Огнестойкость строительных конструкций из стального проката с повышенными показателями термостойкости

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. 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. 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.

1. Голованов 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: 10.33622/0869-7019.2021.10.24-29

2. Одесский П.Д., Ведяков И.И. Сталь в строительных металлических конструкциях. М. : Металлургиздат, 2018. 906 с.

3. 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.

4. 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.2022.109.4.001

5. 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: 10.24000/0409-2961-2023-3-7-13

6. 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: 10.22227/0869-7493.2022.31.06.30-46

7. 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: 10.22227/0869-7493.2022.31.02.52-62

8. Одесский П.Д., Кулик Д.В. Стали с высоким сопротивлением экстремальным воздействиям. М. : Интермет инжиниринг, 2008. 239 с.

9. 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/s10694-024-01555-3

10. Su 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.2024.117602

11. Komissarov 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/S0967091221110073

12. Леннон 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.

13. 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.2023.7-2.131

14. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 144 с.

15. 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/S0967091222070099

16. Комиссаров 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.

17. 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/s13296-018-0047-9

18. Dwaikat 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.2010.09.004

19. Łukomski 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.2017.02.078

20. Ghafouri 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.2023.111319