
центрально и внецентренно сжатых стержней при нагреве 195

  1. Описание экспериментального оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры 197

  2. Методика испытаний сжатых стальных стержней при нагреве 199

4.3.3 Результаты экспериментов 204

4.4 Анализ экспериментальных данных 218

5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ СТАЛЬНЫХ ИЗГИБАЕМЫХ БАЛОК
ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР 224

  1. Математическая модель расчета деформирования стальных балок в условиях огневого воздействия, с учетом температурной ползучести стали 224

  2. Изучение закономерностей процесса деформации стальных балок

в условиях огневого воздействия 244

5.2.1 Описание экспериментального оборудования и контрольно-
измерительной аппаратуры 245

  1. Методика испытаний стальных балок на огнестойкость под нагрузкой 249

  2. Анализ результатов испытаний 256

5.2.4. Алгоритм определения фактических пределов огнестойкости

стальных балок по критическим деформациям 259

5.3 Сравнение расчетных деформаций стальных балок с деформациями,
зарегистрированными во время испытаний 261

5.4. Анализ полученных результатов 269

6 РАСЧЕТ ТЕМПЕРАТУР В СЕЧЕНИЯХ НЕСУЩИХ СТАЛЬНЫХ

ЭЛЕМЕНТОВ ЗАЩИЩЕННЫХ ЭФФЕКТИВНЫМИ

МАТЕРИАЛАМИ 272

  1. Постановка задачи, исходные предпосылки 272

  2. Методика расчета температуры в сечении незащищенных стальных элементов 274

  3. Расчет температуры в сечении стальной огнезащищенной колонны двутаврового сечения 275

  4. Расчет температуры в сечении стальной колонны с

облицовкой, имеющей воздушный прослоек 280

6.5 Приведение фактических сечений облицованных стержней к
неограниченной пластине, облицованной с одной стороны,

и имеющей идеальную теплоизоляцию с другой 283

  1. Расчет температуры неограниченной стальной пластины, облицованной с одной стороны и имеющей идеальную теплоизоляцию с другой 286

  2. Методика определения теплотехнических свойств огнезащитных

облицовок 287

6.8. Методика построения номограмм прогрева стальных

конструкций со вспучивающимися покрытиями 290

6.9 Анализ результатов исследований 294

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 296

ЛИТЕРАТУРА 302

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 323

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 329



Введение диссертации:

Обеспечение пожарной безопасности зданий и сооружений из стальных конструкций является важной государственной задачей [1]. Для современного строительного производства характерно изготовление строительных конструкций и изделий индустриальными методами. Стальные конструкции находят широкое применение при возведении высотных зданий в качестве колонн, несущих элементов покрытий, каркасов. Эти конструкции отвечают поставленным задачам технического прогресса: они надежны, обладают высокими прочностными качествами, обеспечивают высокие темпы изготовления и возведения, благодаря высокой прочности они экономичны по затрате материала, транспортабельны и долговечны. Вследствие этого потребление металла в народном хозяйстве очень велико и все возрастает вместе с ростом строительства.

В то же время элементы стальных конструкций должны отвечать противопожарным требованиям. Под действием высокой температуры во время пожара несущая способность стальных конструкций резко снижается, а иногда происходит их разрушение. Применение стальных конструкций, выполненных без учета требований огнестойкости, может привести к человеческим жертвам и значительным убыткам [2-4].

В связи с современными тенденциями в промышленном и гражданском строительстве строить на больших площадях — проблема предотвращения ущерба от крупных пожаров приобретает большое значение. Поэтому одной из

главных задач при эксплуатации зданий является обеспечение нормативных прочностных свойств несущих стальных элементов не только при обычных условиях, но и при воздействии высоких температур, имеющих место в случае пожара. Таким образом, обеспечение работоспособности стальных конструкций при огневом воздействии является весьма важной задачей.

Интенсивное развитие нефтегазового комплекса, где в качестве основных несущих конструкциями используются стальные конструкции ставит ряд задач для обеспечения огнестойкости этих конструкций при огневом воздействии "углеводородного температурного режима".

В настоящее время большое внимание уделяется строительству нефтегазового комплекса, автодорожных тоннелей большой протяженности, где режимы огневого воздействия на строительные конструкции более интенсивны и значительно отличаются от "стандартного". Влияние более интенсивного температурного режима на прочностные характеристики металла и в конечном счете на огнестойкость стальных конструкций требует изучения.

Исходя из вышесказанного была определена цель исследований и сформулирована следующая рабочая гипотеза: установление механизма действия кратковременной температурной ползучести стали на несущую способность стальных конструкций из обычных строительных марок стали и сталей с повышенными показателями огнестойкости при различных режимах огневого воздействия, а также выбор эффективной огнезащиты для обеспечения требуемой огнестойкости несущих стальных конструкций

Целью настоящей работы является разработка метода расчета огнестойкости стальных сжатых и изгибаемых конструкций по критическим деформациям на основе изучения прочностных и деформативных свойств строительных сталей в условиях различных режимов огневого воздействия, в том числе отличных от "стандартного" и определения огнезащитной эффективности материалов для стальных конструкций.

Для достижения поставленной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:

исследовать механизм изменения прочностных и деформативных свойства сталей: малоуглеродистой ВСтЗпс, низколегированной 09Г2С и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости;

установить особенности процесса кратковременной температурной ползучести исследованных марок стали при нестационарных режимах нагрева и получены параметры и аналитические зависимости для расчета этих деформаций;

исследовать влияние интенсивности нагревания, уровня нагружения, марки стали на величину критической температуры сжатых стальных стержней;

разработать методику и провести огневые испытаний для определения фактического предела огнестойкости сжатых и изгибаемых стальных конструкций из различных марок стали с огнезащитой и без неё;

- разработать математическую модель решения процесса деформирования стальных конструкций при пожаре с учетом температурной ползучести материала;

исследовать закономерности огнезащитных свойств новых материалов для стальных конструкций и определить теплофизические характеристики этих материалов, которые необходимы для расчетов прогрева конструкций;

установить критерии выбора систем пассивной защиты стальных конструкций от огневого воздействия;

на основании результатов крупномасштабных огневых испытаний с изгибаемыми балками и сжатыми стержнями из наиболее типичных марок стали ВСтЗпс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций и новых марок 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости и сравнении с результатами, полученными аналитически подтверждена возможность использования предлагаемого метода расчета для оценки несущей способности стальных конструкций в условиях огневого воздействия.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждены большим объемом исследований на огнестойкость стальных элементов в натуральную величину при огневом воздействии, апробацией методик оценки огнезащитной эффективности строительных конструкций, соответствия результатов расчетных и экспериментальных данных, положительным опытом внедрения результатов работы в Государственную Противопожарную службу и другие ведомства.

Экспериментально-теоретические разработки выполнены применительно к стальным сжатым и изгибаемым стальным конструкциям из малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости и с новыми огнезащитными материалами.

Теоретические исследования включали:

исследование прочностных и деформативных свойств стали с использованием гидравлических разрывных машин и рычажных установок, модернизированных печей и приспособлений для измерения деформаций и температуры. Используя теорию ползучести, при обработке экспериментальных данных получены аналитические зависимости для расчета кратковременной температурной ползучести при растяжении и сжатии в условиях нестационарного режима нагрева исследованных марок стали;

исследование огнезащитных свойств облицовок для стальных конструкций с целью получения зависимостей изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости облицовок при нагреве их до высоких температур. Эти зависимости получены методом решения обратной задачи теплопроводности с помощью современных способов математического аппарата с использованием численных методов на базе ЭВМ.

- разработку математической модели решения задачи расчета процесса деформирования сжатых и изгибаемых стальных конструкций при пожаре с учетом температурной ползучести материала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

разработаны расчетные и экспериментальные методы оценки несущей способности изгибаемых стальных конструкций из наиболее типичных марок стали ВСтЗпс и 09Г2С, рекомендованных для строительных конструкций и новых марок ОбБФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости, с учетом деформации ползучести и различных режимах огневого воздействия для прогнозирования, математического моделирования, противопожарного нормирования несущих стальных конструкций по критическим деформациям;

разработан новый экспериментальный метод определения устойчивости сжатых стальных стержней для оценки влияния гибкости, величины нагрузки, скорости нагрева, марки стали на критическую температуру и деформацию этих стерней при нестационарных режимах нагрева;

- определены особенности напряженно-деформированного состояния
сжатых стальных стержней, получен новый метод определения критической
температуры сжатых стальных стержней различной гибкости X с учетом де
формации кратковременной температурной ползучести;

- предложена математическая модель расчета деформирования стальных
балок в условиях огневого воздействия, с учетом температурной ползучести
стали и позволяющая определять влияние скорости нагрева на процесс дефор
мировании балки. Модель апробирована с использованием экспериментальных
данных, полученных автором и опубликованных в литературе для стальных ба-

лок из сталей в условиях огневого воздействия. Результаты расчетов и экспериментальные данные удовлетворительно согласуются;

разработан новый экспериментальный метод определения кратковременной температурной ползучести стали при растягивающем и сжимающем напряжении, стационарном и нестационарном режимах нагрева, для оценки де-формативной способности строительных сталей;

выявлены основные закономерности и взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости марок стали при повышенных температурах;

получены новые экспериментальные данные, характеризующие влияние и вид напряженного состояния, скорости нагрева и марки стали на деформацию температурной ползучести малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок сталей 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями огнестойкости;

впервые установлена взаимосвязь между прочностными и деформативными свойствами исследованных марок стали и температурными режимами в условиях огневого воздействия, показана возможность оценки необратимых температурных деформаций стали;

предложена новая методика определения огнезащитных свойств покрытий и облицовок для стальных конструкций, позволяющая выбрать наиболее эффективный вариант огнезащиты. На основании систематических исследова-

ний и математической обработки результатов с использованием численных методов на базе ЭВМ получены зависимости изменения коэффициентов теплопроводности и теплоемкости облицовок при нагреве их до высоких температур. Построены номограммы прогрева стальных пластин с различными видами огнезащитных материалов.

Практическая ценность работы.

Решена научно-техническая проблема оценки огнестойкости стальных несущих конструкций из традиционно применяемых марок стали и новых с повышенными показателями термостойкости с учетом условий их эксплуатации, различных условий огневого воздействия. Разработаны научно-методические основы выбора наиболее эффективного огнезащитного покрытия для стальных конструкций.

Разработаны инженерные расчетно-экспериментальные методы оценки огнестойкости стальных конструкций по критическим деформациям, определены прочностные и деформативные параметры различных марок стали для задач математического моделирования процесса деформирования стальных стержней и балок в условиях различных температурных режимов огневого воздействия.

Результаты работы позволяют сформулировать требования по выбору огнезащитных материалов для стальных конструкций с учетом нормируемых критериев необратимых деформаций, в том числе на стадии проектирования, что приведет к снижению материального и социального ущерба от возможного пожара.

Диссертация обобщает результаты исследований, которые проводились под руководством или при непосредственном участии автора в Федеральном государственном учреждении "Всероссийский ордена "Знак почета" научно-исследовательский институт противопожарной обороны" (ФГУ ВНИИПО) МЧС России с 1976 года при выполнении ряда Государственных программ (в т.ч. МВД, Госстроя России) плана НИР ФГУ ВНИИПО МЧС России.

Результаты диссертационной работы использованы при разработке:

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

НПБ 231-96 "Потолки подвесные. Метод испытания на огнестойкость";

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

ГОСТ 30247.0-94 "Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Общие требования";

ГОСТ 30247.1-94 "Конструкции строительные. Метод испытания на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции";

МГСН 4.19-2005 "Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий-комплексов в городе Москве";

МГСН 5.03-02 "Нормы проектирования городских автотранспортных тоннелей";

Инструкции по расчету фактических пределов огнестойкости металлических конструкций. - М.: ВНИИПО, 1983;

Методики определения огнезащитной эффективности средств огнезащиты железобетонных конструкций автодорожных тоннельных сооружений.- М.: ВНИИПО, 2007;

Справочника "Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций, пожарная опасность строительных материалов, огнестойкость инженерного оборудования зданий". — М.: ВНИИПО, 1999;

Технической информации (в помощь инспектору Государственной противопожарной службы). -М.: ВНИИПО, 2005;

Результаты диссертации использованы в лекциях Учебного Центра ФГУ ВНИИПО МЧС России, Учебно-Консультативного Центра МГСУ и Государственной Академии профессиональной подготовки и повышения квалификации руководящих работников и специалистов инвестиционной сферы (ГАСИС).

Полученные экспериментальные данные фактических пределов огнестойкости несущих стальных конструкций, прочностные и деформативные свойства сталей при высоких температурах, а также огнезащитная эффективность новых материалов использованы различными предприятиями-производителями, проектными и строительными организациями, органами ГПС.

На защиту выносятся:

- основы выбора параметров огнезащиты для обеспечения требуемой огнестойкости стальных конструкций;

методики исследования прочностных и деформативных свойств стали при растяжении и сжатии в условиях нестационарных режимов нагрева;

результаты экспериментальных и теоретических исследований влияния марки стали на прочностные и деформативные свойства исследованных сталей при нагреве до высоких температур;

экспериментальные данные по влиянию уровня напряжения и температурных режимов нагрева стали на деформацию температурной ползучести стали при растяжении и сжатии;

научно обоснованные методы оценки несущей способности сжатых и изгибаемых стальных конструкций в условиях огневого воздействия с учетом кратковременной температурной ползучести;

результаты исследований огнестойкости стальных изгибаемых балок из различных марок стали с огнезащитой и без неё;

результаты математического моделирования процесса деформирования изгибаемых стальных балок из малоуглеродистой стали ВСтЗпс, низколегированной - 09Г2С и новых марок - 06БФ и 06МБФ с повышенными показателями термостойкости в условиях огневого воздействия;

методика определения устойчивости и несущей способности сжатых стальных стержней различной гибкости при различных режимах нагрева;

результаты экспериментальных и теоретических исследований огнезащитной способности новых эффективных материалов для стальных конструкций;

- эффективные способы защиты стальных конструкций от теплового воздействия в условиях огневого воздействия;

Достоверность полученных результатов подтверждается данными полигонных и крупномасштабных огневых экспериментов, адекватностью теоретических моделей реальным условиям статической нагрузки стальных конструкций в условиях огневого воздействия, выбором критериев и параметров, позволяющих сравнивать теоретические и экспериментальные данные, удовлетворительной точностью экспериментальных методов и погрешностями измерений.

Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждены достаточным объемом исследований (в том числе крупномасштабных экспериментов), длительной апробацией используемых математических моделей и методик, соответствием результатов лабораторных, крупномасштабных экспериментов и расчетных данных, положительным опытом внедрения результатов работы в ГПС и других ведомствах.

Апробация работы. Результаты работы, основные её положения и выводы докладывались и обсуждались на X Всесоюзной научно-практической конференции "Проблемы пожарной безопасности зданий и сооружений (Москва, 1990), XIII Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность 95" (Москва 1995), Всероссийской научно-практической конференции "Пожарная безопасность — история, состояние, перспективы" (Москва, 1997), II Международном семинаре "Пожаровзрывоопасность веществ и взрывозащита объектов (Москва 1997), XV Всероссийской научно-практической конферен-

ции "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков" (Москва, 1999), XVI Научно-практической конференции "Крупные пожары: предупреждение и тушение" (Москва, 2001), Всероссийской научно-практической конференции "Пожары и окружающая среда" (Москва, 2002), XVIII Всероссийской научно-практической конференции "Снижение риска гибели людей при пожарах" (Москва, 2003), XIX Научно-практической конференции "Пожарная безопасность многофункциональных и высотных зданий и сооружений" (Москва, 2005), Научно-практическая конференция "Пожарная защита зданий и сооружений в условиях Сибири и Крайнего Севера" (Иркутск, 2005), Международная научно-практическая конференция "Чрезвычайные ситуации: теория, практика, инновации" (Гомель, Беларусь, 2006), VII научно-практической конференции "Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций". (Москва, 2007), XX Международной научно-практической конференции "Исторические и современные аспекты решения проблем горения, тушения и обеспечения безопасности людей при пожарах" (Москва, 2007).

По теме диссертации опубликовано 51 печатная работа. В диссертации обобщены результаты многолетней самостоятельной работы, а также выполненной с коллегами и соискателями автора. Под руководством и непосредственном участии автора определялись направления исследований, разрабатывались установки, методики экспериментов, осуществлялся анализ и обобщение полученных результатов, формулировались выводы и проводилось внедрение в практику.

Автор считает своим долгом выразить благодарность за ценные советы и оказание практической помощи при совместной работе докторам техн. наук И.А. Болодьяну, А.Н. Баратову, И.С. Молчадскому, Н.И. Константиновой, Н.В. Смирнову, И.Р. Хасанову, инженерам В.В. Павлову, А.В. Пехотикову А.В. Ру-жинскому, Н.П. Савкину, Р.А. Яйлияну.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Работа содержит 337 страниц, иллюстрированного 79 рисунками, имеет 37 таблиц и 174 наименования литературы.

Реклама


2006-20011 © Каталог российских диссертаций