В статье автор приводит распределение температурных полей в балке Deltabeam® 20–200, вычисленных с помощью программы конечно-элементного анализа, при воздействии режима стандартного пожара.
Ключевые слова: системы тонких перекрытий, Deltabeam®, теплофизические свойства материалов, огнестойкость, температурные поля, режим стандартного пожара.
В настоящее время набирают популярность различные системы тонких перекрытий. Многие компании на рынке предлагают свои собственные системы, одной из которых является система тонких перекрытий Deltabeam® от компании Peikko®.
Поведение таких систем в условиях пожара в целом является удовлетворительным, так как бетон внутри и снаружи балки выступает в роли теплоизоляции, несмотря на то, что нижняя пластина балки не защищена. По утверждению [5], [6], [7] такие системы подвергаются большим температурным перепадам из-за своих конструктивных особенностей. Компания-производитель утверждает, что система Deltabeam® после проведенных испытаний подтвердила огнестойкость в пределах от R120 до R180.
Уравнения, предложенные в [8], показывают, что огнестойкость балок с «коротким» поперечным сечением ниже, чем у балок с «высоким» поперечным сечением. Исходя из этого, в настоящей работе было проанализировано распределение температурных полей для балки Deltabeam® с поперечным сечением D20–200, которое согласно [9] является наименьшим из производимых компанией Peikko® (рис. 1).
Рис. 1. Геометрические размеры балки Deltabeam®
Исследованные в данной работе сечения представлены в таблице 1. Обозначения параметров в таблице 1 соответствуют геометрическим размерам, приведенным на рис. 1. Для размеров, неопределенных сортаментом балок, были приняты приближенные значения, исходя из геометрии сечения.
Таблица 1
Геометрические размеры поперечных сечений балки (D20–200)
|
№сечения |
b, мм |
B, мм |
b1, мм |
b2, мм |
d2, мм |
h, мм |
Ø, мм |
Толщина верхней пластины, мм |
Толщина стенки, мм |
|
1 |
200 |
395 |
97,5 |
100 |
5 |
200 |
80 |
5 |
5 |
|
2 |
200 |
395 |
97,5 |
100 |
5 |
200 |
80 |
5 |
10 |
|
3 |
200 |
395 |
97,5 |
100 |
25 |
200 |
80 |
5 |
5 |
|
4 |
200 |
395 |
97,5 |
100 |
25 |
200 |
80 |
5 |
10 |
Для решения первой части задачи по определению огнестойкости конструкции, в теплотехнической части расчета определялись температурные поля в сечении балки при действии на него температурного режима пожара по ГОСТ 30247.0–94 (ISO 834–75) [1].
Важным фактором, определяющим распределение температур в сечении элемента, являются теплофизические свойства материалов. К этим свойствам относятся теплоемкость и теплопроводность.
В данной работе теплофизические свойства бетона определялись согласно [3], для стали и арматуры согласно [4]. Теплофизические свойства материалов, изменяющиеся с повышением температуры, для бетона и стали приведены на графиках (рис. 2, 3, 4, 5).
Исходя из рекомендаций [3], [4] плотность бетона принята 2300 кг/м3, плотность стали принята 7850 кг/м3.
Рис. 2. Изменение коэффициента удельной теплоемкости бетона в зависимости температуры
Рис. 3. Изменение коэффициента теплопроводности бетона в зависимости от температуры
Рис. 4. Изменение коэффициента удельной теплоемкости стали в зависимости температуры
Рис. 5. Изменение коэффициента теплопроводности стали в зависимости температуры
Воздействие пожара на сечение балки Deltabeam® было смоделировано с учетом излучательного действия и конвективного теплообмена. К нижней пластине балки и нижней поверхности бетонной плиты приложены условия излучения с изменением температуры во времени по кривой стандартного пожара.
Согласно [5] коэффициент излучательной способности для стали принят 0,5, для бетона 0,25. Согласно [2] и [5] коэффициент конфекции для верхней грани сечения, неподвергающейся воздействию огня, принят 9 Вт/м2·ºС, для нижней грани — 25 Вт/м2·ºС.
Начальная температура материалов и окружающей среды принята 20ºС.
Поперечное сечение балки D20–200 с граничными условиями представлено на рис. 6. Рассматриваемый в дальнейшем узел 1 расположен на нижней пластине балки, узел 2 — в середине стенки балки, узел 3 расположен на верхней пластине.
Рис. 6. Конечно-элементная модель для теплотехнической части анализа балки Deltabeam® c граничными условиями.
В отличие от нижней грани сечения, к верхней грани и боковым частям было приложено условие идеально изолированного тела, то есть тепловой поток от излучения не учитывался. К тому же термический контакт между бетоном и сталью считался идеальным.
Распределение температурных полей в сечениях 1–4 было рассмотрено для случаев 45, 60, 120 и 180 минут воздействия пожара.
На рисунках (рис.7–10) представлено распределение температурных полей в балке Deltabeam® для сечения 1.
Рис. 7. Распределение температурных полей в балке Deltabeam® с сечением 1 при 45 мин. воздействия пожара
Рис. 8. Распределение температурных полей в балке Deltabeam® с сечением 1 при 60 мин. воздействия пожара
Рис. 9. Распределение температурных полей в балке Deltabeam® с сечением 1 при 120 мин. воздействия пожара
Рис. 10. Распределение температурных полей в балке Deltabeam® с сечением 1 при 180 мин. воздействия пожара
После проведенного исследования сечения балки D20–200 с изменяющимися толщинами составляющих его пластин, можно сделать несколько выводов.
- Балка Deltabeam® испытывает значительные перепады температуры по высоте сечения из-за ее конструктивных особенностей.
- Бетон вокруг тела балки является ее теплоизоляцией и ограничивает повышение температуры в верхней пластине балки.
- Увеличение толщины стенки балки не ведет к повышению ее огнестойкости, а наоборот снижает его.
- Утолщение нижней пластины балки в незначительной степени увеличивает ее огнестойкость и лишь на начальных этапах развития пожара.
По результатам проведенных расчетов построен график зависимости температуры в сечении балки от времени огневого воздействия (рис. 11).
Рис. 11. График зависимости температуры в сечении балки Deltabeam® 20–200 от времени огневого воздействия
Литература:
- ГОСТ 30247.0–94 (ИСО 834–75). Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования. — Москва: Изд-во стандартов, 2003. — 11 с.
- Еврокод 1. Воздействия на конструкции. Часть 1–2. Общие воздействия. Воздействия для определения огнестойкости. ТКП EN 1991–1–2–2009, (02250). — Минск: Минстройархитектуры, 2010. — 50 с.
- Еврокод 2. Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости. ТКП EN 1992–1–2–2009, (02250). — Минск: Минстройархитектуры, 2010. — 87 с.
- Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости. ТКП EN 1993–1–2–2009, (02250). — Минск: Минстройархитектуры, 2010. — 80 с.
- Maraveas C., Swailes T., Wang Y. C. A detailed methodology for the finite element analysis of asymmetric slim floor beams in fire. Steel Construction, 2012, vol. 5, no. 3, pp. 191–198.
- Maraveas C. Fire resistance of delta composite beams: A numerical investigation. Journal of Structural Fire Engineering, 2014, vol. 4, no. 2, pp. 121–147.
- Maraveas, C. Numerical Analysis of DELTA composite beams in fire, Seventh European Conference on Steel and Composite Structures — EUROSTEEL, Naples, Italy, September, 2014.
- Zaharia, R. and Franssen, J. M. Simple equations for the calculation of temperature within the cross-section of slim floor beams under ISO fire, Steel Composite Structures, 2012, vol. 13, no. 2, pp. 171–185.
- Deltabeam Technical Manual, http://www.peikko.com, 08/2014.
