Теплотехнический расчет нестандартного железобетонного сечения в условии пожара с применением модуля «Теплопроводность» ПК Лира-САПР

Исследуемая конструкция: монолитная железобетонная плита из тяжелого бетона В25, армированная снизу стержневой арматурой диаметром 12 мм класса А500 и сверху стержневой арматурой диаметром 8 мм класса А500 с шагом 187.5 мм, выполненная на профилированном настиле Н75-750-0.8. Величина защитного слоя для нижней арматуры — 35 мм, для верхней — 28 мм. Сечение плиты представлено на рисунке 1.

Рис. 1

Подготовленный контур плиты (без арматурных стержней и аннотаций) сохраняем в формате dxf 2013 года. Открываем ПК ЛИРА-САПР и создаем новую задачу теплопроводности (признак схемы — 15). Импортируем подготовленную подложку (значок ПК ЛИРА-САПР вверху слева и далее Импортировать задачу — dxf файлы). Импортированный контур представляет собой набор узлов, соединенных стержнями. Для последующего расчета необходимо выполнить триангуляцию контура (см. рис. 2 и 3).

Рис. 2

Указываем в появившемся окне параметры согласно рисунку 3, и поэтапно указываем все узлы (закончить указание узлов нужно в начальном узле).

Рис. 3

После того как были указаны все узлы, контур примет синий цвет. Подтвердим триангуляцию контура нажав на зеленую галочку. Триангуляция контура завершена, см. рисунок 4.

Рис. 4

Теперь создадим жесткость для созданных пластин. Открываем инструмент Жесткости на панели Схема и нажимаем Добавить. В открывшемся окне двойным щелчком выбираем Теплопроводность (пластины) и далее вводим параметры согласно рисунку 5. Коэффициенты теплопроводности и теплоемкости посчитаны для температуры 300 С, для лучшего соответствия результатам номограмм СТО 36554501-006-2006.

Рис. 5

После создания жесткости необходимо её применить пластинам. Для этого удобно воспользоваться Полифильтром. На панели инструментов внизу окна выбираем Полифильтр, переходим на вторую вкладку, ставим галочку у списка «По виду КЭ» и далее выбираем в списке Пластины. Подтверждаем выбор элементов на заданным параметрам нажатием зеленой галочки. См. рисунок 6. Выбранные пластины будут подсвечены красным цветом. Теперь открываем окно Жесткостей (панель Схема), два раза щелкаем по созданной ранее жесткости (Теплопроводность (пластины) – Бетон) и нажимаем зеленую галочку справа от строки Жесткость. Выбранным пластинам назначена жесткость.

Рис. 6

Удалим за ненадобностью стержни вдоль верхней и боковых граней сечения плиты. См. рисунок 7.

Рис. 7

Следующим этапом создадим в каждом узле сечения нагрузку в виде начальной температуры в 20 градусов по Цельсию. Для этого выбираем все узлы на схеме и нажимаем на инструмент Нагрузки на одноименной панели. На вкладке Нагрузки в узлах выбираем Заданная температура, в качестве параметра которой указываем значение 20. См. рисунок 8. Подтверждаем создание нажатием зеленой галочки.

Рис. 8

Создадим также еще 7 загружений. 2-5 останутся пустыми, 6-ая будет задействована под конвекцию, 7-ая — под лучистый теплообмен (радиацию). Создать загружения можно путем нажатия стрелки вверх (6 раз) на нижней панели выбора загружений.

Укажем для схемы, с какой стороны происходит нагрев. Для этого выделяем на схеме только стержни по нижней грани сечения. Это можно выполнить как с помощью Полифильтра, так и с помощью нажатия двух инструментов на панели внизу окна (см. рисунок 9). После выделения стержней выполним их фрагментацию на схеме.

Рис. 9

Изменим тип конечных элементов стержней на тип 1555. Указав нужный тип в списке и нажав зеленую галочку. См. рисунок 10.

Рис. 10

Для учета конвекции создадим и назначим жесткость для стержней на обогреваемых сторонах, согласно рис. 11. Выделяем стержни, открываем контекстную вкладку Стержни и далее Жесткости. Добавляем тип жесткости Конвекция (двухузловые) и задаем параметры согласно рис. 11. Подтверждаем создание жесткости и применяем её выделенным стержням.

Рис. 11

Переключим загружение на номер 6. Снова выделяем стержни, для задания им температуры конвекции. См. рис. 12.

Рис. 12

По результатам выполнения операций расчетная схема примет следующий вид – см. рисунок 13.

Рис. 13

Учет лучистого теплообмена будет осуществляться путем задания теплового потока на ребро пластины. Для задания теплового потока необходимо выделить узлы обогреваемых граней и примыкающие к ним пластины. Выполнить это можно путем выделения сначала стержней на обогреваемых гранях, см. рисунок 14. Выделить стержни можно рамкой на экране (с активированными инструментами выбора вертикальных и горизонтальных стержней, пункт 1 на рисунке 14), либо с помощью Полифильтра. После выделения стержней необходимо отметить также узлы, принадлежащие им — выполняется путем нажатия кнопки Отметить узлы, принадлежащие отмеченным элементам (см. пункт 3 на рисунке 14). Загружение сменим на номер 7.

Рис. 14

Чтобы отметить пластины, принадлежащие выбранным узлам, необходимо нажать на кнопку Отметить элементы, принадлежащие к отмеченным узлам на панели инструментов, см. рисунок 15.

Рис. 15

Таким образом у нас отмечены на схеме пластины, узлы и стержни на обогреваемых гранях. Выберем контекстную вкладку Пластины и выберем далее Нагрузка на пластины. В качестве параметров нагрузки на ребро пластины укажем величину теплового потока равную единице. Активируем галочку напротив номером узлов пластин, поскольку мы на схеме их явно указали. См. рисунок 16.

Рис. 16

Поскольку в отмеченных элементах присутствовали стержни, программа выдаст предупреждение, что задаваемая нагрузка на ребра пластины не применима к стержням. Закроем предупреждение. См. рисунок 17.

Рис. 17

Сформируем динамическое загружение, характеризующее интенсивность нагрева конструкции. Для этого выберем на панели Расчет — Динамика во времени от статических загружений и в появившемся окне зададим следующие параметры. Номер загружения укажем — 6. В качестве закона преобразования укажем — 1. Ломан. с произв. шагом. Количество точек укажем 22. И сформируем таблицу путем ввода попарно значений времени в секундах и температуры огневого воздействия. Значение параметров приведено на рисунке 18.

Рис. 18

График по введенным значениям в таблицу можно посмотреть путем установки галочки у значка лупы. Появившийся график можно задокументировать в Книгу отчетов. По завершении ввода подтвердим создание динамического загружения (см. рисунок 19).

Рис. 19

Повторим операцию, но теперь укажем в качестве загружения — 7-ой номер, в качестве закона — 15 Тепловое излучение, укажем также 22 точки и повторим создание таблицы со аналогичными значениями. Коэффициент поглощения укажем 0.75, коэффициент излучения — 1, и угловой коэффициент — 1. Подтвердим создание динамического загружения. См. рисунок 20.

Рис. 20

Укажем шаг и пределы интегрирования через инструмент Динамика во времени на вкладке Расчет. Для расчета конструкции с шагом 1 минута в течении 4-х часов введем соответствующие значения (в секундах) в графы Шаг интегрирования и Время интегрирования. Количество дробления шага укажем 1. См. рисунок 21.

Рис. 21

Для точного определения значения температуры в искомой точке, добавим её путем ввода узла по координатам. Добавим точку соответствующая положению нижнего стержня в гофре. См. рисунок 22.

Рис. 22

Ту же операцию проделаем для указания положения верхнего стержня. Поскольку сечение конструкции регулярное, добавлять указанные точки в каждое ребро нет необходимости. См. рисунок 23.

Рис. 23

Задача подготовлена к расчету. Выполним расчет. См. рисунок 24.

Рис. 24

После завершения расчетов укажем на какой момент времени необходимо сформировать результаты. Для этого на панели Инструменты выберем инструмент Шаги интегрирования динамики во времени (символ с часами) и отметим в появившемся окне галочками интересуемые моменты времени.

Для просмотра изополей температур нагрева сечения конструкции выберем на панели Температура инструмент Изополя температур. На нижней панели выберем интересуемое время, например 60 [минут]. См. рисунок 25.

Рис. 25

Аналогично просмотрим изополя температур на 100-ую минуту. См. рисунок 26.

Рис. 26

Для определения температур на момент 60-ой минуты нагрева сечения в интересуемых точках, отфрагментируем участок с добавленными узлами. Во флагах рисования отметим показывать значения мозаики контрастным цветом. Искомые значения температуры составляют 38.7 С для верхней арматуры и 630 С для нижней арматуры. См. рисунок 27.

Рис. 27

Автор: Никитин Ион
ООО «Фарм Дизайн»