Глава 9. Прогрев незащищенных стальных конструкций в цеху при горении трансформаторного масла

Значительная часть производственных зданий предприятий различных отраслей промышленности в нашей стране и за рубежом выполнена с применением несущих каркасов из металлических конструкций. Применение металлических конструкций оправдано их высокой прочностью, надежностью и индустриальностью в изготовлении с учетом принципов унификации и стандартизации. Кроме того, металлические конструкции удобны в эксплуатации, легко ремонтируются и могут быть усилены при проведении реконструкции в случае увеличения эксплуатационных нагрузок.

Однако металлические конструкции обладают такими недостатками, как: подверженность воздействию коррозии, а также малой огнестойкостью при температурах выше 400 ºС [19]. И то и другое требует специальных мероприятий по защите металлических конструкций.

Основной причиной повышения температуры в непосредственной близости от несущих конструкций каркаса здания и на их поверхности может быть возникновение пожара. При этом температура постепенно повышается до 1000 ºС и более. При такой температуре в стали могут происходить значительные изменения.

Основными характеристиками сталей при работе в условиях воздействия повышенных температур являются их прочностные свойства. Так, например, в сталях имеющих площадку текучести, с повышением температуры она становится все менее заметной и при температурах выше 300 ºС отсутствует.

Другим не менее важным критерием пригодности стали к работе, при воздействии на нее повышенных температур, является ее пластичность. Так при повышении температур в интервале 200…350 ºС для горячекатаных сталей характерно повышение временного сопротивления и понижение пластичности стали. При достижении углеродистой сталью такой температуры она приобретает так называемую синеломкость.

При повышении температуры до 500 ºС предел текучести стали постепенно начинает снижаться. Снижается также и временное сопротивление стали.

При дальнейшем нагреве в интервале температур 450…600 ºС, углеродистые стали склонны к графитизации и сфероидизации карбидов [22]. Наличие элементов графитизации и сфероидизации свидетельствуют о дальнейшем разупрочнении стали и снижении ее механических свойств при нагреве. По различным данным [13, 14] при нагреве стали до 500 ºС происходит снижение временного сопротивления на величину до 80 % от первоначального значения. В соответствии с этим за предельную температуру нагрева углеродистых сталей принимается температура равная 500 ºС.

Рассмотрим последствия воздействия повышенных температур на реальные конструкции при возникновении пожара в турбинном цехе ТЭЦ-1 г. Воронежа в 2000 году. Причиной возникновения пожара послужило самовозгорание масла, вытекшего из турбины. Температура горения масла составляет 1300…1400 ºС. Продолжительность пожара (по акту о пожаре) составила 10 минут. За это время стальная колонна каркаса по оси 46 получила повреждения в виде искривления стенки и полки двутавра внутренней (подкрановой) ветви колонны и элементов решетки колоны, выполненной из прокатных уголков (рис. 9.1 и 9.2). Кроме того, верх колонны осел на 17.5 мм (выявлено при нивелировке подкрановых балок).

Расчет предела огнестойкости стальных конструкций ввиду их равномерного нагрева по сечению при пожаре заключается в определении времени достижения сталью критической температуры (500 ºС), при которой модуль упругости и предел текучести стали снижаются ниже расчетных значений. Следовательно, задача определения огнестойкости сводится к необходимости решения конкретной теплофизической задачи и получения аналитической зависимости температуры стали и времени ее разогрева от условий протекания реального пожара.

Для получения расчетной зависимости ввиду малости величины термического сопротивления металлических конструкций будем пренебрегать температурным перепадом по высоте колонны, т. е. примем его равным нулю.

Рис.9. 1. Искривление полки и стенки прокатного двутавра в подкрановой части сквозной колонны по оси 46		Рис.9. 2. Искривление элементов решетки в нижней части сквозной колонны по оси 46

Тогда теплосодержание элемента в любой момент времени равно количеству тепла поступающего в конструкцию через поверхность нагрева. В этом случае математическая постановка задачи в виде дифференциального уравнения на основе баланса поступающего в конструкцию в процессе пожара тепла и роста температуры будут описываться следующим уравнением:

, (9.1)

где с - удельная теплоемкость стали, КДж·кг^-1·К^-1; γ - плотность стали, кг·м³; v - объем рассматриваемого элемента, м; α - коэффициент теплоотдачи, КДж·м²·ч^-1·К^-1; t_р(τ) - температура реального пожара, °С; t_р(τ) - температура стали, °С; П - поверхность теплообмена, м².

Для получения функции изменения температуры металла со временем, и учитывая, что происходило горение трансформаторного масла, подставим в уравнение (1) вместо t_р(τ) выражение функции «стандартного» пожара в виде

t_в(τ) = 925+150·ln(τ+ε) (9.2)

Тогда получим:

(9.3)

или

t_m+a₁·t_m = a₂·ln(τ+ε)+a₃, (9.4)

где

, (9.5)

Формула (4) представляет собой линейное дифференциальное уравнение первой степени относительно t_m. Для решения этого уравнения сделаем замену функции t_m на две вспомогательные функции u и v, тогда уравнение (4) сводится к двум уравнениям с разделяющимися переменными относительно каждой из вспомогательных функций. Т. е. получим:

и уравнение (4) преобразуется к виду:

или

Так как одну из вспомогательных функций u или v можно взять произвольно, то выберем в качестве v какой-либо частный интеграл уравнения:

(9.6)

Отсюда

(9.7)

Для отыскания u получим уравнение:

, (9.8)

подставляя сюда значение v из (7) , получим:

или

Общий интеграл этого уравнения:

Зная u и v запишем функцию t_m:

Так как значение суммы мало по сравнению с первым членом фигурной скобки, то можно записать:

. (9.9)

Постоянную интегрирования с₁ находим из условия равенства начальных температур металла и пожара при τ = 0 , ;

Тогда из уравнения (9) и, следовательно

(9.10)

Учитывая (2) и (5) из соотношения (10) получим расчетное соотношение для определения огнестойкости стальных конструкций:

(9.11)

Для конструкции сложного профиля, приведенную толщину можно определить из соотношения:

, (9.12)

где S - площадь поперечного сечения металлического профиля, м²; П - подверженная огневому воздействию величина периметра сечения, м. Значение удельной теплоемкости стали (КДж·м^-2·ч^-1·К^-1) в зависимости от температуры, согласно [1], определяется по формуле:

, (9.13)

Коэффициент теплоотдачи а (КДж·м^-2·ч^-1·К^-1) зависит от температуры пожара и определяется по формуле [19]

(9.14)

Таким образом, мы имеем все необходимые для расчета формулы (11) -(14), используя которые получим время наступления предела огнестойкости колонн.

Примем, что температура пожара (горение трансформаторного масла) развивается согласно стандартной зависимости температура - время. При этом следует отметить, что температура пламени при горении нефтепродуктов в резервуарах может достигать 1100…1300 °С. Плотность стали, согласно справочным данным равна 7800 кг/м³. Значение удельной теплоемкости стали примем как среднее значение между начальной и критической температурой колонн, т. е. при 260 °С, которое, в соответствии с формулой (14), будет равно КДж·кг^-1·К^-1.

Приведенная толщина сечения определяется по формуле (14). При 5 минутах огневого воздействия температура пожара достигнет +556 °С и, следовательно, а будет равно:

КДж·м^-2·ч^-1·К^-1.

Подставляя полученное значение в формулу (11), получим:

ºС.

При 10 минутах огневого воздействия на конструкции, температура пожара составит +659 °С. Следовательно, α будет равно:

КДж·м^-2·ч^-1·К^-1,

а температура колонн:

ºС.

Применяя метод линейной интерполяции, получим, что предел огнестойкости колонны будет равен 9.4 мин.

Если предположить, что возгорание произошло в непосредственной близости от колонны, то температуру пламени пожара можно сразу принять максимальной (примем 1100°С). В этом случае уравнение (11) можно преобразовать относительно τ , и тогда получим:

или

Подставляя сюда значения коэффициентов, постоянной температуры пожара и критической температуры для стали, получим:

мин.

Таким образом, предел огнестойкости стальной колонны каркаса находится в интервале от 2.96 до 9.4 мин.

Полученные значения предела огнестойкости и деформации стальной колонной в ходе огневого воздействия свидетельствуют о достижении в процессе пожара предельной огнестойкости металла и начале изменения им своих прочностных и пластических свойств, что подтверждается результатами обследования (см. рис. 1 и 2). Для восстановления работоспособности и долговечности, а также повышения надежности поврежденных в процессе пожара конструкций были разработаны конструктивные мероприятия по усилению деформированной части колонны и восстановлению проектной отметки верха подкрановой части колонны.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте особенности поведения стальных конструкций при пожарах.

2. Сформулируйте принцип расчета предела огнестойкости стальных конструкций.

3. Назовите признаки наступления предела огнестойкости строительных конструкций.

4. Каким образом можно повысить предел огнестойкости стальных конструкций?

5. Какую роль выполняют вспучивающиеся огнезащитные покрытия при пожаре?