Расчёт огнестойкости железобетонных конструкций с применением системы Теплопроводность в ЛИРА САПР
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.
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 0С по сравнению с температурой конструкции до нагрева, или прогрев до 220 0С 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 0С;
на карбонатном заполнителе – 600 0С;
для конструкционного керамзитобетона – 600 0С;
Критическая температура нагрева арматуры, при которой образуется пластический шарнир и наступает предел огнестойкости, ориентировочно равна для арматуры класса:
А240, А300 – 510 0С;
А400 – 550 0С;
А500, А540 – 520 0С;
В500 – 430 0С;
Вр1200-Вр1500, К1400 и К1500 – 410 0С.
Расчёт предела огнестойкости по СТО 36554501-006-2006
Согласно п.6.1, для определения предела огнестойкости железобетонных конструкций необходимо знать распределение температур по бетону поперечного сечения элемента от воздействия стандартного пожара. Согласно положениям ГОСТ 30241.1 температура стандартного пожара изменяется в зависимости от времени огневого воздействия и выражается уравнением:
где t - время нагрева, мин;
te – начальная температура, 0С.
При начальной температуре te=20 0С, по уравнению (6.4) температура среды поднимается в зависимости от времени огневого воздействия (табл. 6.1)
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 2020 R1 и старше
Этап 1 Моделирование сечения
Для решения этой задачи, следует смоделировать поперечное сечение конструкции в 15-м признаке схемы
Этап 2 Назначение жёсткостей
Смоделированным элементам следует назначить типы жёсткости
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 0С. После задания нагрузки на узлы, они окрашиваются в зелёный цвет.
Этап 4 К элементам конвекции, следует приложить внешнюю нагрузку.
В загружении №5 к стержням по периметру сечения прикладываем заданную температуру в 1 0С. Загружения 2-4 оставить свободными. После задания нагрузки на элементы, они приобретают оранжевый цвет.
Значение температуры 1 0С 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 0С, 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.
После ввода значений зависимости время-температура, следует нажать +, чтобы подтвердить создание динамической нагрузки.
Вызвать окно задания параметров динамики во времени:
После задания параметров, следует выполнить расчёт.
Этап 6 Чтение результатов.
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.
Арматура будет подобрана с учётом требований огнестойкости.
Для сложных и нестандартных сечений, следует воспользоваться 15-м признаком схемы.
Реализация расчёта нестационарной задачи теплопроводности в ЛИРА САПР 2020 R2 и младше
В версии ЛИРА-САПР 2020 R2 была реализована новая триангуляция сечений железобетонных элементов при расчёте на огнестойкость. Подробнее об этом рассказано в статье https://help.liraland.com/ru-ru/thermal-conductivity/new-triangulation-of-sections-in-the-analysis-of-the-fire-resistance-of-reinforced-concrete.html?sphrase_id=15700106
В версии ЛИРА САПР 2021 R1 Добавлена возможность экспорта txt-файла задачи огнестойкости (расчетное сечение) для дальнейшего импорта в задачу теплопроводности. Для создания такого файла, следует вызвать окно информации об элементе, а затем вывести на экран результаты расчёта огнестойкости.
По умолчанию, создаваемый файл будет называться «FireAnalysis.txt» и при создании, пользователю будет предложено расположить его в директории C:\Users\Public\Documents\LIRA SAPR\LIRA SAPR 2021\Data. Директорию и название можно поменять. Созданный txt-файл может быть импортирован в ЛИРА САПР, в результате чего будет получена готовая расчётная модель сечения в 15-м признаке схемы (теплопроводность), которую можно сразу запускать на динамический расчёт теплопроводности.
Экспорт результатов расчёта в Конструктор сечений.
Также, в версии ЛИРА САПР 2021 R1 добавлена возможность импорта из “ВИЗОР-САПР” в “Конструктор сечений” сечения на основании данных огнестойкости элемента.
Сечение в КСУ передается разбитым на зоны, в зависимости от распределения температур в каждом его участке. С каждой зоной связан свой закон нелинейного деформирования основного и армирующего материалов, с учетом изменения физико-механических свойств бетона и арматуры при высокотемпературном огневом воздействии.
