Аппроксимационная формула для расчета огнестойкости незащищенных стальных конструкций

Введение. При проектировании зданий требуется оценить фактические пределы огнестойкости незащищенных стальных конструкций. Удобным инструментом для получения такой оценки являются номограммы. Практическая необходимость интеграции «ручной» технологии и современных средств автоматизации проектирования делает актуальной задачу «оцифровки» номограмм путем создания вычислительных моделей данных.

Цели и задачи. Целью работы было получение достаточно простой формулы для расчета передела огнестойкости незащищенных стальных конструкций. Были решены следующие задачи: сопоставление литературных данных по пределам огнестойкости с результатами расчетов по нормативному документу по пожарной безопасности ВНПБ 73–18; расчет четырехзначной таблицы пределов огнестойкости для последующей аппроксимации функциональной зависимости.

Методы. Таблица значений огнестойкости вычислена с четырьмя верными знаками с помощью многошагового метода Адамса переменного порядка. Формула для расчета передела огнестойкости незащищенных стальных конструкций получена методом последовательной аппроксимации табличных данных сначала по одной переменной (приведенная толщина), а затем по другой (критическая температура).

Результаты и обсуждение. Расчет по методике ВНПБ 73–18 дает пределы огнестойкости, близкие к реперным значениям, которые были опубликованы А.И. Яковлевым в 1985 г. Принятые в методике ВНПБ 73–18 значения конвективного и радиационного коэффициентов теплоотдачи соответствуют испытаниям на огнестойкость согласно ГОСТ 30247.0–94 (ИСО 834–75).

Выводы. Получена аппроксимационная формула, вычисления по которой дают те же самые пределы огнестойкости, что и расчеты по методике ВНПБ 73–18. Относительная погрешность аппроксимации не превышает 0,5 % в диапазоне изменения параметров: критическая температура — от 500 до 700 °C; приведенная толщина — от 3 до 12 мм.

1. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В., Пронин Д.Г. Стандартизация и внедрение расчетных методов в области огнезащиты несущих стальных конструкций // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXХI Междунар. науч.-практ. конф. М. : ВНИИПО, 2019. С. 26–29.

2. Голованов В.И., Крючков Г.И. Оценка огнестойкости стальных конструкций при нормируемых температурных режимах пожара // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2021. № 3. С. 52–60. DOI: 10.25257/FE.2021.3.52-60

3. Бардин А.В. Моделирование пожарной нагрузки на конструкции в программном комплексе ANSYS // Строительство уникальных зданий и сооружений. 2016. № 6 (45). С. 55–67.

4. Минайлов Д.А. Исследование огнестойкости стальных конструкций покрытия складского здания в условиях различного температурного воздействия // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. Т. 29. № 3. С. 54–65.

5. Симонова М.А., Романов Н.Н., Пермяков А.А., Федоров А.В., Кораблев В.А., Волков Д.П. Расчет температурных полей несущих металлических конструкций в условиях высокотемпературного воздействия для оценки огнестойкости // Вестник Международной академии холода. 2021. № 2. С. 88–97. DOI: 10.17586/1606-4313-­2021-20-2-88-97

6. Шебеко Ю.Н., Зубань А.В., Шебеко А.Ю. Расчет фактического предела огнестойкости незащищенных стальных конструкций при различных температурных режимах пожара // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2019. Т. 28. № 6. С. 29–34. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.06.29-34

7. Гравит М.В., Дмитриев И.И. Огнестойкость легких стальных тонкостенных конструкций : монография. СПб. : ПОЛИТЕХПРЕСС, 2020. 213 с.

8. Мосалков И.Л., Плюснина Г.Ф., Фролов А.Ю. Огнестойкость строительных конструкций. М. : ЗАО «Спецтехника», 2001. 496 с.

9. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 143 с.

10. Молчадский И.С. Пожар в помещении. М. : ВНИИПО, 2005. 456 с.

11. Невский А.С. Лучистый теплообмен в печах и топках. М. : Металлургия, 1971. 440 с.

12. Лисиенко В.Г., Волков В.В., Маликов Ю.К. Улучшение топливоиспользования и управление теплообменом в металлургических печах. М. : Металлургия, 1988. 231 с.

13. Ройтман В.М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. М. : Ассоциация «Пожарная безопасность и наука», 2001. 382 с.

14. Ненахов С.А., Пименова В.П., Пименов А.Л. Проблемы огнезащитной отрасли // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2010. Т. 19. № 12. С. 19–26.

15. Wickstrom U. The adiabatic surface temperature and the plate thermometer // Fire Safety Science-Proceedings of the Tenth International Symposium : International Association for Fire Safety Science. 2011. Pp. 1001–1012. DOI: 10.3801/IAFFS.FSS.10-1001

16. Sultan M.A. Fire resistance furnace temperature measurements: plate thermometers vs shielded thermocouples // Fire Technology. 2006. Vol. 42. No. 3. Pp. 253–267. DOI: 10.1007/s10694-006-8431-7

17. Wickstrom U. The plate thermometer — a simple instrument for reaching harmonized fire resistance tests // Fire Technology. 1994. Vol. 30. No. 2. Pp. 195–208. DOI: 10.1007/BF01040002

18. Cooke G.M.E. Can harmonization of fire resistance furnaces be achieved by plate thermometer control? // Fire Safety Science-Proceedings of the Fourth International Symposium : International Association for Fire Safety Science. 1994. Рр. 1195–1207. DOI: 10.3801/IAFSS.FSS.4-1195

19. Wickstrom U. Temperature Calculation in Fire Safety Engineering : Springer International Publishing Switzerland. 2016. 250 p. DOI: 10.1007/978-3-319-30172-3

20. Elich J.J.P., Hamerlinck A.F. Thermal properties of galvanized steel and its importance in enclosure fire scenarios // Fire Safety Journal. 1990. Vol. 16. Pp. 469–482.

21. Lee E.W.М. Application of artificial neural network to fire safety engineering. Handbook on Decision Making. 2010. Vol. 4. Pp. 369–396. DOI: 10.1007/978-3-642-13639-9_15

22. Hanin B. Universal function approximation by deep neural nets with bounded width and ReLU activations // Mathematics. 2019. Vol. 7. Issue 10. Pp. 1–9. DOI: 10.3390/math7100992

23. de Santana Gomes W.J. Structural reliability analysis using adaptive artificial neural networks // ASME. ASME J. Risk Uncertainty Part B. 2019. Vol. 5. Issue. 4. Pp. 1–8. DOI: 10.1115/1.4047636

24. Chaudhary R.K., Van Coile R., Gernay T. Potential of Surrogate modelling for probabilistic fire analysis of structures // Fire Technology. 2021. Vol. 57. No 3. Pp. 3151–3177. DOI: 10.1007/s10694-021-01126-w

25. Alverlandro Silva Ricardo, Wellison Jose de Santana Gomes. Structural reliability methods applied in analysis of steel elements subjected to fire // Journal of Engineering Mechanics. 2021. Vol. 147. Issue 12. Pp. 4021–4029. DOI: 10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0002023

26. Moradi M.J., Kambiz D., Ghazi-nader D., Hajiloo H. The prediction of fire performance of concrete-filled steel tubes (CFST) using artificial neural network // Thin-Walled Structures. 2021. Vol. 161. Issue 12. Pp. 1–17. DOI: 10.1016/j.tws.2021.107499

27. Kesawan S., Rachmadini R., Sabesan S., Janarthanan B. Application of neural networks for light gauge steel fire walls // Engineering Structures. 2023. Vol. 278. Pp. 6–14. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.115445

28. Guliyev N.J., Ismailov V.E. Approximation capability of two hidden layer feedforward neural networks with fixed weights // Neurocomputing. 2018. Vol. 316. Pp. 262–269.

29. Almira J.M., Lopez-de-Teruel P.E., Romero-L’opez D.J., Voigtlaender F. Negative results for approximation using single layer and multilayer feedforward neural networks // Journal of Mathematical Analysis and Applications. 2021. Vol. 494. Issue 1. Pp. 1–10. DOI: 10.1016/j.jmaa.2020.124584