firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/PVB.2021.30.02.49-70firesmi-978Research ArticleБЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВSAFETY OF BUILDINGS, STRUCTURES, OBJECTSРешение теплотехнической задачи огнестойкости центрифугированных железобетонных колоннA solution to the thermal problem of fire resistance of spun reinforced concrete columnshttps://orcid.org/0000-0003-2469-3553ПолеводаИ. И.PalevodaI. I.

Полевода Иван Иванович, канд. техн. наук, доцент, начальник университета

РИНЦ ID: 1034546 

220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25

Ivan I. Palevoda, Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor, Head of University

ID RISC: 1034546 

Mashinostroiteley St., 25, Minsk, 220118

ip@ucp.byhttps://orcid.org/0000-0001-7838-4663НеханьД. С.NekhanD. S.

Нехань Денис Сергеевич, адъюнкт факультета подготовки научных кадров

РИНЦ ID: 1037873  

220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25

Dzianis S. Nekhan, Adjunct at Faculty of Postgraduate Scientific Education

ID RISC: 1037873 

Mashinostroiteley St., 25, Minsk, 220118

denis_nechany@mail.ruГосударственное учреждение образования «Университет гражданской защиты Министерства по чрезвычайным ситуациям Республики Беларусь»БеларусьState Educational Establishment “University of Civil Protection of the Ministry for Emergency Situations of the Republic of Belarus”Belarus2021150520213024970Copyright © Полевода И.И., Нехань Д.С., 20212021Полевода И.И., Нехань Д.С.Palevoda I.I., Nekhan D.S.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/978

Введение. Сегодня в мировой строительной практике широкое применение нашли железобетонные колонны, изготовленные методом центрифугирования. Известные формулы расчета температур в сечении железобетонных конструкций для оценки их предела огнестойкости, успешно применяемые для однородных конструкций сплошного сечения, не корректны для центрифугированных железобетонных колонн ввиду наличия в них определенных конструктивных особенностей. Целью настоящей работы явилась разработка методики решения теплотехнической задачи для центрифугированных железобетонных колонн, а также адаптация существующих формул для их расчета.Материалы и методы. Настоящая работа посвящена проблеме прогрева центрифугированных железобетонных колонн при пожаре. Для изучения влияния особенностей центрифугированных железобетонных колонн на их прогрев использовано компьютерное моделирование на базе платформы Ansys Workbench.Результаты и их обсуждение. В ходе проведения теоретических исследований, основанных на результатах натурных огневых испытаний центрифугированных железобетонных колонн, проведена оценка влияния полости в колоннах, неоднородности центрифугированного бетона и тонкостенности указанных конструкций на прогрев их сечения. Для учета данных составляющих получены соответствующие поправочные коэффициенты. Для коэффициента khol, учитывающего увеличение температур в сечении полых железобетонных конструкций по сравнению со сплошными, получено уравнение регрессии на основании проведенного моделирования в разрезе полного факторного эксперимента. Коэффициент ускорения прогрева центрифугированных железобетонных конструкций за счет неоднородности бетона в поперечном сечении khet является функцией толщины стенки изделия. Коэффициент kth, учитывающий ускорение прогрева при раскрытии трещин в тонкостенных конструкциях, изменяется в диапазоне 1,00…1,40. При этом температура начала раскрытия трещин в бетоне составляет 550 °C.Выводы. Разработана методика, позволяющая решить теплотехническую задачу огнестойкости центрифугированных железобетонных колонн. Произведена адаптация инженерной формулы по расчету температур в их поперечном сечении. Результаты компьютерного моделирования и расчета температур по адаптированной формуле показали приемлемую сходимость с экспериментальными данными.

Introduction. Spun reinforced concrete columns are widely used in the present-day international construction practice. Known formulas, used to calculate temperatures of cross sections of reinforced concrete structures, needed to assess their fire resistance limit, are successfully applied to homogeneous structures that have solid sections. However, they are inapplicable to spun reinforced concrete columns due to their structural features. The purpose of this work is to develop a method for solving a thermal problem of spun reinforced concrete columns and adapt existing calculation formulas.Materials and methods. This work addresses the heating of spun reinforced concrete structures in case of fire. Ansys Workbench was employed to perform the computer simulation needed to study the influence of the characteristics of spun reinforced concrete columns on their heating. Results and discussion. In the course of the theoretical studies, the effect, produced by column cavities, the heterogeneity of spun concrete and thin walls of these structures on the heating of their cross sections was assessed with regard for the results of full-scale fire tests of spun reinforced concrete columns. Correction coefficients were obtained in order to take account of these factors. A regression equation was derived as a result of the simulation performed in the context of a full-scale factorial experiment involving coefficient khol, which takes into account the rising temperature of hollow reinforced concrete structures in comparison with solid ones. Khet heating acceleration coefficient is applicable to spun reinforced concrete structures due to the heterogeneity of concrete in the cross section. This coefficient represents a function of the wall thickness. Coefficient kth, which allows for the heating acceleration in the course of crack opening in thin-walled structures, varies in the range of 1.00…1.40. The concrete cracking temperature is 550 °C.Conclusion. A new method allows to solve the thermal problem of fire resistance of spun reinforced concrete columns. The engineering formula used to calculate the temperature in a cross-section was adapted. The results of computer-aided simulation and calculation of temperature values, performed using the adapted formula, show acceptable convergence with the experimental data.

предел огнестойкостиинженерная методика расчетаAnsys Workbenchкомпьютерное моделированиепрогрев сечениятемпературный режим пожаранеоднородность бетонаполые конструкциитонкостенностьтеплообменfire resistance limitengineering calculation methodologyAnsys Workbenchcomputer-aided simulationsection heatingtime-temperature curveconcrete heterogeneityhollow constructionsthinness of wallsheat transferReferencesПецольд Т.М. Железобетонные центрифугированные конструкции промышленных зданий и сооружений : дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 1983. 534 с.Petsolʼd T.M. Reinforced concrete centrifuged structures of industrial buildings and structures : dissertation of doctor of technical sciences. Minsk, 1983; 534. (rus).Пастушков Г.П. Многоэтажные каркасные здания с несущими железобетонными центрифугированными элементами : дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 1994. 487 с.Pastushkov G.P. Multi-storey frame buildings with load-bearing reinforced concrete centrifuged elements : dissertation of doctor of technical sciences. Minsk, 1994; 487. (rus).Пастушков В.Г., Пастушков Г.П. Опыт применения центрифугированных линейных элементов с поперечными сечениями различного профиля при строительстве многоэтажных зданий // Архитектура и строительные науки. 2014. Т. 18, 19. № 1, 2. С. 36–38. URL: http://rep.bntu.by/handle/data/23412Pastushkov V.G., Pastushkov G.P. Experience in the use of centrifuged linear elements with cross-sections of various profiles in the construction of multi-storey buildings. Arkhitektura i stroitelʼnye nauki/Architecture and building sciences. 2014; 18,19 (1,2):36-38. (rus).Remitz J., Wichert M., Empelmann M. Ultra-high performance spun concrete poles. Part I: Loadbearing behavior // Proceedings of HPC/CIC. 2017. Vol. 57 (54).Remitz J., Wichert M., Empelmann M. Ultra-high performance spun concrete poles. Part I: Load-bearing behavior. Proceedings of HPC/CIC, 2017; 57(54).Kolleger J., Burtsher St.L. Bruchversuche an hochbewehrten Schleuderbetonstützen Tragfähigkeit und Bemessungsmodell // Zement+Beton. 2004. S. 10–15.Kolleger J., Burtsher St.L. Fracture tests on highly reinforced spun concrete columns, load-bearing capacity and design model. Zement+Beton. 2004; 10-15. (ger).Burtscher St.L., Rinnhofer G., Benko V., Kolleger J. Zerstörende Großversuche an hochbewehrten Schleuderbetonstützen // Bauingenieur. 2003. Band 78. Ausgabe 04. S. 187–192.Burtscher St.L., Rinnhofer G., Benko V., Kolleger J. Destructive large-scale tests on highly reinforced spun concrete columns. Bauingenieur. 2003; 78(04):187-192. (ger).Müller C., Empelmann M., Hude F., Adam T. Schleuderbetonstützen aus hochfester Bewehrung und ultrahochfestem Beton // Beton und Stahlbetonbau. 2012. Band 107. No. 10. S. 690–699. DOI: 10.1002/best.201200040Müller C., Empelmann M., Hude F., Adam T. Spun concrete columns made of high-strength reinforcement and ultra-high-strength concrete. Beton- und Stahlbetonbau. 2012; 107(10):690-699. DOI: 10.1002/best.201200040 (ger).Flint G. Fire induced collapse of tall buildings : dissertation of doctor of technical sciences. Edinburg, 2005. 393 p.Flint G. Fire induced collapse of tall buildings : dissertation of doctor of technical sciences. Edinburg, 2005; 393.Королев Д.С., Бондаренко Е.А. Огнестойкость как базовый элемент системы противопожарной защиты зданий и сооружений // Пожарная безопасность: проблемы и перспективы. 2018. Т. 1. № 9. С. 423–425. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36576217Korolev D.S., Bondarenko E.A. Fire resistance, as a basic element of fire-fighting protection systems for buildings and facilities. Fire safety: problems and prospects. 2018; 1(9):423-425. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=36576217 (rus).Зайцев А.М., Болгов В.А. Численное моделирование прогрева строительных конструкций для определения коэффициента теплоотдачи при пожарах // Современные проблемы гражданской защиты. 2015. № 1 (14). С. 19–26. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23434990Zaytsev A.M., Bolgov V.A. Numerical modeling heating construction for determining heat transfer coefficient in case of fire. Modern problems of civil protection. 2015; 1(14):19-26. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=23434990 (rus).Полевода И.И., Жамойдик С.М., Нехань Д.С., Батан Д.С. Исследование физико-механических свойств центрифугированного бетона // Наука и техника. 2019. Т. 18. № 4. С. 319–329. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-4-319-329Polevoda I.I., Zhamoydik S.M., Nekhanʼ D.S., Batan D.S. Study of physical and mechanical properties of centrifuged concrete. Science & Technique. 2019; 18(4):319-329. DOI: 10.21122/2227-1031-2019-18-4-319-329 (rus).Stelmakh S.A., Scherban E.M., Korobkin A.P., Tkacheva K.E., Osadchenko S.A., Kadrov A.A. Study of changes in strength properties along section thickness of high-strength centrifuged and vibrocentrifuged concrete // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2020. Vol. 905 (1). Pp. 012060–012066. DOI: 10.1088/1757-899X/905/1/012060Stelmakh S.A., Scherban E.M., Korobkin A.P., Tkacheva K.E., Osadchenko S.A., Kadrov A.A. Study of changes in strength properties along section thickness of high-strength centrifuged and vibrocentrifuged concrete. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. IOP Publishing. 2020; 905(1):012060-012066. DOI: 10.1088/1757-899X/905/1/012060Michałek J., Sobótka M. Assessment of internal structure of spun concrete using image analysis and physicochemical methods // Materials. 2020. Vol. 13 (18). Pp. 3987–4011. DOI: 10.3390/ma13183987Michałek J., Sobótka M. Assessment of internal structure of spun concrete using image analysis and physicochemical methods. Materials. 2020; 13(18):3987-4011. DOI: 10.3390/ma13183987Dedukh D.A., Schsuzkiy V.L., Kuzmenko A.A. Spun concrete properties of power transmission line supports // Инженерно-строительный журнал. 2017. Vol. 7 (75). Pp. 37–51. DOI: 10.18720/MCE.75.4Dedukh D.A., Schsuzkiy V.L., Kuzmenko A.A. Spun concrete properties of power transmission line supports. Engineering and construction journal. 2017; 7(75):37-51. DOI: 10.18720/MCE.75.4Нехань Д.С. Физические и теплофизические характеристики центрифугированного бетона в тонкостенных конструкциях // Актуальные проблемы и тенденции развития техносферной безопасности в нефтегазовой отрасли : мат. III Междунар. науч.-практ. конф., Уфа, 2 декабря 2020 г. Уфа : Изд-во УГНТУ, 2020. С. 25–27.Nekhanʼ D.S. Physical and thermophysical characteristics of spun concrete in thin-walled structures. Actual problems and development trends of the technosphere industry in the oil and gas industry : materials of the III International Scientific and Practical Conference, Ufa, December 2, 2020. Ufa, Publishing house of USPTU, 2020; 25-27. (rus).Полевода И.И., Нехань Д.С. Экспериментальные и теоретические исследования физических и теплофизических характеристик центрифугированного бетона // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2019. Т. 3. № 3. С. 255–267. DOI: 10.33408/2519-237X.2019.3-3.255Polevoda I.I., Nekhanʼ D.S. Experimental and theoretical researches of physical and thermophysical characteristics of centrifuged concrete. Journal of Civil Protection. 2019; 3(3):255-267. DOI: 10.33408/2519-237X.2019.3-3.255 (rus).Stelmakh S.A., Shcherban E.M., Shuyskiy A.I., Nazhuev M.P. Theoretical and practical aspects of the formation of the variational structure of centrifuged products from heavy concrete // Materials Science Forum “Trans Tech Publications Ltd”. 2018. Vol. 931. Pp. 502–507. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.931.502Stelmakh S.A., Shcherban E.M., Shuyskiy A.I., Nazhuev M.P. Theoretical and practical aspects of the formation of the variational structure of centrifuged products from heavy concrete. Materials Science Forum “Trans Tech Publications Ltd”. 2018; 931:502-507. DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.931.502Полевода И.И., Нехань Д.С. Результаты натурных огневых испытаний центрифугированных железобетонных колонн кольцевого сечения // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2020. Т. 4. № 2. С. 142–159. DOI: 10.33408/2519-237X.2020.4-2.142Polevoda I.I., Nekhanʼ D.S. Results of full-scale fire test of spun reinforced concrete columns of annular section. Journal of Civil Protection. 2020; 4(2):142-159. DOI: 10.33408/2519-237X.2020.4-2.142 (rus).Ba G., Miao J., Zhang W., Liu C. Influence of cracking on heat propagation in reinforced concrete structures // Journal of Structural Engineering. 2016. Vol. 142 (7). P. 04016035. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0001483Ba G., Miao J., Zhang W., Liu C. Influence of cracking on heat propagation in reinforced concrete structures. Journal of Structural Engineering. 2016; 142(7):04016035. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0001483Ширко А.В., Камлюк А.Н., Полевода И.И., Зайнудинова, Н.В. Теплотехнический расчет огнестойкости элементов железобетонных конструкций с использованием программной среды Ansys // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. 2013. № 2 (18). С. 260– 269. URL: https://vestnik.ucp.by/ru/archiveShirko A.V., Kamlyuk A.N., Polevoda I.I., Zaynudinova N.V. Thermal calculation of fire resistance of elements of reinforced concrete structures using the ANSYS environment program. Vestnik of the Institute for Command Engineers of the MES of the Republic of Belarus. 2013; 2(18):260-269. URL: https://vestnik.ucp.by/ru/archive (rus).Kudryashov V., Kien N.T., Lupandin A., Shirko A. Fire resistance evaluation of reinforced concrete structures // Safety of Technogenic Environment. 2012. Vol. 3. Pр. 45–49.Kudryashov V., Kien N.T., Lupandin A., Shirko A. Fire resistance evaluation of reinforced concrete structures. Safety of Technogenic Environment. 2012; 3:45-49.Полевода И.И., Нехань Д.С. Определение параметров теплообмена между внутренней поверхностью железобетонных колонн кольцевого сечения и газовой средой в их полости для решения теплотехнической задачи огнестойкости // Пожарная и аварийная безопасность : сб. мат. XV Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. 30-й годовщине МЧС России, Иваново, 17–18 ноября 2020 г. Иваново : ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2020. C. 349–352.Polevoda I.I., Nekhanʼ D.S. Determination of heat transfer parameters between the inner surface of annular-section columns and gaseous medium in their hollow for solving the thermal problem of fire resistance. Fire and emergency safety : collection of materials of the XV International scientific and practical conference dedicated to the 30th anniversary of the EMERCOM of Russia, Ivanovo, November 17–18, 2020. Ivanovo, Ivanovo Fire and Rescue Academy of the State Fire Service of the EMERCOM of Russia, 2020; 349-352. (rus).Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара : справочник. М. : Изд-во МЭИ, 1999. 168 с.Aleksandrov A.A., Grigorʼyev B.A. Tables of thermophysical properties of water and steam: Handbook. Moscow, MPEI Publishing House, 1999; 168. (rus).Соколовская И.Ю. Полный факторный эксперимент: методические указания для самостоятельной работы студентов. Новосибирск : НГАВТ, 2010. 36 с.Sokolovskaya I.Yu. Full factorial experiment: guidelines for independent work of students. Novosibirsk, NGAVT, 2010; 36. (rus).Жамойдик С.М. Огнестойкость стальных колонн с конструктивной огнезащитой : дис. … канд. техн. наук. Минск, 2017.Zhamoydik S.M. Fire resistance of the steel columns with structural fire protection : dissertation of doctor of technical sciences. Minsk, 2017; 124. (rus).Кудряшов В.А., Ботян С.С., Жамойдик С.М. Оценка эффективного коэффициента теплопроводности цементных армированных стекловолокном плит до 1200 °С в условиях пожара // Актуальные проблемы пожарной безопасности : мат. XXХI Междунар. науч.-практ. конф., Москва, 5–7 июня. 2019 г. М. : ВНИИПО, 2019. С. 51–55.Kudryashov V.A., Botyan S.S., Zhamoydik S.M. Estimation of the effective thermal conductivity coefficient of cement glass fiber-reinforced plates up to 1200 °C under fire conditions. Actual problems of fire safety : materials of the XXXI International Scientific and Practical Conference, Moscow, June 5–7, 2019. Moscow, VNIIPO, 2019; 51-55. (rus).Tang S., Tang C., Liang Z., Zhang Y., Li L. Numerical Study of the Influence of Material Structure on Effective Thermal Conductivity of Concrete // Heat Transfer Engineering. 2012. Vol. 33 (8). Pр. 732–747. DOI: 10.1080/01457632.2011.635988Tang S., Tang C., Liang Z., Zhang Y., Li L. Numerical study of the influence of material structure on effective thermal conductivity of concrete. Heat Transfer Engineering. 2012; 33(8):732-747. DOI: 10.1080/01457632.2011.635988Нехань Д.С., Кураченко И.Ю., Олесиюк Н.М., Креер Л.А. Исследования температуры газовой среды при проведении натурных огневых испытаний строительных конструкций // Вестник Университета гражданской защиты МЧС Беларуси. 2020. Т. 4. № 2. С. 130–141. DOI: 10.33408/2519-237X.2020.4-2.130.Nekhanʼ D.S., Kurachenko I.Yu., Olesiyuk N.M., Kreer L.A. Temperature studies of the gaseous medium during full-scale fire tests of building constructions. Journal of Civil Protection. 2020; 4(2): 130-141. DOI: 10.33408/2519-237X.2020.4-2.130 (rus).

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