Автореферат (Огнестойкость конструкций из фибробетона для автодорожных тоннелей и метрополитена)

На правах рукописиНовиков Николай СергеевичОГНЕСТОЙКОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ФИБРОБЕТОНА ДЛЯАВТОДОРОЖНЫХ ТОННЕЛЕЙ И МЕТРОПОЛИТЕНАСпециальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность(технические науки, отрасль строительство)АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2019Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службыМЧС России на кафедре пожарной безопасности в строительствеНаучный руководитель:Голованов Владимир Ильичдоктор технических наукОфициальные оппоненты:Гаращенко Анатолий Никитовичдоктор технических наук, доцент,АО «Центральный Научно-исследовательскийинститут специального машиностроения»,ведущий научный сотрудникВедущая организация:Пронин Денис Геннадьевичкандидат технических наук,ФГБУ «ЦНИИП МИНСТРОЯ России»,начальникуправлениятехническогорегулированияФедеральное государственное бюджетноеобразовательноеучреждениевысшегообразованияВО«Санкт-ПетербургскийуниверситетГосударственнойпротивопожарной службы МинистерстваРоссийской федерации по делам гражданскойобороны,чрезвычайнымситуациямиликвидациипоследствийстихийныхбедствий»Защита состоится «29» мая 2019 г.

в 14 часов 00 минут на заседаниидиссертационного совета Д 205.002.02 на базе Академии Государственнойпротивопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва,ул. Б. Галушкина, 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС Россиии на сайте:https://academygps.ru/upload/iblock/016/016cae2f495ef939b9fa8c92779c5638.pdfАвтореферат разослан «27» марта 2019 года.Ученый секретарьдиссертационного советаСивенков Андрей Борисович2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования. В настоящее время в РоссийскойФедерации интенсивно ведется строительство различных тоннельныхсооружений. Основным требуемым параметром для тоннелей являетсяэксплуатационная надежность, которая заключает в себе сохранениеэксплуатационных характеристик тоннелей на протяжении всего временииспользования.

Статистика аварий в тоннелях показывает, что основной ихпричиной являются пожары, вследствие которых происходит обрушениетоннелей, приводящее к гибели людей и значительному материальномуущербу.В отличие от железобетонных конструкций надземных зданий исооружений, железобетонные блоки тоннельных обделок имеют повышеннуювлажность (более 3,5 %), что при возникновении пожара на ранних стадияхможет привести к взрывообразному разрушению бетона и преждевременнойпотере их несущей способности.

Кроме того, в тоннелях используются, какправило, высокопрочные (тяжелые) бетоны, что повышает вероятностьвзрывообразного разрушения при высокотемпературном воздействии.(высокопрочные классы бетонов)Для защиты тяжелого бетона от взрывообразного разрушенияразработаны такие методы, как установка противооткольной сетки,использование огнезащитных покрытий и облицовок. Одним из методовзащиты бетона от взрывообразного разрушения в EN 1992-1-2 и рядезарубежных публикаций является в бетон полипропиленовой фибры (ППФ) вколичестве 1–2 кг/м3.При анализе научных трудов выявлено, что объем экспериментальныхисследований огнестойкости конструкций из таких бетонов явно недостаточендля создания надежных обделок тоннелей. Недостаточно используютсярасчетные методики для оценки огнестойкости железобетонных тюбингов ипереноса результатов испытаний конструкций при огневом воздействии надругие условия.

Известно, что добавки различной фибры в бетон обеспечиваютповышение прочностных показателей при нормальных температурах. Однакоанализ показал, что исследованиям прочностных характеристик в условияхвысокотемпературного нагрева, необходимых для проведения расчетныхоценок огнестойкости, уделено недостаточное внимание.

Также недостаточноисследовано влияние фибры на особенности разрушения бетона при нагреве ина теплофизические характеристики бетонов с добавкой различной фибры. Этосвидетельствует об актуальности и важности проведения таких исследований.Степень разработанности. В Российской Федерации первыми работамио фибробетоне стали труды Некрасова В.П., Волкова И.В., Курбатова Л.Г. и др.Знания об огнестойкости строительных конструкций, в том числе ометодах расчета, причинах и методах защиты от взрывообразного разрушения,сформировали: Яковлев А.И., Олимпиев В.Г., Гвоздев А.А., Пчелинцев В.А.,3Федоренко В.С., Ройтман М.Я., Ройтман В.М., Руссо В.Н., Гельмиза В.И.,Голованов В.И., Милованов А.Ф., Федоров В.С., Мешалкин Е.А., КузнецоваИ.С., Меркин В.Е., Хохлов И.А., Габдулин Р.Ш.

и др.Исследования фибробетонов проводили многие зарубежные ученые:J.P. Romualdi, B. Gordon, G.B. Batson, M. Jeffrey, I.A. Mandel, I.L. Carson,W.F. Chen и др.При анализе вышеперечисленных работ остаются пробелы в областиэкспериментального исследования процесса взрывообразного разрушения иогнестойкости железобетонных конструкций. Требуется доработка методикирасчета огнестойкости конструкций транспортных тоннелей, а такжеопределение прочностных и теплотехнических характеристик фибробетонов.На основании проведенного анализа сформулирована цель и задачидиссертационных исследований.Научная гипотеза.

Предполагается, что при добавке в бетонную смесьППФ снижается вероятность взрывообразного разрушения железобетонныхконструкций из тяжелого бетона. При воздействии температурного режимапожара и прогреве конструкции ППФ за счет низкой температуры плавленияпримерно 160 ℃ создаст микроканалы, которые позволят избежать образованияизбыточного давления в порах бетона.Целью работы является повышение огнестойкости железобетонныхконструкций подземных сооружений с использованием бетона сполипропиленовойфиброй,обеспечивающейзащитубетонаотвзрывообразного разрушения.В соответствии с целью работы поставлены следующие задачиисследования:− провести анализ литературных источников имеющихся исследованийогнестойкости железобетонных конструкций на основе фибробетона, а такжепрочностных и теплофизических характеристик бетонов с добавкой фибры;− экспериментально определить прочностные характеристики бетона сполипропиленовой фиброй, применяемого для обделки подземных сооружений,при нагреве;− определить теплофизические характеристики бетона с добавкой ППФ,используемого в железобетонной обделке (тюбингах) подземных сооружений;− экспериментальноопределитьогнестойкостьжелезобетонныхтюбингов, а также исследовать взрывообразное разрушение в процессеэксперимента;− адаптировать и апробировать аналитическую модель расчетаогнестойкости железобетонной обделки подземных сооружений.Объект исследования: пожарная безопасность железобетонной обделкиавтодорожных тоннелей и метрополитена.Предмет исследования: огнестойкость железобетонных тюбингов наоснове бетона с полипропиленовой фиброй.4Научная новизна работы заключается в следующем:1.

Впервые получен значительный объем результатов экспериментальныхисследованийогнестойкостинатурныхжелезобетонныхтюбингов,изготовленных с использованием полипропиленовой фибры.2. Установлено, что ППФ позволяет избежать взрывообразногоразрушения за счет своей низкой температуры плавления и образованиямикроканалов, снижающих избыточное давление в порах бетона;3. Получены прочностные характеристики бетонов с добавкойотечественной и импортной ППФ при воздействии температур в диапазоне 20–800 ℃, а также установлены зависимости прочностных характеристик оттемпературы прогрева;4.

Получены зависимости теплофизических характеристик бетонов сдобавкой отечественной и импортной ППФ;5. Обоснована формула для определения температурного прогибажелезобетонных тюбингов с учетом их геометрической нелинейности;6. С помощью моделирования по апробированной и адаптированнойметодике установлено влияние ППФ на пределы огнестойкостижелезобетонныхобделки(тюбингов),полученосоответствиеэкспериментальных и расчетных результатов.Теоретическая и практическая значимость работы заключается вследующем:− получены результаты экспериментальных исследований огнестойкостижелезобетонныхтюбингов,изготовленныхсиспользованиемполипропиленовой фибры;− уточнена методика проведения испытаний конструкций за счетразработки системы опирания и нагружения для железобетонных при оценкифактических пределов огнестойкости;− получены зависимости предела прочности на осевое сжатие оттемпературы, коэффициенты снижения предела прочности от температуры, атакже теплофизические характеристики, что позволило оценить огнестойкостьжелезобетонных тюбингов с добавкой ППФ расчетными методами;– адаптирована и апробирована аналитическая модель расчета пределаогнестойкостижелезобетонныхтюбингов,позволяющаяоцениватьогнестойкость железобетонной обделки тоннеля расчетными методами.Методология и методы исследования.

Для решения поставленных задачпроводились теоретические и экспериментальные исследования.Теоретические исследования основаны на теории огнестойкости, методахмоделирования с применением программных комплексов Microsoft Office Excel,KOKON, ANSYS.Основу экспериментальных исследований составляли крупномасштабныеогневые и лабораторные эксперименты.Материалы диссертации реализованы при разработке:5– предложений в проект Свода правил «Правила по обеспечениюогнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций» (СТО36554501-006-2006«Правилапообеспечениюогнестойкостииогнесохранности железобетонных конструкций»);– рекомендаций по защите железобетонных конструкций отвзрывообразного разрушения тоннелей метрополитена, а именно длястроительства новых перегонных тоннелей;– раздела о новом виде защиты железобетонных конструкций в учебники курс лекций по дисциплине «Здания, сооружения и их устойчивость припожаре» в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России.Положения, выносимые на защиту:− методика и экспериментальные результаты пределов прочности наосевое сжатие, коэффициентов снижения предела прочности и коэффициентовтеплопроводности, теплоемкости от температуры прогрева для бетона бездобавки и с добавками отечественной и импортной ППФ;− экспериментальныеданныепоисследованиюогнестойкостижелезобетонных тюбингов с применением разработанной системы опирания инагружения;− результаты математического моделирования прогрева железобетонныхтюбингов для определения температурных полей и решения задачиогнестойкости;− адаптированная и апробированная модель оценки огнестойкости ирезультаты расчетов предела огнестойкости железобетонных тюбингов бездобавки и с добавкой ППФ при различных режимах пожара.Степень достоверности и апробация результатов обеспечивалась:− апробированными экспериментальными методами определенияпрочностных и теплофизических характеристик и оценки огнестойкостистроительных конструкций;− использованием в экспериментальных исследованиях поверенныхизмерительных приборов и аппаратуры, обеспечивающих достаточнуюточность измерения;− использование валидированных и верифицированных программныхкомплексов.− статистической обработкой полученных эмпирических величин сиспользованием регрессионного анализа.Основные результаты работы были доложены на:– V Международной научно-практической конференции молодых ученыхи специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2016» (М., АкадемияГПС МЧС России, 2016);− XIX Международной межвузовской научно-практической конференциистудентов, магистров, аспирантов и молодых ученых «Строительство –формированиесредыжизнедеятельности»(М.,Национальный6исследовательский Московский государственный строительный университет,2016);− X Международной научно-практической конференции молодыхученых, курсантов (студентов), слушателей магистратуры и адъюнктов(аспирантов) «Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы иперспективы» (Минск, Командно-инженерный институт МЧС РеспубликиБеларусь, 2016);− XX Международной межвузовской научно-практической конференциистудентов, магистров, аспирантов и молодых ученых «Строительство –формированиесредыжизнедеятельности»(М.,Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет,2017);− IVМеждународнойнаучно-практическойконференции«Ройтмановские чтения» (М., Академия ГПС МЧС России, 2017);− I Международной научно-практической конференции и Всероссийскомконкурсе научно-исследовательских работ студентов и молодых ученых(Краснодар, Кубанский государственный технологический университет, 2017);− VI Международной научно-практической конференции молодыхученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2017» (М.,Академия ГПС МЧС России, 2017);− XXII Всероссийской студенческой научно-практической конференции смеждународным участием, посвященная году экологии «Безопасность – 2017»(Иркутск, Иркутский национальный исследовательский техническийуниверситет, 2017);− XXIVМеждународнойнаучно-практическойконференции,посвященной 80-летию ФГБУ ВНИИПО МЧС России «Горение и проблемытушения пожаров» (М., ФГБУ ВНИИПО МЧС России, 2017);− VIII Международной научно-практической конференции «Актуальныепроблемы пожарной безопасности, предупреждения и ликвидациичрезвычайных ситуаций» (Кокшетау, Кокшетауский технический институт,2017);− XVII Международной научно-технической конференции «Актуальныевопросы архитектуры и строительства» (Саранск, ФГБОУ ВО Национальныйисследовательский Мордовский государственный университет им.