Фещук Ю. Л., Поздеев С. В., Нижник В. В. Методология прогнозирования пределов огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой // Международный научный журнал "Интернаука". - 2018. - №14. https://doi.org/10.25313/2520-2057-2018-14-4089
Технічні науки
УДК 614.841.45
Фещук Юрий Леонидович
старший научный сотрудник
Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты
Фещук Юрій Леонідович
старший науковий співробітник
Український науково-дослідний інститут цивільного захисту
Feshchuk Yurii
Senior Research Officer
The Ukrainian Civil Protection Research Institute
Поздеев Сергей Валерьевич
доктор технических наук, профессор,
главный научный сотрудник
Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты
Поздєєв Сергій Валерійович
доктор технічних наук, професор,
головний науковий співробітник
Український науково-дослідний інститут цивільного захисту
Pozdieiev Serhii
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Principal Research Officer
The Ukrainian Civil Protection Research Institute
Нижник Вадим Васильевич
кандидат технических наук, старший научный сотрудник,
начальник научно-исследовательского центра
Украинский научно-исследовательский институт гражданской защиты
Ніжник Вадим Васильович
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник,
начальник науково-дослідного центру
Український науково-дослідний інститут цивільного захисту
Nizhnyk Vadim
Candidate of Technical Sciences, Senior Staff Scientist,
Head of Research Centre
The Ukrainian Civil Protection Research Institute
МЕТОДОЛОГИЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПРЕДЕЛОВ ОГНЕСТОЙКОСТИ ДЕРЕВЯННЫХ КОЛОНН С ОГНЕЗАЩИТНОЙ ОБЛИЦОВКОЙ
МЕТОДОЛОГІЯ ПРОГНОЗУВАННЯ МЕЖ ВОГНЕСТІЙКОСТІ ДЕРЕВ’ЯНИХ КОЛОН З ВОГНЕЗАХИСНИМ ОБЛИЦЮВАННЯМ
METHODOLOGY OF PREDICTION OF FIRE RESISTANCE RATINGS OF WOOD COLUMNS COVERED WITH FIRE RETARDANT COATING
Аннотация. Разработана методология прогнозирования огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой. Разработан метод определения геометрических параметров приведенного сечения деревянных колонн с огнезащитной облицовкой. Определен метод для расчета несущей способности деревянных колонн. Обосновано методику создания таблиц для оценки класса огнестойкости деревянных колонн и осуществлена проверка ее адекватности. Обоснован усовершенствованный табличный метод для оценки класса огнестойкости деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой.
Ключевые слова: огнестойкость, деревянная колонна, огнезащитная облицовка, полный факторный эксперимент.
Анотація. Розроблено методологію прогнозування вогнестійкості дерев'яних колон з вогнезахисної облицюванням. Розроблено метод визначення геометричних параметрів приведеного перерізу дерев'яних колон з вогнезахисним облицюванням. Визначено метод для розрахунку несучої здатності дерев'яних колон. Обґрунтовано методику створення таблиць для оцінки класу вогнестійкості дерев'яних колон і здійснена перевірка її адекватності. Обґрунтовано вдосконалений табличний метод для оцінки класу вогнестійкості дерев'яних колон квадратного перерізу з вогнезахисним облицюванням.
Ключові слова: вогнестійкість, дерев’яна колона, вогнезахисне облицювання, повний факторний експеримент.
Summary. Developed methodology of prediction of fire resistance ratings of wood columns covered with fire retardant coating. Developed a method for the determination of geometrical parameters of wood columns covered with fire retardant coating. Determined method of calculation of bearing capacity of wood columns’ sections. Substantiated method of composition of tables for the estimation of fire resistance class of wood columns covered with fire retardant coatings and to check its adequacy. Substantiated some advanced tabular method for the estimation of fire resistance class of wood columns covered with fire retardant coating.
Key words: fire resistance, wood column, fire retardant coating, complete factorial.
Введение. Статистические данные по пожарам за последние 5 лет показывают, что ¼ из них происходит в зданиях, построенных на основе деревянных конструкций. В 33,3 % случаях таких пожаров конструкции теряли несущую способность, что приводило к их разрушению. Одним из путей обеспечения нормируемых значений классов огнестойкости деревянных колонн является их огнезащитная облицовка, в частности ориентированно-стружечными плитами (OSB по международной классификации).
Анализ научных работ, посвященных вопросам огнестойкости деревянных конструкций [1-4], показывает, что информация об огнестойкости огнезащищенных облицовкой плитами OSB деревянных колонн как строительных конструкций ограничена. Это сдерживает применение указанных строительных конструкций или приводит к ошибочным решениям при проектировании и строительстве сооружений с их использованием, что в свою очередь негативно влияет на пожарную статистику.
Раскрытие закономерностей влияния конструктивных параметров, а также нагрузки деревянных колонн с огнезащитной облицовкой в условиях воздействия стандартного температурного режима пожара на их огнестойкость является актуальной научной задачей, решение которой является научным основанием создания методологии ее прогнозирования, создаст предпосылки обеспечения нормируемых значений классов огнестойкости указанных строительных конструкций и повышения эффективности обеспечения пожарной безопасности зданий с их применением.
Постановка задачи и ее решение. Цель данной статьи – на основе данных экспериментальных исследований [5] разработать расчетный табличный метод для оценки огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой ориентированно-стружечными плитами (OSB). Для достижения цели поставленные следующие задачи:
Опыты проводились согласно [6] на образцах деревянных сосновых колонн размерами 200 × 200 × 300 мм (рис. 1 а), для огнезащиты предложено использовать плиты OSB толщиной 10 мм, в один и два слоя. Измерение температурных показателей в слоях сечения образцов осуществлялось с помощью пяти термопар типа ТХА, схема расположения которых представлена на рис. 1 б.
а) б)
Рис. 1. Образцы деревянных колонн: а) изображение исследуемых образцов б) схема расположения термопар в сечении: Т1 –Т5 место установки термопар
Результаты экспериментальных исследований представлены в виде графиков (рис. 2).
а) б) в)
Рис. 2. Графики 90-минутных испытаний: 1 – стандартная температурная кривая; 2 – средняя температура в печи; средние значения: 3 – 1-й термопары, 4 – 2-й термопары, 5 –3-й термопары, 6 – 4-й термопары, 7 –5-й термопары; а) образцы без защиты, б) образцы с защитой плитой OSB в один слой, в) образцы с защитой плитой OSB в два слоя
На графиках рис. 2 видна четкая разница показателей термопар, расположенных в сечении образцов (рис. 1 б). Наименьшее нарастание температур зафиксировано в сечении образцов защищенных плитой OSB в 2 слоя, что свидетельствует о хороших огнезащитных качествах такого типа огнезащиты.
Метод определения геометрических параметров сечений деревянных колонн с огнезащитной облицовкой. Для определения геометрических параметров приведенного сечения деревянных колонн с учетом обугленной зоны предлагается метод, основанный на использовании величины «критической температуры обугливания». Критическая температура обугливания может быть определена как среднее значение величин, получаемых по формулам (1) [7].
(1)
где q0i - температура в центре сечения колонны;
qgi, qdi - максимальная температура по горизонтальной и диагональной линиям расположения термопар;
βg, βd - скорость обугливания по горизонтальной и диагональной линиям расположения термопар;
t - время; а - ширина сечения
Для определения геометрических параметров приведенного сечения деревянных колонн должны быть проведены следующие процедуры: 1) Строится температурное распределение по сечению деревянной колонны без учета огнезащитной облицовки с использованием рекомендаций п. В.1 и В.2 EN 1995-1-2 с применением метода конечных элементов 2) по одной из координат выбираются соседние узлы для 1/8 части сечения, которые имеют температуру больше и меньше чем величина «критической температуры обугливания» (см. рис. 3), и определяются средние значения соответствующей координаты для данных узлов.
Рис. 3. Схема определения ширины приведенного сечения деревянной колонны с огнезащитой и без нее с использованием «критической температуры обугливания»: bfi – ширина приведенного сечения, n – количество температурных узлов, у1і, у2і – расстояния до узлов, которые имеют температуру больше и меньше чем величина «критической температуры обугливания»; 1, 2 – узлы разбивки сечения
Среднее значение координат представленных на схеме рис. 3 определяется как ширина приведенного квадратного сечения с учетом зоны обугливания. Для проведения расчета достаточно рассмотреть только 1/8 часть сечения колонны, поскольку условие симметрии ее сечения полностью воспроизводит полученные результаты для других его частей.
Критическая ширина сечения позволяет определить другие его геометрические параметры и использовать их для расчета несущей способности деревянных колонн с огнезащитной облицовкой и без нее.
Для расчета несущей способности деревянных колонн в условиях пожара со стандартным температурным режимом с учетом обугленной зоны предлагается метод, который рекомендуется EN 1995-1-1 и EN 1995-1-2 [8; 9].
Обоснование методики построения таблиц для оценки класса огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой. Табличный метод, описанный в [10] для расчета железобетонных и сталежелезобетонных элементов строительных конструкций на огнестойкость не имеет развития в рекомендациях, приведенных в EN 1995-1-2 [9]. Учитывая высокую эффективность табличного метода для инженерной оценки классов огнестойкости строительных конструкций, как это было показано в работе [10], можно предположить, что разработка таких таблиц для деревянных колонн с огнезащитой позволит повысить производительность, уменьшить сложность и трудоемкость этих расчетов. Для этого было предложено использование расчетного метода на основе подходов, основные положения которых приведены выше. Эффективность этого метода и достаточная его точность подтверждена результатами огневых испытаний, как это показано в работе [10].
Построение таблиц для предложенного инженерного метода оценки классов огнестойкости деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитным облицовкой и без нее предложено осуществлять по методике, которая состоит в выполнении следующих процедур:
Построение плана полного факторного эксперимента. Для построения плана полного факторного эксперимента проанализированы независимые и наиболее значимые параметры, которые сказываются на огнестойкости деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой. При этом установлены три независимых фактора – ширина сечения колонны без огнезащиты b, толщина слоя огнезащитной облицовки w = d×n (n – количество слоев огнезащитной облицовки, d – толщина одного слоя), а также коэффициент действующей нагрузки по отношению к разрушающей нагрузке m. В качестве критерия наступления предельного состояния рассматривались потеря несущей способности. Анализ графиков (см. рис. 4) [7] показывает, что предел огнестойкости нарастает по закону, близкому к линейной зависимости. Это позволяет предположить, что регрессионная зависимость предела огнестойкости по предельному состоянию потери несущей способности также будет линейной.
Рис. 4. Графики зависимостей предела огнестойкости по несущей способности колон квадратного сечения от его ширины без огнезащиты (w = 0 мм), с огнезащитой с плитой OSB в 1 слой (w = 10 мм), с огнезащитой с плитой OSB в 2 слоя (w = 20 мм)
В таблице 1 указаны интервалы параметров в эксперименте, выбранные в качестве факторов.
Таблица 1
Интервалы варьирования факторов в численном эксперименте
|
Ширина сечения колонны, мм |
Толщина слоя огнезащитной облицовки, мм |
Коэффициент нагрузки |
||||||
|
Наименьшее значение, b-1 |
Среднее значение, b0 |
Наибольшее значение, b1 |
Наименьшее значение, w-1 |
Среднее значение, w0 |
Наибольшее значение, w1 |
Наименьшее значение, m--1 |
Среднее значение, m0 |
Наибольшее значение, m1 |
|
100 |
250 |
400 |
0 |
20 |
40 |
0,3 |
0,5 |
0,7 |
Математическая модель по принятым нами предположениям, соответствующая линейной зависимости предела огнестойкости по предельному состоянию потери несущей способности и наиболее значимыми факторами, имеет следующий вид [11]:
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x1x2 + b5x1x3 + b6x2x3 + b7x1x2x3, (2)
где b0, b1, b2, b3, b4, b5, b6, b7 – коэффициенты регрессии
Для определения коэффициентов регрессии в соответствии с формулой (2) необходимо провести 8 численных экспериментов по составленной для этого матрице планирования.
Для проведения полного факторного эксперимента разработаны аппроксимационные модели для решения теплотехнической и прочностных задач. Данные схемы имеют вид такой же как и схемы, разработанные выше. Для проведения исследования были приняты наиболее распространенные в строительстве колонны, длина которых составляет 3,5 м с классом прочности С24. Геометрические параметры деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой и механические характеристики древесины приведены в таблице 2.
Таблица 2
Основные параметры деревянных колонн с огнезащитной облицовкой
|
Параметр |
Обозначение |
Значение |
Единица измерения |
|
Геометричиские размеры
|
b w l |
(см. табл. 1) (см. табл. 1) 3,5 |
м |
|
Материал |
Древесина - сосна конструкционная |
Класс прочности С24 |
|
|
Плотность древесины |
rВ |
530 |
кг/м3 |
|
Теплофизические характеристики |
[9] |
||
|
Предельная влажность |
U |
< 3 |
% |
|
Предельная прочность |
fc,0,k |
21 |
МПа |
|
Средний модуль упругости |
Еmean |
1100 |
МПа |
Варьируя параметры согласно таблицей 1 и таблицей 2, проводя расчеты по разработанному методу определения ширины приведенного сечения деревянной колонны, а также используя метод расчета несущей способности, рассчитаны классы огнестойкости исследуемых деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой. Полученные данные приведены в таблице 3.
Таблица 3
Пределы огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой, полученные в условиях полного факторного эксперимента по принятой матрице планирования
|
Экспериментальные ситуации |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
Предел огнестойкости деревянных колонн с огнезащитной облицовкой, уі, мин. |
115 |
18 |
61 |
6 |
125 |
25 |
84 |
11 |
Используя данные таблицы 3 определены коэффициенты регрессионной зависимости (2) по формулам (3):
(3)
где N = 8 - количество экспериментальных ситуаций согласно плану эксперимента, x1 – размеры сечения, x2 – толщина защитного слоя, x3 – коэффициент нагружения, N – количество параметров, yі – значение предела огнестойкости деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитным облицовкой плиты согласно таблице 3
(4)
Таким образом, математическая модель, описывающая зависимость предела огнестойкости деревянной колонны с огнезащитной облицовкой на основе плит OSB (y) от размеров сечения (x1), толщины защитного слоя (x2) и приложенной нагрузки (x3) имеет вид (4).
y = 55,625 +40,625x1 + 15,125x2 – 5,625x3 + 8,625x1x2 – 2,625x1x3 + 1,375x2x3 + 1,875x1x2x3;
Используя полученную регрессионную зависимость построены соответствующие поверхности зависимости предела огнестойкости от выбранных наиболее значимых параметров деревянной колонны при задании различных значений действующей нагрузки, которые изображены на рис. 5. На построенных поверхностях показаны уровни, соответствующие разным значениям предела огнестойкости.
Рис. 5. Поверхности зависимости предела огнестойкости от наиболее значимых параметров деревянной колонны с огнезащитной облицовкой для различных значений действующей загрузки: b – ширина сечения, R 30, R 60, R 90 – классы огнестойкости, 0,3Nmax, 0,5Nmax, 0,7Nmax – нагрузка
Для анализа влияния наиболее значимых параметров деревянной колонны с огнезащитной облицовкой на предел огнестойкости построены взаимные зависимости данных геометрических параметров в условиях воздействия нагрузок с разным уровнем (см. рис. 6). Полученные данные позволяют провести определение минимальных размеров огнезащитной облицовки деревянных колонн для обеспечения необходимой огнестойкости.
а) б) в)
Рис. 6. Зависимости защитного слоя огнезащитной облицовки от ширины деревянной огнезащищенной колонны для обеспечения класса огнестойкости: а - R 30; б - R 60; в - R 90
Условные обозначения: w – толщина облицовки, b – ширина сечения, 0,3Qmax - 0,7Qmax – нагрузка
Проверка адекватности результатов. Используя данные по расчету для деревянных колонн с огнезащитной облицовкой определены их пределы огнестойкости при различных значениях значимых параметров по наступлению предельного состояния потери несущей способности (таблица 4). В качестве критериев адекватности результатов, определенных по регрессионной модели, были рассмотрены абсолютное и относительное отклонение.
Таблица 4
Адекватность результатов, определенных по регрессионной зависимости для деревянной колонны 300´300 квадратного сечения с огнезащитной облицовкой в 2 слоя
|
Предел огнестойкости по расчету, мин |
Предел огнестойкости по регрессионной зависимости, мин |
Абсолютное отклонение, мин |
Относительное отклонение, % |
|
Уровень нагрузки 0,3Qmax |
|||
|
96 |
82 |
14 |
14,6 |
|
Уровень нагрузки 0,5Qmax |
|||
|
77 |
72 |
5 |
5,2 |
|
Уровень нагрузки 0,7Qmax |
|||
|
68 |
62 |
6 |
8,8 |
|
Среднее значение |
|||
|
- |
- |
8,3 |
9,5 |
Данные таблицы 4 показывают, что погрешность результатов, полученных с регрессионной моделью является незначительной и данная регрессионная зависимость может быть использована для обоснования конструктивных параметров деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитным облицовкой для обеспечения необходимого класса их огнестойкости.
Обоснование разработанного табличного метода для оценки класса огнестойкости деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой.
Построенные регрессионные зависимости использованы для создания таблицы минимальных размеров деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой для обеспечения необходимой огнестойкости. Для этого определены минимальные размеры, приведенные в таблице 5.
Таблица 5
Размеры деревянных колонн квадратного сечения с огнезащитной облицовкой для обеспечения заданного класса огнестойкости
|
|
Условия применения Колонна высота b > 100 мм Огнезащитная облицовка: плита OSB Толщина з.с. 0 < w < 40 мм |
Классы огнестойкости
|
||||
|
R 30 |
R 60 |
R 90 |
R 120 |
|||
|
1 |
Минимальные размеры сечения для уровня нагрузки hfi,t < 0,3
ширина / толщина защитного слоя (мм) |
100/40 200/0 300/0 400/0 |
200/20 300/0 400/0 |
300/30 400/4 |
300/40 400/25 |
|
|
2 |
Минимальные размеры сечения для уровня нагрузки hfi,t < 0,5
ширина / толщина защитного слоя (мм) |
200/0 300/0 400/0 |
200/35 300/8 400/0 |
300/34 400/9 |
400/28 |
|
|
3 |
Минимальные размеры сечения для уровня нагрузки hfi,t < 0,7
ширина / толщина защитного слоя (мм) |
200/4 300/0 400/0 |
200/40 300/12 400/0 |
300/38 400/13 |
400/30 |
|
Таким образом, разработан табличный метод, позволяющий эффективно определить проектные данные огнезащитной облицовки плитами OSB деревянных колонн квадратного сечения для обеспечения требуемого класса огнестойкости. Данные таблицы 5, определены с учетом погрешности 9,5 % при увеличении минимальных размеров. При этом табличные данные позволяют спроектировать огнезащитную облицовку деревянных колонн квадратного сечения с гарантированным классом огнестойкости, который указан в таблице 5. Это позволяет дополнить вторую часть Eurocode 5 дополнительными данными для проектирования огнезащитной облицовки деревянных колонн квадратного сечения с гарантированной огнестойкостью.
Выводы
Литература
