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)

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.

1. Балка Deltabeam® испытывает значительные перепады температуры по высоте сечения из-за ее конструктивных особенностей.
2. Бетон вокруг тела балки является ее теплоизоляцией и ограничивает повышение температуры в верхней пластине балки.
3. Увеличение толщины стенки балки не ведет к повышению ее огнестойкости, а наоборот снижает его.
4. 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:

1. ГОСТ 30247.0–94 (ИСО 834–75). Конструкции строительные. Методы испытания на огнестойкость. Общие требования. — Москва: Изд-во стандартов, 2003. — 11 с.
2. 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.
3. Еврокод 2. Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости. ТКП EN 1992–1–2–2009, (02250). — Минск: Минстройархитектуры, 2010. — 87 с.
4. Еврокод 3. Проектирование стальных конструкций. Часть 1–2. Общие правила определения огнестойкости. ТКП EN 1993–1–2–2009, (02250). — Минск: Минстройархитектуры, 2010. — 80 с.
5. 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.
6. Maraveas C. Fire resistance of delta composite beams: A numerical investigation. Journal of Structural Fire Engineering, 2014, vol. 4, no. 2, pp. 121–147.
7. Maraveas, C. Numerical Analysis of DELTA composite beams in fire, Seventh European Conference on Steel and Composite Structures — EUROSTEEL, Naples, Italy, September, 2014.
8. 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.
9. Deltabeam Technical Manual, http://www.peikko.com, 08/2014.