Читать книгу Pożary mostów - Henryk Zobel - Страница 16
ОглавлениеWłaściwości fizyczne i mechaniczne stali, betonu, drewna i innych materiałów zależą od temperatury. Z kolei wartość temperatury jaką osiągnie konstrukcja mostu podczas pożaru determinuje jego nośność i określa warunki ewentualnego dalszego użytkowania. W związku z powyższym kluczowym staje się jak najbardziej precyzyjne sformułowanie modeli obliczeniowych materiałów, które są wykorzystywane w analizie termowytrzymałościowej. W celach porównawczych wskazane jest również posiadanie informacji na temat tych właściwości w temperaturze otoczenia. Zazwyczaj przyjmuje się ją na poziomie 20°C.
Należy jednak pamiętać, że o ewentualnym, dalszym wykorzystaniu elementu konstrukcji stalowej po pożarze często decyduje nie pogorszenie charakterystyk stali, a wielkość trwałego odkształcenia konstrukcji stalowej. Wniosku tego nie należy jednak uogólniać. Przebieg każdego pożaru jest inny. Inny jest rodzaj konstrukcji mostu, inne jest źródło ognia i inny jest przebieg pożaru i sposób jego gaszenia.
6.2. Właściwości termomechaniczne stali
Powszechnie panuje przekonanie, że stal po pożarze nie nadaje się do użytku. Jednakże wyniki badań autorskich [64, 67] i opisywanych w literaturze [4, 31 i 41] pokazują, że w zdecydowanej większości przypadków stal miała właściwości, skład i strukturę zgodną z normami odpowiadającymi danemu rodzajowi. Ogólnie można stwierdzić, że właściwości stali i jej struktura mikrokrystaliczna nie ulegają dużym zmianom w wyniku nagrzewania do temperatury 723°C. Zaobserwowane odchylenia od wartości normowych mieszczą się w przedziale ±10%. Spowodowane to jest najprawdopodobniej lokalnymi zahartowaniami materiału. Mogą natomiast wystąpić niewielkie zmiany wartości wydłużenia i udarności.
Można stwierdzić, że ciepło powstałe w czasie pożaru, które nagrzało materiał do temperatury niższej od 723°C, powoduje odprężenie i częściowo wyżarzenie rekrystalizujące, natomiast rozrost ziarna zaobserwowany w stali objętej pożarem może być efektem rekrystalizacji stali wcześniej walcowanej w zbyt niskiej temperaturze.
Poniżej opisano wzorami i przedstawiono na wykresach (rys. 6.1–6.7) następujące właściwości stali:
przewodność termiczną ks [W ⋅ m–1 ⋅ K–1] – wzór (6.1) i rysunek 6.1 [31]
(6.1)
ciepło właściwe cs [J ⋅ kg–1 ⋅ K–1] – wzór (6.2) i rysunek 6.2 [31]
(6.2)
gdzie ρs – gęstość równa 7850 kg/m3.
Rys. 6.1. Przewodność termiczna stali w funkcji temperatury [31]
Rys. 6.2. Ciepło właściwe stali w funkcji temperatury [31]
Rys. 6.3. Spadek granicy plastyczności stali odpowiadającej gatunkowi S355 pod wpływem temperatury [31]
Rys. 6.4. Związek odkształcenie-naprężenie dla stali odpowiadającej gatunkowi S355 w funkcji temperatury [31]
Rys. 6.5. Zmienność granicy plastyczności w zależności od temperatury [22]
Rys. 6.6. Zmienność modułu Younga w zależności od temperatury [22]
Z kolei na rysunku 6.3 przedstawiono spadek granicy plastyczności stali opisanej zależnością [31]:
(6.3)
gdzie: fy0 – granica plastyczności stali w temperaturze pokojowej, fyT – granica plastyczności stali w temperaturze T w °C.
Ogólnie w miarę przyrostu temperatury następuje spadek wartości współczynnika sprężystości podłużnej i granicy plastyczności. Maleje także przewodność termiczna, ale rośnie ciepło właściwe stali. Istotnym kryterium oceny odporności przeciwpożarowej konstrukcji stalowej jest ciągliwość stali. Znaczące zmniejszenie wartości tej właściwości następuje już w stosunkowo wysokiej temperaturze, tj. w 600°C. Grozi to utratą stateczności elementów ściskanych, przy czym ściskanie następuje podczas pożaru w rezultacie braku możliwości swobodnego odkształcania się konstrukcji.
Rys. 6.7. Wykres żelazo-węgiel z naniesionymi kolorami stali w zależności od jej temperatury [22]
Należy także dodać, że zmiana właściwości mechanicznych stali pod wpływem przyrostu temperatury zależy od technologii jej wytwarzania. Elementy walcowane na gorąco wolniej tracą swoje właściwości w miarę przyrostu temperatury niż elementy wykonywane na zimno.
Po określeniu temperatury elementów stalowych w trakcie pożaru może okazać się przydatna znajomość kolorów, które przybiera stal w określonych temperaturach. Wykres żelazo-węgiel przedstawiony na rysunku 6.7 pokazuje ich zmienność. Należy dodać, że dotyczy to stali niepokrytej jakąkolwiek warstwą ochrony antykorozyjnej.
