firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2023.32.01.69-79firesmi-1197Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSОценка сходимости результатов экспериментальных исследований огнестойкости сжатых железобетонных элементов с повышенным процентом армирования с численными расчетамиEvaluating convergence between results of experimental studies on fire resistance of compressed reinforced concrete elements, having a higher percentage of reinforcement, and results of numerical calculationshttps://orcid.org/0000-0002-2361-6428КорольченкоД. А.KorolchenkoD. A.

КОРОЛЬЧЕНКО Дмитрий Александрович, д-р техн. наук, доцент, директор Института комплексной безопасности в строительстве, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; РИНЦ ID: 352067; Scopus Author ID: 55946060600; ResearcherID: E-1862-2017.

Dmitriy A. KOROLCHENKO, Dr. Sci. (Eng.), Docent, Head of Institute of Complex Safety in Construction, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Yaroslavskoe Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Fede­ration; ID RISC: 352067; Scopus Author ID: 55946060600; ResearcherID: E-1862-2017

ikbs@mgsu.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3649-7488АртемьевЕ. А.ArtemievE. A.

АРТЕМЬЕВ Евгений Александрович, исследователь, преподаватель-исследователь, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет, Россия, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26; РИНЦ ID: 928691; ResearcherID: HKP-0992-2023.

Evgeniy A. ARTEMYEV, Researcher, Lecturer-Researcher, Moscow State University of Civil Engineering (National Research University), Yaroslavskoe Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Federation; ID RISC: 928691; ResearcherID: HKP-0992-2023

eartemiev@mail.ruНациональный исследовательский Московский государственный строительный университет, г. МоскваРоссияMoscow State University of Civil Engineering (National Research University), Yaroslavskoe Shosse, 26, Moscow, 129337, Russian Fede­rationRussian Federation2023280220233216979Copyright © Корольченко Д.А., Артемьев Е.А., 20232023Корольченко Д.А., Артемьев Е.А.Korolchenko D.A., Artemiev E.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1197Введение

Введение. Достаточно сложным и наукоемким случаем расчетного обоснования комплексной, механической и пожарной безопасности зданий и сооружений является оценка фактической огнестойкости их несущих строительных конструкций, выполненных из различных материалов и, в частности, из железобетона. Существующие методические подходы к расчету огнестойкости железобетонных конструкций не учитывают теплотехнические характеристики армирования, что позволяет получать согласующие с результатами экспериментов значения предела огнестойкости конструкций только при расчете бетонных конструкций и железобетонных конструкций процентом армирования до 3,5 %.

Цель работы

Цель работы. Апробация методики проведения гибридного эксперимента и оценка сходимости результатов экспериментальных лабораторных исследований огнестойкости сжатых железобетонных элементов с по­вышенным процентом армирования с теоретическими данными и численными расчетами. Были решены следующие задачи:

Методы исследования

Методы исследования. Теоретические данные для сопоставления были получены аналитическим путем (по формулам и номограммам СП 468.1325800.2019), а экспериментальные и расчетные — в ходе параллельных экспериментальных исследований в огневой лаборатории НИУ МГСУ и численных исследований в программном комплексе ПК Abaqus. В ходе лабораторного эксперимента на прессовом оборудовании определялась прочность бетона контрольных кубов, с использованием разрывной машины — физико-­механические характеристики арматурной стали. Далее изготавливались контрольные бетонные и железобетонные образцы с заданными характеристиками, после чего определялись температурные поля в бетонных и железобетонных поперечных сечениях образцов на основании данных термопар, а также испытывались центрально сжатые бетонные и железобетонные образцы в огневой камере при стандартной температуре пожара. Выполнялось моделирование исследуемых бетонных и железобетонных образцов с использованием объемных конечных элементов с размером до 10 мм и с использованием встроенного решателя «Heat transfer» (Теплообмен), проводился расчет распределения температурных полей при стандартной темпе­ратуре пожара в бетонных и железобетонных элементах, а также расчеты огнестойкости железобетонных элементов при стандартном температурном пожаре.

Результаты и их обсуждение. В результате исследований установлены:

Выводы

Выводы. Подтверждена гипотеза о снижении температуры прогрева бетонной части железобетонного сечения с высоким процентом армирования (более 3,5 %) при учете теплотехнического влияния арматуры. Следствием здесь являются заниженные значения огнестойкости железобетонных элементов, определенные в соответствии с нормируемым подходом. Также доказана применимость разработанной методики гибридного эксперимента с учетом выдвинутой гипотезы об уменьшении прогрева бетона за счет учета теплотехнического влияния арматуры.

Introduction

Introduction. Evaluation of actual fire resistance of load-bearing building structures made of various materials and reinforced concrete, in particular, encompasses a rather complex and research-intensive case of analysis of integrated, mechanical and fire safety of buildings and structures. Current methods of analyzing the fire resistance of reinforced concrete structures do not take into account any thermal characteristics of reinforcement. Hence, values of the fire resistance limit of structures can only be consistent with experimental results only if the percentage of reinforcement in analyzed concrete structures and reinforced concrete structures is below 3.5 %.

The purpose of the work

The purpose of the work. Is (1) the pilot testing of a hybrid experiment method and (2) evaluation of convergence between (a) results of experimental laboratory studies on fire resistance of compressed reinforced concrete elements with a higher percentage of reinforcement, (b) theoretical data and (c) numerical calculations. The following tasks were solved:

Research methods

Research methods. Theoretical data, applied for comparison purposes, were obtained analytically (using formulas and nomograms of SP (Construction Regulations) 468.1325800.2019), experimental and calculated data were obtained in the course of concurrent experimental studies conducted at the fire testing laboratory of NRU MGSU, and numerical studies were obtained using the Abaqus PC software package. In the course of a laboratory experiment made using the loading equipment, the strength of reference concrete templates was identified, using the tensile machine to find the physical and mechanical characteristics of reinforcing steel. Next, reference concrete and reinforced concrete specimens with pre-set characteristics were made. Then temperature fields in concrete and cross sections of specimens, containing reinforced concrete, were identified using the thermocouple data. Centrally compressed concrete and reinforced concrete specimens were tested in a fire chamber at a standard fire temperature. The behaviour of concrete and reinforced concrete specimens was simulated using volumetric finite elements, having the size of up to 10 mm, and a built-in Heat Transfer Solver (Heat transfer). Temperature field distribution and fire resistance of reinforced concrete elements were analyzed at a standard fire temperature in concrete and reinforced concrete elements.

Results and their discussion. The following knowledge was gained by means of this research project:

Conclusions

Conclusions. The hypothesis about a reduction in the heating temperature of concrete in the reinforced concrete section that has a high percentage of reinforcement (more than 3.5 %) was proven, taking into account the thermal influence of reinforcement. The consequence is the underestimated values of fire resistance of reinforced concrete elements, identified in accordance with a standardized approach. The applicability of the proposed hybrid experiment technique is also proven, taking into account the hypothesis about a reduction in concrete heating due to the thermal influence of reinforcement.

огневое воздействиеогнестойкость строительных конструкцийтеоретические данныелабораторные исследования огнестойкостичисленные исследованияматематическое моделированиеfire impactfire resistance of building structurestheoretical datalaboratory studies of fire resistancenumerical studiesmathematical modellingReferencesПчелинцев А.В. Влияние совместной работы конструкций на огнестойкость зданий и сооружений // Обеспечение огнестойкости зданий и сооружений при применении новых строительных материалов и конструкций : мат. сем. М. : МДНТП, 1988. С. 5–20.Pchelintsev A.V. The influence of joint work of structures on the fire resistance of buildings and structures. Ensuring the Fire Resistance of Buildings and Structures When Using New Building Materials and Structures : Materials of the Seminar. Moscow, MDNTP Publ., 1988; 5-20. (rus).Пчелинцев А.В. Исследование остаточной несущей способности изгибаемых преднапряженных железобетонных конструкций после высокотемпературного воздействия (пожара) : дис. … канд. техн. наук. М., 1988. 203 с.Pchelintsev A.V. Investigation of the residual load-bearing capacity of bent prestressed reinforced concrete structures after high-temperature exposure (fire) : dissertation of the Candidate of Technical Sciences. Moscow, 1988; 203. (rus).Панюков Э.Ф. Оценка состояния железобетонных конструкций после пожара : дис. … д-ра техн. наук. М., 1991. 389 с.Panyukov E.F. Assessment of the state of reinforced concrete structures after a fire : dissertation of the Doctor of Technical Sciences. Moscow, 1991; 389. (rus).Романенков И.Г. Методы огневых испытаний строительных материалов и конструкций. М. : ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1984. 56 с.Romanenkov I.G. Methods of fire tests of building materials and structures. Moscow, TsNTI on civil engineering and architecture, 1984; 56. (rus).Сегалов А.Е. Учет влияния режимов нагрева на критические температуры арматурных и строительных сталей // Жаростойкие и обычные бетоны при действии повышенных и высоких температур. М. : НИИЖБ, 1988. С. 60–67.Segalov A.E. Taking into account the influence of heating modes on the critical temperatures of reinforcing and building steels. Heat–Resistant and Conventional Concretes under the Action of Elevated and High Temperatures. Moscow, NIIZHB Publ., 1988; 60-67. (rus).Забегаев А.В, Тамразян А.Г., Дронов Ю.П., Ройтман В.М. Разработка способов снижения риска от пожаров зданий и сооружений // Жилищное строительство. 2002. № 2. С. 26–29.Zabegaev A.V., Tamrazyan A.G., Dronov Yu.P., Roitman V.M. Development of methods reducing the risk from fires of buildings and structures. Housing Construction. 2002; 2:26-29. (rus).Ройтман В.М., Приступюк Д.М., Агафонова В.В. Возникновение и развитие теории стойкости конструкций и зданий при комбинированных особенных воздействиях с участием пожара // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 10. С. 4–12.Roitman V.M., Pripodyuk D.M., Agafonova V.V.Тамразян А.Г. К оценке огнеударостойкости несущих железобетонных конструкций высотных зданий // Жилищное строительство. 2005. № 4. С. 7–8.Emergence and development of the theory of stability of structures and buildings at the combined special influences with participation of a fire. Industrial and Civil Construction. 2010; 10:4-12. (rus).Тамразян А.Г., Мехрализадех А.Б. Особенности проявления огневых воздействий при расчете на прогрессирующее обрушение зданий с переходными этажами // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : мат. Междунар. академических чтений. Курск : 2012. С. 79–85.Tamrazyan A.G. To assess the fire resistance of load-bearing reinforced concrete structures of high-rise buildings. Housing Construction. 2005; 4:7-8. (rus).Тамразян А.Г. Расчет внецентренно сжатых элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. С. 29–35. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23217619Tamrazyan A.G., Mehralizadeh A.B. Features of the manifestation of fire effects when calculating the progressive collapse of buildings with transitional floors. Safety of the construction fund of Russia. Problems and solutions : Materials of international academic readings. Kursk, 2012; 79-85.Федоров В.С., Левитский В.Е., Молчадский И.С., Александров А.В. Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций. М. : Изд-во АСВ, 2009. 408 с.Tamrazyan A.G. Calculation of out-of-center compressed elements under dynamic loading under conditions of fire impacts. Industrial and civil construction. 2015; 3:29-35. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=23217619 (rus).Корольченко Д.А., Артемьев Е.А. Расчет огнестойкости сжатых железобетонных элементов с учетом теплотехнических характеристик арматуры // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 6. С. 37–41. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.06.37-41Fedorov V.S., Levitsky V.E., Molchadsky I.S., Alexandrov A.V. Fire resistance and fire hazard of building structures. Moscow, DIA Publ., 2009; 408. (rus).Корольченко Д.А., Поландов Ю.Х., Евич А.А. Условия возникновения пожара в помещении при газовом взрыве. Экспериментальные данные // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2020. № 29 (1). С. 9–21. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.9-21Korolchenko D.A., Artemyev E.A. Calculation of fire resistance of compressed reinforced concrete elements taking into account the heat and technical characteristics of reinforcement. Industrial and Civil Engineering. 2020; 6:37-41. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.06.37-41 (rus).Harada K.A. Study on the prediction of temperature rise in fire resistance test : Ph.D thesis. Kyoto University, 1992. 198 p.Korolchenko D.A., Polandov Yu.Kh., Evich A.A. Conditions of occurrence of fire in the room with a gas explosion. Experimental data. Experimental data. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and explosion safety. 2020; 29(1):9-21. DOI: 10.18322/PVB.2020.29.01.9-21 (rus).Capua D.D., Mari A.R. Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire // Fire Safety Journal. 2007. Vol. 42. Issue 2. Pp. 139–149. DOI: 10.1016/j.firesaf.2006.08.009Harada K.A. Study on the prediction of temperature rise in fire resistance test : Ph.D thesis. Kyoto University, 1992; 198.Chung J.H., Consolazio G.R., McVay M.C. Finite element stress analysis of a reinforced high-strength concrete column in severe fires // Computer & Structures. 2006. Vol. 84. Issue 21. Pp. 1338–1352. DOI: 10.1016/j.compstruc.2006.03.007Capua D.D., Mari A.R. Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire. Fire Safety Journal. 2007; 42(2):139-149. DOI: 10.1016/j.firesaf.2006.08.009Davie C.T., Zhang H.L., Gibson A. Investigation of a continuum damage model as an indicator for the prediction of spalling in fire exposed concrete // Computer & Structures. 2012. Vol. 94–95. Pp. 54–69. DOI: 10.1016/j.compstruc.2011.12.002Chung J.H., Consolazio G.R., McVay M.C. Finite element stress analysis of a reinforced high-strength concrete column in severe fires. Computer & Structures. 2006; 84(21):1338-1352. DOI: 10.1016/j.compstruc.2006.03.007Pham D.T., Buhan P., Florence C., Heck J.V., Nguyen H.H. Interaction diagrams of reinforced concrete sections in fire: A yield design approach // Engineering Structures. 2015. Vol. 90. Pp. 38–47. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.02.012Davie C.T., Zhang H.L., Gibson A. InvestigationLie T.T., Lin T.D., Allen D.E., Abrams M.S. Fire resistance of reinforced concrete columns // National research Council Canada Division of Building research. Ottawa, 1984. 196 p.of a continuum damage model as an indicator forPimienta P. New technique for measuring radial deformations of concrete at high temperatures // University Meetings of Civil Engineering. 2006. 187 p.the prediction of spalling in fire exposed concrete. Computer & Structures. 2012; 94-95:54-69. DOI: 10.1016/j.compstruc.2011.12.002Sin Y.S., Park J.E., Mun J.-Y., Kim J.Y. Experimental studies on the effect of various design parameters on thermal behaviors of high strength concrete columns under high temperatures // Journal of the Korea Concrete Institute. 2011. Vol. 23. Issue 3. Pp. 377–384. DOI: 10.4334/JKCI.2011. ф23.3.377Pham D.T., Buhan P., Florence C., Heck J.V., Nguyen H.H. Interaction diagrams of reinforced concrete sections in fire: A yield design approach. Engineering Structures. 2015; 90:38-47. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.02.012Мурашев В.И. Оценка огнестойкости железобетонных конструкций // Пожарное дело. 1956. № 7. С. 94.Lie T.T., Lin T.D., Allen D.E., Abrams M.S. Fire resistance of reinforced concrete columns. National research Council Canada Division of Building research. Ottawa, 1984; 196.Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 142 с.Pimienta P. New technique for measuring radial deformations of concrete at high temperatures. University Meetings of Civil Engineering. 2006; 187.Яковлев А.И. Расчет пределов огнестойкости сжатых железобетонных конструкций по критическим деформациям // Поведение строительных конструкций в условиях пожара : сб. тр. ВНИИПО МВД СССР. М., 1987. С. 5–16.Sin Y.S., Park J.E., Mun J.-Y., Kim J.Y. Experimental studies on the effect of various design parameters on thermal behaviors of high strength concrete columns under high temperatures. Journal of the Korea Concrete Institute. 2011; 23(3):377-384. DOI: 10.4334/JKCI.2011.23.3.377Милованов А.Ф. Огнестойкость железобетонных конструкций. М. : Стройиздат, 1986. 255 с.Murashev V.I. Assessment of fire resistance of reinforced concrete structures. Moscow, Prosvetitel’ Publ., 1956; 7:94. (rus).Милованов А.Ф., Соломонов В.В., Кузнецова И.С. Огнестойкость и огнесохранность зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9. C. 39–40.Yakovlev A.I. Calculation of fire resistance of building structures. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988; 142.Кузнецова И.С. Прочность и деформативность железобетонных конструкций, поврежденных пожаром : дис. … канд. техн. наук. М., 1999. 155 с.Yakovlev A.I. Calculation of fire resistance limits of compressed reinforced concrete structures by critical deformations. Behavior of building structures in fire conditions : Sb. tr. VNIIPO of the Ministry of Internal Affairs of the USSR. Moscow, 1987; 5-16. (rus).Тамразян А.Г. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. C. 29–35.Milovanov A.F. Fire resistance of reinforced concrete structures. Moscow, Stroyizdat Publ., 1986; 255. (rus).Milovanov A.F., Solomonov V.V., Kuznetsova I.S. Fire resistance and fire safety of buildings and structures. Industrial and Civil Construction. Moscow, 2002; 9:39-40. (rus).Milovanov A.F., Solomonov V.V., Kuznetsova I.S. Fire resistance and fire safety of buildings and structures. Industrial and Civil Construction. Moscow, 2002; 9:39-40. (rus).Kuznetsova I.S. Strength and deformability of reinforced concrete structures damaged by fire : dissertation of the Candidate of Technical Sciences. Moscow, 1999; 155. (rus).Kuznetsova I.S. Strength and deformability of reinforced concrete structures damaged by fire : dissertation of the Candidate of Technical Sciences. Moscow, 1999; 155. (rus).Tamrazyan A.G. Calculation of non-centrally compressed elements under dynamic loading under conditions of fire impacts. Industrial and Civil Construction. 2015; 3:29-35. (rus).Tamrazyan A.G. Calculation of non-centrally compressed elements under dynamic loading under conditions of fire impacts. Industrial and Civil Construction. 2015; 3:29-35. (rus).

The authors declare that there are no conflicts of interest present.