View of Determination of features of composite steel and concrete slab behavior under fire condition

(1)

УДК 624.012

DOI: 10.15587/1729-4061.2021.246805

Визначення особливостей поведінки сталезалізобетонної плити в умовах пожежі

В. С. Некора, С. О. Сідней, Т. М. Шналь, О. В. Некора, І. П. Данкевич, С. В. Поздєєв

Розглянуті та проаналізовані методи розрахункової оцінки вогнестійкості сталезалізобетонних плит, виготовлених з використанням профільованих ста- левих листів, в умовах впливу стандартного температурного режиму тривалі- стю більше за 120 хв.

Проведені дослідження щодо визначення параметрів нагріву та напруже- но-деформованого стану сталезалізобетонних плит, виготовлених з викорис- танням профільованих сталевих листів, в умовах теплового впливу стандарт- ного температурного режиму тривалістю більше за 120 хв. Результати дано- го дослідження надають можливість отримати показники температурного розподілу для проведення оцінки з вогнестійкості таких конструкцій за класа- ми вогнестійкості понад REI 120. Відповідно, отримані результати є науковим підґрунтям для удосконалення існуючого методу розрахункової оцінки вогнес- тійкості сталезалізобетонних плит, виготовлених з використанням профільо- ваних сталевих листів.

Температурний розподіл у перерізі конструкцій отримано за допомогою загального теоретичного підходу до розв’язку задачі теплопровідності з вико- ристанням методу скінчених елементів. Використовуючи отримані темпера- турні розподілення, було визначено параметри напружено-деформованого стану на основі методу граничних станів.

Для проведення розрахунків були створені відповідні математичні моделі, що описують вплив стандартного температурного режиму пожежі, при ви- значенні розподілу температури в кожну хвилину у перерізах сталезалізобе- тонної плити із профільованим сталевим листом. Запропоновано спосіб роз- биття перерізу на зони для врахування зниження показників механічних влас- тивостей бетону та сталі.

Запропонований спрощений метод розрахункової оцінки сталезалізобе- тонних плит перекриттів із профільованими сталевими листами, який узго- джується із чинними стандартами Євросоюзу, може бути ефективно викори- станий для аналізу їх вогнестійкості при встановленні їх відповідності класу вогнестійкості REI 120 та вище.

Ключові слова: сталезалізобетонні плити, вогнестійкість плити, теплоі- золювальна здатність, напружено-деформований стан, несуча здатність.

1. Вступ

Сучасний стан будівельної сфери характеризується інтенсифікацією роз- робки та впровадження інноваційних технічних рішень у всі галузі будівництва.

Not

a reprint

(2)

Проте, не дивлячись на високий рівень будівельних технологій, пожежі на об’єктах будівництва все ще представляють суттєву небезпеку. Небезпека по- жеж на будівельних об’єктах характеризується ризиком появи та дії небезпеч- них чинників пожежі, з якими пов’язана і до яких безпосередньо належить мо- жливість руйнування будівельних конструкцій або втрати ними своїх огоро- джувальних функцій. За таких умов при загальній оцінці пожежної безпеки об’єктів будівництва велику роль грає вогнестійкість будівельних конструкцій.

До основних аспектів пожежної безпеки до яких має безпосереднє відношення вогнестійкість можна віднести безпечну евакуацію людей, відносно безпечну роботу аварійно-рятувальних підрозділів, а також збереження майна та матері- альних цінностей. З огляду на це можна сказати, що оцінка вогнестійкості буді- вельних конструкцій є важливим компонентом при проведенні аналізу пожеж- ної безпеки на будь-якому будівельному об’єкті.

Широкого вжитку мають конструкції, що поєднують суцільні сталеві еле- менти та залізобетонні елементи [1]. Серед таких конструкцій можна виділити сталезалізобетонні плити, що формуються з використанням сталевого профі- льованого листа як нероз’ємного елемента опалубки і одночасно армувального елементу. Основним технологічним та конструктивним аспектам сталезалізобе- тонних плит даного типу присвячена робота [2], де висвітлені основні переваги даних елементів конструкцій. Перевагами сталезалізобетонних плит із профі- льованими сталевими листами за досвідом практичного їх використання є кра- ща технологічність при виготовленні та монтажу. При цьому дані плити разом із каркасом сталевих балок складають одну міцну систему, підсилюючи одне одного, що, у свою чергу, дає перевагу у несучій здатності. Такі системи знай- шли своє застосування у будівлях торгових, виставкових, спортивних, промис- лових та інших об’єктах. Ще одною суттєвою перевагою є можливість регулю- вати їхню жорсткість та несучу здатність шляхом варіювання геометричних па- раметрів профільованого листа та товщини шару бетону вище нього [2].

Одним із важливих питань при експлуатації будівель та споруд є забезпечен- ня їхньої пожежної безпеки. Одним із важливих аспектів пожежної безпеки поже- жної безпеки є вогнестійкість будівельних конструкцій, у тому числі сталезалізо- бетонних плит із профільованими сталевими листами. Як і інші будівельні конс- трукції, вимоги щодо вогнестійкості до них встановлюється за нормами.

Проектування таких плит, конструкція яких має забезпечувати необхідну вогнестійкість, виконується за рекомендаціями, які наведені у національних но- рмах держав і зокрема чинних стандартах України [3]. Необхідні вимоги щодо вогнестійкості встановлюють час, який той чи інший елемент конструкції має витримати під тепловим впливом пожежі до настання одного із граничних ста- нів. Стосовно огороджувальних конструкцій, що також мають виконувати і не- сучі функції, граничні стани встановлюються за втратою несучої здатності, ці- лісності та теплоізолювальної здатності. Час до настання будь-якого гранично- го стану визначає межу вогнестійкості конструкції [4]. Необхідні вимоги щодо вогнестійкості для тієї чи іншої будівлі встановлюється з огляду на ступінь від- повідальності будівель, площі та кількості протипожежних відсіків, часу еваку- ації та інших факторів. Даний алгоритм є дещо формалізованим, проте це єди-

For reading

only

(3)

ний підхід, який використовується для практичного використання. Дана проце- дура є менш трудомісткою у порівнянні із визначенням фактичної межі вогнес- тійкості будівельних конструкцій. Найбільш універсальним та комплексним методом встановлення вогнестійкості є метод вогневих випробувань [5]. Даний метод застосовується безвідносно до матеріалу конструкції і є універсальним для всіх типів конструкцій і дозволяє комплексно встановити умови настання всіх трьох типів граничних станів. Проте, даний метод володіє рядом недоліків, що пов’язані із трудомісткістю, вартістю та неможливістю випробувати будіве- льні конструкції із всіма типами граничних умов, що відповідають конструкти- вним схемам будівель. Крім цього, процес підготовки, випробування та утилі- зації зразків та матеріалів при випробуваннях тривалий за часом та може ще мати екологічні наслідки [6].

Розумною альтернативою експериментальним методам є розрахункові ме- тоди оцінки вогнестійкості будівельних конструкцій [7]. Дані методи набагато менш вартісні, трудомісткі, більш універсальні, мають меншу тривалість за ча- сом і не мають шкідливого впливу на екологію [8]. При цьому дані методи до- зволяють достатньо ефективно отримати результат при аналізі за настанням граничних станів втрати теплоізолювальної здатності та втрати несучої здатно- сті [9]. Однак розрахункових методів для проведення аналізу тривалого впливу пожежі на конструкції у відповідальних та багатофункціональних будівлях не представлено. Враховуючі, що не завжди можливе використання вогнезахисних систем, для захисту конструкцій, оскільки це не є доцільним з точки зору кон- фігурації інфраструктури, планувально-архітектурних рішень об’єктів, обчис- лювальні методи постійно удосконалюються [10]. Для аналізу настання втрати цілісності такі методи взагалі є обмеженими та розвинутими недостатньо [11].

Це у значній мірі стосується сталезалізобетонних плит із профільованими ста- левими листами, конструкція яких визначає, що профільований лист знаходить- ся безпосередньо під вогневим впливом пожежі і це позначається на їх несучої здатності за таких умов. Крім цього сталевий профільований лист блокує вихід водяної пари з поверхні бетону, що може створювати небезпечний тиск пари у порах бетону. У зв’язку з чим, можливе виникнення руйнування поверхні бето- ну та порушення зчеплення між ним та профільованим листом у плиті.

Отже, для застосування сталезалізобетонних плит із профільованими ста- левими листами у пожежобезпечних конструкціях перекриттів із підвищеними вимогами щодо їх вогнестійкості є актуальним дослідження та розвиток спро- щених розрахункових методів оцінки їх вогнестійкості.

2. Аналіз літературних даних та постановка проблеми

Розрахункові методи оцінки вогнестійкості на даний час є добре розвине- ними. Серед існуючих можна виділити два типи розрахункових методів – спрощені [11] та уточнені методи [12]. Спрощені методи використовують у сво- їй основі спрощуючи гіпотези та припущення, що дозволяють отримувати про- сті розрахункові співвідношення, але результати, таких розрахунків мають сут- тєвий запас [13], що передбачає витрату зайвого матеріалу та економічну нера- ціональність [14]. Уточнені методи надають результати більш точніше в порів-

Not

a reprint

(4)

нянні з спрощеними методами [15], але єдиної універсальної методики щодо визначення вогнестійкості для сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами не представлено. При цьому методика, викладена у [16], на- дає можливість провести розрахунок за максимальним класом вогнестійкості REI 120. Основні положення щодо реалізації даних методів для сталезалізобе- тонних плит із профільованими сталевими листами наведені у рекомендаціях європейських норм [16]. Традиційно дані методи розділяються на дві окремі за- дачі – теплову задачу та задачу міцності. Для розв’язку теплової задачі дозволя- ється використовувати надані у рекомендаціях [16] таблиці, номограми та ре- гресійні залежності. При розв’язанні задачі міцності також використовуються таблиці, регресійні залежності, або формули, що базуються на гіпотезах опору матеріалів, будівельної механіки, деформаційних моделях бетону, залізобетону та сталезалізобетону. Основним недоліком даних методів є встановлені проект- ні дані конструкцій, що приводять до великих запасів щодо вогнестійкості і в деяких випадках це зумовлює невиправданий розхід матеріалів і підвищення матеріальних витрат [17]. З огляду на це, дані методи в основному мають ієрар- хічну структуру. Відповідно, за умови, якщо необхідна вогнестійкість не забез- печена у результаті розрахунку за найбільш простим методом, то можна вста- новлювати таку відповідність до необхідного класу вогнестійкості за більш то- чним спрощеним методом. За результатами позитивного висновку можливо визнати що вогнестійкість такої конструкції забезпечується. Стосовно сталеза- лізобетонних плит із профільованими сталевими листами такий підхід застосо- вувати не можна, оскільки у рекомендаціях [18] пропонується тільки один роз- рахунковий метод. Даний метод розуміє окремий аналіз настання граничних станів теплоізолювальної здатності та цілісності та окремий аналіз настання граничного стану втрати несучої здатності. При аналізі задачі оцінки вогнестій- кості за настанням стану втрати теплоізолювальної здатності використовується регресійна залежність часу настання даного граничного стану [19]. У дану ре- гресійну залежність входять геометричні параметри перерізу та довжини плити.

За логікою такого підходу, якщо не настає граничний стан втрати теплоізолю- вальної здатності, тоді граничний стан втрати цілісності також не настає, оскі- льки вважається, що настання даного стану може відбуватися тільки унаслідок крихкого руйнування [20]. У нормальних умовах при відсутності перенасичен- ня вологою у бетоні крихке руйнування не відбувається.

Даний метод при аналізі задачі настання граничного стану втрати несучої здатності також можна розділити на розв’язок теплової задачі та задачі міцнос- ті. Треба зазначити, що у даному випадку теплова задача вирішується тільки при визначенні температури армування, температури сталевого профільованого листа та точок проходження ізотерми критичної температури. Причому дані параметри визначаються за регресійними залежностями [21]. Однак при цьому такі залежності приводять до суттєвого завищення даних щодо вогнестійкості.

Регресійні залежності наведені в роботі [22] не дозволяють застосовувати їх для всього діапазону значень з ряду класів вогнестійкості для відповідальних буді- вель, таких як висотні будівлі, підземні гаражі та інші.

For reading

only

(5)

За визначеними параметрами температури нагрівання елементів сталезалі- зобетонних плит із профільованими сталевими листами визначаються коефіціє- нти зниження механічних характеристик їх елементів. Використовуючи метод граничних станів, визначається несуча здатність у вигляді найбільшого згина- льного моменту ділянки плити. Отримане значення найбільшого згинального моменту порівнюється із згинальним моментом від діючих навантажень. Порі- вняння даних значень встановлює відповідність досліджуваної сталезалізобе- тонної плити із профільованими сталевими листами встановленим вимогам що- до її вогнестійкості. Даний метод є дуже зручним, оскільки при невеликої кіль- кості простих алгебраїчних обчислень дозволяє встановити відповідність стале- залізобетонної плити із профільованими сталевими листами як достатньо скла- дної конструкції вимогам щодо її вогнестійкості.

Серед недоліків даного методу слід виділити наступне, зокрема:

1. Використання даного методу при аналізі вогнестійкості за настанням граничного стану втрати несучої здатності обмежується 120 хв теплового впли- ву стандартного температурного режиму пожежі.

2. При використанні визначення межі вогнестійкості за втратою теплоізо- лювальної здатності залишається невизначеним можливість використання за- пропонованої регресійної залежності.

3. Неможливість відкоригувати існуючі залежності для врахування необ- хідної вогнестійкості із більшими інтервалами часу за 120 хв.

Окреслені недоліки становлять серйозну перешкоду при використанні да- них плит для багатофункціональних будівель І ступеня вогнестійкості та улаш- тування протипожежних перекриттів першого типу. За результатами огляду, встановлено, що вказані конструкції демонструють суттєві переваги у техноло- гії виготовлення та монтажу.

3. Мета та задачі дослідження

Метою дослідження є встановлення закономірностей нагрівання основних елементів сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами при дії теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі за тривалий час, більший за 120 хв. Це сприяє проведенню оцінки межі вогнестійкості вка- заних плит за умовами впливу пожежі до 180 хв. Таким чином надається мож- ливість визначення змоги, щодо використання даних конструкцій для багато- функціональних будівель І ступеня вогнестійкості та улаштування протипоже- жних перекриттів першого типу.

Для досягнення мети були поставлені наступні завдання:

– дослідити характер час настання граничного стану теплоізолювальної здатності у сталезалізобетонних плитах із профільованими сталевими листами за спрощеним методом;

– провести обчислення розподілів температури у перерізах при тепловому впливі стандартного температурного режиму пожежі за уточненим розрахунко- вим методом;

Not

a reprint

(6)

– побудувати регресійні залежності для оцінки вогнестійкості сталезалізо- бетонних плит із профільованими сталевими листами за граничним станом втрати несучої здатності.

4. Матеріали та методи дослідження

Згідно із рекомендаціями [21] час до настання граничного стану теплоізо- лювальної здатності елементів сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами визначається:

0 1 1 2 3 4 5

3 3

1 1

Φ .

           

i

r r

A A

t a a h a a a a

L l L l (1)

Параметри, що входять у (1), визначаються як:

– приведена товщина ребра:

1 2

2

2 1 2

2 2

2 ;

2 2

  

  

     

r

l l A h

L l l

l h

(2)

– коефіцієнт конфігурації або форми Ф верхньої полиці:

2 2

2 1 2 2 1 2

2 3 2

3

2 2

Φ =

 

   

     



l l l l

h l h

l (3)

Геометричні параметри, що входять до (1)–(3), визначаються згідно із роз- рахунковою схемою сталезалізобетонної плити (рис. 1).

h1

h2

l1 l3 l2

Рис. 1. Конструкція сталезалізобетонної плити із профільованим сталевим листом

For reading

only

(7)

Коефіцієнти регресії (1) визначаються за табл. 1 відповідно до [13, 16, 21, 22].

Таблиця 1

Коефіцієнти регресії для визначення межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами за граничним станом втрати теплоі- золювальної здатності

Для аналізу задачі вогнестійкості вказаних плитах за втратою несучої здатно- сті при тривалому часі впливу пожежі потрібно виключити плити, що за типороз- мірами не забезпечують відповідну вогнестійкість за теплоізолювальною здатніс- тю. Аналіз впливу розмірів перерізів на вогнестійкість за втратою теплоізолюва- льною здатністю показав, що найбільш значущими параметрами є ширина запа- дини профільованого листа l3, глибина западини h2 та товщина плити h1.

Для проведення розрахунку (1) розглядалася як функція даних параметрів, варіювання яких було у діапазонах, що наведені у табл. 2.

Таблиця 2

Діапазони варіювання геометричних параметрів сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами

Ширина западини про- фільованого листа, l3, мм

Глибина западини про- фільованого листа, h2, мм

Товщина плити у її са- мому вузькому місці

h1, мм

50 12120 50180

150 12120 50180

300 12120 50180

Дані діапазони були вибрані з огляду на найбільш поширені типорозміри профільованих сталевих листів.

На рис. 2 наведено поверхні, що побудовані для даних діапазонів, що на- ведені у табл. 2.

Аналіз поверхонь на рис. 2 показує, що зміна ширини западин профільова- ного листа l3 та глибини западин h2 досліджуваних плит не призводить до сут- тєвої зміни їхньої межі вогнестійкості за теплоізолювальної здатності. З іншого боку, варіювання товщина плити h1 у її самому вузькому місці має найбільш суттєвий вплив, тож даний параметр є найбільш значущим. На рис. 3 наведені графіки залежностей параметрів від глибини западини h2 та товщини плити h1 у її самому вузькому місці відповідні певним значенням межі вогнестійкості за граничним станом втрати теплоізолювальної здатності.

Коефіцієнт регресії a0, хв а1, хв/мм a2, хв а3, хв/мм a4, хв² a5, хв Нормальний бетон -28,8 1,55 -12,6 0,33 -735 48,0

Легкий бетон -79,2 2,18 -2,44 0,56 -542 52,3

Not

a reprint

(8)

M1 M2 M3P1P2P3

l3 = 300 мм

l3 = 150 мм l³ = 50 мм

t, хв

180 хв.

200

150 хв.

h² 120 хв.

120 100

54

h1, мм 12 180

50 115 `

Рис. 2. Залежність межі вогнестійкості за настанням граничного стану втрати теплоізолювальної здатності від глибини западини h2 та товщини плити h1 у її

самому вузькому місці

`` h2, мм 120 хв 180 хв 120

250

54

50 100 150 200

12 h₁, мм

50 82.5 115 147.5 180 h1 = 95 мм h1 = 138 мм

Рис. 3. Графіки залежностей параметрів від глибини западини h2 та товщини плити h1 у її самому вузькому місці відповідні певним значенням межі вогнес-

тійкості за граничним станом втрати теплоізолювальної здатності

For reading

only

(9)

Таким чином можна зробити висновок, що клас вогнестійкості більше за EI 120 може бути забезпечений, якщо у середньому товщина плити h1 у її само- му вузькому місці буде ≥95 мм.

Для вивчення температурних розподілів по перерізу сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами застосовується узагальнений теоре- тичний підхід на основі нестаціонарного диференціального рівняння теплопро- відності [16]:

 

^{ }^_ ^ _^ ^__^{ }

 

^_ ^__ ^_{ }^ ^_^{ }

 

^_{ }^_^,

СP

t x x y y (4)

де ρ=2500 кг/м³ – густина бетону; СР(θ) – питома теплоємність, залежна від те- мператури; λ(θ) – коефіцієнт теплопровідності, залежний від температури

Формула, що виражає ГУ ІІІ роду поверхні, підданій тепловому впливу пожежі має вигляд:

   

0

,



       

r _r ^P ^P ^W (5)

де θP θW– відповідно температура, за якою відбувається тепловий вплив пожежі, та температура повітря з необігрівної сторони;

r – координата за нормаллю до обігрівної поверхні плити.

Зі сторони плити де поверхня не обігрівається формула для ГУ ІІІ роду має такий вигляд:

  

²⁰



^,



      

r _{r b} ⁿ ⁿ (6)

де αP, αn – відповідно коефіцієнти теплообміну з боку теплового впливу пожежі та з боку плити, де поверхня не обігрівається, b – координата поверхні плити у но- рмальному напрямку до неї, де обігрів відсутній.

Для розрахунку застосовуються температурозалежні теплофізичні харак- теристики, рекомендовані у [13, 16, 21, 22], графіки яких подані на рис. 4.

Для апроксимації рівняння теплопровідності при визначенні температур- них розподілень застосовується метод кінцевих різниць. В цьому випадку права частина рівняння (4) записуються у вигляді [23]:

 

_1,

 

, _1, ,

          

 

x x

x i k x x i k x i k

a a b b

x x (7)

 

^^1,

 

^, ^^1, ^.

 

 

        

 

   

y y

y i k y y i k x i k

a a b b

y y (8)

Not

a reprint

(10)

0 500 1 10 ³ 1.5 10 ³ 0.5

1 1.5

2 , Вт/(мС)

, С

0 500 1 10 ³

500 1 10 ³ 1.5 10 ³ 2 10 ³

2.5 10 ³ СР, Дж/(кгС)

, С

а б

Рис. 4. Теплофізичні характеристики важкого бетону на гранітному заповнюва- чі: а – коефіцієнт теплопровідності; б – питома теплоємність

Ліва частина рівняння теплопровідності (4), апроксимована за методом кі- нцевих різниць має вигляд формули [23]:

 

^, ^, ¹ ^, ¹ ^, ^.

2

 

     

 

     

i k i k i k i k

СР с

t t (9)

Коефіцієнт теплопровідності на кожному кроці інтегрування з визначаєть- ся за формулами [23]:

   



^{ }^¹ ^¹ ^{ }



²^,

     

i i

a h

   



^{ }^¹ ^¹ ^{ }



²^.

     

i i

b h (10)

ГУ III роду у кінцевих різницях з обігрівної сторони записуються у ви- гляді [23]:

   

       

       

1, 1, 1,

1, 1, 1

1,

4 4

1, , 1, ,

2

273 273 ,



        

      

      

           

k k k k Р k

k k

k k p k k p k

w w h С

h t

w (11)

де αk=25 Вт/(м²С)  коефіцієнт теплообміну при конвекції з обігрівної поверх- ні плити; h~0.020.025 м – крок розбиття перерізу; t=60 с – часовий крок;

ε=0.8 – ступінь чорноти поверхні профільованого листа; σ=5.6710^-8 Вт/(м² K⁴) – стала Стефана-Больцмана.

For reading

only

(11)

ГУ III роду у кінцевих різницях з необігрівної сторони записуються у ви- гляді [23]:

   

^1, ^1,

 

^1, ^1, ^1, ¹

 

^1, ^,



1,

2 ^ ,

        

         

      

k k k k Р k

k k n k p k

k k

w w h С

h t

w (12)

де αk=9 Вт/(м²С)  коефіцієнт теплообміну при конвекції з необігрівної сторони.

Тепловий вплив пожежі виражається через стандартний температурний режим, відповідний формулі:

 

345 lg 8 / 60 1

 

0,

_p t   t    (13)

де: θ0=20 С – початкова температура середовища та внутрішніх шарів бетону перед початком теплового впливу пожежі.

Для вивчення розподілень температури по перерізу була поставлена кра- йова задача з використанням розрахункової схеми, яка подана на рис. 5.

Конвекція + випромінювання

охолодження

Конвекція + випромінювання

Рис. 5. Розрахункова схема до теплового розрахунку сталезалізобетонної плити Кінцево-різницева схема плити подана на рис. 6.

Подані розрахункові схеми на рис. 5, 6 дозволяють поставити крайову за- дачу теплопровідності та отримати розподілі температурних полів сталезалізо- бетонних плит за допомогою метода кінцевих різниць.

Not

a reprint

(12)

Необігрівна поверхня (ГУ ІІІ роду)

Площина Площина симетрії симетрії

Обігрівна поверхня ГУ ІІІ роду

Рис. 6. Кінцево-різницева схема перерізів сталезалізобетонної плити

5. Результати дослідження нагрівання сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами в умовах пожежі

5. 1. Дослідження теплоізольованої здатності сталезалізобетонної пли- ти при пожежі

Використовуючи математичні моделі, які наведені вище, були виконані ро- зрахунки для 5-ти типів сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами. Дані плити розрізняються за типом сталевого профільованого листа та товщиною плити у найбільш вузькому місці. Основні конструктивні параметри досліджуваних плит наведені у табл. 3.

Таблиця 3

Конструктивні параметри сталезалізобетонних плит із профільованими стале- вими листами.

Висота полки, h1, мм

Висота ребра, h2, мм

Більша шири- на ребра,

l1, мм

Менша ши- рина ребра,

l2, мм

Ширина полки між ребрами,

l3, мм Сталезалізобетонна плита № 1 (Профільований лист Н57, осьова відстань від

арматури для поверхні 30 мм)

90 57 143.5 93 44

Сталезалізобетонна плита № 2 (Профільований лист Н60 осьова відстань від арматури для поверхні 25 мм)

115 60 161.2 122 50

135 75 137.5 92 50

158 92 265 140 40

180 114 152 104 48

For reading

only

(13)

Розрахунки виконувалися для визначення температури нагріву нижньої, вер- хньої та бокових поверхонь профільованого листа, а також арматурних стержнів.

У результаті розрахунку було отримано температурні розподілення у да- них плитах для часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі 150 хв та 180 хв, представлені на рис. 7–9.

300 С

500 С

900 С

1100 С

300 С

500 С

900 С

1100 С

300 С

500 С 900 С

1100 С

300 С

500 С

900 С

1100 С

а б в г

Рис. 7. Температурні розподілення у досліджуваних плитах для часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі у сталезалізобетонних плитах (СЗБ): а – СЗБ № 1 150 хв; б – СЗБ № 1 180 хв; в – СЗБ № 2 150 хв; г –

СЗБ № 2 180 хв.

а б в г

Рис. 8. Температурні розподілення у досліджуваних плитах для часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі у сталезалізобетонних плитах (СЗБ): а – СЗБ № 3 150 хв; б – СЗБ № 3 180 хв; в – СЗБ № 4 150 хв; г –

СЗБ № 4 180 хв.

Not

a reprint

(14)

а б

Рис. 9. Температурні розподілення у досліджуваних плитах для часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі у сталезалізобетонних

плитах (СЗБ): а – СЗБ № 5 150 хв; б – СЗБ № 5 180 хв.

Отримані результати розподілу температури по досліджуваним конструк- ціям показують, що найбільш всього настання граничного стану втрати теплоі- зольованої здатності залежить від товщини сталезалізобетонної плити у най- більш вузькому місці між ребрами плити.

Наведений аналіз поданих на рис. 7–9 температурних розподілів показав, що настання граничного стану втрати теплоізольованої здатності за час більше 120 хв впливу стандартного температурного режиму пожежі відбувається тіль- ки для двох перших типів плит рис. 7.

5. 2. Дослідження розподілів температури в перерізі сталезалізобетон- ної плити в умовах пожежі

На основі отриманих результатів щодо температурних розподілів, наведе- них на рис. 7–9, були визначені середні температури нагріву нижньої, верхньої та бокових поверхонь профільованого листа, а також значення температури ар- матурних стержнів для часу теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі 150 хв та 180 хв, представлені у табл. 4.

For reading

only

(15)

Таблиця 4

Значення температури елементів сталезалізобетонних плит із профільованими сталевими листами

Час теплово- го впливу пожежі, хв.

Температура нижньої пол-

ки, θl, C

Висота боко- вої стінки, θw,

C

Температура верхньої полки, θu, C

Температура нижнього арм. ст., θsl,

C

Температура верхнього арм. ст., θsu,

C Сталезалізобетонна плита № 1 (Профільований лист Н57, осьова відстань від арматури для

поверхні 30 мм)

150 1016 1008 1006 858.837 362.847

180 1114 1098 1094 904.566 420.268

150 1011 1004 1006 848.171 206.781

180 1109 1095 1096 888.581 259.514

150 1010 1003 1004 847.005 142.04

180 1108 1091 1094 886.579 175.508

150 1006 1002 1002 837.816 100.427

180 1105 1092 1092 874.197 116.32

150 1004 1005 1004 840.841 81.054

180 1102 1096 1089 879.252 95.803

5. 3. Побудова регресійної залежності для оцінки вогнестійкості стале- залізобетонних плит

При визначенні зниження параметрів механічних властивостей бетону та сталі має бути визначена температура елементів сталевого профільованого лис- та та арматури. Значення температури нижньої полиці, стінки та верхньої поли- ці сталевого профільованого листа можуть бути розраховані за [13, 16, 21, 22]:

2

0 1 2 3 4

3

1 .

     _a      

r

b b b A b b

l L (14)

Температура робочої арматури визначається:

3

0 1 2 3 4 5

2 3

1.

   _s        

r

u A

c c c z c c c

h L l (15)

Параметри регресійних залежностей визначаються за табл. 3 схемою, що наведена на рис. 8 та формулами (2), (3), (16).

Not

a reprint

(16)

u1 u3 u2

 

Рис. 8. Схема визначення геометричних параметрів сталезалізобетонної плити при визначенні температур її сталевих елементів за регресійними залежностями

(доповнено визначення параметрів вище) Параметр z визначається за формулою [13, 16, 21, 22]:

1 2 3

1 2 2 3 1 3

  .

  

u u u

z u u u u u u (16)

Таким чином визначається універсальний параметр, що узагальнює геоме- тричні дані перерізу сталезалізобетонних плит, які є значущим для визначення температурних показників для елементів перерізу.

Використовуючи дані геометричних параметрів, наведених у табл. 3, зна- чення температур, отриманих у ході розрахунку та наведених у табл. 4, а також регресійні залежності (14), (15), були отримані їхні коефіцієнти. Таким чином, знайдені коефіцієнти використані для проведення обчислення температури елементів сталевого профільованого листа та арматури сталезалізобетонних плит при аналізі вогнестійкості за класами REI 150 та REI 180. Отримані зна- чення для регресійної залежності (14) наведені у табл. 5, а для регресійної за- лежності (15) наведені у табл. 6.

Таблиця 5

Коефіцієнти регресійної залежності для визначення температури у елементах сталевого профільованого листа сталезалізобетонних плит.

Клас вогнес- тійкості

Елемент сталевого

профільованого листа b0, °C b1,

°Cмм b2,

°Cмм b3, °C b4, °C REI 150

Нижня полка 940.338 1257.58 -1.002 191.711 -130.027 Стінка 1388.66 1236.71 -0.684 -844.651 450.557 Верхня полка 1281.58 62.073 -0.319 -609.989 342.772 REI 180

Нижня полка 1008.25 1295.26 -0.931 248.557 -158.9 Стінка 1930.95 1285.77 -0.686 -1893 1054.03 Верхня полка 962.362 -619.59 -0.043 291.282 -143.636

For reading

only

(17)

Таблиця 6

Коефіцієнти регресійної залежності для визначення температури у елементах сталевого профільованого листа сталезалізобетонних плит

Клас вогнестійкості c0, °C c1, °C c₂, °Смм^0,5 c3, °Cмм c4, °C/° c₅, °Cмм REI 150 2.962 60.191 -159.842 56.147 0.688 2940.054 REI 180 3.181 88.139 -217.848 60.302 1.183 4992.853 Отримані результати розподілу температури по досліджуваним плитам по- казують, що найбільш за все настання граничного стану втрати теплоізольова- ної здатності залежить від товщини сталезалізобетонної плити у найбільш вузь- кому місці між ребрами плити.

Наведений аналіз поданих на рис. 7–9 температурних розподілів показав, що настання граничного стану втрати теплоізольованої здатності за час більше 120 хв впливу стандартного температурного режиму пожежі відбувається тіль- ки для двох перших типів плит.

6. Обговорення результатів дослідження теплового впливу пожежі на сталезалізобетонні плити із профільованими сталевими листами

Результати розрахунків розподілу температури показали (рис. 7–9), що для двох перших типів плит спостерігається стан втрати теплоізолювальної здатно- сті, то ж для даних типів плит (1) має бути відкоригована. За результатами ана- лізу температурних розподілів (рис. 7–9) видно, що показники температури по- лок та стінок профільованих сталевих листів не дуже відрізняються, що дає змогу отримати коректну регресійну залежність для визначення їхньої темпера- тури. У цілому помітно, що профільовані листи нагріваються більше за 1000 °С за умов теплового впливу триваліше за 120 хв пожежі. Це значить, що при спрощеному визначенні вогнестійкості плити наявність сталевого листа можна не враховувати і розглядати її як залізобетонну конструкцію. Арматурний сте- ржень у ребрі плити також нагрівається до температури більше за 800 °С. Такий стан зумовлює суттєве зменшення міцності розтягнутої арматури усередині плити. Це підвищує роль для несучої здатності плити під час пожежі триваліс- тю більше 120 хв. верхньої арматури. Отримані регресійні залежності дозволя- ють розраховувати сталезалізобетонні плити із профільованими сталевими лис- тами на відповідність до класів вогнестійкості REI 150 та REI 180. Дана обста- вина суттєво розширює можливість використовувати даний тип сталезалізобе- тонних плит для протипожежних перекриттів І типу та у якості перекриттів у висотних будівлях у відповідності до вимог будівельних норм. Використання даної методики обмежується тільки для сталезалізобетонних плит із профільо- ваними листами, ребра яких мають трапецеїдальну форму та звужуються дони- зу. В перспективі дана методика може бути розширена для використання її при аналізі вогнестійкості сталезалізобетонних плит із сталевими профільованими листами із ребрами трапецеїдальної форми, що розширюються донизу.