Оценка сходимости результатов экспериментальных исследований огнестойкости сжатых железобетонных элементов с повышенным процентом армирования с численными расчетами

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. 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:

• в соответствии с разработанной методикой проведены аналитические, экспериментальные лабораторные и численные исследования огнестойкости сжатых бетонных и железобетонных элементов (в том числе с повышенными процентами армирования);
• выполнена оценка сходимости полученных результатов;
• разработаны выводы по рассматриваемым вопросам.

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:

• приемлемая для практических целей сходимость значений температур в контрольных точках (по термопарам) в бетонных образцах, полученных при экспериментальных лабораторных исследованиях и при расчете по действующим нормам, что показывает корректность проведения эксперимента;
• приемлемая для практических целей сходимость значений температур в контрольных точках (по термопарам) в бетонных и железобетонных образцах в ходе экспериментальных лабораторных исследованиях и при численном расчете, что указывает на корректность предложенной методики гибридного экспе­римента и достоверность проведенных исследований;
• значительная, необходимая к учету, разница результатов между экспериментальными и аналитическими значениями огнестойкости железобетонных элементов составляет от 10 до 30 % (в среднем для группы образцов — 19,3 %), что подтверждает гипотезу о снижении температуры прогрева бетонной части железо­бетонного сечения при учете теплотехнического влияния арматуры;
• приемлемая для практических целей сходимость результатов между экспериментальными и численными значениями огнестойкости железобетонных элементов (разница составляет от 7 до 10 %), что доказывает применимость разработанной методики гибридного эксперимента с учетом выдвинутой гипотезы об уменьшении прогрева бетона за счет учета теплотехнического влияния арматуры.

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.

1. Пчелинцев 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.

2. Пчелинцев А.В. Исследование остаточной несущей способности изгибаемых преднапряженных железобетонных конструкций после высокотемпературного воздействия (пожара) : дис. … канд. техн. наук. М., 1988. 203 с.

3. Панюков Э.Ф. Оценка состояния железобетонных конструкций после пожара : дис. … д-ра техн. наук. М., 1991. 389 с.

4. Романенков И.Г. Методы огневых испытаний строительных материалов и конструкций. М. : ЦНТИ по гражданскому строительству и архитектуре, 1984. 56 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Тамразян А.Г. К оценке огнеударостойкости несущих железобетонных конструкций высотных зданий // Жилищное строительство. 2005. № 4. С. 7–8.

9. 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.

10. 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=23217619

11. 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.

12. 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: 10.33622/0869-7019.2020.06.37-41

13. 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.2020.29.01.9-21

14. Harada K.A. Study on the prediction of temperature rise in fire resistance test : Ph.D thesis. Kyoto University, 1992. 198 p.

15. 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.2006.08.009

16. 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.2006.03.007

17. Davie 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.2011.12.002

18. Pham 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.2015.02.012

19. 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 p.

20. Pimienta P. New technique for measuring radial deformations of concrete at high temperatures // University Meetings of Civil Engineering. 2006. 187 p.

21. 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. Vol. 23. Issue 3. Pp. 377–384. DOI: 10.4334/JKCI.2011. ф23.3.377

22. Мурашев В.И. Оценка огнестойкости железобетонных конструкций // Пожарное дело. 1956. № 7. С. 94.

23. Яковлев А.И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. М. : Стройиздат, 1988. 142 с.

24. 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.

25. Милованов А.Ф. Огнестойкость железобетонных конструкций. М. : Стройиздат, 1986. 255 с.

26. Милованов А.Ф., Соломонов В.В., Кузнецова И.С. Огнестойкость и огнесохранность зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 9. C. 39–40.

27. Кузнецова И.С. Прочность и деформативность железобетонных конструкций, поврежденных пожаром : дис. … канд. техн. наук. М., 1999. 155 с.

28. Тамразян А.Г. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 3. C. 29–35.