firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2024.33.03.47-56firesmi-1380Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSОгнестойкость строительных конструкций из стального проката с повышенными показателями термостойкостиFire resistance of building structures made of rolled steel with increased heat resistance indicatorshttps://orcid.org/0000-0001-6043-0537ГоловановВ. И.GolovanovV. I.

ГОЛОВАНОВ Владимир Ильич, д-р техн. наук, главный научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

Vladimir I. GOLOVANOV, Dr. Sci. (Eng.), Chief Researcher

VNIIPO, 12, Bala­shikha, Moscow Region, 143903

pavelgol1@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2396-3136ПехотиковА. В.PekhotikovA. V.

ПЕХОТИКОВ Андрей Владимирович, канд. техн. наук, начальник отдела

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

Andrey V. PEKHOTIKOV, Cand. Sci. (Eng.), Head of Department

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

pekhotikov.a@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3297-5860ПриступюкД. Н.PristupyukD. N.

ПРИСТУПЮК Дмитрий Николаевич, канд. техн. наук, начальник кафедры пожарной безопасности в строительстве

129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

Dmitriy N. PRISTUPYUK, Cand. Sci. (Eng.), Head of the Fire Safety in Construction Department

Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366

zis.pbs@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6906-1624КрючковГ. И.KryuchkovG. I.

КРЮЧКОВ Геннадий Игоревич, старший инженер-программист Учебно-научного комплекса пожарной безопасности объектов защиты

129366, г. Москва, ул. Бориса Галушкина, 4

ResearcherID: ACV-2350-2022

Gennadiy I. KRYUCHKOV, Senior Software Engineer of Educational and Scientific Complex of Fire Safety Protection Facilities

Borisa Galushkina St., 4, Moscow, 129366

ResearcherID: ACV-2350-2022

dmuxa@bk.ruВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian FederationАкадемия Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияThe State Fire Academy of the Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination on Consequences of Natural DisastersRussian Federation2024280620243334756Copyright © Голованов В.И., Пехотиков А.В., Приступюк Д.Н., Крючков Г.И., 20242024Голованов В.И., Пехотиков А.В., Приступюк Д.Н., Крючков Г.И.Golovanov V.I., Pekhotikov A.V., Pristupyuk D.N., Kryuchkov G.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1380Введение

Введение. Статья посвящена экспериментальному и аналитическому исследованию несущей способности изгибаемых конструкций из обычного и огнестойкого стального проката при стандартном температурном режиме. Огневые испытания проводились с прокатными двутавровыми балками № 20Б1, изготовленными по ГОСТ Р 57837–2017 из сталей классов прочности С255, С390, и сварными двутавровыми балками 180 × 90 × 10 из сталей С355, С390, С355П, С390П длиной 3500 мм. Проведены эксперименты по определению высокотемпературных механических свойств новых марок стали.

Материалы и методы

Материалы и методы. Значения фактических пределов огнестойкости балок, полученные экспериментально, определены по ГОСТ 30247.1–94 и ГОСТ 30247.0–94. Теплотехническая часть расчета температуры в поперечном сечении стальных балок выполнена в программном комплексе ANSYS Mechanical. Расчет несущей способности проводился по разработанному методу и зарегистрированной программе для ЭВМ. Эксперименты по определению механических свойств металлопроката при высокотемпературном нагреве проводились на малогабаритных образцах в соответствии с ГОСТ 9651–84.

Результаты и их обсуждение. Экспериментально получены значения фактических пределов огнестойкости для балок двутаврового сечения из обычного и огнестойкого стального проката. Определены усредненные значения коэффициентов изменения предела текучести при повышенных температурах строительного проката, в том числе огнестойкого, которые можно использовать в расчетных моделях оценки огне­стойкости стальных конструкций. Разработан программный комплекс расчета предела огнестойкости с учетом неравно­мерного распределения температуры в поперечном сечении конструкции. Расчетные значения пределов огнестойкости, полученные с использованием разработанной модели, коррелируют с экспериментальными данными для двутавровых балок из строительных и огнестойких сталей.

Выводы

Выводы. Предел огнестойкости балок из огнестойкого стального проката С355П, С390П при стандартном температурном режиме наступает на 10–15 мин позднее, чем балок из рядового строительного проката. Результаты экспериментальных и расчетно-аналитических исследований подтвердили предположение о том, что для конструкций из огнестойких сталей время нагрева металла от начала огневого воздействия до достижения критической температуры в расчетном сечении увеличится. Это позволит обосновать их использование при проектировании зданий и сооружений в соответствии с требованиями нормативных документов по пожарной безопасности, а также способствует сокращению объемов применения огнезащитных материалов и уменьшению металлоемкости конструкций.

Introduction

Introduction. The paper is devoted to experimental and analytical study of the load-bearing capacity of bending structures made of ordinary and fire-resistant rolled steel under standard temperature conditions. Fire tests were carried out with rolled I-beams No. 20B1 manufactured according to GOST R 57837–2017 from steels of strength classes C255, C390 and welded I-beams 180 × 90 × 10 from steels C355, C390, C355P, C390P with the length of 3,500 mm. Experiments on determination of high-temperature mechanical properties of new steel grades were carried out.

Materials and methods

Materials and methods. The values of actual fire resistance limits of beams obtained experimentally are determined according to GOST 30247.1–94 and GOST 30247.0–94. The thermotechnical part of the calculation of the temperature in the cross-section of steel beams was performed in the ANSYS Mechanical programme complex. The calculation of bearing capacity was carried out according to the developed method and the registered programme for computer. Experiments on determination of mechanical properties of rolled metal products under high-temperature heating were carried out on small-sized specimens in accordance with GOST 9651–84.

Results and discussion

Results and discussion. Experimentally obtained values of actual fire resistance limits for I-beams made of ordinary and fire-resistant rolled steel. The averaged values of coefficients of change of yield strength at elevated temperatures of construction rolled steel, including fire-resistant steel, which can be used in calculation models of fire resistance assessment of steel structures, were determined. A programme complex for calculation of fire resistance limit taking into account non-uniform temperature distribution in the cross-section of the structure was developed. The results of calculations of fire resistance limits according to the proposed model are close to the experimental data obtained on I-beams made of building steels, including fire-resistant ones.

Conclusions

Conclusions. The fire resistance limit of beams made of fire-resistant rolled steel C355P, C390P at standard temperature regime occurs 10–15 minutes later than beams made of ordinary construction steel. The results of experimental and analytical studies of fire resistance limits of structures made of new types of fire-resistant steels confirm the increase in the time of metal heating from the beginning of fire exposure to the achievement of critical temperature in the design cross-section, which allows to justify their use in the design of buildings and structures in accordance with the requirements of standardized documents on fire safety, as well as to reduce the use of fireproof materials, reduce the metal intensity and cost of construction.

предел огнестойкостистальные конструкциипредел текучести сталинесущая способностьогнестойкий металлопрокатfire resistance limitsteel structuresyield strength of steelload-bearing capacityfire-resistant rolled steelReferencesГолованов В.И., Пронин Д.Г. Влияние развития нормативной базы в области огнестойкости на применение стали в строительстве // Промышленное и гражданское строительство. 2021. № 10. С. 14–29. DOI: 10.33622/0869-7019.2021.10.24-29Golovanov V.I., Pronin D.G. Influence of the development of the normative base in the field of fire resistance on the use of steel in construction. Industrial and Civil Engineering. 2021; 10:14-29. (rus).Одесский П.Д., Ведяков И.И. Сталь в строительных металлических конструкциях. М. : Металлургиздат, 2018. 906 с.Odessky P.D., Vedyakov I.I. Steel in building metal structures. Moscow, Metallurgizdat Publ., 2018; 906. (rus).Фёдоров В.С., Левитский В.Е., Молчадский И.С., Александров А.В. Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций. М. : Изд-во АСВ, 2009. 408 с.Fedorov V.S., Levitskiy V.E., Molchadskiy I.S., Aleksandrov A.V. Fire behavior and fire danger of building designs. Moscow, ASV Publ., 2009; 408. (rus).Голованов В.И., Пехотиков А.В., Крючков Г.И., Новиков Н.С. Огнестойкость стальных балок строительного назначения // Пожарная безопасность. 2022. № 4 (109). С. 19–28. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2022.109.4.001Golovanov V.I., Pekhotikov A.V., Kryuchkov G.I., Novikov N.S. Fire resistance of steel building beams. Fire safety. 2022; 4(109):19-28. DOI: 10.37657/vniipo.pb.2022.109.4.001 (rus).Голованов В.И., Пехотиков А.В., Крючков Г.И., Павлов В.В., Новиков Н.С. Особенности расчета предела огнестойкости балок из строительных сталей // Безопасность труда в промышленности. 2023. № 3. С. 7–13. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-3-7-13Golovanov V.I., Pekhotikov A.V., Kryuchkov G.I., Pavlov V.V., Novikov N.S. Features of сalculating the fire resistance limit of beams from construction steels. Occupational Safety in Industry. 2023; 3:7-13. DOI: 10.24000/0409-2961-2023-­3-7-13 (rus).Корольченко Д.А., Еремина Т.Ю., Пузач С.В., Портнов Ф.А. Моделирование номограмм прогрева стальных конструкций с огнезащитными покрытиями различной толщины (на воде) // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 6. С. 30–46. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.30-46Korolchenko D.A., Eremina T.Yu., Puzach S.V., Portnov F.A. Simulation of nomograms showing the heating of steel structures with flame retardant coatings of different thicknesses (in the water). Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(6):30-46. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.30-46 (rus).Голованов В.И., Крючков Г.И., Стрекалев А.Н., Комиссаров А.А., Тихонов С.М. Исследование механических свойств современного металлопроката строительного назначения при повышенных температурах // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 2. С. 52–62. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.02.52-62Golovanov V.I., Kryuchkov G.I., Strekalev A.N., Komissarov A.A., Tikhonov S.M. A study on mechanical properties of modern rolled structural metal at elevated temperatures. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(2):52-62. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.02.52-62 (rus).Одесский П.Д., Кулик Д.В. Стали с высоким сопротивлением экстремальным воздействиям. М. : Интермет инжиниринг, 2008. 239 с.Odessky P.D., Kulik D.V. Steels with high resistance to extreme impacts. Moscow, Intermet Engineering Publ., 2008; 239. (rus).Shi Y., Wang J., Zhou X., Xue X., Li Y. Post-fire mechanical properties of Q960 cold-formed thick-walled ultra-­high-strength steel // Fire Technology. 2024. No. 60. Pp. 1917–1953. DOI: 10.1007/s10694-024-01555-3Shi Y., Wang J., Zhou X., Xue X., Li Y. Post-fire mechanical properties of Q960 cold-formed thick-walled ultra-high-strength steel. Fire Technology. 2024; 60:1917-1953. DOI: 10.1007/s10694-024-01555-3Su A., Wang Yа., Wang Yu., Rasmussen K.J.R., Gardner L. Behaviour and design of S960 ultra-high strength steel non-slender welded I-section beam–columns // Engineering Structures. 2024. Т. 304. С. 117602. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.117602Su A., Wang Yа., Wang Yu., Rasmussen K.J.R., Gardner L. Behaviour and design of S960 ultra-high strength steel non-slender welded I-section beam–columns. Engineering Structures. 2024; 304:117602. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.117602Komissarov A.A., Tikhonov S.M., Ten D.V., Matrosov M.Yu., Glukhov P.A. Comparative fire resistance of modern construction steels // Steel in Translation. 2021. Vol. 51. Issue 11. Pр. 827–833. DOI: 10.3103/S0967091221110073Komissarov A.A., Tikhonov S.M., Ten D.V., Matrosov M.Yu., Glukhov P.A. Comparative fire resistance of modern construction steels. Steel in Translation. 2021; 51(11):827-833. DOI: 10.3103/S0967091221110073Леннон Т., Мур Д.Б., Ванг Ю.К., Бейли К.Г. Руководство для проектировщиков к ЕN 1991-1-2, 1992-1-2, 1993-1-2 и 1994-1-2 : справочник по проектированию противопожарной защиты стальных, сталежелезо­бетонных и бетонных конструкций зданий и сооружений в соответствии с Еврокодами. М. : МГСУ, 2013. 195 с.Lennon T., Mur D.B., Vang Yu.K., Beyli K.G. Guide for designers to EN 1991-1-2, 1992-1-2, 1993-1-2 and 1994-1-2 : handbook for the design of fire protection of steel, steel-reinforced concrete and concrete structures of buildings and structures in accordance with Eurocodes. Moscow, MGSU, 2013; 195. (rus).Ботян С.С., Жамойдик С.М., Олесиюк Н.М. Анализ методов оценки огнестойкости стальных строительных конструкций с учетом влияния теплообмена с примыкающими смежными конструкциями // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2023. Т. 7. № 2. С. 131–143. DOI: 10.33408/2519-237X.2023.7-2.131Botyan С.С., Zhamoydik С.М., Olesiyuk Н.М. Analysis of evaluation methods of fire resistance of steel building structures, taking into account the effect of heat transfer with adjacent structures. Journal of Civil Protection. 2023; 7(2):­­131-143. DOI: 10.33408/2519-237X.2023.7-2.131 (rus).Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 144 с.Yakovlev A.I. Calculation of fire resistance of building structures. Мoscow, Stroyizdat Publ., 1988; 143. (rus).Komissarov A.A., Tikhonov S.M., Ten D.V., Matrosov M.Yu., Shulga E.V. Fire resistance factors of low-alloyed construction longs // Steel in Translation. 2022. Vol. 52. Issue 7. Pр. 701–706. DOI: 10.3103/S0967091222070099Komissarov A.A., Tikhonov S.M., Ten D.V., Matrosov M.Yu., Shulga E.V. Fire resistance factors of low-alloyed construction longs. Steel in Translation. 2022; 52(7):701-706. DOI: 10.3103/S0967091222070099Комиссаров А.А., Тихонов С.М., Тен Д.В., Мазова Е.П., Матросов М.Ю., Глухов П.А. и др. Анализ использования огнестойкого проката С390П для изготовления строительных металлоконструкций // Сталь. 2022. № 12. С. 54–58.Komissarov A.A., Tikhonov S.M., Ten D.V., Mazova E.P., Matrosov M.Yu., Glukhov P.A. et al. Analysis of the use of fire-resistant rolled steel S390P for the manufacture of building steel structures. Steel. 2022; 12:54-58. (rus).Wang W.Y., Zhang L., He P. A numerical investigation on restrained high strength Q460 steel beams including creep effect // International Journal of Steel Structures. 2018. Vol. 18. Issue 1. Pр. 1497–1507. DOI: 10.1007/s13296-018-0047-9Wang W.Y., Zhang L., He P. A numerical investigation on restrained high strength Q460 steel beams including creep effect. International Journal of Steel Structures. 2018; 18(1):1497-1507. DOI: 10.1007/s13296-018-0047-9Dwaikat M.M.S., Kodur V.R. A performance based methodology for fire design of restrained steel beams // Journal of Constructional Steel Research. 2011. Vol. 67. Issue 3. Pр. 510–524. DOI: 10.1016/j.jcsr.2010.09.004Dwaikat M.M.S., Kodur V.R. A performance based methodology for fire design of restrained steel beams. Journal of Constructional Steel Research. 2011; 67(3):510-524. DOI: 10.1016/j.jcsr.2010.09.004Łukomski M., Turkowski P., Roszkowski P., Bartłomiej P. Fire resistance of unprotected steel beams — comparison between fire tests and calculation models // Procedia Engineering. 2017. Vol. 172. Pр. 665–672. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.078Łukomski M., Turkowski P., Roszkowski P., Bartłomiej P. Fire resistance of unprotected steel beams — comparison between fire tests and calculation models. Procedia Engineering. 2017; 172:665-672. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.078Ghafouri M., Afkhami S., Pokka A.-P., Javaheri V., Togiani A., Larkiola J. et al. Effect of temperature on the plastic flow and strain hardening of direct-quenched ultra-high strength steel S960MC // Thin-Walled Structures. 2024. Vol. 194. Р. 111319. DOI: 10.1016/j.tws.2023.111319Ghafouri M., Afkhami S., Pokka A.-P., Javaheri V., Togiani A., Larkiola J. et al. Effect of temperature on the plastic flow and strain hardening of direct-quenched ultra-high strength steel S960MC. Thin-Walled Structures. 2024; 194:111319. DOI: 10.1016/j.tws.2023.111319

The authors declare that there are no conflicts of interest present.