автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий

На правах рукописи

Аветисян Левой Аветисович

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СЖАТЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ДИНАМИЧЕСКОМ НАГРУЖЕНИИ В УСЛОВИЯХ ОГНЕВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

3 0 г-: 7015

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва-2015

005562647

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Тамразян Ашот Георгиевич

Мамин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, ОАО «Центральный научно-исследовательский и проектно-экспериментальный институт

промышленных зданий и сооружений», начальник отдела обследований зданий и сооружений

Курлапов Дмитрий Валерьевич

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное казённое военное

образовательное учреждение высшего

профессионального образования «Военная академия материально — технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева», профессор кафедры Гидротехнических сооружений, строительных конструкций и механики твердого тела Военного института (инженерно-технического)

ОАО «Центральный научно - исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий»

Защита диссертации состоится «19» октября 2015г. в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.138.04, созданного на базе ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд. 9 «Открытая сеть».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.mgsu.ru ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «2L». 03 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Каган Павел Борисович

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Практика возведения и эксплуатации высотных зданий показывает, что во всем мире в последние годы увеличилось число чрезвычайных ситуаций техногенного характера (аварийные взрывы и удары внутри здания, аварии, вызванные низким качеством проектирования или строительства, пожары и т.п.). Расчет конструкций при разных сочетаниях нагружений должен проводиться с учетом прочностных и деформативных характеристик материалов. Огневые воздействия, которые достигают 800-900сС в помещениях жилых и общественных зданий, меняют не только статические, но и динамические прочностные и деформативные свойства несущих элементов. Несмотря на большое количество исследований, посвященных статической работе железобетонных элементов с учетом температуры, совместная работа динамического нагружения на центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы в условиях повышенных температур мало изучена. Тем самым исследование прочностных и деформативных свойств сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий является актуальным.

Учет изменения динамических прочностных и деформативных характеристик материалов в условиях огневых воздействий, несомненно, повысит уровень безопасности зданий и позволит оценить стойкость конструкции зданий при чрезвычайных ситуациях.

К настоящему времени не существует методики для расчета несущей способности центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн, работающих при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий.

Такая методика динамического расчета сжатых железобетонных элементов позволит правильно оценить несущую способность конструкции здания при разных термосиловых воздействиях, а также эксплуатационные риски.

Степень разработанности темы исследования. Экспериментально-теоретическими исследованиями железобетонных элементов при динамических нагружениях занимались Алмазов В.О., Бондаренко В.М., Гвоздев A.A., Гениев Г.А., Дроздов П.Ф., Жарницкий В.И., Забегаев A.B., Карпенко Н.И., Клюева Н.В., Кодыш Э.Н., Колчунов В.И., Копаница Д.Г., Кумпяк О.Г., Мамин А.Н., Плевков B.C., Плотников А.И., Расторгуев Б.С., Тамразян А.Г., Травуш В.И., Трекин H.H., Hachem М.М., Mahin S.A., Lokuge W.P. и Setunge S., Majevski Т. и другие.

Исследованиям поведения строительных конструкций при огневых воздействий посвящены работы Бушева В.П., Кузнецовой И.С., Курлапова Д.В., Милованова А.Ф., Пчелинцева В.А., Панюкова Э.Ф., Романенкова И.Г., Ройтмана В.М., Тамразяна А.Г., Федорова B.C. и др.

Экспериментальные исследования Баженова Ю.М., посвященные работе бетонных образцов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий, позволили выявить эффект разупрочнения у бетонных стандартных восьмерок. Проведенные исследования ограничивались только испытаниями бетонных образцов, при этом не изучалось динамическое поведение железобетонных образцов при повышенных температурах.

Несмотря на большое количество экспериментальных и теоретических работ по исследованию НДС центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов

при статических и динамических нагружениях в нормальных условиях, до сих пор работа таких элементов при динамических нагружениях с учетом температурных воздействий мало изучена.

Научно-техническая гипотеза диссертации заключается в понижении прочности сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий.

Целью диссертационной работы является исследование прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания при статических и динамических нагружениях;

исследование динамических прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при огневых воздействиях и после остывания; исследование коэффициента динамического упрочнения центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях и после остывания;

сравнительный анализ статического расчета монолитных высотных зданий в нормальных условиях и расчета при огневых воздействиях с учетом геометрической и физической нелинейности;

расчет динамической прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов в составе железобетонного каркаса при огневых воздействиях; использование прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях при оценке стойкости монолитного высотного здания к прогрессирующему обрушению. Решение перечисленных задач позволит оценить прочность и деформативность сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий.

Объектом исследования являются центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы.

Предметом исследования являются прочностные и деформативные характеристики сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий и после остывания. Научная новизна данной работы:

1 Результаты экспериментальных исследований влияния огневых воздействий на прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при статических и динамических нагружениях.

2 Зависимости динамической прочности сжатых бетонных и железобетонных элементов от повышенной температуры.

3 Адаптированная методика и алгоритм динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом огневых воздействий, на основе которого создана вычислительная программа, реализованная в ПК Wolfram Mathematica.

4 Результаты динамического расчета прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях.

5 Результаты расчета многоэтажного каркасного здания на прогрессирующее обрушение с учетом прочностных и деформативных свойств сжатых

железобетонных элементов при огневых воздействиях.

Теоретическая значимость работы заключается в возможности изучать процессы изменения прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий и после остывания, при различных схемах нагружения (в том числе при внецентренном сжатии).

Практическая ценность выполненной работы:

■ разработана адаптированная методика динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом повышенных температур;

■ возможность применения результатов исследования при разработке и совершенствовании норм и стандартов в рамках обеспечения функциональных характеристик строительных конструкций и конструктивной безопасности зданий и сооружений в случае прогрессирующего обрушения при огневых воздействиях.

Методологической основой диссертационного исследования послужили: труды отечественных и зарубежных авторов в области научных исследований железобетонных конструкций при разных условиях работы, гипотезы, принятые в строительной механике, теории упругости и пластичности, общепринятые методы статических и динамических расчетов железобетонных конструкций с учетом нелинейных свойств материалов.

Конкретное личное участие автора в полученных научных результатах заключается в постановке данного исследования, выборе объектов и методов исследования, разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы, разработке программы экспериментальных испытаний, проведения экспериментальных исследований, получении результатов исследования, их обобщений и анализа, разработке адаптированной методики динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при и после огневых воздействий, расчете железобетонного каркаса при динамических воздействиях с учетом высоких температур.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы в ООО «ДАКОР» при разработке рабочей документации и расчете несущих железобетонных конструкций 18-ти этажного монолитного жилого здания по адресу: г. Владимир, ул. Ставровская, д. 1.

Степень достоверности результатов и выводов диссертационной работы подтверждается применением: стандартных методов испытаний; современных методов исследования прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры; достаточным количеством проведенных опытов, обеспечивающих адекватность и воспроизводимость результатов. Результаты динамического расчета сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания по разработанной методике были основаны на коэффициенте динамического упрочнения, значения которого получены экспериментальным путем. Результаты расчетов железобетонных конструкций основываются: на базовых теориях железобетона; положениях динамики упругопластических систем; на идентичности результатов аналитических и численных методов; на тестовых примерах. Выводы и результаты работы получили положительную оценку и были внедрены в строительную практику.

Положения, выносимые на защиту:

1 результаты экспериментальных исследований прочности и деформативности центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при статических и динамических нагружениях при огневых воздействиях;

2 зависимость коэффициентов динамического упрочнения бетона и арматуры от температуры;

3 методика динамического расчета центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов с учетом прочностных и деформативных свойств материалов при огневых воздействиях и после остывания;

4 результаты динамических расчетов сжатых железобетонных элементов-колонн при огневых воздействиях и после остывания с использованием разработанной программы ЭВМ;

5 результаты нелинейных статических и динамических расчетов многоэтажного железобетонного каркасного здания с учетом изменения прочностных и деформативных свойств центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов в условиях огневых воздействий.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы представлены на XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013); Международном научном семинаре 19-20 сентября «Перспективы развития программных комплексов для расчета несущих систем зданий и сооружений» (Курск, 2013); Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова, «Современные проблемы расчета и проектирования железобетонных конструкций многоэтажных зданий» (Москва, 2013); XVII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство -формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014); III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон -взгляд в будущее» (Москва, 2014); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2014); I Брянском международном молодежном форуме «Инновации в строительной индустрии» (Брянск, 2014); XVIII Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2015); VI международной научной конференции «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность» (Москва, 2015).

В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семинаре кафедры Железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет» (Москва, 2015).

Публикация работы. Материалы диссертации изложены в 16 опубликованных работах, из них 4 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ, и одна статья в журнале, включенного в базу данных и систем цитирования Scopus, в том числе одно Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ (№2015615847).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 134 наименований, в том числе 36

зарубежных источников. Общий объем работы - 215 страниц, в том числе 169 страниц основного текста, включающего 74 рисунка и 40 таблиц, 18 страниц 4-х приложений.

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическое значение проведенных исследований, приведены: принятые методы и методика, обоснованная степень достоверности результатов исследования, приведены сведения об апробации полученных результатов, структуре и объеме диссертационной работы.

В первой главе приведен анализ экспериментальных и теоретических исследований железобетонных элементов, работающих при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий. Приведены результаты проведенных экспериментальных исследований бетона, арматуры, и железобетонных элементов при статических нагружениях с учетом температуры, для дальнейшего сопоставления данных величин с результатами экспериментальных исследований проводимых в рамках диссертационного исследования.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований поведения бетонных кубиков и призм, а также центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при статических и динамических нагружениях при высокотемпературных воздействиях.

Цель экспериментального исследования заключилась в определении изменений физико-механических свойств бетона, арматуры и сжатых железобетонных элементов при статическом и динамическом нагружении, а также исследовании изменения коэффициента динамического упрочнения бетонных кубиков, призм и железобетонных колонн после огневых воздействий.

В ходе экспериментальных исследований получены все необходимые величины изменения динамической прочности сжатых железобетонных элементов при высокотемпературных воздействиях, для разработки адаптированной методики динамического расчета таких элементов с учетом температуры.

В третьей главе приведена адаптированная методика и алгоритм динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом температуры. Методика разработана с помощью аппроксимирующих формул, показывающих снижения динамической прочности бетона и арматуры в условиях высоких температур, полученных в ходе экспериментальных исследований.

Приведены результаты аналитического расчета сжатого железобетонного элемента - колонны при внецентренном сжатии, при разных сценариях работы с помощью разработанной методики. Показано изменение жесткости элемента в различных стадиях НДС, в разных сценариях и сделан сопоставительный анализ. Приведено сопоставление результатов аналитического метода теплотехнических расчетов железобетонного элемента и численных, с использованием программы Апвуэ 14.0.

В четвертой главе проведен численный расчет 25-этажного железобетонного каркаса с учетом изменения динамических характеристик сжатых железобетонных элементов в условиях огневых воздействий.

Предметом исследования в расчетной стадии являются колонны первого этажа высотного здания, расположенные рядом с удаленной колонной, которые работают в

условиях огневых воздействий и динамического нагружения.

Для исследования прочности сжатых железобетонных элементов в составе 25-этажного каркасного здания при разных температурных воздействиях использован ПК Sap 2000.

Разработанная методика динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом температуры позволяет использовать полученные максимальные углы раскрытия шарниров пластичности элементов при разрушающих нагрузках при данной температуре стандартного пожара в ПК Sap 2000 и производить расчет здания.

II. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИССЕРТАЦИИ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Установлено, что в большинстве случаев динамическое воздействие в высотных зданиях происходит при прогрессирующем обрушении здания. Наиболее опасным сценарием, который может привести к прогрессирующему обрушению зданий, является динамическое воздействие на его несущие элементы, работающие в условиях огневых воздействий; исследования по данной тематике практически отсутствуют.

Сформулированы следующие задачи исследования:

• Провести экспериментальные исследования по изучению влияния огневых воздействий на динамическую прочность сжатых железобетонных элементов.

• Получить зависимость коэффициента динамического упрочнения центрально и внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания.

• Разработать методику динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом огневых воздействий.

• Произвести нелинейный динамический расчет монолитных высотных зданий при огневых воздействиях с помощью разработанной методики.

• Предложить эффективные рекомендации по обеспечению безопасности зданий от прогрессирующего обрушения в условиях огневых воздействий.

2. Экспериментальные исследование посвящены исследованию динамической прочности сжатых железобетонных элементов при высокотемпературных воздействиях.

Для экспериментальных исследований были изготовлены бетонные кубики размером 0,1x0,1x0,1м, призмы размером 0,1x0,1x0,4м и железобетонные колонны размером 0,1 х0,1 х0,6м.

Железобетонные образцы - колонны армировались сталью класса А500; хомутами класса А240 (см. рис.1). Изготовление образцов проводилось по предварительно составленной программе экспериментального исследования с учетом возможностей испытательного: оборудования. Для регистрации поперечных и продольных деформаций при статических и динамических нагружениях на опытных образцах были наклеены тензорезисторы с базой 90мм и 60мм; для измерения вертикальных перемещений были установлены индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм; для измерения прогибов использовался электронный прогибомер SDP-50C (см. рис.2).

Рисунок 1. Схема армирования Рисунок 2. Схема расположения железобетонных колонн-образцов измерительных датчиков: 1 - индикаторы

часового типа для измерения вертикальных перемещений, 2 - индикаторы часового типа для измерения прогибов Образцы были испытаны, как при центральном сжатии, так и при разных эксцентриситетах: е0 /А = 0,3;0,35;0,4(см. рис. 3). Экспериментальным путем были получены значения прочности железобетонных элементов после статических и динамических испытаний. Для получения величин динамической прочности сжатых железобетонных элементов при разных температурах и разных скоростях динамического нагружения выбирались два времени нагружения образцов - 1,0 сек. и 0,4 сек. _ _

Рисунок 3. Вид железобетонных элементов для испытаний: а) центральное сжатие еу/=о,оо, б) внецентренное сжатие - ео// = о,4

Далее образцы нагревались до 300°С, 500°С, 700°С и 900°С в соответствии со стандартным температурным режимом по ISO 834. На рисунке 4 приведены графики

зависимостей «нагрузка - время» при динамических нагружениях в условиях разных температурных воздействий.

Рисунок 4. Графики зависимости «нагрузка - время» при внецентренном динамическом нагружении образцов - колонн, при эксцентриситете = о,35 после

огневых воздействий ■(? V, - результаты при 3-х разных испытаниях); а) после Т = 500°С, б) после Т = 900°С

Графики показывают, что при внецентренном динамическом ударе после огневых воздействий 500°С при эксцентриситете е^/=о,35 динамическая разрушающая

нагрузка равна 202,ЗкН, а после 900°С понижается до 122,9кН.

Экспериментальные исследование бетона и арматурной стали показывают:

1. Снижение модуля упругости бетона при динамическом нагружении после прогрева до 500°С. Понижающий коэффициент модуля упругости при огневых воздействиях Д,ьг = 0,28 Д„. = 0,32. Это свидетельствует о том, что при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий модуль упругости бетона меньше, чем при статическом нагружении.

2. Коэффициент динамического упрочнения по бетону в интервале от 20°С до 254 °С колеблется в пределах к„ьт = 1,218 + 1, от 254°С до 900°С - Каьт = 1 -ь 0,47.

3. При 250'С максимальная статическая нагрузка, которую выдерживает образец арматурной стали класса А500. повышается на 20% по сравнению с данными в нормальных условиях.

4. Модуль упругости арматурной стали после прогрева до 900 °С снижается на 14%.

Для расчета и проектирования железобетонных конструкций на динамические воздействия необходимо знать значения коэффициента динамического упрочнения материалов показывающие изменение прочности бетона при сжатии и

растяжении, определяемые только экспериментальным путем.

Как показывают проведенные исследования, величина К^ может меняться в зависимости от состава материала, времени нагружения. вида динамической нагрузки, температуры, характера напряженного состояния конструкции и т. д.

Кубиковая и призменная прочность бетона при статических испытаниях снижается на 88% (при 900°С). При времени нагружения 1=1,Осек, кубиковая и призменная динамическая прочность снижается на 95% (при 900°С), а при 1=0.4сек. - на 96%. Значения коэффициента динамического упрочнения бетона при разных температурах и скоростях нагружения 1=1,0 сек. и 1=0,4 сек. представлены в таблице 1.

Таблица 1 - Значения коэффициента динамического упрочнения бетонных образцов К1/Г,т при времени нагружения I = 1,0 сек. и I = 0,4 сек. в зависимости от температуры

Т('С) Бетонные кубики ( Кыьт) Бетонные призмы ( К11ЬТ)

1=1. Осек. 1=0,4сек. 1=1,Осек. 1=0,4сек.

20 1.188 1.218 1,190 1,194

300 0,960 0,959 0,961 0,957

500 0.844 0.841 0,843 0,831

700 0,590 0,585 0,596 0,585

900 0,470 0,441 0,490 0,460

В ходе эксперимента получены коэффициенты динамического упрочнения внецентренно сжатых железобетонных колонн при динамическом нагружении с

разными эксцентриситетами = 0,3; 0,35; 0,4) после остывания образцов (см.

табл. 2).

Таблица 2 - Значение коэффициента динамического упрочнения Клт внецентренно сжатых железобетонных колонн при разных по времени нагружениях после температурных воздействий

Т(°С) е°/=о /А ео /-(11 /А ^ йп/ = 0,35 /Л Уи-0А

1=1, Осек. 1=0,4сек. 1=1, Осек. 1=0,4 сек. 1=1,Осек. 1=0,4сек. 1=1,Осек. 1=0,4 сек.

20 1,130 1,150 1,134 1,150 1,156 1,159 1,158 1,177

300 1,135 1,136 1,120 1,060 1,165 1,108 1,130 1,081

500 1,160 1,168 1,074 0,960 1,088 0,985 1,008 0,861

700 1,152 1,143 1,081 0,920 1,078 0,933 1,017 0,838

900 1,180 1,150 1,033 0,884 1,104 0,876 0,987 0,789

По результатам экспериментальных исследований получены зависимости коэффициента динамического упрочнения бетонных и железобетонных элементов от температуры прогрева (см. рис. 5).

Рисунок 5. График зависимости коэффициента динамического упрочнения от температуры при 1=0,4 сек.: 1 - бетонные призмы; железобетонных колонны: 2 - при центральном сжатии; 3 - при е»/^' = о,з; 4 - при = 0,35; 5-при еу^ = 0,4

Коэффициент динамического упрочнения в интервале 20°С<Г<900°С равен: Для призмы - при времени нагружения 1=1,0 сек.

К„ь =1,24+9,88- Ю-'2 Т4 -1,81-Ю"8 Т3 +1.03-10'5 Т2 -2,66-Ю3 Т. (1)

Для призмы - при времени нагружения 1=0,4 сек. К„ь = 1,24+8,97-1012 Т4 -1,65-10"8 Т3 +9,44-10^ Т2 -2,54-10"3 Т. (2)

Коэффициент динамического упрочнения сжатых железобетонных элементов - колонн в интервале 20° С < Г <900° С:

- при центральном сжатии ео/ = о-; время нагружения 1= 0,4сек.

/И '

К, = 1,17 + 4,03-10"12 Т4 -7,81-10"' Т' +4,81-10* Т2 -9,5110"Т. (3)

- при эксцентриситете £^=о,4; время нагружения 1= 0,4 сек.

Ь

К, =1,13-1,20-10 " Т4 +2,42- Ю^Т' -1,5410'! Т2 +2,58 -10"3 Т. (4)

На основе анализа результатов экспериментальных исследований центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при статических и динамических нагружениях было установлено следующее:

1. При статическом нагружении прочность центрально сжатых железобетонных колонн при температуре 900'С снижается на 52%, внецентренно сжатых железобетонных колонн - на 64 %.

2. Динамическая прочность центрально сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях снижается на 66%, а внецентренно сжатых - на 83,0%.

3. Коэффициент динамического упрочнения внецентренно сжатых колонн при температуре 900°С снижается: при эксцентриситете еу^ = 0,3 на 23,0%, при

эксцентриситете еу^ = 0,35 - на 27,30%, при эксцентриситете е»// = 0,4- на 33,0%.

4. При температуре 500°С и выше увеличение скорости нагружения в 2 раза приводит к снижению динамической прочности внецентренно сжатых железобетонных колонн на 22,0%.

5. При нормальной температуре прогиб внецентренно сжатых железобетонных колонн при эксцентриситете = 0,35 в момент разрушения составил

Г= 2,67см, при температуре 500°С - { =3,71см, т.е. прогиб увеличивается на 39%.

В настоящее время расчет железобетонных конструкций на динамические нагрузки производится по методу предельных состояний - по несущей способности (предельные состояния первой группы).

При расчете по первой группе рассматриваются три случая достижения предельного состояния: 1а, 16, 1в (см. рис. 6). Поскольку аналитические диаграммы деформации, которые имеют криволинейное очертание, выразить одной общей функцией сложно, в дальнейшем используется упрощенная диаграмма момент-кривизна "М-1/г " в виде ломаной линии, состоящей из трех прямых (см. рис. 7).

кривизна и предельные состояния, состояний внецентренно сжатых элементов возникающие в элементе при различных эксцентриситетах: а - е0|; в -

в02; с — e0J; d -е04; е04 -< е03 eQ2 eoi

Исследования показывают, что нормировать предельное состояние 16 внецентренно сжатых элементов более удобно по пластическим углам раскрытия в шарнирах пластичности, возникающих за время работы конструкции только в пластической стадии.

Условие прочности конструкции (при образовании в ней п шарниров пластичности) принимает вид:

^ ^.U(i=l,2,3,...n). (5)

Здесь у/ и ' пластические углы раскрытия в i-ом шарнире пластичности, полученном из динамического расчета в пластической стадии.

Для расчета углов раскрытия пластичности при разных температурах при динамическом нагружении на основе проведенных экспериментальных исследований разработана рабочая программа расчета на ЭВМ, встроенная в ПК Wolfram Mathematica.

Динамические нагрузки на несущие элементы высотных зданий могут привести к сокращению огнестойкости, что приводит к необратимым последствиям. Как показывает практика, в большинстве случаев динамическое воздействие в высотных зданиях является поствзрывным явлением, которое сопровождается пожаром. В рамках диссертационной работы рассмотрены 3 основных сценария, которые могут возникнуть в высотных зданиях и привести к прогрессирующему разрушению. Инициация всех сценариев начинается с мгновенного удаления одного несущего элемента при динамически нарастающей нагрузке на оставшиеся колонны. При этом в зависимости от этажности здания коэффициент динамичности по нагрузке колеблется Кц =1,2...2.

1. Колонны каркаса работают в нормальных температурных условиях.

2. Колонны каркаса работают в условиях огневых воздействий.

3. Колонны каркаса работают после огневого воздействия.

Приведем примеры расчета для 3-х сценариев.

Для сравнения, определим несущую способность железобетонных колонн при статическом и динамическом нагружении в условиях стандартного пожара.

Исходные данные: сечение ЮОхЮОл&и; расчетная длина колонны¿0 = 600мм.', класс бетона ВЗО, средняя плотность в сухом состоянии (гранитный щебень) рос=2485кг/м\ весовая влажность » = 4,6%, арматура 408 А500, толщина защитного слоя о„ = \2мм.

Проведем расчет колонны с относительным эксцентриситетом е„//г = 0,35 в нормальных температурных условиях и температурах Т = 500" С и Т = 900" С при времени стандартного пожара 340с. и 1000с. Максимальная динамическая нагрузка N„,=71 кН.

Расчет позволяет построить диаграмму «момент - кривизна» сжатого железобетонного элемента, работающего в нормальных условиях и при огневых воздействиях (см. рис. 8), а также построить график изменения статической и динамической прочности (см. рис. 9) в зависимости от температуры.

0.04 0.06 0.0S 0.1 кривизна 1/г (м1)

N (кН)'

3 г»при времени пожара 1000 сек. (900"С)

•в нормальных

условиях (20"С) ■»при времени пожара 340 сек. (500"С)

Рисунок 8. График зависимости «момент Рисунок 9. График прочности кривизна» внецентренно сжатого железобетонной колонны при стандартном железобетонного элемента при разных температурном режиме: температурах 1- динамической; 2- статической;

3- температура пожара по ISO 834.

Результаты расчета показывают, что образование первых трещин в условиях огневых воздействий происходит при Г = 500° С в 1,3 раза, а при Г = 900° С в 3,4 раза быстрее, чем в нормальных условиях. В нормальных условиях жесткость элемента в стадии без трещин в 1,16 раза больше, чем при температуре Т = 500° С, ив 1,45 раза больше, чем при Т = 900°С.

Определенный интерес представляет задача определения температуры, при которой коэффициент динамичности по материалу будет равен статическому коэффициенту редукции при пожаре Кл = у:. Этот момент является исходной точкой развития опасной зоны работы колонны при динамическом нагружении. Для данного примера это происходит при температуре 468,9°С (см. рис.9).

Динамический расчет железобетонной колонны при огневых воздействиях и после остывания показывает, что жесткость элемента в упругой стадии после остывания в 1,24 раза больше, чем при огневых воздействиях. Время перехода от упругой к упруго-пластической стадии при огневых воздействиях в 1,32 раза быстрее, чем после остывания. Время перехода от упруго-пластической стадии к пластической стадии при огневых воздействиях в 9,4 раза быстрее, чем после остывания. Жесткость элемента в стадии 16 после остывания при Г = 500" С в 1,19 раза меньше, чем в обыкновенных условиях, но в 1,43 раза больше, чем при огневых воздействиях. Угол раскрытия шарнира пластичности железобетонной колонны после остывания равен 0,0021, который в 1,35 раза меньше, чем угол раскрытия пластичности при огневых воздействиях; соответственно прогиб при огневых воздействиях в 1,69 раза больше, чем после остывания, но в обоих случаях сохраняется условие прочности колонны.

Теплотехнический расчет железобетонных колонн в программном комплексе Ашуэ 14.0 позволяет достаточно точно определить температуру в сечениях в любой момент времени стандартного пожара.

В таблице 3 приведены результаты прочности железобетонной колонны, посчитанные в программном комплексе Апзуэ 14.0. Расчет железобетонной колонны проводился при четырехстороннем обогреве при статическом и динамических нагружениях.

Таблица 3 - Результаты динамического расчета прочности железобетонных колонн в условиях огневых воздействий при эксцентриситете е«/ = 0,35

Температура (°С) Несущая способность железобетонной колонны при 4-х стороннем обогреве (кН)

При статическом нагружении При динамическом нагружении

В ПК Ansys 14.0 По разработанной методике В ПК Ansys 14.0 По разработанной методике

0 185,55 190,60 218.94 219,45

500 145,40 146.80 135,70 135,40

900 92,50 93,40 64,32 63,15

Проведенный расчет показывает, что при статическом нагружении снижение прочности железобетонной колонны при четырехстороннем прогреве составляет: 21,6% - при 500 °С, 50,1% - при 900 °С. При динамическом нагружении снижение составляет: 38,0% - при 500°С, 70,6% - при 900°С.

Разработанная методика позволяет использовать программный комплексе Sap 2000 при расчете многоэтажного каркаса (см. рис. 10) и проводить нелинейный динамический расчет сжатых железобетонных элементов с помощью метода Ньютона-Рафсона при разных температурах нагрева, получить величину углов раскрытия шарниров пластичности в разных стадиях деформирования элемента.

На рис. 10 показан угол поворота пластического шарнира от величины нагрузки согласно FEM А 356.

угол поворота шарнира 9р (гас))

Рисунок 10. График зависимости угла поворота (раскрытия) пластического шарнира от нагрузки

Развитие угла пластического шарнира делится на стадии:

1) А > В - упругая стадия; 2) В > С - пластическая стадия; нагрузка, приводящая к образованию пластического шарнира может не привести к разрушению в зависимости от:

2а) 10 - прямое нагружение;

26) ЬЭ -безопасная стадия;

2в) СР -предупреждение разрушения;

3) С> Ю - остаточный резерв;

4) Б > Е - полное разрушение.

Моделирование мгновенного удаления колонны в каркасе здания (см. рис. 11) производится с помощью исключения сил и моментов, действующих над удаляемым элементом, в практике аналогичные силы/моменты прикладываются в

противоположном направлении.

®

2

Рама 1

(1 л

с® (в) (& (§) ©

Рисунок 11. План первого этажа 25-ти этажного каркасного железобетонного здания

Скорость удаления колонны в программе Sap 2000 задается функцией времени. Время удаления колонны принимается меньше 1/10 величины моды периода вертикального колебания здания, которая определяется после проведения нелинейного статического расчета здания, после удаления одного из вертикальных

несущих элементов каркаса здания. Для реальных взрывов время разрушения конструктивного элемента очень короткое (несколько миллисекунд), для удаления колонны принимается близким к нулю (5 мс.), что означает квазимгновенное удаление. Результаты показа™, что наиболее неблагоприятные динамические эффекты возникают, когда колонна разрушается в течение времени близким к нулю (меньше 5 мс.). Динамический отклик каркаса исследуется в определенном промежутке времени t=3,0ceK. Согласно стандарта FEMA 356 все конструктивные элементы достигают нового статического равновесия после трех секунд.

В программном комплексе Sap 2000 используется коэффициент требуемого сопротивления - KDRR, который зависит от отношений действующих моментов и нормальных сил к расчетным усилиям элементов, а углы раскрытия пластических шарниров принимается в зависимости от этих отношений.

Korr - представляет с собой частный коэффициент, который дает возможность оценить запас прочности конкретных элементов с учетом изменения как расчетного сопротивления , так и изменений расчетных нагрузок при разных температурах.

Здесь Л/шх и Л^ являются максимальными внешними моментами и нагрузками, действующими на элемент; Мк и являются величинами сопротивлений

рассматриваемых сечений элемента соответственно изгибающему моменту и центральному сжатию.

1. Здание представляет собой рамный железобетонный 25-ти этажный каркас. Размер здания 18,0x26,4м. Перекрытие - монолитная железобетонная плита толщиной 0,25 м. Размер сетки колонн 6,0 х 6,6м.

2. Нагрузка (нормативная): постоянная 4,5кН/м1; длительная 1,5 кН/м\

3. Размеры колонн 0,6*0,6 м, бетон - тяжелый класса В30, арматура класса А500. Армирование колонн- 12028 А500 А, =73,89 см2, поперечная - 014 А240, с шагом 200мм.

4. Размер ригелей 0,4*0,6м, бетон — тяжелый класса В30, нормативное сопротивление бетона сжатию Rhll =22,0 МПа, начальный модуль упругости Еь = 3,2-104 МПа; арматура А500, Rm=500Mna, Е,=2105 МПа. Предельный угол раскрытия шарнира пластичности Ч'р/ (рад): We7 = (Z, - X,, )/„ = (0,0244 - 0,0025) • 1,247 = 0,0273 рад. Несущая способность колонн: при Г = 20° С определяется

N = (piR.A, +RAS) = 0,92(19,3 • 10' • 0,6• 0,6 + 454,5 • 10' • 0,00739) = 9478,2 кН. При Т = 500 'С:

мос = <p(yuRÂs + yb,R„Ab) = 0,92(15,11 • 10' ■ 0,6• 0.6 + 386,36 • 10' ■ 0,00739) = 7630,6 кН. При Т = 900 'С:

Мт тйс = <p{yitRAs+yh,RbAb) = 0,92(9,18 -10' ■ 0,6-0,6+ 369,36-10' • 0,00739) = 5550,8 кН.

для банок - только, изгибающий момент

R

для колонн-изгибающий моментицентрачьное сжатие

По разработанной методике посчитаем разрушающие нагрузки железобетонных колонн при разных температурах (см. табл. 4).

Таблица 4 - Величины динамических разрушающих нагрузок железобетонных

Температура (°С) Разрушающая нагрузка (кН)

Г = 20

Т = 500 ^о*с = 4496>1

Г = 900

В результате нелинейных статических и динамических расчетов 25-этажного железобетонного каркаса (для рамы1, см.рис. II) при разных температурах были посчитаны коэффициенты KDRR, максимальные значения которых для ригелей и колонн приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Максимальные значения коэффициента KDRR для колонн и ригелей рамы! каркаса при разных температурах_

Коэффициент KDRR

Температура, °С Статический расчет Динамический расчет

20иС 500°С 900°С 2 0й С 500°С 900"С

Колонны 1 -ый этаж 0,73 0,80 1,10 1,11 1,60 2,16

2-ой этаж 0,71 0,78 1,07 1,06 1,20

3-ий этаж 0,68 0,76 1,04 0,83 0,96

24-ый этаж 0,05 0,07 0,09 0,06 0,16

25-ый этаж 2,65 0,03 0,04 0,04 0,13

Ригели 1 -ый этаж 0,15 0,37 0,47 0,80 1,28

2-ой этаж 0,18 0,39 0,50 0,80 0,73

3-ий этаж 0,19 0,39 0,50 0,73 0,66

24-ый этаж 0,32 0,43 0,55 0,31 0,35

25-ый этаж 0,32 0,35 0,45 0,25 0,28

Нелинейный динамический расчет железобетонного каркаса при Т = 900 С показывает, что выход из строя колонн первого этажа (KDRR = 2,16) приводит к прогрессирующему разрушению, поскольку происходит превышение максимальных углов поворота шарниров колонн, балок.

По нелинейному статическому расчету нагрузка, приходящаяся на колонну первого этажа по осям 1-С (см. рис.11), равна 7003 кН. После определения моды вертикального колебания здания, из которого определяем скорость приложения динамической нагрузки, прикладываем данную нагрузку снизу-вверх и выполняем нелинейный динамический расчет при температурах 20 'С, 500 'С, 900 "С (см. рис.12 а, б, в) с помощью ПК Sap 2000.

а)

б)

в)

Рисунок 12. Состояние пластических шарниров при температуре: а) Т=20°С, б) Т=500°С, в) Т=900°С

Максимальный угол раскрытия шарниров пластичности определяющий

состояние деформирования «ключевых» элементов, находится в безопасной стадии (при Т=20°С и Т=500°С).

Состояние пластических шарниров при Т=900°С (рис. 12,в) показывает, что разрушение в колоннах фиксируется при нагрузке Р =5178кН.

Аналитический и численный расчет колонн 25-этажного каркасного железобетонного здания показывает, что стойкость каркаса к прогрессирующему разрушению при температуре Т=900°С не обеспечена, о чем свидетельствует наличие недопустимых деформаций в шарнирах несущих элементов здания - стадия разрушения (стадия Е) на рис. 13. Таким образом, расчет здания при разных термосиловых воздействиях с использованием шарниров пластичности, с учетом статических и динамических прочностных свойств составляющих материалов, позволяют точно оценивать сопротивляемость зданий прогрессирующему разрушению.

Исследование железобетонного каркаса в нормальных условиях и в условиях огневых воздействий показывает, что повышение температуры приводит к снижению динамической прочности несущих элементов значительно больше, чем статической прочности: при Т=900°С динамическая прочность составляет 46% статической прочности. Исходя из проведенных исследований, разработаны рекомендации по повышению огнеударостойкости железобетонных несущих элементов здания.

III. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. Анализ статических прочностных характеристик арматурных стержней выявил, что модуль упругости арматуры класса А500 после прогрева до 900 °С снижается на 14%.

2. Прогрев арматурной стали до 250°С приводит к повышению значений предела текучести до 20%.

3. Увеличение относительного эксцентриситета (е„/И) внецентренно сжатых железобетонных образцов-колонн с 0,3 до 0,4 приводит к увеличению максимальных деформаций при сжатии на 20%. при растяжении - на 45%.

4. Увеличение эксцентриситета приводит к уменьшению разрушающей нагрузки.

При статическом нагружении при увеличении эксцентриситета с = 0,3 до

0,35 разрушающая нагрузка снижается на 25%. При увеличении эксцентриситета от еу^ = 0,35 до 0,4 - снижается на 30,5%.

5. При центральном нагружении железобетонных колонн-образцов прогрев температуры до 900°С приводит к снижению статической прочности на 53%,

для внецентренно сжатых железобетонных колонн - на 64% (при >/ = 0,4).

6. Снижение динамической прочности сжатых железобетонных элементов с увеличением температуры значительно больше чем статической. Скорость приложения динамической нагрузки влияет на величину прочности. Для центрально сжатых железобетонных колонн динамическая прочность (при температуре Т=900°С) снижается при времени нагружения 1=1,Осек, на 59%; а при 1=0,4 сек. - на 65,8% .

7. Внецентренное приложение динамической нагрузки при высокотемпературном нагреве отрицательно влияет на динамическую прочность сжатых железобетонных элементов. Динамическая прочность внецентренно сжатых железобетонных колонн при температуре нагрева 900°С снижается на 83%

(>/ = 0,4).

8. Угол раскрытия шарнира пластичности железобетонных колонн после огневых воздействий составляет 0,00210, что в 1,35 раза меньше, чем при огневых воздействиях. Соответственно, прогиб колонны при огневых воздействиях в 1,69 раза больше, чем после остывания.

9. Анализ периода колебания здания при разных температурах показывает, что с ростом температуры период собственных колебаний здания увеличивается.

10. Нелинейный динамический расчет здания выявляет разные стадии угла раскрытия в шарнирах пластичности в сжатых железобетонных элементах, подверженных огневым воздействиям:

• при температуре 500'С в колоннах первого этажа значение угла раскрытия пластического шарнира получается меньше предельно допустимого, т.е. разрушение отсутствует.

• при температуре 900°С в тех же колоннах пластический шарнир находится в стадии разрушения, который приводит к прогрессирующему обрушению.

Для обеспечения стойкости высотного здания к прогрессирующему разрушению в условиях высокотемпературного нагрева в несущих конструкциях первых этажей необходимо повышение огнестойкости путем увеличения защитного слоя бетона, использования спиральной арматуры и т.п. Температура в арматуре при этом снижается на 30-35%, что достаточно для огнеударостойкости железобетонной колонны.

Перспективы дальнейшей разработки темы.

Как показали результаты настоящего исследования, огневые воздействия оказывают существенное влияние на динамическую прочность и деформативность сжатых железобетонных элементов.

Оценка динамической прочности сжатых железобетонных элементов в условиях огневых воздействий необходима для повышения точности и адекватности расчета на прогрессирующее разрушение зданий, которое включает:

1. Совершенствование методики нелинейного расчета высотных зданий с учетом снижения динамической прочности сжатых железобетонных элементов, увеличения угла раскрытия шарнира пластичности.

2. Проведение испытаний сжатых железобетонных элементов при циклических нагружениях в условиях огневых воздействий и после остывания.

3. Исследование влияния огневых воздействий на сейсмостойкость зданий и сооружений.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Аветисян, JI. А. Влияние динамического эффекта на несущую способность железобетонных колонн, работающих в условиях огневых воздействий [Текст] /Л. А. Аветисян, А. Г. Тамразян// Вестник МГСУ. -2013. №10. - С. 13-24.

2. Тамразян, А. Г. Экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при кратковременных динамических нагружениях в условиях огневых воздействий [Текст] / А. Г. Тамразян, Л. А. Аветисян // Промышленное и гражданское строительство.- 2014. № 4 — С.24-28.

3. Тамразян, А. Г. К учету коэффициента динамического упрочнения при расчете железобетонных колонн в условиях огневых воздействий [Текст] / А. Г. Тамразян, Л.А. Аветисян // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2014. № 9 (92). — С. 133-138.

4. Тамразян, А. Г. Учет особенностей огнеударостойкости железобетонных колонн при расчете каркаса железобетонного здания [Текст]/А. Г. Тамразян, Л.А. Аветисян // Строительство и реконструкция. 2014. № 6 (56). - С. 70-75.

Публикации в рецензируемых журналах из БД Scopus

5. Tamrazyan, A. G. Estimation of load bearing capacity of eccentrically compressed reinforced concrete elements under dynamic loading in fire conditions/ A. G. Tamrazyan, L. A. Avetisyan //Applied Mechanics and Materials Vol. 638-640 (2014) pp.Trans Tech Publications, Switzerland.

Статьи, опубликованные в других научных журналах н изданиях:

6. Тамразян, А. Г. Расчет внецентренно сжатых железобетонных элементов на кратковременную динамическую нагрузку [Текст]/А. Г. Тамразян, Л.А. Аветисян // Строительство: наука и образование. 2013. № 4. - С. 2.

7. Тамразян, А. Г. Сравнительная оценка несущей способности железобетонных колонн, работающих в условиях термосиловых загружений [Текст]/А. Г. Тамразян, J1.A. Аветисян // XVI Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013). Стр. 146-148.

8. Тамразян, А. Г. К несущей способности железобетонных колонн, работающих в условиях термосиловых загружений при сравнительной оценке живучести зданий [Текст]/А. Г. Тамразян, Л.А. Аветисян // Международный научный семинар, 19-20 сентября «Перспективы развития программных комплексов, для расчета несущих систем зданий и сооружений» (Курск, 2013). Стр. 27-32.

9. Тамразян, А. Г. К несущей способности железобетонных колонн высотных зданий в условиях прогрессирующего обрушения и огневых воздействий[Текст]/А. Г. Тамразян, JI. А. Аветисян // Международная научная конференция, посвященная 100-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова, «Современные проблемы расчета и проектирования железобетонных конструкций многоэтажных зданий» (Москва, 2013). Стр. 227-235.

10. Тамразян, А. Г. Исследование коэффициента динамичности внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях[Текст]/А. Г. Тамразян, JI.A. Аветисян // XVII Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2014). Стр. 189-195.

11 .Тамразян, А. Г. Особенности работы железобетонных колонн в условиях динамических воздействия после пожара [Текст] /А. Г. Тамразян, JI.A. Аветисян // III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 2014). Стр. 150-161.

12.Тамразян, А. Г. Экспериментальные исследования огнеударостойкости внецентренно сжатых железобетонных элементов [Текст]/А. Г. Тамразян, JI.A. Аветисян // I Брянский международный молодежный форум «Инновации в строительной индустрии» (Брянск, 2014) Стр. 145-151.

13. Аветисян, JI. А. К определению несущей способности внецентренно сжатых железобетонных колонн при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий [Текст] / JI.A. Аветисян, А. Г. Тамразян, // Международная научная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2014). Стр. 119-124.

14.Аветисян, JI. А. Динамический расчет 25 этажного каркасного здания при огневых воздействиях [Текст] / J1.A. Аветисян // XVIII Международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2015). Стр. 150-161.

15. Аветисян, Л. А. Анализ динамической прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов в составе многоэтажного каркаса при температуре / Л.А. Аветисян // VI международная научная конференция «Актуальные вопросы строительной физики. Энергосбережение. Надежность строительных конструкций и экологическая безопасность» (Москва, 2015). - С. 2.

16. Тамразян, А. Г. Динамический расчет сжатых железобетонных элементов с учетом огневых воздействий/А. Г. Тамразян, Л. А. Аветисян //. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015615847. Зарегистрировано в Государственном реестре РФ программ для ЭВМ 26 мая 2015 года.

Объем 1,2 усл.п. л. Тираж 100 экз. Заказ № 154 Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва, пр-т Мира, д.38 +7(495)979-98-99, www.reglet.ru