Steel structures: numerical analysis of fire proofing

Introduction.

A set of calculations validating the conditions of limit states is to accompany the design of buildings and structures. Calculations of standard and non-standard combinations of loads and impacts are performed. Special loads include temperature effects from explosions and fires. Such effects greatly reduce the bearing capacity of metal structures. To protect metal structures from temperature effects, optimally selected fire proofing materials (varnishes, paints, various types of cladding) should be used. Numerical calculation methods allow analyzing the performance of building structures, exposed to temperature effects, and help select the necessary characteristics and thicknesses of fire proofing materials.

Materials and methods.

A metal hinged beam is used to analyze the influence of fire proofing, or lining made of fire-resistant gypsum sheets (FRGSh). Analytical and numerical methods of calculations were used to obtain the fire resistance limit of beams with cladding. The analytical method is based on the laboratory studies of fire resistance, as a result of which nomograms were obtained. The numerical method is implemented by Lira 10.12 software package.

Results.

Analytical and numerical methods were used to identify the fire-resistance limits for a beam that had FRGSh cladding. Temperature field mosaics in the elements along the thickness of the structure, as well as graphs of temperature changes and temperature fields in time were obtained using the numerical method. The obtained results showed good convergence.

Conclusions.

The use of numerical methods makes it possible to quickly and optimally select the required thickness of fire proofing for a steel structure. Calculation results are highly dependent on the characteristics of the materials in question, as well as the heat transfer environment.

1. Черкасов Е.Ю., Воронцова А.А., Митько А.В. Огнестойкость стальных конструкций при воздействии стандартного и углеводородного режимов пожара // Neftegaz.RU. 2021. № 12 (120). С. 100-102.

2. Волгина Д.И. Огнезащита металлоконструкций производственных зданий за счет применения огнезащитных красок вспучивающегося типа // Аллея науки. 2018. Т. 5. № 5 (21). С. 1113-1116.

3. Воросин А.О., Парфененко А.П. Исследование влияния прогрева от второстепенных стальных конструкций без огнезащиты на предел огнестойкости стальных балок в огнезащите // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2021. Т. 30. № 3. С. 16-30. DOI: 10.22227/08697493.2021.30.03.16-30

4. Голованов В.И., Шкутова Т.В. Оценка огнестойкости стальных конструкций с огнезащитой при углеводородном температурном режиме // Актуальные вопросы архитектуры и строительства : мат. XVII Междунар. науч.-техн. конф. 2018. С. 415-420.

5. Голованов В.И., Пронин Д.Г. Вопросы нормирования огнестойкости несущих конструкций зданий // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXXIII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Году науки и технологий. 2021. С. 518-522.

6. Лебедь А.А. Методы огнезащиты металлических конструкций // Наука. Техника. Технологии (политехнический вестник). 2020. № 4. С. 287-291.

7. Маковей В.А. Применение огнезащиты материалов, изделий и конструкций и современные тенденции в ее совершенствовании // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. 2015. № 4 (24). С. 28-36.

8. Маковей В.А. О современных требованиях к применению и эксплуатации средств огнезащиты // Чрезвычайные ситуации: промышленная и экологическая безопасность. 2013. № 3-4 (15-16). С. 44-52.

9. Полевода И.И., Иваницкий А.Г., Жамойдик С.М., Проровский В.М. Программное средство для расчета динамики прогрева стальных конструкций с конструктивной огнезащитой // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2010. Т. 1. № 1 (1). С. 207-210.

10. Пехотиков А.В., Горшков В.С., Гомозов А.В., Фомина О.В. Новые требования к огнестойкости строительных конструкций и средств огнезащиты // Безопасность труда в промышленности. 2022. № 5. С. 22-28. DOI: 10.24000/0409-2961-2022-5-22-28

11. Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. Огнезащита строительных конструкций: современные средства и методы оптимального проектирования // Строительные материалы. 2002. № 6. С. 2-5.

12. Можарова Н.П. Составы для огнезащиты строительных конструкций различного назначения // Пожаровзрывобезопасность. 2005. Т. 14. № 5. С. 31-33.

13. Ерохов К.Л. Современная огнезащита для строительных конструкций и текстиля // Строительные материалы. 2002. № 6. С. 14-15.

14. Майоров А.В., Мандрико Д.Е. Специальный метод огнезащиты стальных несущих элементов // Современные научные исследования и разработки. 2018. № 10 (27). С. 534-536.

15. Белов Н.Н., Семенов А.Ю., Зыков А.П., Чуркин А.А., Борно О.И., Илюшин Д.Б. и др. Огнезащита стальных конструкций зданий и сооружений опасных производственных объектов - одна из составляющих обеспечения промышленной безопасности // Естественные и технические науки. 2015. № 6 (84). С. 622-625.

16. Рязанова Г.Н., Горелов С.А., Прокопьева А.Ю. Оценка эффективности современных способов огнезащиты стальных конструкций // Итоги научно-исследовательской деятельности 2016: изобретения, методики, инновации : сб. мат. XVII Междунар. науч.-практ. конф. 2016. С. 130-132.

17. Орловский С.Я., Ершова Л.В., Герасименко В.Н. Огнезащита металлических конструкций зданий и сооружений // Инновационная наука. 2015. № 12-2. С. 50-52.

18. Gravit M.V., Golub E.V., Grigoriev D.M., Ivanov I.O. Fireproof suspended ceilings with high fire resistance limits // Magazine of Civil Engineering. 2018. Issue 8 (84). Pp. 75-85. DOI: 10.18720/MCE.84.8

19. Imran M., Liew M.S., Nasif M.S. Experimental Studies on Fire for Offshore Structures and its Limitations: A Review // Chemical Engineering Transactions. 2015. Vol. 45. Pp. 1951-1956. DOI: 10.3303/CET1545326

20. Imran M., Liew M.S., Nasif M.S., Niazi U.M., Yasreen A. Hazard assessment studies on hydrocarbon fire and blast: An overview // Advanced Science Letters. 2017. Vol. 23. Pp. 1243-1247. DOI: 10.1166/asl.2017.8349

21. Kraus P., Mensinger M., Tabeling F., Schaumann P. Experimental and numerical investigations of steel profiles with intumescent coating adjacent to space-enclosing elements in fire // Journal of Structural Fire Engineering. 2015. Vol. 6. Issue 4. Pp. 237-246. DOI: 10.1260/2040-2317.6.4.237

22. Bronzova M.K., Garifullin M.R. Fire resistance of thin-walled cold-formed steel structures // Construction of Unique Buildings and Structures. 2016. Vol. 3 (42). Pp. 61-78.

23. Payá-Zaforteza I., Garlock M.E.M. A 3D numerical analysis of a typical steel highway overpass bridge under a hydrocarbon fire // Structures in Fire - Proceedings of the Sixth International Conference, SiF’10. 2010. Pp. 11-18.