Огнестойкость без огнезащиты: что показали огневые испытания каркаса Spider 2.0
Обычно огнестойкость стального каркаса обеспечивают огнезащитой. Но если рассматривать каркас как систему, часть требований можно закрыть и без неё. Элементы каркаса работают совместно, нагрузка перераспределяется, и для ряда конструкций испытания показали резерв огнестойкости по сравнению с нормативным расчётом отдельного незащищённого элемента.
Для требуемого предела R15 такую возможность прямо допускает п. 5.4.3 СП 2.13130.2020. Главное здесь — не сам по себе отказ от огнезащиты, а методика расчёта, которая позволяет это обосновать.
В 2024–2025 годах «Северсталь» провела цикл натурных огневых испытаний элементов каркаса Spider 2.0 и обобщила результаты в методику расчёта пределов огнестойкости. Рассказываем, что испытывали, что это дало и как пользоваться результатами при проектировании.
Что испытывали
За основу взяли элементы каркаса Spider 2.0 — его разработали на базе системы Spider «Северстали Стальные Решения». Каркас допускает две схемы покрытия: ригель с затяжкой или шарнирную ферму — проверили обе, чтобы получить полную картину. Конструкции разбили на три группы по характеру работы:
1. Кровельные системы. Прогоны и ограждающие конструкции в трёх исполнениях: без утеплителя, с утеплителем и ПВХ-мембраной, с сэндвич-панелями.
2. Сжато-изгибаемые элементы. Колонна-ригель с опорным оголовком, испытывали как консольный стержень.
3. Стержневая ферма. Её испытывали как единый элемент, заменяющий ригель. Чтобы пламя горелок не воздействовало на конструкцию напрямую и не создавало локальных перегревов, приняли кососимметричную схему. Испытывали блок из трёх ферм, связанных прогонами, а колонны и прогоны защитили от огня — сечения подобрали так, чтобы из работы первой выключалась именно ферма.
Все испытания вели по ГОСТ 30247.0-94, фиксируя прогибы и скорость нарастания деформаций.
Главный результат: коэффициенты снижения предела текучести
Для каждой конструкции в испытаниях определили коэффициент снижения предела текучести стали Ry. Зная нагрузку, при которой система потеряла работоспособность, вычисляют напряжения в элементах и делят их на предел текучести стали. Полученный коэффициент показывает, какую долю прочности стали можно использовать, чтобы конструкция выдержала нужный предел огнестойкости. По нему затем рассчитывают предел для проектируемых конструкций.
Например, для кровли без утеплителя коэффициент составил 0,47 для R8 и 0,186 для R15. То есть чтобы конструкция выдержала R8, в расчёте используют не более 47% предела текучести стали (напряжение σ ≤ 0,47 Ry). Для кровли с сэндвич-панелями (R15) — 0,43.
Можно сделать вывод, что совместная работа сэндвич-панелей с прогонами ЛСТК даёт повышение огнестойкости вдвое — для R15 снижение предела текучести получается таким же, как при R8.
Для фермы коэффициент считают по каждому элементу: поясам, раскосам, стойкам, проверяют прочность и устойчивость по СП 260.1325800.2023. Предел обеспечен только тогда, когда условие выполнено для всех элементов.
Дальше всю ферму рассчитывают по её самому нагруженному элементу. После испытания получают таблицу коэффициентов снижения предела текучести по всем элементам фермы, и определяющим становится наибольший коэффициент. Его и принимают как итоговый для всей конструктивной системы.
В испытанной ферме определяющим оказался раскос — его коэффициент и принимают для всей фермы. Деформации проверяют отдельно — по предельному прогибу 1/20 пролёта (ГОСТ 30247.0-94).
Проектировщик при этом может выбрать, как удобнее вести расчёт: соотносить проектные и испытанные напряжения напрямую или работать через сниженный предел текучести. Результат один и тот же.
Как пользоваться результатами
Результаты переносят на новый проект, если выполнены два условия:
— По прочности: напряжения в проектируемом элементе при особом сочетании нагрузок не выше, чем в элементе испытанного образца при испытательной нагрузке.
— По деформациям: прогиб проектируемого элемента не выше прогиба испытанного образца.
При пожаре прочность тонкостенной стали у образца и проектируемой конструкции падает по одной и той же закономерности, поэтому соотношение их напряжений от температуры не зависит. Достаточно убедиться, что в проекте напряжения и прогибы не выше, чем в образце, который выдержал испытание.
Пример расчёта
Задача: провести проверку предела огнестойкости проектируемой кровельной системы без утеплителя.
Проектируемый прогон имеет следующие характеристики:
- Пролёт прогона lп = 7000 мм;
- Сталь 350;
- Шаг прогонов Bп = 1500 мм;
- Расчётная нагрузка на прогон постоянная 100 кг/м² (γf = 1.2) и снег 180 кг/м², γf = 1.4
- Доля длительности снега 0.5
- Расчётная проектная нагрузка при особом сочетании Qп = 147 кг/м² (нормативные постоянные + длительные);
- Расчётная схема — шарнирная однопролётная балка;
- Расчётная схема профлиста — однопролётная;
- Сечение прогона ВC320х80x21х3 — радиус 6 мм;
- Редуцированные характеристики прогона, приняты по СП 260.1325800.2023.
Расчёт выполнен в программе «Калькулятор ЛСТК».
| Параметры | Обозначение | Центральное сжатие | Изгиб в плоскости | Изгиб из плоскости |
|---|---|---|---|---|
| Площадь поперечного сечения | A ef, мм² | 825,661 | 1412,570 | 1449,302 |
| Момент инерции относительно оси X | I x, ef, мм⁴ | 17031230,439 | 19784317,844 | 20274046,777 |
| Момент сопротивления сечения для верхнего волокна | Wx, ef (1), мм³ | 107452,513 | 120305,451 | 127911,967 |
| Момент сопротивления сечения для нижнего волокна | Wx, ef (2), мм³ | 107452,603 | 129691,321 | 127911,967 |
| Момент инерции относительно оси Y | I y, ef, мм⁴ | 656593,760 | 981067,134 | 1008233,668 |
| Момент сопротивления сечения для правого волокна | Wy, ef (1), мм³ | 12384,586 | 16256,194 | 16689,837 |
| Момент сопротивления сечения для левого волокна | Wy, ef (1), мм³ | 27377,482 | 58924,216 | 60773,719 |
Характеристики полного сечения, необходимые для расчётов сечения:
Iy = 1060600 мм4 — полный момент инерции сечения из плоскости;
Iω = 20085584309 мм6 — секторальный момент;
IT = 0.44 см4 момент инерции при кручении;
G = 81500 МПа модуль сдвига.
Решение: вариант для достаточности R8.
Поскольку прогон в данной конструкции является изгибаемым, то с учётом потери устойчивости из плоскости, напряжения считаем по формуле:
σ = MbχLT ∙ Wxef ≤ Ry
Максимальный момент в прогоне будет равен:
Mmax = ql28 = 0.22 ∙ 728 = 1.33т * м
При проверке предела огнестойкости воспользуемся таблицей для кровли с утеплителем:
| № п/п | Тип кровельной конструкции | Нормальные напряжения в сечении, МПа | Предел огнестойкости | Предел текучести стали Ry, МПа | γRy |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Кровельная конструкция без утеплителя | 159 | R8 | 333 | 0.47 |
| 2 | Кровельная конструкция с утеплителем и ПВХ мембраной | 159 | |||
| 3 | Кровельная конструкция без утеплителя | 62 | R15 | 333 | 0.186 |
| 4 | Кровельная конструкция с сэндвич-панелями | 143 | 0.43 | ||
| 5 | Кровельная конструкция с утеплителем и ПВХ мембраной | 62 | 0.186 |
Коэффициент снижения предела текучести стали принимаем равным 0.47
χLT – понижающий коэффициент при проверке устойчивости плоской формы изгиба, вычисляется по формулам СП260.1325800.2023.
χLTп = 1.04
В результате получаем:
σ = 1.331.04 ∙ 120305.45 = 107 МПа ≤ 0.47 ∙ Ryn = 350 ∙ 0.47 = 164.5 МПа
Проверка условия по формуле деформации. Максимальный прогиб определяется по формуле (см. справочник по сопротивлению материалов):
fmax = 5ql4384EIef
Принимаем коэффициент снижения модуля упругости равным 0.47.
В результате получим:
fmax = 5ql4384EIef = 5 ∙ 0.22 ∙ 74384 ∙ 0.47 ∙ 21 ∙ 106 ∙ 19784317.8 ∙ 10-12 = 34.8 мм < [f] = 1200 ∙ 7000 = 35 мм
Вывод: Проектируемая кровельная конструкция имеет предел огнестойкости не ниже аналогичной испытанной кровельной системы и соответствует R8, а следовательно, и R15 как конструкция, принятая на основании результатов испытаний.
Что это даёт проектировщику
Для системы Spider 2.0 подтверждены решения с пределом R15. Отдельные элементы тоже обеспечивают требуемый предел при соблюдении условий испытаний.
На практике это означает, что требуемую огнестойкость можно обосновать расчётом по реальным испытаниям и не закладывать лишнюю огнезащиту там, где она не нужна, — а значит, снизить металлоёмкость за счёт совместной работы конструкций.
Результаты согласуются с действующими нормами: коэффициенты для прогонов, колонн и ферм показывают хорошую сходимость с СТО АРСС 11251254.001-020-1, а отдельные системы дали дополнительный резерв огнестойкости — например, кровля с сэндвич-панелями.
Сегодня такой расчёт возможен для сечений, по которым уже проведены натурные испытания: профилей ЛСТК производства «Северсталь Стальные Решения» и швеллеров из чёрного металла. Для любого другого сечения методику можно применить только после собственных огневых испытаний — расчёт опирается на фактические напряжения, полученные на основе испытаний. В общем виде подход распространяется на любые стальные конструкции, но именно как метод: для непроверенных сечений и типов конструктивных систем он не даёт готового решения.
Почему результаты испытаний нужно переносить на проект через инженерную методику, а не просто доверять сертификату, — в материале о подтверждении огнестойкости.
