Строительство уникальных зданий и сооружений N 6 (45), 2016 год

А.В.Бардин
________________
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
195251, Россия, г.Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29

     
Моделирование пожарной нагрузки на конструкции в программном комплексе ANSYS

  
Аннотация

Широкое применение средств автоматизированного проектирования зданий и сооружений позволяет решать сложные проектные задачи, одной из которых является задача определения пределов огнестойкости конструкций. Целью исследования является анализ распределения температурных полей по сечению элемента и определение сходимости получаемых результатов с существующими методиками определения предела огнестойкости. В статье рассматривается моделирование прогрева металлической конструкции в условиях воздействия температурного нагружения отвечающего температурно-временной кривой стандартного пожара. По результатам исследования получены данные о сходимости результатов численного моделирования с натурными огневыми испытаниями и определены дальнейшие направления деятельности.

1. Введение

Динамичное развитие строительной отрасли и комплекса предприятий, трудящегося для ее обеспечения, создает плодородную почву для развития и активного внедрения новых типов конструкций и внедрения новых видов материалов в типовые и уникальные решения, применяемых в современном строительстве.

При проектировании и возведении уникальных зданий и сооружений применяются различные конструкции и материалы, основными критериями при выборе которых являются цена, прочность, простота изготовления и монтажа, стойкость к различного рода воздействиям [1-2]. К ним относятся различные бетоны, дерево, сталь, композитные материалы и т.д.

Одновременно с этим конструктивные материалы и выполненные из них элементы конструкций должны обладать заданными противопожарными характеристиками. Данное требование продиктовано обеспечением сохранности конструкций и их прочностных свойств при огневом воздействии пожара [3].

Таким образом на передний план выходит выявление требуемых параметров огнестойкости и огнезащиты конструкций и методик их экспериментального и теоретического определения [4].

Возникновение пожара всегда связано с большим ущербом, причиненным жизни и имуществу. В последнее время в России наблюдается устойчивое количество пожаров, зарегистрированных за год пожарно-спасательными отрядами МЧС РФ. Статистика по пожарам, произошедшим в Российской Федерации за последние 5 лет, представлена на рисунке 1.

Рисунок 1. Статистика по количеству пожаров в РФ за период с 2009 по 2014 годы

За 2014 год количество пожаров составило 153002 единиц с общим ущербом 18,723 млрд. рублей по данным МЧС РФ. Из них причины возгорания, относящиеся к ненамеренной порче имущества, а именно возгорание материалов и иные причины (замыкания электропроводки и т.д.) пожара занимают вторую и третью позицию в ежегодном отчете МЧС РФ по статистике пожаров [5].

Исходя из представленных данных, становится очевидно, что проблема пожаров и нанесенного ими ущерба опирается не только на форс-мажорные факторы, но и на недочеты в проектных решениях зданий и сооружений.

2. Обзор литературы

В настоящее время при строительстве зданий и сооружений преимущественно используются "классические" материалы, такие как кирпич, бетон, сталь, дерево и др. Каждый из них обладает своим перечнем характеристик и массовостью применения в объектах гражданского и промышленного строительства.

В разрезе свойств огнестойкости бетоны обладают смешанными характеристиками. С одной стороны, при нагреве в диапазоне температур до 200°С наблюдается незначительное увеличение прочностных свойств конструкции, с другой, невозможно точно зафиксировать данный факт. При температурах, находящихся в переделах 520-800°С, бетоны имеют незначительную прочность [6-12].

В отличие от бетонов, стальные конструкции теряют свою прочность при нагреве свыше 500°С, становясь пластичными, и стремятся к потере устойчивости элементов конструкции и разрушению сооружения. Пример деформации стальных балок представлен на рисунке 2. Данные исследования в своих работах проводили коллективы авторов David Rush и др., Young-Sun Heo и др., В.С.Федоренко, К.Л.Ерохов, М.А.Багрова [13-15].

Рисунок 2. Результаты огневого воздействия на металлические балки перекрытия [16]

Таким образом, вопросы моделирования пожарной нагрузки и определение огнестойкости стальных конструкций как наиболее распространенных в промышленном и гражданском строительстве являются перспективным направлением научной деятельности.

На сегодняшний день расчет огнестойкости конструкций ведется по методике профессора Яковлева А.И. [17], но данная методика сводится к определению огнестойкости только линейных элементов конструкций, как наиболее просто анализируемых, при этом вопрос огнестойкости узлов сопряжения элементов конструкций, а также их поведение в ходе воздействия пожара остается неосвещенным.

Интерес к научным изысканиям в области численного моделирования воздействия пожара, теплопереноса и вопросов поведения конструкций в таких условиях проявляется зарубежными и отечественными учеными и отражен в работах коллектив авторов Гогоберидзе Н.В и др. [18], Агафонова В.В. [19-20], коллективы авторов Mouritz A.P. и др. [21], Outinen J. и др. [22], Gian-Luca F. Porcari и др. [23].

Широкое распространение BIM моделирования, а также применение расчетных комплексов позволяют взглянуть на вопросы огнестойкости конструкций под новым углом. Применение современных программных комплексов позволяет изучать работу сложных по форме и сечению конструкций в различных условиях их работы, в том числе и в условиях пожарного воздействия [24].

Одними из наиболее распространенных программных комплексов, в которых реализованы модели термо- и аэродинамики потока и теплопередачи, являются программные комплексы ANSYS и AutoCad CFD.

Важно также уточнить, что основными моделями, позволяющими производить моделирование пожара, являются так называемые полевые или дифференциальные модели пожара, в английской терминологии данный термин обозначается аббревиатурой CFD и расшифровывается как Computational Fluid Dynamics. Данные модели используют дифференциальные уравнения в частных производных, описывающих пространственно-временное распределение температур и скоростей газовой среды в помещении, концентраций компонентов газовой среды (кислорода, продуктов горения и т.д.), давлений и плотностей. Эти уравнения включают реологический закон Стокса и закон теплопроводности Фурье [25].

3. Цель и задачи исследования

По результатам проведенного анализа нормативной и научной литературы были определены следующие задачи:

1) Провести моделирование прогрева рассматриваемой конструкции по стандартной температурной кривой газовой среды в условиях пожара и проанализировать полученные картины распределения температур;

2) Определить сходимость метода определения предела огнестойкости по приведенной толщине металла с результатом моделирования.

4. Расчетная модель