Огнестойкость и огнезащита металлических конструкций

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры ПБЗиАСП

подполковник вн. службы

С. Н. Терехин

"08" июля 2013 г.

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА

для проведения лекционного занятия

по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре»

специальности 280705.65 «Пожарная безопасность»

Раздел № 2.

«Строительные конструкции, здания, их пожарная опасность и огнестойкость»

Тема № 12.1

«Огнестойкость и огнезащита металлических конструкций»

СМК-УМК 4.4.2-35-13

Обсуждена на заседании кафедры

Протокол №_14 от «08» июля 2013 года

I. Учебные цели

Ознакомить обучающихся с исходными сведениями о расчёте пределов огнестойкости металлических строительных конструкций.

Развитие навыков комплексного подхода к решению задач пожарной безопасности зданий.

II. Воспитательные цели

Формирование у обучаемых знаний, умений и навыков, позволяющих решать задачи, стоящие перед ГПС.

Воспитание у обучаемых стремления к углубленному освоению материала по теме №12.

Воспитание ответственного отношения к исполнению своих служебных обязанностей.

III. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия

Время, мин

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ: принять доклад о готовности группы к занятиям; проверить наличие обучающихся, внешний вид, готовность к занятиям. Объявить тему, цели и учебные вопросы занятия. Подчеркнуть актуальность и значимость темы для дальнейшей практической деятельности обучающихся

5

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

80

1. Методика расчета фактических пределов огнестойкости несущих конструкций

2. Статическая часть методики расчёта пределов огнестойкости несущих металлических конструкций

40

40

ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ: напомнить тему, цели занятий, ответить на поставленные вопросы, дать задание на самостоятельную работу, самоподготовку; выдать план проведения всех видов занятий

5

ВСЕГО

90

IV. Литература

Основная:

  1. Вагин А.В., Мироньчев А.В., Терёхин С.Н., Кондрашин А.В., Филиппов А.Г. Пожарная безопасность в строительстве: учебник / Под общ. ред. О.М. Латышева. – СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России; Астерион, 2013. – 192 с.

  1. Дополнительная:

  1. Здания сооружения и их устойчивость при пожаре: учебник. Часть 1. «Строительные материалы, их пожарная опасность и поведение в условиях пожара» / Под общей редакцией Г.Н. Кирилова. – СПб: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2007. – 176с.

Нормативные, правовые акты:

  1. Федеральный закон от 21 декабря 1994 г. № 69-ФЗ «О пожарной безопасности».
  2. Федеральный закон от 06 мая 2011 г. № 100-ФЗ «О добровольной пожарной охране».
  3. Федеральный закон от 10 июля 2012 г. № 117-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности»».
  4. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности».
  5. Федеральный закон от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».
  6. СП 56.13330.2011. Производственные здания. Актуализированная редакция СНиП 31-03-2001" (утв. Приказом Минрегиона РФ от 30.12.2010 N 850)
  7. ГОСТ 12.3.046-91. Установки пожаротушения автоматические. Общие технические требования;
  8. СП 5.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Часть 1. Автоматическая пожарная сигнализация и автоматическое пожаротушение. Нормы и правила проектирования.
  9. Указ президента № 1522 от 13 ноября 2012 года о создании комплексной системы экстренного оповещения населения об угрозе возникновения чрезвычайных ситуаций.
  10. Указ Президента РФ от 12 мая 2009 г. N 537
    "О Стратегии национальной безопасности Российской Федерации до 2020 года"
  11. Постановление Правительства Российской Федерации от 25 апреля 2012 г. №390 «Правила противопожарного режима в Российской Федерации».

  1. Доклад министра «О долгосрочных перспективах развития системы МЧС России (МЧС-2030) от 30.10.2012 г.
  2. Приказ МЧС России № 743 от 28.12.2009 года «О принятии на снабжение в системе МЧС России программно-аппаратного комплекса «Стрелец-мониторинг».
  3. ОРГАНИЗАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по подготовке территориальных органов, спасательных воинских формирований, подразделений федеральной противопожарной службы, образовательных учреждений и организаций МЧС России в области гражданской обороны, предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций, обеспечения пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах, на объектах ведения горных работ, а также работ в подземных условиях на 2011-2013 годы.
  4. Министр Владимир Пучков: приоритетные задачи МЧС России на 2013 год.
  5. Распоряжение Правительства РФ от 3 апреля 2013 г. N 513-р Государственная программа "Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, обеспечение пожарной безопасности и безопасности людей на водных объектах".
  6. Постановление Правительства РФ от 30 декабря 2012 г. N 1481
    "О федеральной целевой программе "Пожарная безопасность в Российской Федерации на период до 2017 года".
  7. Постановление Правительства РФ от 7 июля 2011 г. N 555
    "О федеральной целевой программе "Снижение рисков и смягчение последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в Российской Федерации до 2015 года".
  8. Обзор законопроектов за 3-й квартал 2013 г.

V. Учебно-материальное обеспечение

  1. Технические средства обучения: мультимедийный проектор, компьютерная техника.
  2. Демонстрационные слайды.


VI. Текст лекции

Вводная часть

Во вводной части занятия (5 минут) преподаватель принимает доклад у дежурного по учебной группе о готовности группы к занятиям. Проверяет наличие обучающихся, делает соответствующие отметки в учебном журнале группы и строевой записке. Объявляет тему, учебные цели, вопросы, рассматриваемые на занятии и литературу. Доводит расчет учебного времени на отработку учебных вопросов.

Учебные вопросы

В ходе занятия (80минут) преподаватель доводит новый учебный материал, контролирует работу обучающихся. Создает условия для развития творческого мышления и самостоятельности обучающихся. При необходимости своевременно разъясняет отдельные положения, вызывающие затруднения и вопросы.

Заключительная часть

В заключительной части занятия (5 минут) в целях проверки качества усвоения обучающимися учебного материала преподаватель может провести выборочную проверку конспектов, подводит итоги всего занятия. Выдается задание на подготовку к следующему семинарскому занятию. Подается команда к завершению занятия.


1. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Высокая теплопроводность металла (у стали = 58 Вт/м 0С, у алюминиевых сплавов – 200 Вт/м 0С) позволяет выполнять расчеты пределов огнестойкости несущих конструкций не по 4-й, а по 2-й расчетной схеме (т. е. не только по снижению несущей способности конструкций до величины усилия от нормативной нагрузки, но и более просто – по определению времени прогрева конструкций до критической температуры - tcr ). Для определения tcr во ВНИИПО получены экспериментальные данные об изменении деформативно-прочностных характеристик различных марок стали и алюминиевых сплавов от температур нагрева (рис. 1.1). С такими графиками Вы знакомы из темы № 4 1-го раздела и темы № 11 – 2-го раздела дисциплины.

где Ryt – сопротивление по пределу текучести нагретого металла до соответствующей температуры (t), МПа

Ryn – нормативное сопротивление металла по пределу текучести, МПа;

Et – модуль упругости металла, нагретого до определенной температуры, МПа;

En – начальное значение модуля упругости металла (до нагрева), МПа.

Напоминаю, что эти графики получены экспериментально путем. Изменение механические характеристик металла при нагреве можно представить и в безразмерном виде (рис. 1.2)

Ryt Et

t t t t

а. б. в. г.

Рис. 1.2. Изменение абсолютных и относительных значений величин деформационно-прочностных характеристик металла при нагреве

В теме № 11 было дано определение tcr, как температуры, при которой несущая способность конструкций снижается до нормативной нагрузки, т. к. сопротивление металла при нагреве снижается до величины напряжений n от нормативной (рабочей) нагрузки, что является причиной наступления Пф несущих конструкций (см. рис. 1.2а).

Идея методики расчета сводится к следующему: при решении статической части методики расчета определив величину tcr конструкции, затем путем решения теплотехнической части задачи огнестойкости определяют время прогрева конструкции до tcr , т. е. её Пф.

Следует учесть, что сжатые конструкции (элементы) теряют несущую способность не только в результате снижения прочностных характеристик металла, но и в результате утраты жесткости конструкции (элемента) в связи со снижением модуля упругости металла до предельного (критического) значения.

Если рассматривать графики (см. рис. 1.2) снижения относительных величин деформационно-прочностных характеристик металла при нагреве, то наступление tcr будет соответствовать снижению yt до ytcr и Et до Etcr, соответственно.

На этом основаны расчетные формулы статической части методики расчета пределов огнестойкости несущих металлических конструкций через коэффициент изменения предела текучести стали при критической температуре нагрева конструкции

2. СТАТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА

ФАКТИЧЕСКИХ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ НЕСУЩИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНСТРУКЦИЙ

Учитывая, что строительные конструкции и их отдельные элементы под действием внешней нагрузки испытывают различные виды усилий (сжатия, растяжения, изгиба) расчетные формулы это учитывают.

Сущность методики расчета по 2-й расчетной схеме сводится к следующему:

  1. При решении статической части задачи огнестойкости конструкции рассчитывают величину tcr.
  2. По графикам (таблицам) экспериментальных данных yt = f(t) определяют величину tcr .
  3. Решая теплотехническую часть задачи огнестойкости конструкции определяют время = Пф прогрева строительной конструкции (её элемента) до tcr.

2.1.1. Изгибаемые конструкции (элементы)

qn

qn l

Mn =

8

Рис. 2.1. Работа изгибаемого элемента

где Mn – изгибающий момент от нормативной (рабочей) нагрузки, MHм;

WП min – пластический момент сопротивления конструкции изгибу, м3;

Ryn – нормативное сопротивление металла по пределу текучести, МПа;

n – напряжение от нормативной нагрузки, МПа.

2.1.2. Растянутые элементы

а) центральное растяжение (рис. 2.2)

Nn Nn

Рис. 2.2. Центральное растяжение элемента.

где А – площадь поперечного сечения элемента, м;

Nn –нормативная нагрузка на конструкцию, МН, ее можно определить по материалам рабочего проекта здания («Архитектурно-строительные решения», раздел «КМ»), либо вычислить, если известна величина расчетной нагрузки на конструкцию (из тех же проектных материалов)

N

Nn =

f

где N – расчетное усилие, МН;

f – коэффициент надежности по нагрузке (приблизительно равен 1,2).

б) внецентренное растяжение (рис. 2.3)

Nn

e

Nn

Рис. 2.3 Внецентренное растяжение

где е – эксцентриситет приложения нагрузки, м.

2.1.3. Сжатые элементы

Колонны, а также стойки, раскосы, верхний пояс фермы утрачивают несущую способность либо в результате потери прочности (снижения предела текучести) металла при нагреве, либо за счет потери устойчивости - прогиба (из-за наличия эксцентриситета приложения нагрузки, снижения модуля упругости металла при нагреве и роста деформации его температурной ползучести).

Потеря несущей способности элемента по снижению предела текучести металла до нормативных (рабочих) напряжений происходит обычно у стержней с малой и средней гибкостью. Стержни с большей гибкостью утрачивают несущую способность по потере устойчивости.

а) расчет по снижению предела текучести выполняют по формуле (для центрального сжатия)

где t – коэффициент продольного изгиба, зависит от гибкости стержня ().

При < 40 - t = 1;при 40 - t = 0,95. Этой величиной в связи с ее малым числовым значением в расчетах часто пренебрегают.

Величину гибкости элемента можно вычислить, если это необходимо, по формуле

,

где lо = l;

lo – расчетная длина стержня, м;

l – геометрическая длина стержня, м;

– коэффициент, зависящий от способа закрепления стержня (рис.)

= 1 0,5 0,7 2

шарнир защемление шарнир, защемление

защемление

i – радиус инерции, см

Обычно для стандартных профилей i определяют по сортаменту, для составных профилей – расчетом по указанной формуле.

Y min – момент инерции (Y = Ai · yi) – вычисляют относительно осей - x и y, затем принимают минимальное значение для вычисления - i.

Для внецентренно-сжатого стержня

(2.5)

б) расчет по потере устойчивости выполняют по формуле

(2.6)

Учитывая, что формула (2.6) имеет ограниченные возможности применения, д.т.н., профессором А.И. Яковлевым была разработана методика решения статической части задачи по определению пределов огнестойкости сжатых конструкций, итогом решения которой является определение величины критической температуры элемента металлической конструкции по разности величин пластических деформаций - п (cr, между величиной деформации конструкции, нагретой до tcr , и величиной деформации конструкции до нагрева, которую она получила от внешней нагрузки), которая в процессе стандартного огневого испытания конструкции достигла критического (предельного) значения. Причем под величиной деформации в данном случае имеется в виду суммарная деформация (упруго-пластическая), которая зависит:

  • от развития температурной ползучести металла при нагреве;

- от снижения при нагреве модуля упругости металла.

Рис. 2.5. Изменение относительных деформаций ползучести (e) стали при нагреве в нагруженном состоянии: 1- а = 0,1Rn ; 2- а = 0,2Rn; 3 - а = 0,4Rn ; 4 - а = 0,5Rn

Основой для разработки методики расчета послужила полученная во ВНИИПО серия экспериментальных данных о развитии деформаций стержневых образцов металлов, используемых в строительстве, при нагреве применительно к стандартному температурному режиму в нагруженном состоянии (рис. 2.5). С учетом этого А.И. Яковлевым предложен упрощенный метод расчета для определения величин tcr с помощью экспериментальных данных. При этом чтобы ими воспользоваться, необходимо вначале вычислить критическую (предельную) деформацию ползучести стали - п:

- для центрально-сжатых стержней

Кроме того, для того, чтобы воспользоваться графиками (рис. 2.5), следует вычислить величину относительного напряжения, возникающего в стержне от нормативной нагрузки (в литературе его обозначают - а) и называют коэффициентом изменения прочности (предела текучести) стали при нагревании

Определение tcr является итогом решения статической части задачи огнестойкости металлической несущей конструкции. Её определяют по графикам зависимости:

Кроме того, графики зависимости аппроксимированы в виде эмпирических линейных зависимостей (рис. 2.6), которые с успехом использовали для ручного счета, когда еще не было ЭВМ:

t

0,6

t

Рис. 2.6 Изменение коэффициента снижения прочностных (предела текучести, прочности) характеристик стали при нагреве (экспериментальная зависимость и ее линейная аппроксимация).

Разработал:

Старший преподаватель кафедры ПБЗиАСП

ст. лейтенант вн. службы Т.В. Власова

Лист регистрации изменений