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.

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:

* - 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.