Формулы для расчёта несущей способности стальных конструкций после пожара

Введение

Стальные конструкции широко применяются в строительстве благодаря их высокой прочности и пластичности. Однако при воздействии высоких температур, например, в случае пожара, механические свойства стали существенно ухудшаются, что влияет на несущую способность элементов конструкции.

Понимание и правильное использование формул для определения остаточной несущей способности после воздействия высоких температур критически важно для оценки безопасности зданий и сооружений, а также для принятия решений о ремонте или реконструкции.

Физико-механические изменения стали при нагреве

Сталь при повышении температуры подвергается значительным изменениям:

• Снижение предела текучести и прочности;
• Изменение модуля упругости;
• Увеличение деформаций при нагрузке;
• Изменение структуры металла (при очень высоких температурах возможен фазовый переход).

Основные формулы для расчёта несущей способности после нагрева

Чтобы определить остаточную несущую способность стальных элементов после воздействия высоких температур, используются корректирующие коэффициенты, учитывающие снижение механических характеристик.

1. Коррекция предела текучести

Основной подход заключается в применении коэффициента температурного снижения прочности k_t к нормальному пределу текучести f_y:

Обозначения:

• f_y — предел текучести стали при нормальной температуре;
• f_{y,eff} — эффективный предел текучести после воздействия температуры;
• k_t — коэффициент снижения прочности.

Формула:

f_{y,eff} = k_t \cdot f_y

Пример определения коэффициента k_t

Для стали марки S235 и температуры 600°C значение k_t составляет примерно 0.5.

2. Оценка остаточной несущей способности элемента

Исходя из уменьшенного предела текучести, можно определить максимальную нагрузку N_{max} для сжатого стержня:

N_{max} = A \cdot f_{y,eff} / \gamma_M

где:

• A — площадь поперечного сечения;
• \gamma_M — коэффициент запаса прочности.

Пример расчёта

Стержень с площадью поперечного сечения 1000 см², предел текучести при нормальной температуре 235 МПа, коэффициент запаса 1.1. После пожара температура достигла 600°C, что даёт k_t=0.5. Тогда:

f_{y,eff} = 0.5 × 235 = 117.5 МПа

N_{max} = 1000 × 117.5 / 1.1 ≈ 106.8 кН

3. Формула для колонн по нормам EN 1993-1-2

Европейский стандарт EN 1993-1-2 предусматривает использование пониженного модуля упругости E_{eff} и предела текучести при расчётах устойчивости колонн:

N_{Rd,fire} = \phi \cdot A \cdot f_{y,eff} / \gamma_{M,fire}

где \phi — коэффициент, учитывающий устойчивость с учётом температурного воздействия.

Таблица коэффициентов снижения прочности и модуля упругости по EN 1993-1-2

Методы оценки остаточной прочности стальных конструкций

Проведение прямых испытаний или моделирование позволяет дополнительно уточнить остаточную несущую способность.

Методика испытаний

• Обожжённые образцы подвергаются статическим нагрузкам;
• Измеряются следующие параметры: деформация, предел текучести, предел прочности;
• Сравнение с исходными данными позволяет определить реальные коэффициенты снижения.

Численное моделирование

С помощью программных комплексов (например, ANSYS, Abaqus) в рамках конечных элементов моделируют температурное воздействие и нагрузку. Результаты применяются для оптимизации оценки коэффициентов k_t и k_e.

Практические рекомендации и совет автора

При оценке несущей способности стальных конструкций после пожара следует учитывать не только повышение температуры, но и длительность её воздействия, а также возможное ускоренное охлаждение, вызывающее термоупругие напряжения.

«Для точной оценки остаточной несущей способности важен комплексный подход — комбинирование экспериментальных данных, нормативных требований и современных методов численного моделирования. Не стоит полагаться только на усреднённые коэффициенты — всегда лучше провести специализированные обследования после пожара.» — эксперт в области строительной механики

Заключение

Расчёт несущей способности стальных конструкций после воздействия высоких температур — сложная, но необходимая задача для обеспечения безопасности зданий. Применение специальных формул с учётом изменённых физических характеристик материалов позволяет получить достоверную оценку прочности и принять обоснованные решения о дальнейшей эксплуатации или ремонте конструкций.

В статье были рассмотрены ключевые формулы, коэффициенты и методы, которые применяются на практике, а также приведены примеры расчётов. Рекомендуется использовать эти подходы в комплексе с современными средствами моделирования и контролем состояния конструкций.