автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Испытания и расчет железобетонных панелей с огнезащитным слоем на огнестойкость

На правах рукописи

ЕРОХОВ

Константин Львович

Испытания и расчет железобетонных панелей с огнезащитным слоем на огнестойкость

05.23.17- строительная механика 05.26.03- пожарная и промышленная безопасность

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена в Московском государственном >ниверситете природообустройства

Нахчные

руководитсти

доктор технических на\ к профессор

В В Парцевский

доктор технических наук, профессор А М Бутко

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Фролов Михаил Ильич

доктор технических наук, доцент Мурзаханов Г) мер Хасанович

Ведущая организация

Московский государственный строительный университет

Зашита состоится 4 апреля 2005 года в 16 30 часов на заседании тнсссртационного совета Д 220 045 02 в Московском государственном \ ниверситете природообустройства по адресу 127550 г Москва , \ т Прянишьникова 19 , ауд 201/1

С диссертационной работой можно ознакомиться в научно - техническом оно шогеке Московсм го государственного vнивepcитeтa приротооб\аройства

Автореферат разослан "_" марта 2005 года

Ученый секретарь диссер ационного совета кандидат технических наук доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Огнезащита строительных конструкций (СК), изготовленных из железобетона и металла, играет решающую роль в системе обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений Ее главная задача состоит в снижении пожарной опасности конструкций и повышении их огнестойкости до требуемого согласно нормам уровня Проблема эффективной огнезащиты приобретает особую значимость в случае подземных сооружений типа тоннелей, высотных современных зданий и специальных сооружений типа торговых центров и спортивных сооружений Строительство этих сооружений в настоящее время ведется в широких масштабах и все возрастающими темпами во всех крупных городах Поэтому совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов на СК, проведение натурных исследований эффективности огнезащитных материалов на железобетонных конструкциях и расчет деформирования железобетонных балок и панелей с учетом трещин отрыва и сдвига при огневом воздействии следует считать актуальной задачей

Целью работы является повышение огнестойкости железобетонных конструкций на основе применения огнезащитных материалов , которая достигается путйм решения следущих задач 1 Провести натурные испытания железобетонных плит П-1 и НВ 60-12-09 совместно с современными огнезащитными материалами (Signulan-Hoeco, СОМЬГГ, ОП-2000, Эсма-Б) с целью экспериментального определения пределов огнестойкости указанных конструкций

Для железобетонной многопустотной панели НВ-60-12-09 также ставиться задача экспериментального определения прогибов в центральном сечении пролета при стандартном огневом воздействии

2 Определить в результате натурных огневых испытаний предел огнестойкости для железобетонных элементов обделки тоннелей с листовым огнезащитным материалом РЯОМАТЕСТ-Н

3 Разработать частную ( инженерного уровня ) методику предэкспериментального расчета изменения температуры по толщине огнезащитного материала и конструкции

4 Разработать обобщенную методику расчета прогибов посередине пролета панели НВ 60-12-09 с огнезащитным слоем при стандартном пожарном воздействии с учетом на базе основных положений механики разрушения железобетонных балок трещин нормального отрыва и поперечного сдвига

В соответствии с поставленными целями автором решались следующие задачи :

• совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов (ОГЗМ) на железобетонные панели;

• результаты натурных огневых испытаний плит П-1 с огнезащитными материалом Signulan-Hoeco ;

• результаты натурных испытаний на огнезащитную эффективность многопустотных панелий большего пролета НВ-60-12-05 с огнезащитными материалами ОП-2000, CONLIT, Эсма-Б с параллейными измерениями зависимости прогиба панели посередине пролета во времени;

• экспериментальное определение придела огнестойкости элемента железобетонной обделки тоннеля с листовым огнезащитным материалом PROMATECT-H ;

• методику численного расчета распределения температуры по толщине огнезащитного слоя и конструкции, которая учитывает все нелинейные теплофизические свойства огнезащитного материала и бетона, а также обеспечивает на основе принципа замороженных коэффициентов Н.С. Бахвалова сходимость расчетной схемы;

• обобщенную методику расчета прогибов в железобетонных панелях при одновременном действии распределенной нагрузки и огневого воздействия с учетом трещин нормального отрыва и поперечного сдвига в сечении посередине пролета панели.

Научная новизна работы:

1. Проведена серия натурных испытаний железобетонных конструкций с огнезащитными слоями из современных материалов на огнезащитную эффективность.

2. Экспериментально определены пределы огнестойкости плиты П-1 с огнезащитным материалом Signulan-Hoeco; многопустотных панелей с материалом ОП-2000, Эсма-Б (для этих плит экспериментально определены прогибы). Так же определен предел огнестойкости для элемента железобетонной обделки тоннеля с огнезащитным листовым материалом PROMATECT-H.

3. Разработана обобщенная методика расчета прогибов в железобетонных панелях с учетом трещин нормального отрыва и поперечного сдвига при одновременном действии распределенной нагрузки и стандартном пожарном воздействии .

Достоверность полученных результатов основывается на следующих факторах: 1. Испытания на огнестойкость железобетонных конструкций с огнезащитным слоем проводились на сертифицированном оборудования в специальных печах в соответствии с требованиями ГОСТ.

2 Использованием апробированных методов вычислительной математики, строительной механики и основных положений механики разрушения железобетонных конструкций, которые в совокупности позволяют получить результаты, соответствующие результатам испытаний

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Результаты экспериментального определения пределов огнестойкости железобетонных конструкций с огнезащитными материалами различной технологической направленности (Signulan-Hoeco, 0П-2000- нанесение напылений, СОМЫТ-плита, Эсма-Б- механизированное нанесение,РКОМАТЕСГ-И- листы) предназначены для использования в проектах систем огнезащиты комплексной системы противопожарной защиты всего сооружения Методика расчета температурных полей и методика расчетов прогибов в железобетонных плитах на основе положений механики разрушения позволит оценивать несущую способность конструкции (Я) как в оценочных расчетах перед и в процессе испытаний, так и в проектных работах В частности, рассмотренные в работе материалы и конструкции внедрены в системах огнезащиты тоннелей (Кутузовского, Гагаринского, Лефортовского) третьего транспортного кольца г Москвы, а также на других объектах

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы Объем работы 219 страниц текста, включая 50 рисунков и 26 таблиц, библиографический список из 174 названий Апробация работы :

• Научно-технической конференции «Природоохранное обустройство территории», М МГУП, 2002г

• Иа совместном заседании кафедр строительной механики и теоретической механики Московского государственного университета природообустройства, 2004г в виде доклада автора и последующего обсуждения

Публикации основное содержание работы изложено в 6 работах

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе дается краткий обзор работ по методам расчета строительных конструкций при пожарном воздействии

Последовательное изложение и термодинамическое обоснование основных уравнений теории теплопроводности и термоупругости содержится в книгах Б Е Гейтвуда, В Иовацкого, Б Боли и Дж Уэйнера, В Л Бажанова, И И Гольденблата, И А Ииколаенко,

А М Синюкова, А Д Коваленко, И А Биргера Б Ф Шорра И В Демьянушко Я С Подстригача и Ю М Коляно

Рассмотренные работы можно отнести к разделу классических работ по теплопроводности и термомеханике Основными методами расчета в настоящее время становятся численные Основными из них являются -Метод конечных разностей (МКР) Метод конечных элементов (МКЭ)

В направлении решения практических проектных задач пожаробезопасное™ отметим работы А И Яковлева, И Г Романенко и Ф А Левитес, цикл монографий А Ф Милованова В монографии Н Ф Давыдкина и В Л Страхова разработаны обширные разделы теплотехнической части расчета, а также статической части расчета строительных конструкций на огневое воздействие В монографии В Л Страхова, А М Крутова, Н Ф Давыдкина приводится дальнейшее развитие теории теплотехнического и статического расчета большого количества элементов строительных конструкций и разработаны технологии перспективной огнезащиты Обсуждение новых методов расчета огнестойкости современных сооружений дано в работах Ю А Кошмарова Н П Копылова F А Мешалкина Н В Смирнова , и др Дается сравнение методик расчета огнестойкости строительных конструкций , разработаны ВНИИПО , НИИЖБ и «Интерсигнал» Все основные положения методик широко опубликованы в центральных отраслевых журналах и в изданиях Академии наук (всего опубликовано более 60 статей)

Основное содержание методики разработанной фирмой , В Л Страхов , а также соавторов В О Каледина , А М Крутова , А Н Геращенко , Е Е Кирюханцева, В П Рудзинского

Расчету железобетонных строительных конструкций посвещены работы В М Бондаренко , Ю В Зайцева , Н И Карпенко , К А Пирадова , Е А Гузеева Л ГТ Трапезникова

В заключении главы отмечается , что экспериментальных натурных исследований поведения железобетонных конструкций с огнезащитными слоями из различных материалов при огневом воздействии в настоящее время приведено явно недостаточно Отсутствуют работы по использованию основных положений механики разрушения железобетонных конструкций , подверженных воздействию пожара , к расчету деформирования и перемещений в железобетонных конструкциях с огнезащитным слоем

Во второй главе излагаются технологии нанесения и физические свойства огнезащитных материалов Из всего большего количества огнезащитных материалов в краткой форме приводятся технологии огнезащитных материалов -"Signulan-Hoeco" , Эсма-Ь

, ОП-2000 плита СОМЫТ , листы РКОМЛТЕСТ-И Приводится информация о машинах для нанесения , подготовке поверхности ,описание технологического процесса и т п

В третьей главе приводятся результаты натурных огневых испытаний на огнестойкость железобетонных плит, проведенных согласно нормативным требованиям Исследовалось влияние толщины огнезащитного покрытия на предел огнестойкости плиты Все испытания проводятся на базе сертифицированного оборудования ВНИИПО

Необходимость проведения натурных испытаний на огнестойкость элементов строительных конструкций, которыми являются панели перекрытий, обусловлены следующими обстоятельствами 1 Недостаточностью нормативных рекомендаций по определению предела огнестойкости железобетонных панелей перекрытий при использовании огнезащитных материалов с целью повышения пределов огнестойкости 2 Отсутствием экспериментальных результатов о влиянии огнезащитных материалов на предел огнестойкости железобетонных панелей перекрытий 3 Предложениями строительных фирм - заказчиков выполнения монтажа огнезащитных материалов на панели перекрытий с целью повышения пределов огнестойкости, что является необходимым требованием современных проектов мероприяшй по повышению пожаробезопасности строительных конструкций

До настоящего времени основным способом определения пределов огнестойкости является экспериментальный

Предельные состояния. При испытании несущих и ограждающих конструкций различают следующие предельные состояния

1 Потеря несущей способности (К) вследствие обрушения конструкции или возникновения предельных прогибов

Определение предельного состояния конструкций по потере несущей способности в зависимости от прогибов состоит в том, что для изгибаемых конструкций должны выполняться следующие условия

Штах<Ш0, (1)

где У¥тах - максимальный прогиб конструкции, Х-пролет А также скорость нарастания прогибов достигает значения

(2)

Здесь к - расчетная высота поперечного сечения конструкции Очевидно, что в определенные моменты времени условия (1) и (2) должны одновременно анализироваться

Выполнение равенств в одном из условий будет означать момент времени, в который произошла потеря несущей способности.

2. Потеря теплоизолирующей способности (I) вследствие повышения температуры на необогреваемой поверхности конструкции в среднем более чем на 140°С или в любой точке этой поверхности более чем на 180°С в сравнении с температурой конструкции до испытания или более 220°С независимо от температуры конструкции до испытания.

3. Потеря целостности (Е) в результате образования сквозных трещин , через которые на необогреваемую поверхность проникают продукты горения или пламя

Целью любых натурных огневых испытаний элементов строительных конструкций является получение в модельных испытательных установках , результатов о распределении температур и прогибов , которые бы соответствовали результатам воздействия на панель реального пожара.

По каждому огневому испытанию образцов с огнезащитными материалами в диссертации приводятся : характеристика объекта испытания процедура испытаний ;порядок проведения испытаний ;предельное состояние образцов ;испытательное оборудование и измерительные средства ;основные результаты испытаний .

Общий вид плиты П - 1 и её схема армирования представлены на рис. 1. Температурные кривые прогрева железобетонных плит марки П - 1 с огнезащитным покрытием «Signulan -Ноесо» с толщиной покрытия 40,2 и 39,8 мм - изображены на рис. 2 . Температурные кривые , характеризующие внешние температурные , огневые воздействия показаны на рис. 2,5 , 6, серей непронумерованных кривых . При этом , центральная кривая, соответствует стандартному пожару штрих пунктирные кривые соответствуют

умеренной температуре . Верхняя и нижняя кривые соответствуют верхней и нижней допустимой границам изменениям температуры в печи.

Схема опытного образца железобетонной плиты НВ - 60 -12 - 09 , на которую последовательно наносили огнезащитные матениалы «ОП - 2000» , «СОМЬГГ» , «Эсма - Б» -со схемой установки термоэлектрических термопар - показана на рис. 3. Кривые изменения температур и прогибов этой плиты с огнезащитным материалом «ОП - 2000» толщиной 50,5 мм изображен на рис. 4 . Кривые изменения температур и прогибов от времени нагрева опытных образцов железобетонных плит «СОМЬГГ» толщиной 30 мм приводится на рис. 5.

Аналогичные кривые зависимостей температур и прогибов опытных обрызцов железобетонных плит НВ - 60-12-09 с огнезащитным покрытием «Эсма - Б» толщиной 24 мм изображён на рис. 6

Оценка результатов испытаний. Предел огнестойкости конструкции (в минутах) определяется как среднее арифметическое результатов испытаний двух образцов При этом максимальное и минимальное значение пределов огнестойкости двух испытанных образцов не должно отличаться более чем на 20% (от большего значения) Если результаты отличаются друг от друга более чем на 20%, то рекомендуется проводить дополнительное испытание, а предел огнестойкости определяют как среднее двух меньших значений В определении предела огнестойкости конструкции среднее арифметическое результатов испытаний приводится к ближайшей меньшей величине из ряда чисел, приведенного в ГОСТ

1 Кривые изменения температур опытных образцов железобетонных плит марки П-1 представлены на рис 2 Средние температуры в огневой камере не превышали допустимых отклонений по ГОСТ 30247 0 В процессе проведения испытаний в состоянии опытных образцов зафиксировано не было Иарушение целостности плиты не обнаруживалось

Время достижения предельного состояния -200С, средняя по трем термопарам установленным с обогреваемой стороны на поверхности бетона под слоем огнезащитного покрытия, составила

- для первого и второго опытного образца -135 и 133 мин (I = 120) соответственно,

- для третьего и четвертого опытного образца- 107 и 105 мин (I = 90) соответственно,

- для пятого и шестого опытного образца - 55 и 53 мин (I = 45) соответственно

Время достижения предельного состояния - 200°С, для железобетонных плит марки П-1 с огнезащитным покрытием «Signulan-Hoeco» (средняя по термопарам установленным с обогреваемой стороны на поверхности бетона под слоем огнезащитного покрытия), составила (см табл 2)

2 Анализ температурных зависимостей, изображенных на рис 2, позволяет сделать вывод о квазилинейной зависимости от времени как температуры на обогреваемой поверхности плиты, так и на не обогреваемой ее поверхности При этом, резкий рост температуры (-900 °С) внутри печи за интервал от начала теплового воздействия до момента около 40 минкт не сказывается на линейности зависимостей температур на обогреваемой (не обогреваемой) поверхностях плиты в этом же временном интервале Указанный эффект объясняется тем, что плита обладает достаточной толщиной (И=100мм), которая обеспечивает сглаживание инерционных эффектов

3 Аналогичный п 2 характер и его объяснение имеют температурные зависимости для результатов испытаний других ОГЗМ на многопустотных панелях (рис 4, рис 5, рис 6) Результаты испытаний и значения пределов огнестойкости даны в таблице 2

На основании первых четырех испытаний из табл 2 можно провести условное сравнение эффективности огнезащитных материалов В качестве параметра сравнения возьмем толщину огнезащитного слоя, что, в принципе, недостаточно Сравнивая материал ОП-2000 и CONI ГГ при приведенной толщине можно отметить, что эти материалы при толщине 50мм обеспечивают одинаковый предел огнестойкости -240 - 250 мин

Таблица 1

№ Огнезащитный материал Конструкция с ОГЗМ Толщина ОГЗМ Предел

п\п огнесюик ости (мин)

1 8^ш1ап - Ноесо Плита ж\б П-1 40 31 15 1=120 1=90 1=45

2 ОП-2000 Плита ж\бНВ 60-12-09 51 1=240

3 Эсма - Б (многопустотная) 23 1=150

4 Плиты СОШТ 30 1=150

5 РЯОМАТЕСН-Н лисговой ж\б элемент отделки тоннеля 12 99115

4 Экспериментальное исследование огнезащитной эффективности листового материала РЯОМЛТЕСИ-И для железобетонных конструкций обделки тоннелей позволяет отметить

- характер температурной зависимости от времени соответствует анализу, проведенному в п 2,- при толщине листа в 12мм предельное состояние достигается через 99мин При облицовке листом с воздушной прослойкой (25мм) предел огнестойкости повышает до 145 мин , -процесс деформирования многопустотных панелей с ОГЗМ при огневом воздействии и одновременном действии распределенной нагрузки сопровождался появлением и движением трещин нормального отрыва посередине пролета и трещин поперечного сдвига в сжатой зоне поперечного сечения панели

5 Характер деформирования ж/б многопустотных панелей требует учета трещин отрыва и сдвига в расчетных методиках оценки прогибов панелей с большими пролетами при огневом воздействии

6 Так как влажность испытуемых бетонных конструкций во время испытаний была много меньше критической, то склонности к взрывообразному разрушению бетона при температурном воздействии не наблюдалось

В четвертой главе излагается разработанная методика расчета нестационарных полей температуры в пластинах на основе кусочно-линейной аппроксимации зависимости теплофизических параметров от температуры

Задачи расчета температурных полей в строительных конструкциях, имеющих огнезащитные покрытия, характеризуются следующими усложняющими работы, факторами зависимостью плотности, теплоемкости и коэффициента теплопроводности от температуры конструкции, пористостью некоторых видов огнезащитных покрытий и наличия в них конденсированной влаги Все эти факторы делают задачу расчета температурных полей строительных конструкций с огнезащитным покрытием существенно не линейной

В соответствии с современными теоретическими представлениями совместный тепломассоперенос в конструкциях с композиционной огнезащитой, содержащих адсорбционную влагу и разлагающиеся при нагреве компоненты, с учетом допущений о равенстве температур стекла и пара, заполняющего поры, малости диффузии по сравнению с фильтрацией и несущественном влиянии гравитации, описываются следующим уравнением сохранения энергии

где (р-пористость, р -плотность, с, С р- теплоемкость, Т - температура, Ьвремя, х^

координата, -эффективная (суммарная) теплопроводность, -компонента массовой скорости движения пара, (5/? -тепловой эффект ¡} -стадии процесса дегидратации ( /?=1 -

выход адсорбционной влаги, Р =2 - выход кристаллической воды), - объемная мощность выделения массы на - стадии процесса дегидратации, г - тепловой эффект фазового перехода вода - пар

Введем для простоты изложения следующие предположения учитываем, согласно нормативным документам изменение нестационарного температурного поля только вдоль нормальной координаты 2, не будем вначале учитывать последние три слагаемых в (3), то есть будем рассматривать классическое не линейное уравнение нестационарной теплопроводности с зависящими от температуры теплофизическими параметрами

Для решения уравнения теплопроводности предлагается следующая схема Обозначим с (Г) р (Т) через ц (Т) Функции ц (Т) и X (Т) считаем кусочно-линейными Такое

предположение вполне естественно, так как их значения чаще всего определяются экспериментально при некоторых фиксированных значениях температуры Тогда в каждой точке (1, х) уравнение будет иметь вид

(4)

Здесь коэффициенты а,Ь,с и ё, вообще говоря, зависят от значения Т Однако, в силу предположения о кусочно - линейности функций ц (Т) и X (Т) такие соотношения выполнены для каждой точки с некоторой окрестностью

Помножив обе части уравнения на 2, после несложных преобразований получим

Ь(аТ2+ 2 ЪТ )= 2 с1Т )

0 2

д/

(5)

Это соотношение выполняется в каждой точке (возможно с различными коэффициентами а,Ъ,с,ё) Поэтому исходное уравнение можно переписать в виде

1Лт)=д^{т\ У = а^1 + 2ЬТ, 8 = сТ2 + 2С1Т, д' дг

Где А(Т) и к(Т) - кусочно-квадратичные функции Это - непрерывные первообразные функций (Т) и (Т), соответственно

Для решения таких уравнений используются явная (7) или неявная (8) разностная схема

(7)

(8)

Здесь т и Ь - отрезки разбиения по 1 и г, соответственно ^ = ^{Т^^ л Обе схемы аппроксимируют задачу с порядком

Хотя неявная схема и является устойчивой при любых значениях параметров т и Ь, использовать ее в данном случае не представляется возможным Специфика решаемой задачи такова, что функция Г отличается от функции g во много раз Это связанно с тем, что значения // (Т) имеют порядок 3 106 Дж/(м3 К2), а значения Я (Т) - порядок 0,5 Вт/(м К') В

результате значения ¡(Т) больше значений g(T) по порядку в Ю раз Это соотношение естественным образом сохраняется при изменении единиц измерения

Поэтому вычисления проводятся по явной схеме В ней в очередном узле вычисляется значение функции Г При этом погрешность вычисления пропорционально величине g/f и оказывается мала по сравнению с вычисляемым значением Однако, как будет показано ниже, использование явной схемы накладывает ограничения на соотношение параметров г и Ь

Вычисления осуществляются по временным слоям, очередное значение Т^' получается из соотношения вычисляется следующим образом

гП+1 гп Т ( П

гП+1 гП Т П 2 п п

J т J т &т-1

(9)

Из физического смысла очевидно, что ¡л (Т) >- 0, поэтому функция ¡(Т) является строго возрастающей на всем рассматриваемом промежутке значений Т и, кроме того, она не прерывна по построению Следовательно ¡(Т) состоит из возрастающих отрезков парабол

Поэтому для решения уравнения с целью нахождения достаточно

определить отрезок, которому принадлежит и решить соответствующее этому отрезку

квадратное уравнение выбирая из двух корней тот, который принадлежит отрезку

Сходимость разностной схемы доказывается с использованием принципа

замороженных коэффициентов (ПЗК) Н С Бахвалова В схему вместо Т^ подставляем

вариацию решения Т!1 Раскладывая функции ¡и g в ряд по вариации 5п ,

оИ+1 сс-'7 1 Яп j. £п рОт Om=GOm+\ 1дт + дт-1

h

Такая схема сходится при следующем условии

' шах

1

(10)

(11)

Fmmh

Выбирая шаги сетки, следует следить за выполнением этого условия, где(3"тах"

наибольшее значение функции g на всем рассматриваемом температурном отрезке , а

F- наименьшее значение функции f на нем же

min

Последовательность расчёта для материала «81^и1ап - Ноесо»

1. Массовая доля неразлагающейся части скелета • =тк = ,

Где тк = > - конечное значение относительной массы образца , определяемое по ТГА

кривой при Т = 900 °С .

2. Массовая доля адсорбционной и кристаллической воды в материале при 20 °С

3. Степень завершенности процесса дегидрации материала : %(т)=— | ^— -°-'~,где т(Т)-текущее значение относительности массы образца по ТГА кривой .

4 Массовые доли а - окислов в неразлагающейся части скелета (в обезвоженном скелете) 5. Температурные зависимости массовых долей компонентов скелета

6. Температурная зависимость плотности скелета Р (т) >

7. Температурная зависимость объёмных долей компонентов скелета :

8. Текущая пористость материала • (р = \ — {\ — ~ ))/?о / р — ^ )•

9. Температурная зависимость теплоёмкости скелета :

10. Температурная зависимость теплопроводности скелета :

11. Температурная зависимость эффективной теплопроводности разлагающегося

Здесь использованы результаты из монографий А.В. Лыкова , Г Н. Дульнева и Ю П Заричняка , В.Л. Страхова и Н.Ф. Давыдкина . . Предлагается следующий алгоритм расчёта нестационарного распределения температуры по толщине двухслойных панелей : 1. Для кусочно - линейных функций и строятся кусочно - квадратичные

первообразные функции Г и g следующим образом на каждом отрезке линейной функции

/((7*) ( или Л(Г)) для линейной фукции AT и В строится квадратичная AT212 + ВТ + С, где коэффициент С выбирается так , чтобы функции f и g были положительными и непрерывными

2 Фиксируется отрезок Н по переменной z и отрезок О по переменной t , на котором рассматривается задача Фиксируется начальные и граничные условия T(0,z) , T(t,0), T(t,H)

Выбираются параметры сетки шаг т по оси t и шаг h по оси z Соотношения между шагами должны удовлетворять условию устойчивости (11) , определяемого значениями функций и

3 Используется разностная схема (7) По формуле (9) вычисляем последовательно на каждом

1J-I1 + I тт у/т*"*! 1 уп+1 Tltt!

}m Из соотношения ]Цт 1= ]т находим ¡п , в результате получаем численное решение уравнения при t=0 Для реализации приведенного выше алгоритма использовались средства таблицы Microsoft Excel На основе заданных краевых условий и шагов г , h заполняется вторая таблица значениями Тт*' , вычисляемыми по

формулам = / ' + J^^m+l ~ ^^т + ^т l)j Каждая строка этой таблицы

представляет собой распределения температуры по толщине в определенный момент времени Численные расчеты показали устойчивость вычислительного процесса и сходимость

резулыатов на всем временном и пространственном интервалах интегрирования нелинейной задачи теплопроводности для плиты П-1

В пятой главе дается тасчет железобетонных плит с огнезащитным покрытиями на огневое воздействие с учетом трещин отрыва и сдвига В начале проведен расчет предела огнестойкости железобетонной плиты П-1 с огнезащитным покрытием -"Signulan-Hoeco" по потере несущей способности Принималось в качестве расчетной схемы опирания плиты по контуру Действующие нагрузки - вес плиты и огнезащитного покрытия и температура пожарного воздействия В приводится результаты расчета , полученного на основе нормативных параметров коэффициента условий работы растянутой арматуры , нормативного момента Применение огнезащитного покрытия «Signulan Hoeco» толщиной 15 мм позволяет на 80% увеличить предел огнестойкости железобетонной плиты П-1 При толщине 30 мм предел огнестойкости увеличивается в 3,5 раза, а при 40 мм — в 4 5 Эти результаты свидетельствуют о высокой эффективности огнезащитного покрытия «Signulan Hoeco» при огневом воздействии на железобетонную плиту П-1 Далее приводится расчет прогиба железобетонной многопустотной плиты перекрытия с огнезащитным покрытием «ОП-2000» Для расчета были выбраны экспериментальные образцы железобетонной

многопустотной плиты перекрытия марки НВ-60-12-09 с нанесенным снизу огнезащитным покрытием «ОП-2000», для которой были проведены натурные огневые испытания на огнестойкость с замерами температуры нагревания (с помощью термопар) и прогиба (с помощью прогибомеров) Образцы плит размерами 5980x1190x220 мм выполнены из бетона класса В22,5 Рабочая арматура представляет собой четыре продольных предварительно напряженных стержня класса Ат-У диаметром 12 мм Опорные сетки, каркасы и верхние сетки изготовлены из арматурной проволоки класса Вр-1 диаметром 5 мм

Толщина защитного слоя бетона до низа рабочей арматуры с обогреваемой стороны 22 мм Средняя толщина огнезащитного покрытия «ОП-2000» у первого опытного образца составляет 51,5 мм, у второго — 50,5 мм Поскольку соотношение сторон плиты равно 5980/1190=5>2, то в качестве расчетной схемы принимаем балочную схем) плиты две короткие стороны шарнирно оперты, а две длинные — свободны Испытания образцов пли г на огнестойкость проводились под действием нормативной равномерно распределенной нагрузки равной д=75 гН/м2 (без учета собственного веса плиты)

Полный прогиб опытного образца плиты при огневом испытании согласно методики А Ф Милованова определяется, по формуле

где (1/г)т — кривизна от внешней нагрузки, (1/г), — свободная температурная кривизна — кривизна, обусловленная выгибом плиты вследствие усадки и ползучести от усилия предварительного обжатия

Кривизна от внешней нагрузки определяется по формуле

(1/г)т=Мфь2/(0,85Еь1геа),

(13)

где гН м — максимальный нормативный

изгибающий момент

Кривизна, обусловленная выгибом элемента вследствие усадки и ползучести бетона от усилия предварительного обжатия определяется по формуле

(1/г)4=(еь-еь )Лю, (14)

Свободная температурная кривизна при растянутой зоне бетона, расположенной у нагреваемой грани, определится по формуле

где а51ш=аы+(аз1"аы)фа — коэффициент температурного расширения арматуры

Расчет произведен для различных значений температуры в соответствии с данными эксперимента (кривыми изменения температур и прогибов железобетонной плиты).

Результаты расчетов показали ,что при нахождении в печи 60 мин , расчетный прогиб составил - 2,7 мм , а при 120 мин - 17,4 мм

Обобщённая методика расчёта прогибов в железобетонных панелях при одновременном действии силового и пожарного воздействий с учётом трещин отрыва и сдвига.

На рисунке 7 обозначены -длинна трещины сдвига, - ширина трещин сдвига, - длинна трещин отрыва, •- ширина трещин отрыва

Введем основные допущения, положенные в основу расчета прогибов железобетонных панелей при огневом воздействии

1 Используется балочная модель для расчетов прогибов в железобетонных панелях с ОГЗМ Процесс разрушения панели состоит как и в балке из IV стадии разрушения

2 Влияние температуры, воздействующей на железобетонную панель - учитывается зависимостью КИП (коэффициент интенсивности напряжений) от температуры Тогда в уравнении роста трещин влияние температуры учитывается зависимость КИН от температуры (времени)

3 Рассматриваем только железобетонные панели с огнезащитным слоем, которые находятся в интервале действия температуры изученной в серии испытаний

4 Определение прогибов панели, находящейся в 1-ой стадии деформирования осуществляется по методике А Ф Милованова

5 Ослабление поперечного сечения панели за счет пустот будем учитывать в расчете геометрических характеристиках поперечного сечения, которые входят в формулы определения прогибов от действия распределенной нагрузки На процессе роста трещин не учитывается влияний пустот как дополнительных концентраторов напряжений

6 Прогибы определяется по формулам

согласно рисунку 7

На основе сделанной серии исходных гипотез разработан алгоритм методики расчета прогибов в панелях, Алгоритм состоит из трех этапов (см.рис.8).

Линия 1 на рис. 8 соответствует теории А.Ф. Милованова , когда трещин отрыва нет . Конец стадии деформирования 1 соответствует линии f = 2/0 /300 , что определяет положение точки 1. Линия 2 является апроксимирующей линией между результатами применения двух теорий - теории А.Ф. Милованова (линия1) и теории разрушения железобетона КА. Пирадова и ЕА. Гузеева (криваяЗ) В этой зоне имеет место II стадии деформирования и ¡сгс < а . Используя уравнение роста трещин на этой стадии можно

определить временной интервал (/2_'i)> который соответствует случаю /"гс = а Тогда положение точки 2 определится как пересечение горизонтальной линии / = 2/0/200и вертикальной линии t = t2. Кривая 3 соответствует решению уравнения роста трещин в стадиях деформирования панели III и IV . Эти стадии деформирования характеризуются устойчивым ростом трещин отрыва и сдвига Согласно общей схеме алгоритма методики первый этап заканчивается , когда f =2/0/ЗОО. Далее , при входе во вторую стадию деформирования , необходимо вначале вычислить параметры трещин отрыва и сдвига .

В начале рассматриваем трещину отрыва.

(17)

. Длинна и ширина трещин поперечного сдвига даётся выражениями'

(18)

В нашей задаче, очевидно, за счёт небольшого промежутка времени испытаний на огнестойкость, влияние эффектов ползучести на рост трещин будет невелико и главным влиянием на рост трещин будет зависимость Кьк от температуры (времени)

Рост трещин нормального отрыва со временем описывается следующим выражением

¿Г

(Л

К,г(<)

:+ К

1 +

1 -е

-7\1-х\

1С

(20)

А (Л - "ГС'&М) (1 - V2) кь /¡и/!

Сь(ю,т)= 0,8

РЬ-00

['Л _3 / 2 '

К,и п

ИГ4, Г = 0,03- = ^ ;С"(оо,г) = Л/,С4(оо,г)

Зависимость Ек от температуры даётся формулой

(21)

Р = \~РаТ + 0,50Т 2, Д, = 2,5• 10"3С"',/?, =3,26 Ю^С"2. Далее по определению

К ¡с

где С, - удельная энергия на квазистатических разрушениях Теперь имеем'

= (22) Интегрирование уравнения роста трещин отрыва (20) проводилась при следующих параметрах'

9=7 5кН / и : 6=1,19«; А = 0 22 и ; о , = Й //? ; £ = 210=5,98к

М =ц11Ы%\(1 = 1,2 ■ 10 ~2 л = 4Пй?2 /4; V = 0,2;/6(, = 1 =1;

а:,' = 0,36МПам и1\Кьк = 3,69МПам 111 Еь = 25ШМПа; КЦ =21,ЬМПам"г

К.,

73705

= 0,0067(л<3}

Лй =2,09МЯа; г = 50 суот

На рис 9, имеющий итоговый смысл, приводятся зависимости прогибов посередине панели (максимальные прогибы) от температуры (времени) пожарного, огневого воздействия При этом кривая 1 и кривая 2 соответствует параметрам внешнего огневого воздействия, кривые 3 - прогибам в панели с огнезащитным материалом «Эсма», кривые 4 - прогибом панели с огнезащитным материалом СошМ Линия 5 отражает зависимость прогиба от температуры при использовании теории Милованова А Ф, то есть рассматривается 1 -ая стадия разрушения, когда еще не образуются трещины отрыва Кривая 6 построена на основе решения дифференциальной системы, которая отражает рост со временем размеров трещин отрыва при возрастании температурного воздействия

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Проведена адаптация и совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов Signu1an-H на железобетонные конструкции Разработаны и утверждены технологические регламенты нанесения этих материалов на железобетонные конструкции Технологические регламенты являются неотъемлемой частью проектов по устройству огнезащитных материалов, а также являются составной частью договорной документации на выполнение огнезащитных работ

2 Проведена серия натурных испытаний на огнестойкость железобетонной плиты П-1 с огнезащитным материалом «Signu1an-Hoeco» (напыление), железобетонной многопустотной панели большого пролета НВ 60-12-09 последовательно с тремя огнезащитными материалами 0П-2000 (напыление), СОМИТ (плиты), Эсма-Б (механизированное нанесение) Также проводились испытания элемента железобетонной обделки тоннеля с листовым огнезащитным материалом РКОМЛТЕСТ-Н без и с учетом воздушной прослойки

3 По результатам натурных испытаний получены температурные зависимости от времени в характерных точках поперечного сечения системы огнезащитный материал-панель На основании этих зависимостей согласно ГОСТ определены пределы огнестойкости по теплоизолирующей способности огнезащитного материала, которые содержатся в таблице 1

4 Результаты экспериментального изучения зависимости прогибов посередине пролета многопустотной панели от времени при огневом воздействии и при наличии огнезащитных материалов, позволяют утверждать

-ко времени окончания испытаний значение прогиба было меньше предельного, которое составляет см,

-согласно требованиям ГОСТ предельное значение скорости нарастания прогиба составляет 0,18*103 см/мин По результатам испытаний мы имеем намного меньше значения,

а именно - для панели с «ОП-2000» скорость нарастания прогибов составляла всего 0,066 см/мин, для панели с СОМЬГГ- 0,081 см/мин, для панели с «Эсма-Б» - 0,10 см/мин

-сравнивая значения прогибов при использовании СОМЬГГ и «Эсма-Б» отметим несущественное влияние на прогибы различие в удельных весах огнезащитных материалов,

5 Разработана и апробирована методика расчета температуры а пластинах с огнезащитным слоем на основе кусочно-линейной аппроксимации зависимости теплофизических параметров от температуры При этом учитывается сложная нелинейная структура огнезащитного материала Сходимость численного решения обеспечивается приведением расчетной схемы к возможности использования принципа замороженных коэффициентов Н С Бахвалова Расчетная методика предназначена для предиспытательных расчетов температуры по толщине огнезащитного слоя и панели и носит частный смыл, так как не учитывает изменение температуры по продольным координатам панели, что не учитывается при проведении испытаний

6 Дается расчет предела огнестойкости железобетонной плиты П-1 с огнезащитным покрытием «Signulan-Hoeco» по потери несущей способности

-балочная схема опирания показывает меньшую расчетную огнестойкость по сравнению с опиранием по контору, что, по всей видимости, объясняется статистической неопределимостью второй схемы и ,как следствие, большей расчетной жесткости

-применение огнезащитного покрытия «Signulan-Hoeco» толщиной 15 мм позволяет на 80% увеличить предел огнестойкости железобетонной плиты П-1 При толщине 30мм предел огнестойкости увеличивается в 3,5 раза, а при 40 мм - в 4,5 Эти результаты свидетельствуют о высокой эффективности огнезащитного покрытия «Signulan-Hoeco» при огневом воздействии на железобетонную плиту П-1

7 Расчет многопустотной железобетонной плиты перекрытия марки НВ 60-12-09 с огнезащитным покрытием «ОП-2000» показал, что расчетные значения прогиба на всем интервале температур огневого воздействия меньше предельного по СНиП Однако прогиб намного меньше, чем прогиб, измерянный в эксперименте Это обстоятельство требует учета трещин отрыва и сдвига

8 Результаты проведенных расчетов и экспериментальных исследований показали высокую эффективность огнезащитных составов «Signulan-Hoeco» и «0П-2000» плит СОМЬГГ, PROMATECT-H для защиты железобетонных плит от огневого воздействия, и потому они могут быть рекомендованы к применению в практике строительства пожароопасных объектов

9 Разработанна и апробирована обобщенная методика расчета прогибов в железобетонных панелях большого пролета при одновременном действии распределенной нагрузки и стандартного пожарного воздействия с учетом в серединном сечении пролета трещин нормального отрыва и поперечного сдвига Применялась балочная модель расчета Методика состоит в последовательном применение на первой стадии деформирования теории А Ф Милованова, а на третьей и четвертой стадиях деформирования панели использовались положения механики разрушения железобетонных балок К А Пирадова и Е А Гузеева с учетом решения уравнения роста трещин нормального отрыва и зависимость коэффициентов интенсивности напряжений от температуры (времени) Сравнение результатов расчета и натуральных испытаний показало их удовлетворительное соответствие

Основные результаты диссертации опубликованы в работах :

1. Бутко A.M., Давыдкин НФ Ерохов КЛ, Яшунскии АД Расчет температуры в пластинах на основе кусочно-линейной аппроксимации зависимостей теплофизических параметров от температуры / Прикладные задачи строительной механики и расчета инженерных конструкций Сборник научных трудов Московского государственного университета природообустройсва М 2002 -С70 -16

2. Давыдкин Н.Ф., Ерохов КЛ., Бутко A.M., Журавлев А.В. Деформирование железобетонных панелей с огнезащитным слоем при пожарном воздействии с учетом трещин отрыва и сдвига Труды Московского государственного университета природообустройства Выпуск 2 Вопросы строительной механики, огнестойкости конструкций и гидравлики М Изд МГУП, 2004 -с 139-151

3 Двыдкин Н.Ф., Ерохов КЛ., Бутко A.M. Исследование огнезащитной эффективности покрытия "SIGNILAN-HOECO" для железобетонных плит / Прикладные задачи строительной механики и расчета инженерных конструкций Сборник научных трудов Московского государственного университета М 2002 - С 63 - 69

4. Ерохов КЛ. Испытания на огнезащитную эффективность листового огнезащитного материала PROMATECT-H для железобетонных конструкций / Вопросы строительной механики, пожаробезопасности конструкций и расчет гидротехнических сооружений Сборник научных трудов Московского государственного университета М 2003 -С 156 -166

5 Ерохов КЛ., Бутко A.M. Развитие технологии повышения огнестойкости железобетонных панелей / Тезисы докладов научно-технической конференции «Природоохранное обустройство территории», М МГУП 2002 - С 89-91

6 Ерохов КЛ. Варианты огнезащиты различных элементов сооружений метро Метроин-Вест, №4 , 2004 -с 25-29

Рис 1 Общий вид железобетонной плиты марки П — 1 , схема армирования и расстановки термопар 1 3 - термопары установленные на обогреваемой стороне плиты , под слоем огнезащиты 4 6 - термопары , установленные на необогреваемой стороне плиты

Рис 2 Температурные кривые прогрева железобетонных плит марки П — 1 с огнезащитным покрытием «8^пи1ап — Ноесо» с толщиной покрытия 40,2 и 39,8

1 средняя температура среды в огневой камере печи опыт №1 образец 1

2 средняя температура среды в огневой камере печи опыт №2 опыт 2

3 - Нижняя допустимая граница отклонения 1

Г"

схз е. ^-СХЗ §

ГТ~1 -""а" - "" 9*' 1 ^ 1

5980 ' 1

700

1_£

(среднее сечение!

500-

300:

Рис 3 Схема опытного образца железобетонной плиты НВ - 60-12 - 09 , на которую последовательно наносили огнезащитные матениалы «ОП - 2000» , «ССЖЬГГ» , «Эсма - Б» - со схемой установки термоэлектрических требований

1- Защитный ело до низа арматуры 22 мм

2- Огнезащитный состав «ОП-2000»

Рис 4 Кривые изменения температур и прогибов этой плиты с огнезащитным материалом «ОП - 2000» толщиной 50,5 мм 1 - температура на продольном арматурном стержне (ТЭП №1),2 - температура на на продольном арматурном стержне (ГЭП №2) 3 - температура на продольном арматурном

стержне (ГЭП №3),4 - температура на продольном арматурном стержне (ТЭП №4),

Рис 5 Кривые изменения температур и прогибов от времени нагрева Рис 6 Кривые зависимостей температур и прогибов опытных опытных образцов железобетонных плит «СОКЫТ» толщиной 30 мм железобетонных плит НВ -60-12-09 с огнезащитным

огнезащитным покрытием «Эсма — Б» толщиной 24 мм 1 - средняя температура на необогреваемой поверхности плиты, опыт №1,2 - средняя температура на необогреваемой поверхности плиты, опыт №2,3 - средняя температура на напряженной арматуре плиты, опыт №1,4 - средняя температура на напряженной арматуре плиты опыт №2,5 - прогиб плиты перекрытия, опыт №1, 6 прогиб плиты перекрытия опыт №2,

г, '1 1[тн)Г

Рис 7 Схема к определению прогибов изгибаемых элементов

Рис 8 Обобщенная зависимость прогибов от времени(температуры) В среднем сечении железобетонной панели с ОГЗМ при температур Ном воздействии с учетом трещин отрыва и сдвига

30 60 90 120 150 180 210 240 мин

Рис. 9 Зависимости прогибов от времени (температуры) в ж/б панели при пожарном

воздействии .

Отпечатано в РИО МГУП Заказ№ ЮЗ Тираж 100экз.

Oô'.23

im

Введение.

Глава 1. Методы расчёта железобетонных конструкций при пожарном воздействии.

1.1 Классические методы расчёта полей температуры, перемещений и напряжений при тепловом воздействии.

1.2 Анализ методик расчёта огнестойкости железобетонных конструкций.

1.3 Программный комплекс расчета огнестойкости и огнезащиты железобетонных конструкций.

Глава 2. Технологии нанесения и физические свойства некоторых огнезащитных материалов.

2.1 Огнезащитные материалы, наносимые на железобетонные панели способом напыления "Si'gnulan-Hoeco" и ОП-2000.

2.2 Огнезащитный материал «ЭСМА-Б».

2.3 Огнезащитные плиты PROMTECT-H и минераловатные плиты CONLIT-150.

Глава 3. Испытания железобетонных панелей перекрытий на огнестойкость.

3.1 Общая методика и испытательная установка для проведения огневых испытаний железобетонных панелей перекрытий.

3.2 Исследование огнезащитной эффективности для железобетонных плит покрытия "Signulan - Ноесо".

3.3 Испытания железобетонных многопустотных панелей с огнезащитным материалом 011-2000.

3.4 Натурные огневые испытания многопустотных железобетонных панелей с огнезащитными плитами "CONLTT'.

3.5 Испытания на огнестойкость многопустотных железобетонных плит с огнезащитным материалом «ЭСМА-Б».

3.6 Исследование огнезащитной эффективности листового огнезащитного материала PROMATECT Н для железобетонных конструкций. Выводы по главе.

Глава 4. Расчет температуры в пластинах на основе кусочно-линейной ф аппроксимации зависимостей теплофизических параметров от температуры.

4.1 Основные предположения и расчетные уравнения.

4.2 Методика расчета нестационарных полей температуры в пластинах на основе кусочно-линейной аппроксимации зависимости теплофизических параметров от температуры.

4.3 Расчет теплофизических характеристик огнезащитных материалов типа Signulan-Ноесо по их составу и свойствам компонентов.

4.4 Алгоритм и программа расчета температурных полей в слоистых системах для определения пределов огнестойкости.

Глава 5. Расчёт железобетонных плит с огнезащитными покрытиями на огневое воздействие.

5.1 Влияние высокой температуры на свойства бетона и арматуры.

5. 2 Методы расчёта железобетонных плит на огнестойкость.

5.3 Расчёт железобетонных плит на огневое воздействие.

5.4 Расчёт прогибов в железобетонных балках при силовом загружении с учётом трещин.

5.5 Обобщённая методика расчёта прогибов в железобетонных панелях при одновременном действии силового и пожарного воздействий с учётом трещин отрыва и сдвига.

Актуальность темы. Огнезащита строительных конструкций (СК), изготовленных из железобетона и металла, играет решающую роль в системе обеспечения пожарной безопасности зданий и сооружений. Ее главная задача состоит в снижении пожарной опасности конструкций и повышении их огнестойкости до требуемого согласно нормам уровня. Проблема эффективной огнезащиты приобретает особую значимость в случае подземных сооружений типа тоннелей, высотных современных зданий и специальных сооружений типа торговых центров и спортивных сооружений. Строительство этих сооружений в настоящее время ведется в широких масштабах и все возрастающими темпами во всех крупных городах.

Поэтому совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов на СК, проведение натурных исследований эффективности огнезащитных материалов на железобетонных конструкциях и расчет деформирования железобетонных балок и панелей с учетом трещин отрыва и сдвига при огневом воздействии следует считать актуальной задачей.

Цель работы.

1.Провести натурные испытания железобетонных плит П-1 и НВ 6012-09 совместно с современными огнезащитными материалами (Signulan-Ноесо, CONLIT, ОП-2000, Эсма-Б) с целью экспериментального определения пределов огнестойкости указанных конструкций.

Для железобетонной многопустотной панели НВ-60-12-09 также ставиться задача экспериментального определения прогибов в центральном сечении пролета при стандартном огневом воздействии.

2.Определить в результате натурных огневых испытаний предел огнестойкости для железобетонных элементов обделки тоннелей с листовым огнезащитным материалом PROMATECT-H.

3.Разработать частную (инженерного уровня) методику предэкспериментального расчета изменения температуры по толщине огнезащитного материала и конструкции.

4.Разработать обобщенную методику расчета прогибов посередине пролета панели НВ 60-12-09 с огнезащитным слоем при стандартном пожарном воздействии с учетом на базе основных положений механики разрушения железобетонных балок трещин нормального отрыва и поперечного сдвига.

В представленной работе автор защищает:

- совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов (ОГЗМ) на железобетонные панели;

- результаты натурных огневых испытаний плит П-1 с огнезащитными материалом Signulan-Hoeco

- результаты натурных испытаний на огнезащитную эффективность многопустотных панелий большего пролета НВ-60-12-05 с огнезащитными материалами ОП-2000, CONLIT, Эсма-Б с параллейными измерениями зависимости прогиба панели посередине пролета во времени;

- экспериментальное определение придела огнестойкости элемента железобетонной обделки тоннеля с листовым огнезащитным материалом PROMATECT-H

- методику численного расчета распределения температуры по толщине огнезащитного слоя и конструкции, которая учитывает все нелинейные теплофизические свойства огнезащитного материала и бетона, а также обеспечивает на основе принципа замороженных коэффициентов Н.С. Бахвалова сходимость расчетной схемы;

- обобщенную методику расчета прогибов в железобетонных панелях при одновременном действии распределенной нагрузки и огневого воздействия с учетом трещин нормального отрыва и поперечного сдвига в сечении посередине пролета панели.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1.Проведена серия натурных испытаний железобетонных конструкций с огнезащитными слоями из современных материалов на огнезащитную эффективность.

2.Экспериментально определили пределы огнестойкости плиты П-1 с огнезащитным материалом Signulan-Hoeco; многопустотных панелей с материалом ОП-2000, CONLIT, Эсма-Б (для этих плит экспериментально определены прогибы). Так же определен предел огнестойкости для элемента железобетонной обделки тоннеля с огнезащитным листовым материалом PROMATECT-H.

3.Разработана обобщенная методика расчета прогибов в железобетонных панелях с учетом трещин нормального отрыва и поперечного сдвига при одновременном действии распределенной нагрузки и стандартном пожарном воздействии.

Достоверность полученных результатов основывается на следующих факторах:

1.Испытания на огнестойкость железобетонных конструкций с огнезащитным слоем проводились на сертифицированном оборудования в специальных печах в соответствии с требованиями ГОСТ.

2.Использованием апробированных методов вычислительной математики, строительной механики и основных положений механики разрушения железобетонных конструкций, которые в совокупности позволяют получить результаты, соответствующие результатам испытаний.

Практическая значимость и внедрение результатов работы.

Результаты экспериментального определения пределов огнестойкости железобетонных конструкций с огнезащитными материалами различной технологической направленности (Signulan-Hoeco, ОП-2000- нанесение напылений; CONLIT-плита; Эсма-Б- механизированное нанесение;Р1ЮМАТЕСТ-Н- листы) предназначены для использования в проектах систем огнезащиты комплексной системы противопожарной защиты всего сооружения.

Методика расчета температурных полей и методика расчетов прогибов в железобетонных плитах на основе положений механики разрушения позволит оценивать несущую способность конструкции (R) как в оценочных расчетах перед и в процессе испытаний, так и в проектных работах.

В частности, рассмотренные в работе материалы и конструкции внедрены в системах огнезащиты тоннелей (Кутузовского, Гагаринского, Лефортовского) третьего транспортного кольца г. Москвы, а также на других объектах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы: 219 страниц текста; включая 50 рисунков и 26 таблиц; библиографический список из 174 названий.

Выводы:

1. как следует из рис. 5.15 результаты применения обобщенной методики расчёта прогибов в ж/б панелях дает удовлетворительное соответствие результатом экспериментального исследования.

2. расхождение результатов расчета и испытаний обусловлены следующими обстоятельствами;

- учетом только одной трещины нормального отрыва, расположенной посередине пролета панели;

- влиянием технологических факторов устройства термопар на арматурных строениях;

- учетом пустот только при расчете геометрических характеристиках поперечного сечения панели.

3. Разработанная обобщенная методика может примениться для оценки огнестойкости железобетонных балок и панелей перекрытий на основе анализа максимальных прогибов, что требует ГОСТ.

Заключение по разделу 5

1. При пожаре железобетонные конструкции в нагруженном состоянии подвергаются быстрому нагреву, который изменяет прочностные и дефор-мативные свойства бетона и арматуры.

2. Несущая способность конструкций при огневом воздействии зависит от изменения свойств бетона и арматуры с ростом температуры.

3. Испытаниями, проведенными рядом авторов, установлено, что разрушение железобетонных конструкций при огневом высокотемпературном нагреве происходит по тем же схемам, что и в условиях нормальных температур. Поэтому для расчета предела огнестойкости по потере несущей способности используются те же уравнения равновесия и деформаций, из которых выводятся формулы для статического расчета.

4. Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности базируется на общих требованиях расчета железобетонных конструкций по предельным состояниям первой группы в соответствии со СНиП 2.03.01-84*.

5. Статический расчет предела огнестойкости по потере несущей способности можно производить тремя группами методов: аналитическими, основанными на точном решении математической задачи теории термовяз-коупругопластичности, численными (метод конечных разносгей, конечных и граничных элементов), а также эмпирико-аналитическими (проектно-нормативными).

6. Расчет предела огнестойкости сплошной гладкой железобетонной плиты П-1 с огнезащитным покрытием «Signulan Ноесо» по потере несущей способности показал: в расчетах на огнестойкость весом огнезащитного покрытия можно пренебречь; балочная схема опирания показывает меньшую расчетную огнестойкость по сравнению с опиранием по контуру, что, по всей видимости, объясняется статической неопределимостью второй схемы и, как следствие, большей расчетной жесткостью; применение огнезащитного покрытия «Signulan Ноесо» толщиной 15 мм позволяет на 80% увеличить предел огнестойкости железобетонной плиты П-1. При толщине 30 мм предел огнестойкости увеличивается в 3,5 раза, а при 40 мм — в 4,5. Эти результаты свидетельствуют о высокой эффективности огнезащитного покрытия «Signulan Ноесо» при огневом воздействии на железобетонную плиту П-1.

7. Расчет многопустотной железобетонной плиты перекрытия марки НВ-60-12-09 с огнезащитным покрытием «ОП-2000» показал, что расчетные значения прогиба на всем интервале температур огневого воздействия меньше предельного, что доказывает высокую эффективность огнезащитного состава «ОП-2000», применение которого позволило получить предел огнестойкости железобетонной многопустотной плиты перекрытия более 180 мин.

8. Результаты проведенных расчетов и экспериментальных исследований показали высокую эффективность огнезащитных составов «Signulan Ноесо» и «ОП-2000» для защиты железобетонных плит от огневого воздействия, и потому они могут быть рекомендованы к применению в практике строительства пожароопасных объектов.

9. Сравнение расчетных и опытных значений прогибов (см. табл. 5.6 и главу 3) в интервале больших температур показывает их большое расхождение, для обоснования которого требуется учет образования трещин отрыва и применения основных положений механики разрушения железобетонных балок.

100(

Прогиб ti>m) О

30 60 90 120 ISO ISO 210 240 мин

Рис. 5.15 Зависимости прогибов от времени (температуры) в ж/б панели при пожарном воздействии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1.Проведена адаптация и совершенствование технологии нанесения огнезащитных материалов Signulan-H на железобетонные конструкции. Разработаны и утверждены технологические регламенты нанесения этих материалов на железобетонные конструкции. Технологические регламенты являются неотъемлемой частью проектов по устройству огнезащитных материалов, а также являются составной частью договорной документации на выполнение огнезащитных работ.

2. Проведена серия натурных испытаний на огнестойкость железобетонной плиты П-1 с огнезащитным материалом «Signulan-Ноесо» (напыление); железобетонной многопустотной панели большого пролета НВ 60-12-09 последовательно с тремя огнезащитными материалами: ОП-2000 (напыление), CONLIT (плиты), Эсма-Б (механизированное нанесение). Также проводились испытания элемента железобетонной обделки тоннеля с листовым огнезащитным материалом PROMATECT-H без и с учетом воздушной прослойки.

3.По результатам натурных испытаний получены температурные зависимости от времени в характерных точках поперечного сечения системы огнезащитный материал- панель. На основании этих зависимостей согласно ГОСТ определены пределы огнестойкости по теплоизолирующей способности огнезащитного материала, которые содержатся в таблице 1.

4.Результаты экспериментального изучения зависимости прогибов посередине пролета многопустотной панели от времени при огневом воздействии и при наличии огнезащитных материалов, позволяют утверждать:

-ко времени окончания испытаний значение прогиба было меньше предельного, которое составляет ~30 см;

-согласно требованиям ГОСТ предельное значение скорости нарастания прогиба составляет 0,18*103 см/мин. По результатам испытании мы имеем намного меньше значения, а именно - для панели с «ОП-2000» скорость нарастания прогибов составляла всего 0,066 см/мин; для панели с CONLIT- 0,081 см/мин; для панели с «Эсма-Б» - 0,10 см/мин.

-сравнивая значения прогибов при использовании CONLIT и «Эсма-Б» отметим несущественное влияние на прогибы различие в удельных весах огнезащитных материалов;

1. Алыпшулер Б. А., Горячев В.Н., Дальникович И.Ф. Характер разрушения двухслойной панели при одностороннем нагреве // Бетон и железобетон. 1980. №11. С. 15 -16.

2. Астапенко В.М., Кошмаров Ю.А., Молчадскш И.С., Шевляков А.Н. Термогазодинамика пожаров в помещениях. М.: Стройиздат, 1988. - 448 с.

3. Бажанов В.Л., Голъденблат И.И., Николаешо Н.А., Синюков A.M. Расчет конструкций на тепловые воздействия. М.: Машиностроение, 1969.-600 с.

4. Бартелеми Б., Крюппа Ж. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с франц. М.В. Предтеченского; Под ред. В.В. Жукова. М.: Стройиздат, 1985. - 216 с.

5. Бате К, Вилсон Р. Численные методы анализа и метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1982. - 448 с.

6. Бахвалов Н.С. Численные методы. М.: Наука, 1975. 632 с.

7. Бахвалов Н.С, Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. — М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2000. 624 с.

8. Бенерджи П., Баттерфилд Р. Методы граничных элементов в прикладных науках. М.: Мир, 1984. 494 с.

9. Берген Р. И., Дуккарский Ю.М., Семенов В. Б. Инженерные конструкции. Учебник для гидромелиораторов. М.: Высшая школа, 1989.-415с.

10. Биргер И.А., Шерр Б.Ф., Демъянушко КВ. и др. Термопрочность деталей машин. М.: Машиностроение, 1975. -455 с.

11. Био М Вариационные принципы в теории теплообмена. М.: Энергия, 1975. -209 с.

12. Боли Б., Уэйнер Дж. Теория температурных напряжений. М.: Мир, 1964. — 517 с.

13. Болотин В.В., Новичков Ю.Н. Механика многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1980. -375с.

14. Бондаренко В.М., Бондаренко С.В. Инженерные методы нелинейной теории железобетона. М.: Стройиздат, 1982. - 288 с.

15. Бутко A.M., Давыдкин Н.Ф., Парцевский В.В., Кайзер А. Огнезащитные материалы серии Signulan / Проблемы развитиятранспортных и инженерных комуникаций, «ТИМР». №4-5. 1997. -С.67-72

16. Бутко A.M., Новичков Ю.Н. Стохастическая термомеханика многослойных конструкций. М.: Машиностроение, 1992. 272с.

17. Васильев П.И., Пересыпкин Е.Н. Напряженно-деформированное состояние железобетонной балки с трещинами: Сб. тр. ЛПИ. Ленинград, 1979. Вып.363. С. 74 - 78.

18. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. -428 с.

19. Голованов В.И., Павлов В. В., Пехотиков А. В. Огнестойкость многопустотных железобетонных панелей с различными видами огнезащиты. Пожарная безопасность, №2, 1999. - с. 57-64.

20. Гаращенко А.Н., Страхов В.Л., Рудзинский В.П., Рыжков А.А. Апробирование методики расчетов вспучивающейся огнезащиты строительных конструкций на примере покрытия Хенсотерм 4КС // Пожаровзрывобезопасность, 1999, № 5. С. 29 - 36.

21. Гейтвуд Б.Е. Температурные напряжения. М.: Изд-во иностранной лит., 1959.-349 с.

22. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные схемы (введение в теорию). -М.: Наука, 1977.-440 с.

23. ГОСТ 29167 91. Бетоны. Методы определения характеристик трещиносгойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении. М.: Изд-во стандартов, 1992. - 18 с.

24. ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции. М.: Издательство стандартов, 1994. - 6 с.

25. ГОСТ 30247.0-94 Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования. М.: Изд-во стандартов, 1994. 10 с.

26. Давыдкин Н.Ф., Бутко A.M., Плотников А.Н., Кайзер А.К. Динамические задачи для воздуховодов противодымной защиты подземных сооружений// Проблемы развития транспорта и инженерных коммуникаций, «ТИМР». №2, 2000- С. 37-43

27. Давыдин Н.Ф., Каледин Вл.О., Страхов В.Л. Оценка огнестойкости зданий и сооружений на основе компьютерного моделирования // Математическое моделирование т. 13, № 6, 2001. С 27 - 32.

28. Давыдкин Н.Ф., Каледин Вл. О., Страхов B.JI. Расчетно-экспериментальное исследование огнестойкости железобетонных конструкций // Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций, 2000, № 1. С. 37 - 48.

29. Давыдкин Н.Ф., Каледин Вл.О., Страхов В.Л. Оценка огнестойкости зданий и сооружений на основе компьютерного моделирования // Математическое моделирование, т. 12, № 7, 2000.

30. Давыдкин Н.Ф., Каледин Вл.О., Страхов В. Л. Численное исследование огнестойкости основных несущих конструкций путепровода тоннельного типа в составе транспортной развязки в районе пересечения Кутузовского проспекта // Метро, № 3-4, 2000. -С. 49 57.

31. Давыдкин Н.Ф., Копылов Н.П., Кривошеее И.Н. Противодымная защита подземных сооружении и прилегающих к ним территории, здании и микрорайонов,- М.:ТИМР, 1998.

32. Давыдкин Н.Ф., Кривошеее И.Н., Страхов В.Л. Гаращенко А.Н. Расчет прогрева в условиях пожара железобетонных конструкций подземных сооружений// Пожаровзрыво-безопасность. №3,1996,-С. 15-22.

33. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л. Огнестойкость конструкций подземных сооружений / Под ред. И.Я. Дормана. М.: Информационно-издательский центр «ТИМР», 1998. - 296 с.

34. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л. Расчет пределов огнестойкости для железобетонных односводчатых конструкций четырехъярусной подземной автостоянки // Подземное пространство мира. № 4, 1997 - С.39 - 43.

35. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л. Эффективная огнезащита элементов комплексной системы дымоудаления подземных сооружений -покрытие Signulan 3000 // Подземное пространство мира.№3. 2001.-е. 44-48.

36. Давыдкии Н.Ф., Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. и др. Огнестойкость конструкций подземных сооружений // Подземное пространство мира. 1997. №2. С.55 - 64.

37. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Гаращенко А.Н. и др. Огнестойкость конструкций подземных сооружений и экономичные пути ее повышения.// Альманах "Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. № 5,6, 1996. - С.59 - 64.

38. Давыдкии Н.Ф., Страхов В.Л., Каледин Вл.О. и др. Метод конечных элементов в расчетах огнестойкости неоднородных конструкций сложной структуры и формы // Альманах "Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. №3-4, 1996.-С.44-54.

39. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Каледин Вл.О., Крутое A.M. Расчет пределов огнестойкости строительных конструкций подземных сооружений // Подземное пространство мира. 1997. № 4. - С. 39 -43.

40. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Каледин Вл.О. Крутое A.M. Расчет пределов огнестойкости строительных конструкций подземных сооружений // Пожаровзрывобезопасность, 1999. № 3. С. 40 - 48.

41. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л., Панкина С.Ф. и др. Особенности расчета огнестойкости конструкций подземных сооружений // Подземное пространство мира. № 2 - 3, 1998. - С.36 - 37.

42. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л.,. Родин В.С Роль расчетных методов в обеспечении требуемой огнестойкости подземных сооружений // Подземное пространство мира. №2-3.2002. С.52-59.

43. Давыдкин Н.Ф., Страхов В.Л, Шурин Е.Т., Плотников А.Н., Орлов ММ. Оптимальное проектирование огнестойких воздухо- и газоводов противодымной защиты подземных сооружений // Подземное пространство мира, 1999. № 4. С.31 - 40.

44. Драйздейл Д. Введение в динамику пожара // Пер. с англ. К.Г. Бомштейна; Под ред. Ю.А. Копгмарова, В.Е. Макарова. М.: Стройиздат, 1990. - 424 с.

45. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

46. Елисеев В.Н., Страхов В.Л., Товстоног В.А., Атаманов Ю.М. Экспериментальный комплекс для исследований процессов теплообмена и испытаний тепло- и огнезащитных материалов // Вестник МГТУ им. Баумана, № 3, 1999. С. 116 - 120.

47. Ерохов K.J., Бутко A.M. Развитие технологии повышения огнестойкости железобетонных панелей / Тезисы докладов научно-технической конференции «Природоохранное обустройство территории», М.: МГУП 2002 С. 89-91.

48. Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. М.: Высш. шк., 1991.-288 с.

49. Зайцев Ю.В. Моделирование деформаций и прочности бетона методами механики разрушения. М.: Стройиздат, 1982 196 с.

50. Заседателев И.Б., Петров-Денисов В.Г. Тепломассоперенос в бетоне специальных промышленных сооружений. М.: Стройиздат, 1973. -168 с.

51. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541 с.

52. Зигель Р., Хауэлл Дж. Теплообмен излучением. М.: Мир, 1975. -934 с.

53. Ильин Н.А. Последствия огневого воздействия на железобетонные конструкции. -М.: Стройиздат, 1979. 127 с.

54. Каледин В. О. Термоупругая аналогия в методе конечных элементов: основные уравнения и вариационные принципы // Отраслевой научно-технический сборник НТЦ «Информ-техника». Сер. 15. Вып 3 (103) 4 (104). 1992 - С. 15 - 20.

55. Каледин В. О. Численно-аналитические модели в прочностных расчетах пространственных конструкций / НФИ Кем ГУ. -Новокузнецк, 2000. 204 с.

56. Каледин В. О. Бакулин В. Н. Численно-аналитический подход к исследованию деформирования оболочечных конструкций из композитов // Известия АН СССР «Механика твердого тела». 1989. №12.-С. 184- 188.

57. Каледин В.О., Цветков А.Б., Давыдкин Н.Ф. Методика определения напряженно-деформированного состояния упругого массива при действии массовых сил //Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций. №1. 2002. С. 24-27.

58. Карпенко ИМ. Общие модели механики железобетона. М.: Стройиздат, 1996. 416 с.

59. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твёрдых тел. М.: Наука, 1964.-487 с.

60. Кирюханцев Е.Е., Гаращенко А.Н., Давыдкин Н.Ф. Прогрессивный метод огнезащиты воздухо- и газоходов системы пожарной68.