Моделювання вогнестійкості залізобетонної колони під впливом високих температур

1.

Автор: здобувач заочної форми
навчання ОР «магістр»,
спеціальність 261 «Пожежна безпека»
Сторожук Оксана
Науковий керівник: викладач кафедри
ППНП, доктор філософії
НОВГОРОДЧЕНКО Аліна

2.

Метою дослідження є удосконалення методики розрахунку
вогнестійкості стиснутих залізобетонних будівельних елементів при
температурних режимах пожежі близьких до реальних та створення
комп’ютерних програм для її чисельної реалізації.
Задачі дослідження:
1. Розробити комп’ютерну програму чисельного розрахунку
температурних полів у перерізах стиснутих залізобетонних будівельних
елементів при всебічному нагріванні, що враховує мінливість
характеристик теплопереносу.
2. Розробити уточнену методику чисельного розрахунку міцності
позацентрово стиснутих залізобетонних будівельних елементів при
всебічному нагріванні.
3. Провести за розробленими методиками чисельні дослідження стану
стиснутих залізобетонних будівельних елементів при реальних режимах
пожеж для виявлення умови втрати несучої здатності на стадії загасання
пожежі.

3.

Вогнестійкість залізобетонних конструкцій втрачається, як
правило, в результаті втрати несучої здатності (обвалення) за рахунок
зниження міцності, теплового розширення і температурної повзучості
арматури та бетону при нагріванні, а також в результаті прогріву не
повернутої до вогню поверхні на 140 оС [6]. За цими показниками межу
вогнестійкості залізобетонних конструкцій можна визначити
розрахунковим методом.
M P ,t N P ,t M H N H
де МР,t(NP,t) – несуча здатність зігнутої (стиснутої чи відцентрово
стиснутої) конструкції;
МН(NН) – згинальний момент (повздовжнє зусилля) від нормативного чи
іншого робочого навантаження.

4.

Розрахунки проводилися для колони квадратного поперечного перерізу з
розмірами 300 300 мм, обігріваємої з чотирьох сторін. Колона симетрично
армована чотирма стержнями діаметром d = 0,025 м, арматура класу А – III;
бетон важкий класу В20 на гранітному заповнювачі; густиною = 2330 кг/м3.
Враховуючи симетричність поперечного перерізу колони, розрахунок
температурного поля виконувався для однієї восьмої частини перерізу. Схема
дискретизації перерізу показана на рис
tw0 tw1 tw2 tw3 tw4 tw5 tw6 tw7 tw7
tw1
t11
t12
t13 t14 t15
t16 t17
t18
tw2
t12
t22
t23 t24 t25
t26 t27
t28
t13
t23
t33 t34 t35
t36 t37
t38
t24
t34 t44 t45
t46 t47
t48
t35
t58
t45
t55
t56 t57
t46
t56
t66
t67 t68
t57
t67
t77 t78
t68
t78
t88

5.

H
H
H
20 хв розвитку
пожежі
H
60 хв згасання пожежі
90 хв розвитку пожежі (максимум)
H
H
90 хв згасання пожежі

6.

p
k
n m
N ut bij Abij sij Asij
i
j
i j
2
3
4
5
bij
bij
bij
bij
bij
a2
a3
a4
a5
bij RbT a1
bRT
bRT
bRT
bRT
bRT
бti брi буi ( брi буi )Т i бtiТ і ,
де bij – граничні напруження елементів бетону, на які дискретизується
переріз; sij – граничні напруження елементів, які відповідають арматурі;
Abij – площа поперечного перерізу елементів бетону; Asij – площа поперечного
перерізу арматури. де брi деформація за рахунок температурного
розширення бетону; буi деформація за рахунок усадки бетону при
тріщиноутворенні і інших еоборотних процесах; брi коефіцієнт
термрозширення бетону; буi коефіцієнт температурної усадки.

7. Розподіл напружень в перерізі колони на разних стадіях пожежі

90 хв розвитку пожежі
(максимум)
90 хв згасання
пожежі
60 хв згасання
пожежі

8. Математичний апарат для врахування поздовжнього прогину колони

j
4j
4j
xj
j
0.5h e
( l ) tg
n
2
0
де σ4j – напруження в момент втрати стійкості в
елементах перерізу;
хj – абсциса середньої точки поточного елемента;
h – довжина перерізу, м;
μ – коефіцієнт, який залежить від виду защемлення
елемента на кінцях;
е – ексцентриситет;
l – довжина колони, м;
α – кут лінійного розподілення деформацій по перерізу;
n – коефіцієнт, що залежить від деформування осі
елемента.
Формула для визначення несучої здатності колони:
N 2 ij A j
i
j
де Аj – площа поперечного перерізу елементу.
Схема дискретизації
перерізу колони
для розв’язку
системи рівнянь рівноваги

9. Результати розрахунку для поздовжньо зігнутих колон

Епюра напружень (МПа) та
контурний графік розподілу
напружень в перерізі колони
довжиною 4 метри в момент
найбільшого розвитку пожежі
(T= 90 хвилин)
Епюра напружень (МПа) та
контурний графік розподілу
напружень в перерізі колони
довжиною 4 метри після згасання
пожежі протягом
90 хвилин

10. Висновки

1. Удосконалена методика розрахунку вогнестійкості стиснутих
залізобетонних елементів будівельних конструкцій.
2. Створено методику для розрахунку температурних полів у перерізі
залізобетонної колони під час пожежі, як на стадії її розвитку, так і на стадії
загасання.
3. Розроблена програма для розрахунку міцності залізобетонних колон в
умовах пожежі, як на стадії її розвитку, так і на стадії загасання.
4. Розроблені програми мають переваги порівняно з відомими аналогами,
створеними в середовищі Exel, за рахунок введеного автоматичного
коригування кроку розрахунку на будь – якій стадії написання, невеликого
обсягу, зручності оформлення розрахунків та високоякісного подання
результатів розрахунку.
6. В програмному комплексі розроблений алгоритм та програма
розрахунку несучої здатності перерізів стиснутих залізобетонних колон з
врахуванням повздовжнього вигину.
7. В результаті проведених за розробленою методикою числових
розрахунків напружено – деформованого стану стиснутих залізобетонних
колон при реальних режимах пожеж були досліджені умови втрати несучої
здатності на стадії загасання.
8. Використані алгоритми дозволяють створення подібних програм для
оцінки вогнестійкості інших залізобетонних елементів будівельних конструкцій.