Решение теплотехнической задачи огнестойкости центрифугированных железобетонных колонн
https://doi.org/10.22227/PVB.2021.30.02.49-70
Аннотация
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.
Об авторах
И. И. ПолеводаБеларусь
Полевода Иван Иванович, канд. техн. наук, доцент, начальник университета
РИНЦ ID: 1034546
220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25
Д. С. Нехань
Беларусь
Нехань Денис Сергеевич, адъюнкт факультета подготовки научных кадров
РИНЦ ID: 1037873
220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25
Список литературы
1. Пецольд Т.М. Железобетонные центрифугированные конструкции промышленных зданий и сооружений : дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 1983. 534 с.
2. Пастушков Г.П. Многоэтажные каркасные здания с несущими железобетонными центрифугированными элементами : дис. ... д-ра техн. наук. Минск, 1994. 487 с.
3. 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/23412
4. Remitz J., Wichert M., Empelmann M. Ultra-high performance spun concrete poles. Part I: Loadbearing behavior // Proceedings of HPC/CIC. 2017. Vol. 57 (54).
5. Kolleger J., Burtsher St.L. Bruchversuche an hochbewehrten Schleuderbetonstützen Tragfähigkeit und Bemessungsmodell // Zement+Beton. 2004. S. 10–15.
6. Burtscher St.L., Rinnhofer G., Benko V., Kolleger J. Zerstörende Großversuche an hochbewehrten Schleuderbetonstützen // Bauingenieur. 2003. Band 78. Ausgabe 04. S. 187–192.
7. 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.201200040
8. Flint G. Fire induced collapse of tall buildings : dissertation of doctor of technical sciences. Edinburg, 2005. 393 p.
9. 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=36576217
10. 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=23434990
11. 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: 10.21122/2227-1031-2019-18-4-319-329
12. 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/905/1/012060
13. Michałek 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/ma13183987
14. Dedukh 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.75.4
15. Нехань 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.
16. 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.2019.3-3.255
17. 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.931.502
18. Полевода 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.2020.4-2.142
19. 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.0001483
20. Ширко 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/archive
21. 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.
22. 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.
23. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара : справочник. М. : Изд-во МЭИ, 1999. 168 с.
24. Соколовская И.Ю. Полный факторный эксперимент: методические указания для самостоятельной работы студентов. Новосибирск : НГАВТ, 2010. 36 с.
25. Жамойдик С.М. Огнестойкость стальных колонн с конструктивной огнезащитой : дис. … канд. техн. наук. Минск, 2017.
26. 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.
27. 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: 10.1080/01457632.2011.635988
28. Нехань 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.
Рецензия
Для цитирования:
Полевода И.И., Нехань Д.С. Решение теплотехнической задачи огнестойкости центрифугированных железобетонных колонн. Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2021;30(2):49-70. https://doi.org/10.22227/PVB.2021.30.02.49-70
For citation:
Palevoda I.I., Nekhan D.S. A solution to the thermal problem of fire resistance of spun reinforced concrete columns. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2021;30(2):49-70. (In Russ.) https://doi.org/10.22227/PVB.2021.30.02.49-70