Диссертация (1172914), страница 7
Текст из файла (страница 7)
Для экспериментов были изготовлены 6 плит размерами1,1×1,1×0,1 м. Изготавливались плиты с различным расходом фибры: три плиты имели расход 47 кг/м3, остальные плиты – расход 117 кг/м3. Обусловленырасходы тем, что оптимальный процент армирования по объему лежит в пределах от 0,6 до 1,6 %.При изготовлении плит для измерения экспериментальных температурных зависимостей в сечении плиты по высоте устанавливали 6 хромельалюмелевых термопар.В ходе проведения эксперимента было установлено, что теплофизическиехарактеристики сталефибробетона не показали существенных различий в коэффициентах теплопроводности и теплоемкости по сравнению с тяжелым бетоном.
Поэтому для решения теплотехнической задачи и определения пределовогнестойкости расчетными методами использовались коэффициенты теплоёмкости и теплопроводности для тяжелого бетона на гранитном щебне [107]:40t 1,2 0,00035 t Вт/м∙К;(1.8)ct 0,71 0,0084 t Дж/кг∙К.(1.9)Показатели теплоёмкости и теплопроводности важны при оценке огнестойкости строительных конструкций расчётными методами. в технической литературе достаточно хорошо изучены и описаны коэффициенты для различныхбетонов для использования их при оценке огнестойкости железобетонных конструкций зданий и сооружений.
Что касается фибробетонов, в том числе и бетонов с добавкой ППФ, то для них данные показатели недостаточно изучены,поэтому исследования их теплофизических характеристик особенно актуальны.Особенно важно определить данный показатель для решения задач огнестойкости посредством расчётных методов и численного моделирования.1.6.Обзор существующих методов оценки огнестойкостижелезобетонных конструкцийСогласно пункту 9 статьи 87 [131] предел огнестойкости строительныхконструкций определяется в условиях натурных огневых испытаний. Однакоисходя из пункта 10 статьи 87 имеется возможным определять пределы огнестойкости строительных конструкций расчётно-аналитическими методами,установленными нормативными документами по пожарной безопасности, приусловии, если аналогичные конструкции проходили испытания.
Поэтому необходимо рассмотреть существующие в настоящее время расчётно-аналитическиеметодики.Расчет огнестойкости железобетонных конструкций производится по теории сопротивления железобетона. Данная теория является частью механикитвердоготелаиглавнаяеезадача–определениенапряжённо-деформированного состояния вследствие действия различных нагрузок, а такжетемпературного воздействия при пожаре.В основе теории расчёта железобетонных конструкций заложен методрасчёта сечений по двум группам предельных состояний. Расчет огнестойкости41относится к первой группе, где рассчитывается потеря несущей способностижелезобетонных элементов от совместного действия нагрузки и пожара.Впервые расчеты огнестойкости предложены учеными А.И.
Яковлевым,В.П. Бушевым и др., и изложены в работах [3, 37, 41–42, 47]. Численное определение огнестойкости сводится к решению двух задач: теплотехнической истатической. Основной целью теплотехнической задачи является определениераспределения температурных полей по сечению железобетонной конструкциипри воздействии стандартного температурного режима пожара. Также это зависит от вида воздействия пожара на конструкцию (обогрев с одной стороны,трехсторонний и четырехсторонний прогревы) и от разновидности температурного режима пожара.Целью решения статической части расчёта является определение несущейспособности конструкций с учетом изменения прочностных показателей основных составляющих ее материалов, зависящие от температуры и времени, чтоопределяется в теплотехнической задаче.
Решение этих задач дает возможностьопределить фактический предел огнестойкости конструкций.Яковлевым А.И. предложены несколько методов расчета железобетонныхконструкций, зависящих от расположения их в здании и от действия нагрузок.Первая группа расчетов предложена для статически определимых изгибаемыхэлементов, к которым относятся плоские элементы (плиты, настилы, панели),стержневые элементы (балки, прогоны, ригели). Вторая группа – статическинеопределимые изгибаемые конструкции: плиты, опертые по контуру, балки ибалочные плиты с заделкой на опорах. Третья группа – сжатые элементы (колонны и стены).В работе [52] авторами предложен метод расчёта подземных сооруженийпосле воздействия высоких температур. В статье рассмотрены показатели, влияющие на снижение несущей способности железобетонных конструкций привоздействии пожара. Также выявлено, что несущая способность сегмента железобетонной обделки утрачивается в результате прогрева арматуры до критических температур.
Однако в ходе расчёта несущей способности необходимо учи-42тывать температурный момент, образующийся от неравномерного нагрева конструкции по высоте сечения. Предложено, что данная конструкция являетсясжато-изгибаемой, однако метод расчёта в данной статье не рассмотрен. Исходя из этого сделан вывод, что в настоящее время нет расчётного метода оценкиогнестойкости. Поэтому одна из задач данной работы – адаптировать такой метод, исходя из вида нагружения конструкции.Также при расчёте по расчётно-аналитическим методам существуют различные допущения, которые влияют на его точность. В основном они относятсяк теплотехнической части, так как теплопередача является сложным нелинейным процессом с большим количеством переменных.
К основным допущениямотносят следующие: замена граничных условия 3-го рода на условия 1-го рода. На поверхности материала задается определенная температура, после чего вычисляетсятемпература прогрева конструкции от времени; на поверхности задается мгновенно установившаяся температура равная 1250 ℃; введение усредненных значений коэффициентов теплопроводности итеплоемкости.Исходя вышеизложенного, для улучшения точности расчёта необходимопривлечь такие программные комплексы, которые позволят учесть все недостатки. Для моделирования и расчёта огнестойкости используются зарубежныепрограммные комплексы ANSYS, NASTRAN, SAFISTIC и др.Указанные программные комплексы основаны на методе конечных элементов (МКЭ). Одним из главных преимуществ этих комплексов заключается ввыполнении расчётов большого количества задач, включая механические задачи (механика твердого тела).
При этом они позволяют учитывать упругопластические деформации, которые могут зависеть от температур. Производяттеплотехнический и статический расчёт с учетом геометрической и физическойнелинейности конструкций и материалов. Также могут учитывать различныетемпературные режимы пожаров. Однако у данных комплексов имеется и ряд43недостатков. Первый недостаток заключается в высокой стоимости лицензии наэти программы. Второй – в необходимости высоких компьютерных мощностей,затрачиваемых в процессе решения задачи.Сегодня разрабатываются отечественные программы, позволяющие оценивать огнестойкость тоннельных сооружений. Например, в [132] представленметод оценки огнестойкости на основе математического моделирования несущих конструкций типа многоэлементных рам. Программа учитывает нелинейную задачу тепломассопереноса и физическую нелинейность статики.
Также впрограмме учитываются поры бетона с имеющейся в них жидкостью, что оченьважно при оценке огнестойкости неоднородных материалов. Однако даннаяпрограмма рассчитывает тоннели прямоугольного сечения. В рамках даннойдиссертационной работы планируется произвести расчет конструкций двухпутных тоннелей круглого очертания, поэтому данная программа не подходит дляисследований. В настоящее время все более широко развиваются программныекомплексы, которые позволяют произвести расчёты теплотехнической задачи сучетом физической и теплотехнической нелинейности свойств материалов,например, позволяющие учесть влагу в порах бетона [133–137], однако эти программы платные.
Поэтому необходимо выбрать такой программный комплекс,который позволит решать сложные задачи с наименьшими финансовыми затратами.Для решения задач был выбран продукт ANSYS, так как на данную программу разработчиками предоставляется студенческая лицензия для студентов,магистров и аспирантов, что делает эту программу доступной. Данный продуктпланируется применять для определения распределения температурных полей,т.е. для решения теплотехнической задачи.
Статический расчет планируетсявыполнять с привлечением известных методик, учитывающих вид загруженияконструкции.Стоит отметить, что особенностью тоннельных сооружений является возникновения таких режимов пожара, которые будут отличаться от стандартного.Принимая это во внимание, при расчете огнестойкости необходимо учесть тем-44пературные режимы, которые могут в значительной степени отличаться отстандартного режима пожара.Тоннели в основном служат для доставки из одной точки в другую различного рода грузов, в числе которых разные нефтепродукты (бензин, дизельное топливо и т.д.).
Данный вид продуктов легковоспламеняем и представляетвысокую пожарную опасность и взрывоопасность. Поэтому при пожарах в тоннельных сооружениях и при розливе нефтепродуктов существует угроза возникновения более интенсивного горения, характеризующегося более высокимитемпературами и высокой скоростью распространения пламени в процессе развития пожара. В настоящее время в Российской Федерации разработан иутвержден в нормативных документах «углеводородный температурный режимпожара», который описывает процесс горения нефтепродуктов и характеризуется резким скачком температуры на интервале 0–10 мин.
примерно с 20 до1100 ℃. Данная кривая, представленная в [138], описывается следующей зависимостью (рисунок 1.27) [138]:Температура, ℃T=1080 [1 – 0,325–0,167t – 0,675–2,5t] +20.(1.10)1400120010008006004002000050100150200Время прогрева, минУглеводородная кривая250300Стандартная криваяРисунок 1.27 – Зависимость температурного режима пожараот времени воздействия [138]При наложении стандартной и углеводородной температурных зависимостей видно, что на промежутке от 0 до 180 мин. температуры углеводородного45режима значительно превышают температуры стандартного режима примернов 1,6 раза. Особенно важным участком является интервал 0–50 мин., когда дляуглеводородного режима происходит резкий скачок роста температур до 1100℃.
В результате на конструкцию будет воздействовать температурный удар и впоследующем высокая температура, которая увеличит интенсивность и уменьшит время прогрева конструкции до критической температуры, при которойпроизойдет потеря несущей способности.Исходя из перечисленных предпосылок направление исследований огнестойкости конструкций при реальных температурных зависимостях пожара является также актуальным.1.7.Формулирование цели и задач диссертационного исследованияНа основании вышеизложенного анализа видно, что ППФ при добавке вбетон позволяет увеличить его прочностные характеристики и устранить недостатки, а именно повысить прочность при растяжении, уменьшить хрупкость.Также ППФ защищает бетон от взрывообразного разрушения. Однако остаютсяоткрытыми вопросы поведения бетона с ППФ при высокотемпературномнагреве, а именно: как изменяется предел прочности бетона при сжатии, какововлияние фибры на коэффициенты теплопроводности и теплоемкости и на огнестойкость конструкций в целом.В связи с обозначенными проблемами целью работы является повышениеогнестойкости железобетонных конструкций подземных сооружений с использованием бетона с ППФ для защиты его от взрывообразного разрушения.Основными задачами при проведении исследования являются: экспериментальное определение прочностных характеристик бетона сППФ, применяемого для обделки подземных сооружений, при нагреве; определение теплофизических характеристик бетона с добавкой ППФ,используемого в железобетонной обделке подземных сооружений;46 экспериментальное определение огнестойкости железобетонных тюбингов, а также рассмотрение взрывообразного разрушения в процессе эксперимента;– адаптация и апробация аналитической модели расчета огнестойкостижелезобетонных тюбингов с ППФ.47ГЛАВА 2.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
