Расчёт огнестойкости железобетонных конструкций с применением системы «Теплопроводность» в ЛИРА САПР

Теги: #ЛИРА-САПР #теплопроводность #огнестойкость

Требования нормативных документов при расчёте пределов огнестойкости

Требования к пределам огнестойкости строительных конструкций содержатся в СНиП 21-01-97*, в таблице 4, а также в таблице 21 ФЗ-123.

Степень огнестойкости зданий, сооружений и пожарных отсеков	Предел огнестойкости строительных конструкций
	Несущие стены, колонны и другие несущие элементы	Наружные ненесущие стены	Перекрытия междуэтажные (в том числе чердачные и над подвалами)	Строительные конструкции бесчердачных покрытий		Строительные конструкции лестничных клеток
	Несущие стены, колонны и другие несущие элементы	Наружные ненесущие стены		настилы (в том числе с утеплителем)	фермы, балки, прогоны	внутренние стены	марши и площадки лестниц
I	R 120	E 30	REI 60	RE 30	R 30	REI 120	R 60
II	R 90	E 15	REI 45	RE 15	R 15	REI 90	R 60
III	R 45	E 15	REI 45	RE 15	R 15	REI 60	R 45
IV	R 15	E 15	REI 15	RE 15	R 15	REI 45	R 15
V	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется	не нормируется

Согласно СТО 36554501-006-2006, п.4.4: за предел огнестойкости железобетонных конструкций принимают время в минутах от начала огневого стандартного воздействия до возникновения одного из предельных состояний по огнестойкости:

по потере несущей способности R конструкций и узлов (обрушение или недопустимый прогиб в зависимости от типа конструкций);
по теплоизолирующей способности I — повышение средней температуры на необогреваемой поверхности до 160 °С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220 °С независимо от температуры конструкции до огневого воздействия;
по целостности Е — образование в конструкции сквозных трещин или сквозных отверстий, через которые проникают продукты горения и пламя.

Для несущих железобетонных конструкций (балки, прогоны, ригели, колонны) предельным состоянием по огнестойкости является потеря несущей способности конструкции R.

4.12 Передел огнестойкости железобетонной конструкции наступает при прогреве рабочей арматуры в конструкции до критической температуры, а также при нагреве бетона в расчётном сечении выше его критической температуры.

Критическая температура для тяжёлого бетона составляет:
- на силикатном заполнителе — 500 °С;
- на карбонатном заполнителе — 600 °С;
- для конструкционного керамзитобетона — 600 °С;
Критическая температура нагрева арматуры, при которой образуется пластический шарнир и наступает предел огнестойкости, ориентировочно равна для арматуры класса:
А240, А300 — 510 °С;
А400 — 550 °С;
А500, А540 — 520 °С;
В500 — 430 °С;
Вр1200-Вр1500, К1400 и К1500 — 410 °С.

Расчёт предела огнестойкости по СТО 36554501-006-2006

t=345∙ lg⁡(0.133∙τ+1)+t_e

где τ — время нагрева, мин;
t_e — начальная температура, °С.
При начальной температуре t_e = 20 °С, по уравнению (6.4) температура среды поднимается в зависимости от времени огневого воздействия (табл. 6.1)

Таблица 6.1

Время, мин.	t, °С	Время, мин.	t, °С	Время, мин.	t, °С
5	576	50	915	120	1049
10	679	60	945	150	1082
15	738	70	970	180	1110
20	781	80	990	210	1133
25	810	90	1000	240	1153
30	841	100	1025	270	1170
40	885	110	1035	300	1186

Решение задачи нестационарной теплопроводности сводится к определению температуры бетона в любой точке поперечного сечения в заданный момент времени.

Алгоритм расчёта представляет собой систему уравнений для определения температуры в каждом узле накладываемой на сечение координатной сетки. Координатная сетка накладывается так, чтобы её узлы располагались не только в толщине сечения, но и по его периметру, а также в центре стержней для конструкций с гибкой арматурой, и по длине полок и стенки в середине их толщины для конструкций с жёсткой арматурой. Шаг сетки рекомендуется задавать в пределах 0.01-0.03 м, но обязательно больше максимального диаметра рабочей арматуры.

Реализация расчёта нестационарной задачи теплопроводности в ЛИРА САПР

Этап 1. Моделирование сечения

Для решения этой задачи, следует смоделировать поперечное сечение конструкции в 15-м признаке схемы

Схема сечения

Этап 2. Назначение жёсткостей

Смоделированным элементам следует назначить типы жёсткости

Задание жесткостей элементам расчётной модели

Этап 3. Задание внешней нагрузки. Предыстория (исходное состояние)

В загружении 1, следует выделить все узлы схемы и задать в них нагрузку, которая будет соответствовать исходной температуре конструкции – 20 °С. После задания нагрузки на узлы, они окрашиваются в зелёный цвет.

Задание исходной температуры как внешней нагрузки на узлы в диалоговом окне

Этап 4. К элементам конвекции, следует приложить внешнюю нагрузку.

В загружении № 5 к стержням по периметру сечения прикладываем заданную температуру в 1 °С. Загружения 2-4 оставить свободными. После задания нагрузки на элементы, они приобретают оранжевый цвет.

Задание значения нагрузки для приложения к элементам конвекции

Значение температуры 1 °С служит для формирования динамического загружения, которое будет строиться на основе графика температур при пожаре в определённый момент времени. Температура по графику будет умножаться на значение 1 °С, и имитировать внешний нагрев сечения.

Этап 5. Задание пожара.

Нажатием на кнопку Формирование динамических загружений из статичестких, вызвать окно для ввода параметров динамической нагрузки. Динамика формируется их 5-го загружения (конвекции). Номер самого динамического загружения, по умолчанию, выбран третий. Выбрать закон преобразования (Ломаный с произвольным шагом или Тепловое излучение). Задать количество точек 22 (21 – по таблице 6.1 + 1 – нулевой момент). Подтвердить ввод количества точек. В появившейся таблице задать закон изменения температуры. В левом столбце вводить время (в секундах), в правом температуру из таблицы 6.1.

Время, мин.	Время, сек.	t, °С	Время, мин.	Время, сек.	t, °С	Время, мин.	Время, сек.	t, °С
5	300	576	50	3000	915	120	7200	1049
10	600	679	60	3600	945	150	9000	1082
15	900	738	70	4200	970	180	10800	1110
20	1200	781	80	4800	990	210	12600	1133
25	1500	810	90	5400	1000	240	14400	1153
30	1800	841	100	6000	1025	270	16200	1170
40	2400	885	110	6600	1035	300	18000	1186

Окно задания динамической нагрузки из статической

После ввода значений зависимости время-температура, следует нажать +, чтобы подтвердить создание динамической нагрузки.

Вызвать окно задания параметров динамики во времени:

Параметры динамики во времени

После задания параметров, следует выполнить расчёт.

Этап 6. Чтение результатов.

Изополя температур

На рисунке показаны изополя температур на 9000-й секунде расчёта, что соответствует пределу огнестойкости R150. По значению температуры, в местах установки арматурных стержней, можно сделать вывод: обеспечен требуемый предел огнестойкости или нет.

Расчёт огнестойкости простых сечений

В ПК ЛИРА САПР реализован автоматический расчёт огнестойкости простых сечений, т.е. тех, для которых подбирается арматура в пятом признаке схемы. При задании параметров материалов, в свойствах Типа следует отметить учёт огнестойкости. В диалоговом окне следует задать параметры горения.

Задание материалов для расчёта железобетонных конструкций с учётом огнестойкости. Настройка условий горения.

Арматура будет подобрана с учётом требований огнестойкости.

Для сложных и нестандартных сечений, следует воспользоваться 15-м признаком схемы.