Строительная сталь класса прочности С390П с сохранением физико-механических свойств при стандартном огневом воздействии. Основной инженерный эффект — повышение критической температуры конструкции и снижение требуемого расхода огнезащиты при подтвержденной расчетом несущей способности.
Предпосылки создания стали
Стальные конструкции при пожаре теряют прочность и жесткость по мере нагрева. Для обеспечения требуемого предела огнестойкости применяют либо увеличение собственного предела огнестойкости незащищенной конструкции, либо средства огнезащиты, замедляющие прогрев металла.
Для обычных строительных сталей критическая температура часто находится в области около 500 °C и зависит от фактического коэффициента использования элемента.
Повышение критической температуры позволяет увеличить собственный предел огнестойкости и/или уменьшить толщину огнезащитного покрытия при том же требуемом R.
Техническая задача С390П — совместить класс прочности 390, хладостойкость и свариваемость с сохранением не менее 60% предела текучести при 600 °C.
Обоснование в нормативно-технической документации: |
|---|
Преимущества
Снижение затрат на огнезащитное покрытие.
Экономия составляет от 10 до 40% (эффект зависит от приведенной толщины металла, типа используемого огнезащитного покрытия и требуемого предела огнестойкости).
Сокращение времени по нанесению огнезащитного покрытия.
сохранение не менее 60% предела текучести при 600 °C;
повышение критической температуры конструкции по сравнению с обычными строительными сталями при сопоставимом уровне нагружения;
возможность увеличения собственного предела огнестойкости незащищенной конструкции;
возможность снижения толщины и расхода огнезащиты при подтвержденной расчетом критической температуре;
сочетание класса прочности 390 с хладостойкостью, свариваемостью и углеродным эквивалентом не более 0,46
Снижение металлоёмкости строительных конструкций.
Использование высокопрочной огнестойкой стали С390П позволяет снижать металлоемкость конструкций до 25% относительной сталей класса прочности С245-С255 (ст20, ст3пс/сп) и до 10% относительно сталей класса прочности С345-С355 (О9Г2С), что позволяет снизить монтажные, транспортные издержки, а также уменьшить нагрузку на фундамент.
Области применения
С390П применяется в несущих стальных конструкциях зданий и сооружений, для которых нормируется предел огнестойкости R и требуется повышение критической температуры конструкции либо оптимизация огнезащиты. Применение стали выполняется с обязательным перерасчетом несущей способности и огнестойкости конкретного элемента.
производственные корпуса и промышленные здания;
административно-бытовые и общественные здания;
стальные каркасы эстакад и технологических сооружений;
колонны, балки, фермы и связи, для которых требуется подтверждение заданного предела огнестойкости.
Наибольший расчетный эффект достигается в элементах, где повышенная критическая температура С390П позволяет уменьшить требуемую толщину и расход огнезащитного покрытия при сохранении требуемой несущей способности.
Технические характеристики
Разработка выполнялась в рамках проекта по Постановлению Правительства РФ № 218 как технология производства высокопрочного проката для строительных конструкций с нормируемой огнестойкостью.
Разработка С390П ориентирована на повышение критической температуры конструкции без отказа от традиционных для строительного проката требований по прочности, хладостойкости и технологичности изготовления сварных металлоконструкций. |
|---|
| Характеристика | Значение |
|---|---|
| Форма поставки | Рулон, лист |
| Категория прочности (класс прочности) | С390П |
| Толщина и ширина проката, мм | Рулон: 4,00-14,00 Х 900 - 1500 Лист: 6,00-60,00 Х 1500 - 2500 |
| Прочностные свойства | при +20 С σт ≥ 390 Н/мм2 σв ≥ 720 Н/мм2 +600 С σт ≥ 230 Н/мм2 σв ≥ 280 Н/мм2 |
| Ударная вязкость | KCV-40≥50Дж/см2 KCU-70≥55Дж/см2 |
| Относительное удлинение | δ5+20 ≥ 20% |
| Критическая температура воздействия | 600 °С |
| Огнестойкость (степень разупрочнения) | σт+600/σт+20 ≥ 0,6 |
| Углеродный эквивалент | ≤0,46 |
| Свариваемость | без ограничений |
Результаты испытаний
Исследование включало определение механических свойств при повышенных температурах и натурные огневые испытания нагруженных стальных балок.
Температурные коэффициенты снижения предела текучести и модуля упругости определялись по результатам высокотемпературных испытаний в соответствии с ГОСТ 9651.
ФГБУ ВНИИПО МЧС России совместно с ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко провели программу огневых испытаний сварных и прокатных двутавровых балок под нагрузкой по ГОСТ 30247.
Рис 1. Эскиз опытных образцов стальных балок для проведения натурных огневых испытаний
- Рис 2. Сварные балки до испытания
- Рис 3. Сварная балка после испытания
- Рис 4. Контроль температуры в печи, на термопарах и замер прогиба балки при проведении испытаний
Внедрение в СП 16 и СП 554
Результаты разработки и исследований получили нормативное закрепление в двух документах.
| Документ | Что закреплено | Практическое значение |
|---|---|---|
| СП 16.13330.2017, Приложение В, табл. В.3 (Изм. № 5) | С390П включена в нормативную базу строительных сталей. | Марку можно назначать в расчетах стальных конструкций в пределах области применения СП и нормативных характеристик. |
| СП 554.1311500.2026 | Введены расчетно-аналитическая методика огнестойкости и температурные коэффициенты для огнестойких сталей С355П/С390П. | Проектировщик определяет критическую температуру конкретного элемента и использует ее при теплотехническом расчете и подборе огнезащиты. |
СП 554.1311500.2026, таблица Б.1 задает для С355П и С390П температурные коэффициенты снижения модуля упругости γe и прочности γT вплоть до 850 °C. Для новых огнестойких сталей применение этих коэффициентов увязано с испытаниями по ГОСТ 9651 и условием сохранения не менее 60% предела текучести при 600 °C.
Данные об изменении механических свойств основных строительных сталей при повышенных температурах
Таблица Б.1 — Температурные коэффициенты снижения механических свойств строительных сталей
| Температура нагрева, °C | Температурный коэффициент снижения модуля упругости γe | Температурный коэффициент снижения прочности γT |
|---|---|---|
Огнестойкие стали (С355П, С390П) | ||
| 20 | 1,00 | 1,00 |
| 250 | 1,00 | 1,00 |
| 300 | 0,96 | 0,96 |
| 350 | 0,93 | 0,95 |
| 400 | 0,90 | 0,92 |
| 450 | 0,86 | 0,89 |
| 500 | 0,82 | 0,83 |
| 550 | 0,77 | 0,76 |
| 600 | 0,71 | 0,68 |
| 650 | 0,65 | 0,58 |
| 700 | 0,58 | 0,47 |
| 750 | 0,50 | 0,33 |
| 800 | 0,42 | 0,20 |
| 850 | 0,33 | 0,02 |
СП 554.1311500.2026, Приложение Б, таблица Б.1: огнестойкие стали С355П и С390П.
Методика применения С390П с точки зрения проектирования
СП 554.1311500.2026 задает расчетную последовательность от прочностного расчета элемента до определения времени достижения критической температуры. Для С390П ключевой эффект реализуется через более высокую критическую температуру при том же уровне нагружения.
| № | Этап | Основание СП 554 | Результат |
|---|---|---|---|
| 1 | Определить требуемый предел огнестойкости R и температурный режим пожара. | п. 5.4; п. 4.6 | Требуемое время работы конструкции при пожаре. |
| 2 | Выполнить прочностной расчет элемента по СП 16 с фактическими нагрузками, закреплениями и расчетной длиной. | пп. 8.2-8.3 | Усилия/напряжения и коэффициент использования элемента. |
| 3 | Определить температурные коэффициенты γT и γe для расчетного напряженного состояния. | пп. 8.4-8.7; разделы 9-11 | Допустимое снижение прочности и жесткости. |
| 4 | Определить критическую температуру tкр по таблице Б.1 как температуру, соответствующую определяющему коэффициенту. | п. 8.6; Приложение Б | Критическая температура конкретной конструкции. |
| 5 | Определить приведенную толщину металла δпр = F/П по фактическому обогреваемому периметру. | п. 12.2, формула (12.2), табл. 1 | Параметр скорости прогрева сечения. |
| 6 | Рассчитать собственный предел огнестойкости незащищенной конструкции. | п. 12.2, формула (12.1) или номограмма рис. 1 | Время достижения tкр без огнезащиты. |
| 7 | Если собственного R недостаточно — выбрать огнезащиту и определить ее толщину по расчетным/экспериментальным данным для заданной tкр. | пп. 5.5, 5.8; 12.9-12.10 | Минимальная толщина ОГЗ для требуемого R. |
| 8 | Сопоставить фактическое время достижения tкр с требуемым пределом огнестойкости. | пп. 13.1-13.2 | Подтверждение R или корректировка решения. |
Прочностной расчет: критическая температура
СП 554.1311500.2026, пп. 8.4-8.6: расчетное сопротивление и модуль упругости при нагреве определяются через температурные коэффициенты γT и γe. Критическая температура принимается по наименьшему определяющему коэффициенту для конкретного вида работы элемента.
8.2. Расчетные длины элементов при расчете следует принимать с учетом СП 16.13330, принимая при этом нормативные значения прочностных характеристик.
8.3. Расчет несущей способности стальной конструкции и узлов крепления выполняется по СП 16.13330, при этом расчетные прочностные характеристики материалов принимают равными их нормативным значениям.
8.4. Расчетное сопротивление стали по пределу текучести при нагреве:
γT — температурный коэффициент снижения прочности стали при нагреве, приведенный в таблице Б.1 Приложения Б настоящего свода правил;
Ryn — предел текучести стали.
8.5. Модуль упругости стали при нагреве:
γe — температурный коэффициент снижения модуля упругости стали при нагреве, приведенный в таблице Б.1 Приложения Б настоящего свода правил;
E — модуль упругости стали.
8.6. Критическая температура нагрева сечения, °C, по потере несущей способности, определяется как соответствующая наименьшей величине коэффициентов γT и γe в соответствии с таблицей Б.1 Приложения Б настоящего свода правил.
Расчет температурного коэффициента снижения модуля упругости стали при сжатии следует выполнять по формуле:
lef — расчетная эффективная длина элемента;
Jmin — наименьший момент инерции сечения элемента.
СП 554.1311500.2026, пп. 8.4-8.6: снижение прочности и модуля упругости, определение критической температуры.
Теплотехнический расчет: приведенная толщина и время прогрева
После определения tкр рассчитывают время прогрева. Для незащищенных конструкций СП 554 допускает расчетный метод или номограммы; приведенная толщина металла определяется как отношение площади сечения к обогреваемому периметру.
12. Теплотехнический расчет стальных конструкций
12.1. При проведении теплотехнического расчета температура стальных конструкций при воздействии пожара принимается равномерно распределенной по сечению.
12.2. Для стальных конструкций без огнезащиты время прогрева определяется с использованием графиков (номограмм) прогрева стальных конструкций различной приведенной толщины или расчетным методом. Изменение температуры нагрева стальных конструкций без огнезащиты в зависимости от приведенной толщины металла и времени температурного воздействия стандартного пожара определяется по номограмме (рисунок 1), промежуточные значения определяются методом линейной интерполяции.
Расчетный метод определения температуры незащищенных стальных конструкций при стандартном температурном режиме пожара заключается в пошаговом расчете с использованием зависимости:
tсm,Δτ — температура стального стержня через расчетный интервал времени, °C;
tсm — температура стержня в данный момент времени τ, °C;
tв,τ — температура стандартного пожара по формуле (1) ГОСТ 30247.0 в момент времени τ, °C;
α — коэффициент теплопередачи от нагревающей среды к поверхности стержня, Вт/(м²·°C);
Cсm — удельная теплоемкость стали, Дж/(кг·°C);
Dст — коэффициент изменения удельной теплоемкости стали при нагреве;
ρст — плотность стали, кг/м³;
δпр — приведенная толщина металла стальной конструкции, м, определяется по формуле:
F — площадь поперечного сечения стержня, м²;
П — обогреваемый периметр сечения стержня, м, определяемый по таблице 1.
СП 554.1311500.2026, п. 12.2: расчет температуры незащищенной конструкции и формула приведенной толщины δпр = F/П.
Подбор средств огнезащиты для С390П
Для защищенных конструкций СП 554.1311500.2026 предусматривает номограммы и матрицы прогрева. Пункт 12.9 устанавливает диапазон критических температур 400-700 °C для обычных сталей и до 850 °C для огнестойких сталей с шагом 50 °C. Пункт 12.10 позволяет решать обратную задачу — определять минимальную толщину огнезащиты для заданных ПТМ, tкр и требуемого R.
- Пример номограммы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием при стандартном температурном режиме пожара до tкр = 600 °C
12.9. Матрицы прогрева стальных конструкций с огнезащитным покрытием при установленном температурном режиме пожара формируются для критических температур от 400 °C до 700 °C для обычных сталей и до 850 °C для огнестойких сталей с шагом 50 °C.
Матрица прогрева стальных конструкций для определенных значений критической температуры формируется на основе результатов теплотехнических расчетов согласно пункту 12.3 настоящего свода правил. Каждое значение времени достижения заданной температуры соответствует пределу огнестойкости стальной конструкции с определенной приведенной толщиной металла и толщиной огнезащитного покрытия для определенной при прочностном расчете критической температуры. Промежуточные значения времени достижения заданной температуры для других приведенных толщин металла и толщин огнезащитного покрытия определяются методом линейной интерполяции.
СП 554.1311500.2026, п. 12.9: пример номограммы защищенной конструкции и диапазон матриц для огнестойких сталей.
Для выбранного средства огнезащиты должны применяться подтвержденные расчетные/экспериментальные данные для требуемой критической температуры и диапазона ПТМ; промежуточные значения используют только в допустимой области интерполяции. |
|---|
Материалы для инженеров
- Патент на изобретение №2781928 «Способ производства низколегированного рулонного проката категории прочности С390П»PDF, 1.02 МБ
- Патент на изобретение №2799194 «Способ производства низколегированного толстолистового проката с повышенной огнестойкостью на реверсивном стане»PDF, 989.14 КБ
- Патент на изобретение №2807799 «Способ производства огнестойкой стали»PDF, 1.06 МБ
- СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции»
- СП 554.1311500.2026 «Системы противопожарной защиты. Конструкции стальные строительные. Нормы и правила обеспечения огнестойкости»
- ГОСТ 9651-84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение при повышенных температурах»
- ГОСТ 30247.0-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования»
- ГОСТ 30247.1-94 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции»
Калькулятор
Для предварительной технико-экономической оценки применения С390П разрабатывается онлайн-калькулятор. Инструмент предназначен для сравнения базового решения из стандартной строительной стали с вариантом, использующим высокопрочную огнестойкую сталь С390П и оценки эффекта, связанного с повышением критической температуры конструкции и снижением требуемого расхода огнезащиты.
Расчетные примеры
Ниже приведены расчетные примеры оптимизации расхода ОГЗ при переходе на элементы из стали марки С380П. Экономический эффект относится к конкретным конструкциям, нагрузкам, ПТМ, пределам огнестойкости и выбранным огнезащитным системам, результаты не являются гарантированными для любого объекта.
Дополнительная информация
Прокат выпускается по ТУ 24.10.35-668-00186217-2022
Похожие продукты
Профлист из высокопрочной стали S450GD
Профили стальные листовые гнутые для строительства, производимые из стали марки S450GD.