автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Оценка стойкости изгибаемых железобетонных конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ШШЕНЕРНО-СТГОИТЕЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ лы.В.В.КУЙБШИЕВЛ

На правах рукописи

ГЛМАШОВ Алексей Вадимович

удк 614.841.45:614.839:624.012.4

оценка стойкости изгибаемых шезобетоших кожтещий к совг.!есгко?.1г воздействии пожара и взрыва

Специальность 05.26.01 - Охрана трудя и пожарная

безопасность

автореферат

диссертация на сопокапие ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Московском ипжекерно-огроигельном институте юл. В.Б.Куйбшева.

Научный руководитель

- доктор технических наук В.М.Ройтман

Научный консультант

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Защита состоится

- доктор технических наук, профессор В.В.Жуков

- доктор технических наук, профессор В.И.Шевченко

- кандидат технических наук, доцент И.Л.Масалков

- Центральный научно-иоследо- • Бательский институт строительных конструкций им. В.А.Кучеренко, г. Москва

ЗО

1391 г. в чао.

на заседании специализированного совета Д 053.II.10 при Московском инкенерно-сгролгельном института им. В.В.Куйбышева по, адресу: Москва, Шлюзовая наб., д. 8, ауд. № 224.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСИ им. В.В.Куйбышева.

Просим Вас принять участие в защите и направить Баш отзыв по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д. 26, МИ им. В.Б.К/йбыыева, Ученый Совог. .

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Б.Ф.Ширпшков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Пожары и взрывы наносят громадный материальный ущерб народному хозяйству страны, а такке приводят к большому количеству жертв среди населения. В связи с этим проблема пожаровзрывобезопасяости зданий и сооружений является весьма актуальной.

Пожары в зданиях и сооружениях часто являются причиной последующего взрыва и наоборот. Здания, спроектированные в соответствии с современными методами юс оценки на огнестойкость и взры-воустойчивооть, могут оказаться нвпадешшми в реальной аварийной ситуации комбинированного воздействия подара и взрыва.

Методы оценки как огнестойкости, так и взрнвоустойчивостк нундаготся в дальнейшем развитии и уточнении с учетом возможных реальных ситуаций, связашшх с возникновением погхаров и взрывов. Отсутствует концепция вэриЕоложаробезопасности зданий и сооружений по показателю их стойкости к совместному воздействию пожара и взрыва.

Важное значение для оценки вэрывоогнестойкости конструкций имеют данные о прочности, дефорштивности, долговечности материалов конструкций в условиях температурно-оиловых воздействий типа "пожар-взрыв" или "взрыв-аогтар". Анализ оостояшя вопроса показал его недостаточную изученность.

В связи с этим необходимо проводить специальные исследования стойкости строительных материалов и конструкций в условиях комбинированных воздействий пожара и взрнва.

Исследования проводились в соответсиши с темой "Исследовать физико-механические свойства тяжелого бетона при экстремальных температурно-силовых воздействиях" отраслевой научно-исследовательской программы 0.55.016.011 "Пожарная безопасность зданий и сооружений" и проблемной тематикой НИ 0.74.08 задание 7.01.НЗ.З "Провести теоретические и экспериментальные исследования долговечности строительных конструкций при воздействии .аварийных взрывов и пожаров".

Целью работы являьгся оценка стойкости изгибаемых железобетонных конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие задачи:

-А —

1. Разработать методологический подход к оценке стойкости железобетонных конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва.

2. Разработать метод диагностики степени разрушения бетона в условиях температурно-сяловых воздействий пожара и взрыва.

3. Исследовать кинетику разрушения, изменение долговечное- , ти, прочности, деформатюзности бетона в условиях воздействия нагрева, статических и дигашгееских нагрузок пожара и взрыва о учетом различных вариантов их комбинированного воздействия.

4. Исследовать поведение бетона в железобетонных балках после действия высоких температур при статических и динамических нагрузках.

5. Выявить возможности применения основных зависимостей кинетической теории прочности твердых тел для опибашя процесса . разрушения и деформирования тяжелого бетона в условиях пожара и взрыва.

6. Определить значения обобщенных характеристик сопротивления различных бетонов для условий воздействия пожара и взрыва.

7. Разработать дополнения к. методам расчета железобетонных. изгибаемых балок, позволяющих учесть специфику совместного воздействия пожара я взрыва.

8. Использовать результаты проведенных исследований для решения практических задач огнестойкости и стойкости строительных конструкций к совместному воз действии пожара и взрыва.

Автор защитаеу. общий методологический подход к оценке стойкости железобетонных конструкций к совместному воздействии пожара и взрыва;

- способ регистрации разрушения образцов хрупких материалов;

- экспериментальные данные о кинетике разрушения, долго- ■ , вечности, прочности, деформативности тяжелого бетона в условиях комбинированного температурно-силового воздействия пожара и взрыва;

- экспериментальные и расчетные данные о динамической прочности нагретых железобетонных балок при воздействии статических, и динамических нагрузок;

- соответствие поведения бетона в условиях тешературно-силовых воздействий пожара и .взрыва основнш представлениям и соотношениям кинетической концепции прочности твердых тел;.

" - 5 -

- значения обобщенных характеристик сопротивления бетонов для условий темлературно-сшювых воздействий пожара и взрыва; .

- систему взаимосвязанных задач по расчету стойкости конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва и принципы реализации этой системы.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- разработан общий методологический подход к оценке стойкости железобетонных конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва;

- разработан споооб регистрации разрушения образцов хрупких материалов (а.с. № 1474547);

- получена экспериментальные данные о кинетике разрушения, долговечности, прочности, деформативности тяжелого бетона в уо-

' ловиях комбинированного температурно-силового воздействия пожара и взрыва;

■ - получены экспериментальные данные о прочности нагретых келезобетонннх 'балок при воздействии динамических и статических нагрузок;

- показана необходимость учета выявленных особенностей из' менения прочностных свойств нагретого бетона в условиях динамического нагруташя в раочетах несущей способности элементов железобетонных конструкций;

- доказано соответствие поведения бетона в условиях теше-ратурно-силовнх воздействий пожара и взрыва основным представлениям и соотношениям кинетической концепции прочности;

- определены значения обобщенных характеристик сопротивле-иия бетонов для условий теглсратурно-оил- нес воздействий пожара и взрыва. •

, Практическое значение и реализация результатов тзаботн со-отоит в том, что разработанный метод диагностики степени разрушения капиллярнопористых тел (а.о. № 1474547) является элективным средством для определения кинетики разрушения бетона в условиях сложных теыпературно-силовых воздействий; результаты работы использованы в "Рекомендациях по оболедованию зданий и сооружений, ювревденннх пожаром", изданных Стройздатом в 1987 году, и при решении практических вопросов по оцеька пригодности к дальнейшей эксплуатации и восстановлении объектов народного хозяйства, повревденных пожарами и взрывами, что позволило получить экономический эффект более 70 тыояч рублей;

получешые даннио о прочности и деформативноети бетона в условиях сло;шюс тешературно-силовых воздействий и методические особенности их использования в инженерных расчетах учтены при разработке "Рекомендаций по расчету бетошшх и иелезобетонных конструкций с учетом режима реального пожара".

Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы диссертационной работы догладывались и обсуяздалиоь на 1У конференции молодых ученых и специалистов в ЦЕШпромзданий (Москва, 1984), на научно-технической конференции "Пути повышения эффективности противопожарной защиты предприятий народного хозяйства" (Ленинград, 1935), на У Всесоюзной конференции "Проблемы охраны труда" (Рубекное, 3986), на IX и X Всесоюзных конференциях "Проблемы обеспечения пояарной безопасности объектов народного хозяйства" (Москва, 1987 и I98S гг.) и на научно-практическом семинаре "Обеспечение огнестойкости зданий и сооружений при 'Применении новых строительных материалов л конструкций" (Москва, 1988).

Результаты исследований доложены и одобрены на совместном заседании научно-технического Совета комплекса лабораторий взры-вобезопасности и динамики сооружений и кафедры Охраны труда ШСИ им. Б.В.Куйбышева, 7.06.1990 г.

Публикации. По результатам исследований имеется 9 публикаций и одно авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, пяти глав, общих выводов, условных обозначений, списка литературы я приложений. Работы в целом изложена на 213 стр., в том числе 109 стр.машинописного текста основного содержания, 58 рис. на 56 стр.; 2 табл. на 2 стр.; 155 наименований цитируемой литературы на 16 стр.; 7 приложений на 28 стр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе обоснована актуальность темы, приводится обзор экспериментальных и теоретических исследований по оценке огнестойкости и взрывоустойчивости железобетонных конструкций, а также существующих подходов к оценке прочности, деформативности, долговечности бетона в условиях пожара и взрыва.

Как показывает анализ аварийных ситуаций, взрыв часто является причиной пожара, в свою очередь, пожар может стать причиной одного или нескольких взрывов. Как правило, комбинирован- '

нов воздействие ггожара и взрыва приводит к более значительным потерям, чем отдельные воздействия пожара а взрыва,

В настоящее время методы оценки огнестойкости и взрывоус-тойчивости конструкций на связаны друг с другом. Здания, спроектированные в соответствии с современными методам! оценки их огнестойкости и взрывоустойчивости, могут оказаться ненадеяными в реальной аварийной ситуации комбинированного воздействия пожара и взрыва. Отсутствует концепция взрывопогнаробезопаснооти зданий а вооружений по показателю их стойкости к совместному воздействию пожара и взрыва. В связи с чем весьма важным является учет совместного воздействия пожаров и взрывов на строительные конструкции зданий и сооружений.

Проведенный в работе анализ основных подходов к оценке огнестойкости и взрывоустойчивости железобетонных конструкций показал, что имеется возможность реализации единого методологического подхода для оценки стойкости конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва..

До настоящего вромени в литература фактически не имелось сведений о поведении келезобетонных конструкций в условиях одновременного или■последовательного воздействия пожара и взрыва.

Важное значение душ оценки стойкости конструкций к рассматриваешь условиям имеют данше . прочности, деформвтпвнооти, долговечности материалов конструкций в условиях температурно-снло-вых воздействий типа "поюзр-взрыв" и "взрыв"пожар". Недостаточная изученность этого вопроса требует проведения исследований по уточнении и углублению теоретических основ процесоов разрушения и деформирования материалов з уояйьи. . воздействия пожара й взрыва.

Таким образом, выявилась настоятельная необходимость в проведении комплексе специальных исследований стойкооти строительных материалов и конструкций к совместному воздействию пожара и взрыва. В качестве объектов исследований были выбраны обычный тяжелый бетон и статически определимые изгибаемые балки.

ро второй главе приводятся методы и средства экспериментальных исследований.

Исследования долговечности, прочности, деформативиости тяжелого бетона при нагрева и динамических погружениях проводились при различит режимах и комбинациях температурных и силовых воздействий. -

Стевды для испытания бетонных образцов, оборудованные на базе гидравлических прессов и рычажных установок для длительного механического нагружения, включали нагревательные муфельные электропечи, измерительные и регулирующие приборы и оборудование.

В ходе опытов фиксировались температура и суммарные деформации образцов в виде призм размером 0,1 х 0,1 х 0,4 м, характер изменения, статической и динамической нагрузок во времени, время от начала испытания до -окончания заданного воздействия или разрушения образца.

По результатам опытов определялись относительные деформации ползучести бы , температурного расширения £ь<* и сжатия от нагрузки , температура разрушения образцов , время до разрушения образцов - долговечность Та при различных схемах испытания, прочность образцов йьим •

Для более детального изучения кинетики разрушения бетона на разных этапах температурно-силового воздействия типа пожара и взрыва был разработан яеразрушающий метод диагностики степени разрушения образцов (а.о.й 1474547), согласно которому, степень разрушения Ит; материала испытуемого образца предлагается оценивать по относительному изменению параметра 'С - времени выравнивания давления измерительной среды вне и внутри образца - на различных этапах заданных температурно-силогах воз- . действий на него: , . г- ./_

Ктг = н / Та

где ТГц и ТГу1 - соответственно начальное и текущее значение диагностического параметра.

Для проверки возможности использования данных о прочности бетона в условиях совместного воздействия типа "пожара" и "взрыва", полученных на опытных образцах-призмах, для его работы в аналогичных условиях в железобетонных конструкциях, были изготовлены железобетонные балки размером 0,1 х 0,18 х 2,0 М. Опытный образец балла: подвергался предварительному нагреву до разных уровней (от 20 до 600°С), а затем статическому или динамическому воздействию от механической нагрузки. Б ходе испытания фиксировались деформации сжатой зоны бетона, характер и режим приложения статической и динамической нагрузок, температура по сечению балок. Для реализации схемы разрушения этих балок по , снэтой зоне бетона они изготавливались с повышенным процентом . армирования в растянутой зоне.

В .тротьей главе приведена результаты экспериментальных исследований стойкооти бетона и железобетонных балок к воздействию пожара к взрыва.

Для условий совместного воздействия типе "пожар-взрыв" било установлено, что изменение динамической и статической проч-ностей бетона от температуры его нагрева имеют один и тот газ характер (рис. I). При этом значения динамической прочности бетона при времени нагружают 0,05 с в среднем на 20? превышают значения статической прочности во всем интервале температур нагрева. Коэффициент динамического упрочнения бетона Кд.* в связи с этим нэ зависит от температуры его нагрева, а определяется только скоростью динамического нагружения (при ^ 500°С).

Значения предельных деформаций^сжатия бетона при разрушении бетонных образцов под действием динамической нагрузки на 10-15!? меньше аналогичного показателя для ботона, разрушаемого статической нагрузкой. "

Для условий совместного воздействия типа "взрыв-пожар" установлено, что динамическая нагрузка, вызывающая напряжения в бетоне от 0,8 до 1,0 , приводит к снижению сопротивления бетона при кратковременном нагреве до 15$. •

Испытания батонкых образцов призм показали, что в интервале температур 400...800°С и напряг-чшй от сжимающей нагрузки, равных 0,3...0,7 . зависимости долговечности бетона 'Са. от уровня сжимающих напряжений при различных температурах

в полулогарифмических координатах "• ^^^Сы. - " имею? вид прямых линий, сходящихся к определенному полюсу. Это свидетельствует о соответствии г,тих зависимостей ' новим соотношениям кинетической теории прочности

где 'Со л постоянная величина, равная периоду колебаний атомов с-*; Оо- постоянные, тлеющие смысл, соответственно начальной энергии активации процессов разрушения или ползучести, кДж моль"! и структурной константы материала, показывающей снижение энергии активации разрушения от действующей нагрузки, кДж (моль Ша)"1",' <£ь - напряженно от мехагшчосгой нагрузки, Ша; А. - универсальная газовая постоянная, равная 8,31 кДж (кМоль °К)_1; Т - абсолютная температуря маториола, °К. Общий характер развития деформаций бетона в этих условиях

„о/

Г ^

л

С

о

%

г

г

в

л &

с 111 н з и

о %

Н,0 0.8 0.6 V»

X2

1

ч

и*™«««*» 600

Рио. I. Изменение относительной прочности бетона в зависимости от нагрева и механического нагруяения: I - статическое нагружекие; 2 - динамическое нагру-

ч^оо

й» гсо

к зо

3№

{В »Л

ос

Я £

женив

<00

,4

т

Р а /

*•

Рио. 2. Зависимость энергии активации разрушения и ползучести бетона от напряжения от механической нагрузки при: 1 - кратковременном нагреве; 2 - динамическом нагру-

кении

о - ползучесть; разрушение .

ная диагностика поврекденности материалов строительных конструкций при воздействии пожара и взрыва // Проблемы охраны труда: Тез.докл. У научн.-техн.конф., 16-18 сент.. 1986. - Рубежное, 1986. - С. 407-408.

3. Гамаюнов А..В. Изменение физико-механических овойотв тя- ; белого .бетона при комбинированном воздействии покара и взрыва // Проблемы обеспечения пожарной безопасности объектов народного хозяйства: Тез.докл. IX Всесотзн. науч.-практ. конф,, 24-26 июня 1987, - ВШИЛО ЩИ СССР, 1987. - С. 21.. ■ 1

4. Еуков В.В., Гамаюнов A.B. Влияние последовательности воздействия температуры и нагрузки на прочность и деформативяость , ; бетона в железобетонных конструкциях // Строительство и архитектура, сер. 8. Строительные конструкции // Экспресс-информация. ВНИШС' Госстроя СССР, 1987. - Вып. 6. - С. 2-7.

. 5. Жуков В.В., Ройтман В.М., Гамаюнов A.B. Исследование ; свойств тяжелого бетона при взрывах и пожарах // Бетон и железобетон. - 1987. - й 10. - С. I0-II. - .-■•,.]

6. ïïyxoB В.В., Соломонов В.В., Гусев A.A., Гамаюнов A.B. и | др. Рекомендации по обследованию зданий и сооружений, поврежден-! них пожаром // НИЩ».-- М.: Стройиздат, 1987. - 80 о. ;

7. Гамаюнов A.B. Влияние методов испытания на. прочность и j доформативяость бетонных елементов при нагреве в уоловиях пожара // Обеспечение огнестойкости зданий и сооружений при применэ-1 ншг новых строительных материалов и конструкций; Матер.оеминара.

- М.: Знание, 1988. -C.I20-123.

8. ройтман В.М., Гамаюнов A.B. О возможности оценки долго- ; вечности бетона в уоловиях„экстремальных воздействий на основе кинетичеокого подхода//10 "^nt«wert Baw.Vto-ff-uwd-

9. A.c. 1474547 СССР, ЖИ4 О 01 Г/ 33/38. Споооб региотра- ■ щш разрушения образца хрупкого материала / В.В.2уков, В.М.РоЙт-ман, А.В.Гамаюнов, В.А.Тимофеев (СССР) // Открытия. Изобретения,

- 1089. - .'I 15. - С. 175. • , !

10. 1уков В.В., Ройтман В.М., Гамаюнов A.B. и др. Рекоман- ' дации по оценке огнеотойкости и оотаточной несущей способности ' железобетонных конструкций в условиях реального пожара, - М.: . НИШБ, 1990. - 53 0< -

- расчет прочности и деформативности изгибаемых железобетонных конструкций при динамических нагружениях в условиях нагрева необходимо вести с учетом полученных значений коэффициента динамического упрочнения бет,она.

5. Для количественной оценки состояния и поведения конструкций зданий и сооружений в условиях аварийных воздействий типа "полсар-взрыв" или "взрыв-понар" может быть использован предлагаемый общий методологический подход к решению задачи их стойкости к совместному воздействию пожара и взрыва, основанный на решении системы взаимосвязанных задач.

6. Система взаимосвязанных задач по расчету стойкости конструкций к совместному воздействию nosapa и взрыва включает два комплекса задач. Первый рассматривает состояние и поведение конструкций в условиях первичного аварийного воздействия с целью определения уровня утраты конструкцией своих эксплуатационных качеств к моменту возникновения вторичного аварийного воздействия. Этот уровень является исходной информацией для решения второго комплекса задач по оценке состояния конструкции после вторичного аварийного воздействия.

7. Расчеты остаточной несущей способности конструкции при воздействии типа "пояар-взрыв" или "взрыв-пожар" по предложенной концепции предлагается вести с учетом решмов реальных пояа-ров и взрывов;изменение прочностных и деформативных свойств материалов конструкций в зависимости от истории термического и силового воздействий пожара и взрыва.

8. Результаты работы по определению свойств бетона при сложных тешературно-силовых воздействиях и методические разработка по расчету конструкций в этих условиях использованы в "Рекомендациях по обследованию зданий и сооружений, поврежденных по;.та-ром" и "Рекомендациях по расчету бетонных.и железобетонных г.он-

; сгрукций с учетом режима реального пожара".

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Ройтман В.М., Измаилов A.C., Демехин В.Н., Гамаюнов A.B. Метод расчета железобетонных колонн на огнестойкость с учотом реальных температурных реяимов покара // Пути повышения эффективности противопожарной защиты предприятий народного хозяйства: Матер, научн.-техн.конф. - Л.: Знание, 1205. - С. 70-74.

2. Ройтман В.М., Демехиц B.Ií., Гамаюнов A.B. -¡'ильтроцлоп-