При какой температуре металл теряет несущую способность
Хотя металлические (стальные) конструкции выполнены из несгораемого материалов, фактический предел огнестойкости в среднем составляет 15 мин. Это объясняется достаточно быстрым снижением прочностных и деформативных характеристик металла при повышенных температурах во время пожара. Интенсивность нагрева МК зависит от ряда факторов, к которым относятся характер нагрева конструкций и способы их защиты.
Различают несколько температурных режимов пожара:
— режим пожара в туннеле;
— режим углеводорожного пожара;
— режимы наружного пожара и т.д.
При определении пределов огнестойкости создается стандартный температурный режим, характеризуемый следующей зависимостью
Температурный режим углеводородного пожара выражается следующей зависимостью
Наступление предела огнестойкости металлических конструкций наступает в результате потери прочности или за счет потери устойчивости самих конструкций или их элементов. Тому и другому случаю соответствует определенная температура нагрева металла, называемая критической, т.е. при которой происходит образование пластичного шарнира.
Расчет предела огнестойкости сводится к решению двух задач: статической и теплотехнической.
Статическая задача имеет целью определения несущей способности конструкций с учетом изменения свойств металла при высоких температурах, т.е. определения критической температуры в момент наступления предельного состояния при пожаре.
В результате решения теплотехнической задачи определяется время нагрева металла от начала действия пожара до достижения в расчетном сечении критической температуры, т.е. решение этой задачи позволяет определить фактический предел огнестойкости конструкции.
Основы современного расчета предела огнестойкости стальных конструкций представлены в книге «Огнестойкость строительных конструкций» *И.Л. Мосалков, Г.Ф. Плюснина, А.Ю. Фролов Москва, 2001 г. Спецтехника), где расчету предела огнестойкости стальных конструкции посвящен раздел 3 на стр. 105-179.
Метод расчета пределов огнестойкости стальных конструкций с огнезащитными покрытиями изложены в Методических рекомендациях ВНИИПО «Средства огнезащиты для стальных конструкций. Расчетно-экспертиментальный метод определения предела огнестойкости несущих металлических коснтрукций с тонкослойными огнезащитными покрытиями».
Результатом расчета является вывод о фактическом пределе огнестойкости конструкции, в том числе с учетом решений по ё огнезащиты.
Для решения теплотехнической задачи, т.е. задачи в которой необходимо определить время прогрева конструкции до критической температуры, необходимо знать расчетную схему нагружения, приведенную толщину металлической конструкции, количество обогреваемых сторон, марку стали, сечения (момент сопротивляние), а также теплозащитные свойства огнезащитных покрытий.
Эффективность средств огнезащиты стальных конструкций определяется по ГОСТ Р 53295-2009 «Средства огнезащиты для стальных конструкций. Общие требования. Метод определения огнезащитной эффективности». К сожалению данный стандарт не может применяться для определения пределов огнестойкости, об этом прямо написано в п. 1 «Область применения»: » Настоящий стандарт не распространяется на определение пределов огнестойкости строительных конструкций с огнезащитой».
Дело в том что по ГОСТу в результате испытаний устанавливается время прогрева конструкции до условно критической температуры в 500С, в то время как расчетная критическая температура зависит от «запаса прочности» конструкции и её значение может быть как меньше 500С, так и больше.
За рубежом средства огнезащиты проходят испытания на огнезащитную эффективность по достижению критической температуры 250С, 300С, 350С, 400С, 450С, 500С, 550С, 600С, 650С, 700С, 750С.
Требуемые пределы огнестойкости установлены ст. 87 и таблицей № 21 Техническим регламентом о требованиях пожарной безопасности.
Степень огнестойкости определяется в соответствие с требованиями СП 2.13130.2012 «Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты».
Кроме того этим же пунктом ограничено применение тонкослойных огнезащитных покрытий (огнезащитных красок) для несущих конструкций с приведенной толщиной металла 5,8 мм и менее в зданиях I и II степеней огнестойкости.
Несущие стальные кострукции являются в большинстве случаев элементами рамно-связевого каркаса здания, устойчивость которого зависит как от предела огнестойкости несущих колонн, так и от элементов покрытия, балок и связей.
В соответствие с требованиями п. 5.4.2 СП 2.13130.2012 » К несущим элементам зданий относятся несущие стены, колонны, связи, диафрагмы жесткости, фермы, элементы перекрытий и бесчердачных покрытий (балки, ригели, плиты, настилы), если они участвуют в обеспечении общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания при пожаре. Сведения о несущих конструкциях, не участвующих в обеспечении общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания, приводятся проектной организацией в технической документации на здание«.
Таким образом все элементы рамно-связевого каркаса здания должны иметь предел огнестойкости по наибольшему из них.
Стальные конструкции. При температуре нагрева до 400 °С стальные конструкции могут эксплуатироваться без ограничения
При температуре нагрева до 400 °С стальные конструкции могут эксплуатироваться без ограничения. При нагреве конструкций до температур 400–600 °С предел текучести и предел прочности стали падают, возрастают удлинения, а после ее охлаждения восстанавливаются прежние значения. Нагрев стальных конструкций до температур 600–900 °С приводит к дальнейшему падению прочностных характеристик стали, конструкции сильно деформируются, их эксплуатация возможна с ограничением нагрузок. При длительном воздействии температур более 900 °С конструкции к дальнейшему использованию непригодны.
Оценка состояния стальных конструкций в зависимости от температуры нагрева приведена в таблице 5.7.
Таблица 5.7 – Характер повреждения стальных конструкций при огневом воздействии
| Характер повреждений элементов стальных конструкций | Предполагаемый режим температурного воздействия, 0 С | Степень повреждения |
| Мало деформированы – небольшие вмятины и пробоины второстепенных и не сильно нагружен-ных элементов; местные искривления, не снижающие несущей способности конструкций; на поверхности легко очищаемый нагар и обгоре-вшие кромки; твердость стали соответствует ее марке; снижение прочности конструкций на 15 % | Непродолжитель-ный, при температуре 400–600 °С. При температуре более 500 °С сталь в темноте светится | Слабая |
| Повреждения, снижающие несущую способность конструкций, но не сопровождающиеся потерей несущей способности основных эле-ментов; на поверхности нагар и тонкий слой окалины, местами отслаивающийся; твердость стали снижается на 10–15 %; прочность конструкций – на 30 % | То же, при температуре 700–900 °С. При температуре 700 °С свечение стали становится темно-красным | Средняя |
Окончание таблицы 5.7
| Характер повреждений элементов стальных конструкций | Предполагаемый режим температурного воздействия, 0 С | Степень повреждения |
| Потеря несущей способности конструкции при эксплуатационных нагрузках; разрушение узлов и соединений, разрыв по всему сечению или искривление на большой длине основных элементов; имеется толстый слой окалины; Образование твердой и хрупкой пленки серо-вато-синего или черного цвета и язв губчатого строения; сильная деформация нагруженных конструкций, появление участков конструкций с изломами, разрывами оплавленного материала; твердость стали снижается на 30 % и более; прочность конструкций – на 65 % и более | Длительный, при температуре свыше 900 °С | Сильная |
| Разрушение отдельных конструкций и частей здания; имеют место оплавление и пережог металла | Длительный, при температуре около 1400 °С | Аварийная |
Помимо коробления стальных конструкций от пожара возникают повреждения конструкций от их линейного удлинения (коэффициент линейного удлинения стали равен 
). При возрастании температуры на каждые 100 °С один метр длины стальной конструкции удлиняется в среднем на 1,3 мм. Так как обычно линейные деформации элементов ограничены узлами, опорами, заделками в стены и т. п., то на последние передаются большие распорные усилия. В результате происходят искривления, сдвиг и обрушение опорных, а вместе с тем и вышележащих конструкций.
Изменение механических характеристик металла при нагреве
Механические свойства металла изменяются в зависимости от его температурного состояния. В процессе сварки металл подвергается нагреву до высоких температур, изменение которых происходит в широких пределах и в сравнительно короткое время.
Механические характеристики металла при высоких температурах нельзя считать полностью исследованными. Более обстоятельно изучены механические свойства металла в области упругих изменений. На фиг. 9 представлено изменение механических характеристик стали в зависимости от температуры при нагреве до 500—600° С [2].
Модуль упругости стали Е при нагревании постепенно понижается, а коэффициент теплового расширения а возрастает. В области температур упругих изменений стали произведение аЕ можем принять постоянным и равным (хЕ = 12 • 10-6 • 2,1 • 106^ = 25 кГ/см2.
Предел прочности стали оь с повышением температуры до 100°С несколько снижается, затем при дальнейшем нагреве повышается и имеет наибольшее значение в области температур 200—300°С. При нагреве от 300 до 500°С предел прочности стали, кроме жароупорной, постепенно понижается. При температуре выше 500°С предел прочности стали резко снижается, принимая при 600°С весьма низкие значения по сравнению с прочностью при обычных температурах.
Пластические свойства стали, характеризуемые относительным удлинением и поперечным сужением при разрыве, неск(элько снижаются в области температур 150—300° С. С увеличением температуры выше 300°С пластические свойства стали возрастают. Такой характер изменения пластических свойств стали показывает, что при большой скорости остывания закрепленного стального элемента его разрыв при температурах 150—300°С весьма вероятен. Этим объясняется целесообразность предварительного подо-
грева стали при сварке до 150—200° С, чтобы замедлить остывание после сварки.
Предел текучести стали ст с повышением температуры до 500° С несколько понижается, а затем при дальнейшем повышении температуры (свыше 500°С) резко падает, доходя почти до нуля при температуре 600°С.
Фиг. 9. Зависимость механических свойств стали от температуры.
В действительности предел текучести стали несколько повышается в области температур 150—300°С, затем постепенно понижается при нагреве до 500° С, а после этого резко падает (фиг. 10, пунктирная кривая). Ввиду малых значений предела текучести стали при температуре 600°С и выше, примем допущение, что предел текучести сталей, кроме жароупорной, при температуре 600° С и выше имеет нулевое значение (фиг. 11). Другими словами, будем считать, что при температуре 600°С и выше сталь находится только в пластическом состоянии, теряя полностью свои упругие свойства.
При охлаждении стали ниже нуля предел прочности и предел текучести повышаются, причем предел текучести приближается к пределу прочности.
При весьма низкой температуре сталь теряет пластические свойства, переходит в хрупкое состояние и становится хладно-
Фиг. 10. Зависимость предела текучести аг стали
1 — схематизированная диаграмма; 2 — действительная диаграмма.
Фиг. 11. Условная зависимость предела текучести стали от температуры:
1 — схематизированная диаграмма; 2 — условная диаграмма.
ломкой. Для каждого металла существует своя критическая температура, выше которой металл способен пластически деформироваться, а при температурах ниже критических металл теряет способность к образованию пластических деформаций и разрушается в виде хрупкого излома. Для стали критическая температура, ниже которой происходит хрупкое разрушение, находится в области — 65—160° С.
Помимо низких температур, на хрупкое разрушение стали большое влияние оказывает концентрация напряжений, вызванная
Фиг. 12. Работа излома стали при разных температурах; а — ненадрезанные образцы; б — надрезанные образцы.
надрезами и неровностями. Хрупкое состояние стали может быть вызвано объемным напряженным состоянием, при котором весьма затруднено образование пластических деформаций.
На фиг. 12 приведены кривые ударной вязкости котельной стали в зависимости от температуры [3]. Кривые А соответствуют результатам испытаний стали, подвергавшейся предварительно нормализации для измельчения зерна, а кривые В соответствуют результатам испытаний крупно-зернистой стали.
Критическая температура ненадрезанных образцов для стали А— 160°С, а для стали В—90°С. При наличии надрезов критическая температура хрупкого разрушения значительно выше и для стали А равна +5° С, а для стали В +45° С (см. фиг. 12).
ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НА ПРОЧНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ (БЕТОН, ЖЕЛЕЗОБЕТОН, МЕТАЛЛ)
Большую роль играет влияние высоких температур на такие строительные материалы как бетон, железобетон и металл, так как они являются наиболее распространенными и чаще всего используются в процессе строительства и производства оборудования по сравнению с другими материалами.
Как известно, щебень, цемент, вода и песок являются основными составляющими бетона. И необходимо, чтобы во время процесса бетонирования были соблюдены определенные условия, такие как нормальная температура и уровень влажности воздуха. При застывании бетонной смеси происходит процесс гидратации (присоединение молекул воды к ионам вещества), который является экзотермическим и происходит с выделением теплоты в большом количестве. В данном случае, при повышении температуры выше допустимой, начинается интенсивное испарение воды, в результате чего образуется большое количество незаполненных пор. Как следствие этого, снижается плотность бетона и происходит резкое ухудшение прочностных показателей. Воздействие высокой температуры при застывании, приводит к появлению у материала высокой прочности в течение первых нескольких суток, но затем ситуация изменятся в обратную сторону. Образцы, сформировавшиеся при нормальной температуре, все-таки, оказываются более прочными. В диапазоне более низких температур имеется оптимальное значение, при котором бетон достигает самой высокой прочности. Отметим тот факт, что бетон, который изготовили при оптимальной температуре 4,4° С, в течение месяца хранили при низкой температуре (—3,9° С), а затем при 23,9° С на протяжении трех месяцев является более прочным, чем такой же бетон, хранившийся при неизменной температуре 23,9° С. Но можно ослабить уровень негативного воздействия высоких температур в процессе схватывания бетона, применив в качестве добавки хлористый кальций. В целом, многолетний строительный опыт показывает, что бетон, укладываемый зимой, при правильном уходе, будет иметь более высокую прочность, чем аналогичный – укладываемый летом. Как подтверждение этого, отметим, что в тропических странах наблюдается тенденция более низкой его прочности. Таким образом, чем выше температура при схватывании бетона, тем ниже прочность.
Что касается воздействия высоких температур на готовые изделия из бетона, то здесь, также наблюдается негативное влияние. Прочность бетона снижается. Это заметно уже при нагреве до 200-300° C, свыше 300° C происходят изменения, приобретающие необратимый характер. Прочность уменьшается в 2 раза при нагреве до 400° C и в 3 раза – до 500° C. Увеличение деформативности и уменьшение модуля упругости бетона, также являются последствием воздействия высоких температур.
Касаемо железобетона, ситуация обстоит немного иначе. Как известно, железобетонные конструкции состоят из бетона и арматуры, поэтому здесь имеет место комбинированное воздействие высоких температур, в результате которого возникают внутренние напряжения. Они вызваны различными коэффициентами деформации цементного камня, заполнителя и стальной арматуры. При постоянном воздействии на железобетон технологических температур, как было указано выше, происходит снижение прочности бетона. Как правило, он разрушается при длительном нагреве до 500-600º С и последующем охлаждении. Происходит снижение прочности сцепления арматуры периодического профиля с бетоном на 30%. Однако сцепление гладкой арматуры с бетоном резко уменьшается уже при 250º С. Под влиянием высоких температур происходит разрушение железобетонных балок, как следствие разрыва растянутой арматуры, нагретой до предельной температуры.
Наиболее подверженным воздействию высоких температур является металл. При нагревании в нем возрастает подвижность атомов, происходит обмен их местами, увеличение амплитуды колебаний и ослабление межатомных связей. Именно это влечет за собой изменения физико-механических и механических, прочности в частности, свойств металлов и сплавов.
Различные виды стали широко применяются для изготовления различных металлоконструкций уже с 80-х годов XX века, поэтому именно она заслуживает наибольшего внимания. Стальные конструкции обладают небольшой массой и высокой прочностью, отличаясь при этом незначительными габаритами. При воздействии высоких температур около 200-250° С, свойства стали практически остаются неизменными. Но уже при нагревании до 250-300° С происходит незначительное повышение прочности и снижение пластичности. При такой температуре сталь становится более хрупкой. В данном случае не рекомендуется подвергать её деформациям или оказывать ударное воздействие. В результате нагрева свыше 400°С происходит резкое падение предела текучести и временного сопротивления, а при дальнейшем повышении температуры до 600° С сталь теряет свою несущую способность, как следствие наступившей температурной пластичности. В данном случае при воздействии высоких температур с уменьшением толщины стенки происходит потеря прочности и переход из упругого состояния в упруго-пластичное.
Таким образом, при влиянии на металл значительных температур, падают пределы упругости, текучести, прочности и твердость, а сопротивление удару, удлинение и уменьшение поперечного сечения при разрыве растут. При повышении температуры происходит проявление способности металла к очень медленному, но непрерывному изменению размеров под действием слабых и постоянных по времени напряжений. Металл удлиняется, «ползет». Это явление называется «ползучесть». При постепенном удлинении металла появляются микропустоты и трещины с концентрацией напряжений вокруг них и, в конечном счете, происходит разрыв.
Ползучесть стали является практически одним из наиболее важных проявлений влияния высоких температур на сталь при длительной внешней нагрузке. Под действием постоянной по величине нагрузки нагретый металл начинает непрерывно деформироваться (ползти), причем величина напряжения, вызвавшего пластическую деформацию, может быть значительно ниже предела текучести, определенного при этой температуре. Практически считают, что, начиная с 400°, расчеты следует проводить, принимая во внимание ползучесть. Необходимо учитывать явление ползучести при выборе материала для изготовления различного рода конструкций, особенно для деталей турбин, авиационных двигателей, энергетических установок, которые работают при высоких температурах.
Таким образом, воздействие высоких температур практически на любой строительный материал приводит к отрицательным последствиям, в результате чего происходит потеря прочностных свойств и несущей способности. Для того чтобы оградить материалы от отрицательных температурных воздействий необходимо устраивать защитные слои из огнестойких материалов, либо использовать для изготовления конструкций и оборудования специальные особо прочные материалы, предназначенные для применения в высокотемпературных средах.
Разрушение строительных металлоконструкций в условиях пожара
П.В. Пучков, В.В. Киселев, А.В. Топоров
В данной статье рассматривается поведение металлоконструкций в условиях пожара. Рассмотрены причины потери механических свойств и способы огнезащиты металлоконструкций.
Ключевые слова: перегрев стали, пережог стали, охрупчивание, огнестойкость, огнезащита.
В настоящее время в строительстве всѐ более возрастающим спросом пользуются металлоконструкции, изготовленные из качественных конструкционных сталей. Известно, что конструкционные стали – это сплавы на основе железа и углерода, с содержанием углерода от 0,3 до 0,7 %, которые применяются для изготовления различных деталей, механизмов и конструкций в машиностроении и строительстве и обладают определѐнными механическими, физическими и химическими свойствами. Широкое применение металлоконструкций в строительстве обусловлено множеством существенных преимуществ по сравнению с другими способами возведения зданий: 1 – меньшей массой (если сравнить с бетонными и железобетонными изделиями); 2 – простотой и серийностью изготовления; 3 – лѐгкостью монтажа и демонтажа; 4 – удобством и быстротой возведения; 5 – возможностью осуществления монтажа крупными блоками; 6 – транспортабельностью; 7 – прочностью и долговечностью; 8 – надѐжностью в эксплуатации.
Следует отметить, что для сооружений сельскохозяйственного и промышленного назначения строительные металлоконструкции совершенно незаменимы. Ангары, фермы, навесы, павильоны, склады и быстровозводимые здания из металлоконструкций – это высокая скорость возведения, долговечность, мобильность и надѐжность построек. Кроме того, строительные металлоконструкции открывают эпоху самого экономичного способа возведения построек различного назначения. Металлоконструкции весьма легки, но при этом крайне надѐжны, а монтаж металлоконструкций не требует применения дорогостоящего оборудования или тяжѐлой грузоподъѐмной строительной техники. Сроки возведения сооружений и зданий из металлоконструкций чрезвычайно малы, при этом сами работы по строительству и монтажу металлоконструкций на объекте могут выполняться всесезонно, практически независимо от капризов погоды.
Несмотря на ряд достоинств металлоконструкций перед другими строительными конструкциями (кирпичными, бетонными, железобетонными и т. д.), у них есть существенный недостаток. Хотя сталь и является негорючим материалом, она, как и все материалы, используемые в строительстве, не может в течение длительного времени выдерживать воздействие высоких температур, возникающих внутри здания при пожаре. Конструкционные стали обладают высокой чувстви30 Научные и образовательные проблемы гражданской защиты – 2010’3 тельностью к высоким температурам и к действию огня. Они быстро нагреваются, что заметно снижает их прочностные свойства.
Огонь представляет собой химический процесс. В зависимости от горючего материала, огонь может быть углеводородным и целлюлозным. Целлюлозный огонь возникает там, где есть целлюлозные составляющие: напольные покрытия, мебель и облицовка стен. Углеводородный огонь вызван возгоранием нефти и нефтепродуктов, которые при горении дают высокие температуры. При воздействии огня на стальные элементы сооружения увеличение температуры на поверхности стального профиля зависит от тепловой инерции, площади нагреваемой поверхности и защитного покрытия. По мере возрастания скорости и величины теплового потока, температура, а с ней и риск разрушения стального элемента, также возрастает. Поскольку сталь обладает очень высокой теплопроводностью, открытая поверхность элемента за небольшое время легко передает тепловой поток от источника огня по всей конструкции сооружения. Также хорошо известно, что тепло переносится между элементами с разной температурой и представляет собой форму термической энергии, передаваемой через поверхность материала, от сред с высокой температурой в среды с низкой температурой, за счѐт теплопроводности, излучения или конвекции. Стали обладают очень высокой теплопроводностью. Данное свойство обусловлено особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем энергетическом уровне находится небольшое число электронов, и они слабо связаны с ядром, благодаря чему эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объѐму металла, т. е. принадлежать целой совокупности атомов.
Таким образом, высокая теплопроводность обеспечивается наличием «электронного газа».
Критическая температура, при которой происходит потеря несущей способности стальных конструкций при нормативной нагрузке, принимается равной 500 °С. Металлоконструкции без огнезащиты деформируются и разрушаются под воздействием напряжений, возникающих в структуре стали, а также от внешних нагрузок и температуры. При возникновении пожара внутри здания или сооружения, температура в зоне горения может достигать порядка 1000 °С, при такой температуре структура стали необратимо изменяется. Это явление называется пережогом стали. Пережог имеет место, когда температура нагрева приближается к температуре плавления и металл в течение длительного времени находился при высокой температуре в окислительной атмосфере кислорода воздуха. Известно, что стали – это поликристаллические тела, состоящие из множества кристаллов (зѐрен), сцепленных между собой. Механические свойства стали во многом зависят от силы сцепления зѐрен друг с другом. При значительном перегреве стали наблюдается окисление и частичное оплавление границ зѐрен, что резко снижает прочность материала. Образовавшиеся окислѐнные зѐрна стали обладают малым взаимным сцеплением из-за наличия на их границах плѐнки окислов. При этом излом такой стали будет камневидным (рис. 1б). Пережог стали очень опасен, потому что при этом сталь становится очень хрупкой, а механические свойства стали резко снижаются, именно поэтому металлическая конструкция теряет свою несущую способность. Пережог стали дефект неисправимый, устранить который можно только переплавкой стали. Металлическую конструкцию, подверженную воздействию высоких температур при пожаре, впоследствии эксплуатировать нельзя. При интенсивном нагреве стальной поверхности наблюдается окалинообразование, обезуглероживание поверхностного слоя (выгорание углерода в поверхностном слое металла, способстНаучные и образовательные проблемы гражданской защиты – 2010’3 31 вующего возникновению растягивающих напряжений в поверхностном слое, снижающих усталостную прочность стали) и рост аустенитного зерна. Величина образовавшегося зерна аустенита в дальнейшем оказывает влияние на свойства стали. Чем выше величина зерна аустенита, тем ниже механические свойства стали.
Так же очень опасен перепад температур по сечению металлического каркаса сооружения, что приводит к возникновению термических напряжений. Резкие перепады температур по сечению металлоконструкции возникают при тушении пожара, когда на раскалѐнную стальную поверхность попадает огнетушащее средство – вода. Так, если при резком перепаде температур растягивающие напряжения в материале превысят предел прочности σв или предел текучести σт, то возможно коробление металлоконструкции или образование в ней трещин.
0 100 200 300 400 t°С
10 20 30 40 50 60 70 80
σ, кГ/мм2 Е 15 25 35 45
σВР σТР δ% Е, кГ/мм2 δ, %
1,4*104 1,8*104 2,2*104 500
Рис. 1. Микроструктура углеродистой стали 35 в зависимости от температуры нагрева (×100): а – микроструктура стали без перегрева; б – микроструктура стали после длительного воздействия высоких температур (пережог)
Рис. 2. Зависимость механических свойств малоуглеродистой стали от температуры
Следует отметить, что при нагревании стали выше 300 °С еѐ предел прочности снижается.
На рис. 2 показана зависимость от температуры модуля упругости Е, предела текучести σтр, предела прочности σвр и удлинения при разрыве δ для малоуглеродистой стали (например, из Ст3 изготавливают швеллеры, из Ст1, Ст2, Ст3 изготавливают катанку для арматуры, уголки, проволоку, гвозди, заклѐпки, а из Ст10, 15, 20 трубы) в интервале 0 – 500 °С. Как видно из приведенных кривых, модуль упругости в пределах изменения температуры до 300 °С практически не меняется. Более существенные изменения претерпевают величина σвр и, особенно, δ, причѐм имеет место, как говорят, «охрупчивание» стали – удлинение при разрыве уменьшается. При дальнейшем увеличении температуры пластичные свойства стали восстанавливаются, а прочностные показатели быстро падают.
Фактический предел огнестойкости стальных конструкций в зависимости от толщины элементов сечения и действующих напряжений составляет от 0,1 до 0,4 часа. В то время как минимальные значения требуемых пределов огнестойкости основных строительных конструкций, в том числе металлических, составляют от 0,25 до 2,5 ч в зависимости от степени огнестойкости зданий32 Научные и образовательные проблемы гражданской защиты – 2010’3 и типа конструкций. Для обеспечения данных требований необходимо проведение мероприятий по огнезащите металлических поверхностей.
Выполнить огнезащиту металлического каркаса сооружения от негативного влияния высоких температур, возникающих при пожаре, можно по-разному. Огнезащита, блокируя тепловой поток от огня к поверхности конструкций, предохраняет еѐ от быстрого прогревания и позволяет сохранить несущую способность в течение заданного времени.
Для защиты металлической конструкции можно создать на поверхности конструкций теплоизолирующие экраны, выдерживающие высокие температуры и непосредственное действие огня. Это позволяет замедлить прогревание металла и обеспечить сохранение конструкцией своих функций при пожаре в течение заданного периода времени.
Наиболее доступны традиционные методы (обетонирование, оштукатуривание цементнопесчаными растворами, облицовка кирпичной кладкой, окрашивание вспучивающейся краской). Также можно применить новые современные методы, основанные на механизированном нанесении облегчѐнных материалов и лѐгких заполнителей (асбеста, вспученного перлита и вермикулита, минерального волокна, обладающих высокими теплоизоляционными свойствами) или на использовании плитных и листовых теплоизоляционных материалов (гипсокартонных и гипсоволокнистых листов, асбестоцементных плит и др.). Эффективность современных методов огнезащиты металлических конструкций достаточна велика.
В зависимости от толщины слоя штукатурного состава, конструктивных огнезащитных листов и плит обеспечивается предел огнестойкости стальных конструкций от 0, 25 до 2,5 часов. Действие огнезащитных красок основано на вспучивании нанесѐнного состава при температурах 170 – 200 °С и образовании пористого теплоизолирующего слоя, толщина которого составляет несколько сантиметров. Вспучивающиеся краски обеспечивают защиту стальных конструкций от огня в течение 1 часа.
Параметры оптимальной огнезащиты металлоконструкций определяются для каждой конкретной конструкции. Такой выбор должен проводиться на основе технико-экономического анализа с учѐтом: величин заданного предела огнестойкости для конструкций; их типа, геометрических размеров защищаемых конструкций и состояния поверхности; вида и величины нагрузки на конструкции; температурно-влажностных условий эксплуатации и производства строительномонтажных работ; степени агрессивности окружающей среды по отношению к огнезащите и материалу конструкции; увеличения нагрузки на конструкцию за счѐт массы огнезащиты; трудоѐмкости нанесения (монтажа) огнезащиты; эстетических требований; долговечности; техникоэкономических показателей.
1. Страхов В.Л., Кругов А.М., Давыдкин Н.Ф. Огнезащита строительных конструкций. – М.: ТИМР, 2000, 436 с.
2. Романенков И.Г., Зигерн-Корн В.Н. Огнестойкость строительных конструкций из эффективных материалов. – М.: Стройиздат, 1984, 28 с.
3. Гуляев А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1986, 542 с.: ил.
4. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1984, 360 с.
