автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование процесса разрушения бетонных и сталебетонных конструкций при интенсивных температурных воздействиях

ХАРЬКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ВЕРЕВИЧЕВА МАРИНА АНАТОЛЬЕВНА

УДК 624.012:536.4:614.841.33

%

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕН ИЯ БЕТОННЫХ И СТАЛЕБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ИНТЕНСИВНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степепн кандидата технических наук

Харьков - 1998

Диссертацией является рукопись.

Работа выполнена на кафедре строительной механики и гидравлики Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта министерства транспорта Украины.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Чихладзе Элгуджа Давидович,

заведующий кафедрой строительной механики и гидравлики Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта.

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Кричевский Александр Павлович,

профессор кафедры железобетонных конструкций Донбасской государственной академии строительства и архитектуры;

- кандидат технических наук, профессор Фомин Станислав Леонидович,

профессор кафедры железобетонных и каменных конструкций Харьковского государственного технического университета строительства и архитектуры.

Ведущая организация - Харьковская государственная академия городского

хозяйства

Защита состоится '28' мая 1998 г. в 13°° часов на заседании специализированного ученого совета Д 02.15.05 Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта по адресу: 310050, г. Харьков, пл. Фейербаха, 7.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан' 28 ' апреля 1998г.

Учений секретарь

специализированного ученого совета кандидат технических наук, доцент

Ермак Е.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Конструкции из бетона и сталебетона получили широкое применение в промышленном и гражданском строительстве, поэтому проблема долговечности и надежности сооружений из этих материалов имеет важное значение.

Одной из проблем, возникающих при использовании бетона и сталебетона, является проблема огнестойкости конструкций. Длительность и дороговизна огневых испытаний обуславливают важность разработки методов расчета огнестойкости элементов и конструкций при проектировании сооружений.

Цель диссертационной работы заключается в разработке методики расчета огнестойкости ненапряженных и нагруженных бетонных и сталебетонных конструкций.

Задачи исследований - на основании имеющегося экспериментального материала разработать математический и вычислительный аппарат для определения огнестойкости бетонных и сталебетонных конструкций.

Научная новизна полученных результатов определяется следующими результатами:

- предложена математическая модель, описывающая поле температур в твердой, жидкой и газовой фазах бетона, позволяющая также найти распределения жидкости, пара и внутрипорового давления;

- проведено качественное исследование сформулированной задачи для случая высокоинтенсивных тепловых потоков (задача Стефана); предложены оценочные формулы для скорости просушки бетона;

- предложена методика оценки предела огнестойкости ненапряженных б стопных и сталебетонных плит, основанная на оценке степени гидратационного разрушения бетона и величины внутрипорового давления;

- дан вывод уравнений равновесия неравномерно нагретой нагруженной сталебетонной плиты при двухосном изгибе с учетом трещиноватости;

проведены аналитические исследования одноосной деформации ншруженной неравномерно нагретой плиты с учетом образования микротрещин в растянутой зоне бетона.

Практическое значение полученных результатов. Применение предложенной методики оценки огнестойкости бетонных и сталебетонных конструкций дает возможность рационально проектировать здания и сооружения с обеспечением заданных пределов огнестойкости и оценкой остаточной прочности.

Внедрение. Результаты диссертационной работы в виде программы расчета огнестойкости внедрены в проектных институтах "Укргидропроеет" и "Харьковтрансмашпроект".

Личный вклад соискателя определяется проведенным анализом характеристик бетона с точки зрения их огнестойкости, разработкой

математической модели бетона как трехфазной среды, численной реализацией решения полученной краевой задачи и анализом расчетов.

Апробация результатов диссертации. Результаты теоретических и численных исследований докладывались на 59-й научно-технической конференции Харьковской государственной академии железнодорожного транспорта (1997г.), Международной конференции "Промышленность матери&тов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений" (г. Белгород, 1997г.), Ш Международной конференции "Инженерные проблемы современного бетона и железобетона" (г. Минск, 1997г.).

Публикации. Опубликовано 16 работ, из них 5 - по теме диссертации.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка использованных источников, приложения и содержит 144 страницй машинописного текста, в том числе: 30 рисунков, 19 таблиц, 6 страниц приложения. Список использованных источников содержит 65 работ (в том числе 57 работ отечественных и 8 работ иностранных авторов).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первом разделе приведен обзор опубликованных работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям тепло-физических и прочностных характеристик бетона и стали с точки зрения огнестойкости этих материалов, описаны основные имеющиеся подходы к определению предела огнестойкости бетонных конструкций. Дан обзор работ по описанию бетона как пористой многофазной среды.

Экспериментальным и теоретическим исследованиям структуры бетона, поведения композиционных материалов и, в частности, бетонных и сталебетонных конструкций при температурном воздействии и исследованию их прочностных свойств посвящены работы Бартелеми Б. и Крюппа Ж., Бушева В.П., Жукова В.З., Зайцева Ю.В., Карпенко Н.И., Кауфмана Б.Н., Ковалева С.А., Кричевского А.П., Лыкова A.B., Милованова А.Ф., Некрасова К.Д., Пчелинцева В.А., Рамачандрана Р., Ребиндера П.А., Ройтмана В.М., Соловьева С.Л., Федоренко B.C., Фомина С.Л., Цилосани З.Н., Чеховского Ю.В., Чихладзе Э.Д., Шагина А.Л., Яковлева А.И. и др.

На основании обзора экспериментальных исследований сделан вывод о том, что для исследования температурных полей в бетоне необходимо учитывать процесс испарения влаги во внутрипоровом пространстве. Отмечена необходимость разработки физической и математической модели бетона с учетом процессов межфазного теплообмена между твердым каркасом и влагой в микропорах.

Второй раздел посвящен теоретическому исследованию бетона как многофазной среды. При иследованиях исходим из следующих положений.

1. Пористая среда является трехфазной: первая фаза представляет собой твердый несущий материал (скелет), вторая фаза определяется совокупностью жидких включений в порах, и третья фаза является газом в порах, представляющим собой смесь воздуха и пара испаряющейся жидкости.

2. Считаем, что справедливы основные допущения механики многофазных сред: а) размер включений и неоднородностей в среде намного больше молекулярно-кинетических размеров; б) размер неоднородностей намного меньше расстояний, на которых макроскопические и осредненные параметры фаз меняются существенно (вне поверхностей разрыва).

На основе общей теории многофазных сред обосновывается модель тепломассообмена в пористой многофазной среде, подверженной высокотемпературному воздействию в предположении, что температуры фаз различны. В системе замыкающих соотношений модели учитывается микроструктура среды (пористость, размеры капилляров).

Анализ общей модели тепломассообмена в бетоне на основании безразмерного критерия подобия позволяет сделать вывод о том, что для микропористых сред с размерами пор гу^10~7м типа плотных тяжелых бетонов с пористостью порядка 20 - 30 % тепломассообмен описывается следующей системой уравнений (размерные переменные):

Р1С1^- = <Ич(Л1уТ1)-п2а12(Т1-Т2); (1)

РгСг~^ = ~г,М4+пгап(Тх-Т2) ; (2)

. &*- = <Щк3р3У7р)+М£, (3)

где р, - размазанная плотность г'-й фазы (т.е. плотность в составе всего материала);

- с, - теплоемкость /-й фазы; 4 - коэффициент теплопроводности/-й фазы; Г,- - температура г-й фазы;

«12 - коэффициент межфазного теплообмена между 1-й и 2-й фазами;

п2 - число капилляров, заполненных водой, в единице объема;

г, - удельная теплота парообразования;

къ - коэффициент фильтрации пара по порам;

М~ молярная масса воды;

^ - источник, определяющий приток (убыль) числа молекул пара в расчете на единицу времени и единицу объема; р - внутрипоровое давление; г - время.

Плотность р3, давление пара р и его температура Г3 связаны уравнением состояния идеального газа

р = , (4)

где Л - газовая постоянная;

<р3 - объемная доля 3-й фазы.

В системе (1)-(3) не учитываются конвективный и молекулярный теплоперенос в жидкой фазе, теплообмен между жидкой и газовой фазами (считается агъ « ап) и фильтрация жидкости по порам.

Оценки в рамках теории многофазных сред показывают, что испарение свободной влаги происходит на некотором узком участке, разделяющем сухую и влажную области внутри бетона. При этом в сухой области свободная влага находится в виде пара с температурой выше 100°С. Во влажной области температура не превосходит 100"С. Граница зоны испарения медленно движется вглубь влажной области.

Из физических соображений следует, что существует поверхность 2,вблизи которой в узком слое толщиной Лs происходит полное испарение влаги за время А/ рис.1; ^-нормальная к 2 координата,ее направление совпадает с направлением движения х ).

Ч 2

Рис. 1. Схема испарения свободной влаги во влажном бетоне при высокой интенсивности межфазного теплообмена: 1 - сухая область; 2 - влажная область

Поверхность 2 разбивает всю область бетона на две части: 1 - сухую, обращенную в сторону огневого воздействия; 2 - влажную, содержащую свободную влагу и имеющую температуру не выше 100°С.

В сухой области влаги и парообразования нет: пг-0,^ = 0,1=0, поэтому в этой области уравнения (1) - (3) записываются как

рхсхетх\д f = div(A]Vr1) , (5)

^ = div(*3P3V/>) • (6)

Во влажной области температура сухого твердого каркаса и воды совпадают: Т2 =т, испарения нет: £=о,= />хй = const, поэтому уравнения (1)-(3) преобразуются к виду:

(p1cl+p2c2)0r1/dt=div{AiVTl) , (7)

= v(k3p3Vp) . (8)

Так как q=с2 и обычно р%«р\, то с достаточной точностью уравнение (7) можно заменить на (5).

На поверхности I температура т} и плотность пара р^ непрерывны, а тепловой поток оТ ¡д& и поток массы ]3 разрывны:

на £ [Г] = 0, [Л] = 0 , (9)

[ЛдТ/д*] = г,р2ос1*/с11 , (10)

' [7з-"] = Р20^Л, (И)

где п - нормаль к 2, направленная в сторону движения s = s(t,ra) -уравнение движения точки 7п на поверхности I.

Рассмотрим модельную задачу, представляющую интерес из следующих соображений. Эксперименты показывают, что при огневом воздействии на насыщенную влагой пористую среду возможно ее взрывное разрушите. При этом разрушению подвергается поверхностный слой толщиной порядка нескольких сантиметров. Принято считать, что этот эффект обуславливается внутрипоровьш давлением, высокие значения которого связаны с наличием влаги в порах и малыми размерами пор, что особенно характерно для высокопрочных бетонов.

Пусть пористая среда занимает полубесконечпую область х > 0 и граничит с воздушной средой, имеющей температуру Т^. Предполагаем, что начальная температура пористой среды равна температуре кипения влаги: т0 = гк. Задачу решаем при постоянных характеристиках среды.

Граничные и начальные условия примем в виде: *=0 : Т^=Ту, £г=0, р3 = р^ ; д: -»00 : 7*1 = Т0, р3-+р3 о

Г = 0 : Тг=Т0, Рз= Рзо, , (12)

где ру- плотность пара в пламени, определяемая как р/=р0Л4/{ят/\р0=\ ат .

При интенсивном испарении жидкости в порах задачу (5)-(8) можно сформулировать в виде задачи Стефана:

= * где 0<х< £г(?) ; (13)

дх

= где 0<л<оо; Р-РЯНМЪ) , (14)

ег дх

где * = <т(0 - граница области фазового перехода, разделяющей влажную и сухую области, на которой должны выполняться следующие условия:

* = <*) : ; П=Т0 ; (15)

Г г-р др

|сг—О рх\о+Ъ)

= />20 "¡у • 06)

Решение уравнения (13) при условиях (12) имеет вид: т1=т/-(т/ , (17)

Ф(;) = ^}схр(-*2)а* , : = , , (18)

где 7', - неизвестная температура, определяемая условием (12). Подставляя (18) в соотношения (16), находим уравнение для границы фазового перехода, решение которого имеет вид

*(') = 2 > (19) где а - корень следующего уравнения:

Ф(а)аехр(а2) = В , В =Р1с1(г/ -То)/{2г,Р20). (20)

Параметр Тг при этом определяется как

т^т/-(т/~т0)/ф(а) . (21)

Уравнение (21) решается в приближении большой паропроницаемости: К3» 1, когда .движение пара по порам можно считать стационарным. Для распределения давления получаем выражение

1/2

; (22)

Pj-PoMК*?/) -

Формула (22) показывает, что на границе зоны испарения давление не только максимально, но и остается постоянным с течением времени.

Выражение (22) показывает, что внутрипоровое давление тем больше, чем больше влажность среды и температура окружающей среды Ту и чем меньше паропроницаемость к3 . Численные оценки показывают, что для

крупнопористого бетона (г>10-5см) внутрипоровое давление при нагреве возрастает не более чем до нескольких атм, что не может привести ко взрывному разрушению, которому подвержены высококачественные мелкопористые бетоны.

Таким образом, для модельной задачи получены оценочные формулы для закона движения границы зоны испарения, позволяющего определить время просушки; распределения ноля температур с течением времени; распределения внутрипорового давления. Дальнейшие расчеты показали, что оценки времени просушки дангг погрешность не более 20% по сравнению с реальными процессами, однако для учета характеристик конкретного бетона и особенностей пожара необходимо решать нелинейную задачу тепломассообмена в точной постановке (5)-(11).

В третьем разделе описана численная реализация расчета температуро-влажностных полей и внутрипорового давления в бетонных и сталебетонных плитах из мелкопористого бетона. Приводятся результаты численных расчетов и их сравнение с экспериментальными данными, описанными в литературе. На основании полученных результатов проводятся оценки пожаростойкости исследуемых конструкций в ненапряженном состоянии.

Оценка предела огнестойкости связана с определением времени дегидратации бетона. Экспериментальные исследования огнестойкости бетонных конструкций показывают определяющую роль влажности бетона

Рассмотрим влияние влажности на прочностные свойства бетона, проявляющееся в течение следующих двух процессов прогрева бетона

Первый процесс обусловлен испарением свободной воды. Этот процесс происходит при температуре бетона, не превышающей 100°С. На этапе испарения свободной влаги разрушение бетона может произойти за счет высокого внутрипорового давления. Растрескивание бетона начинается при выполнении условия, связывающего максимальное внутрипоровое давление Ртах> пористость бетона П и его прочность на сжатие Яь:

(п/(1-П)Х/>тах-/>„)>/V (23)

Второй процесс связан с распадом молекул бетона при температурах 100°С - 800 °С, его результатом является выделение химически связанной воды. Эти химические реакции описываются следующими формулами: адЯц +0.62+0.38+1.5£]#

СЯ->(1-<?2)с#+£2С + £2ЯТ, (24)

где коэффициенты хода реакции, определяемые только температурой

цементного камня (рис. 2);

С,5 обозначают соответственно соединения СаО,ХЮг. ■

Из рисунка видно, что уже при температуре Ткр 600°С происходит стогтроцентная дегидратация СН и дегидратация 80 процентов С16267/ , 5. Таким образом, эту температуру можно считать температурой разрушения бетона, что согласуется с нормативными рекомендациями. Для оценки момента разрушения определялось время, за которое половина сечения плиты

прогреется до 600 °С. Результаты расчетов по такой методике совпали с оценками пределов огнестойкости, приведенными в монографии Б.Бартелеми, Ж. Крюппа

42

Рис. 2. Зависимость £,, £ 2 от температуры

Для применения этой методики необходимо уметь рассчитывать температуро-влажностные поля в плите. В разделе приведен алгоритм расчета температуро-влажносшые нолей и внутрипорового давления в бетонной и сталебетонной плитах. Согласно алгоритму реализована программа на языке ФОРТРАН.

Для тестирования программы использовалось точное решение задачи Стефана (17)-(19) в сечении бетонной плиты го крупнопористого бетона, нагреваемой с одной стороны (рис. 3), при постоянной температуре пламени Г/иГо=100°С.

Т=ТГ а Т=Та

Рис. 3. Одномерное сечение по толщине нагреваемой бетонной плиты

Наличие точного решения и аналитической формулы для движения границы парообразования для сформулированной модельной задачи позволило, протестировав программу, выбрать значения шагов по пространственной и временной сеткам, достаточные для достижения необходимой точности.

Для тестирования программы рассчитывалось температурное поле в бетонной плите со следующими параметрами: . I = 0.1 м ;

/>=2300кг/м3; с = 710дж/кг • °К; X = 1.26 Вт/м • °К\ Т0 = 100°С = 373°К; Т} = 1600°С ;

р0 = 1яот = 105па; г/=2-ЮбДж/кг. (25)

При значении шага по времени т - 1сек. и при начальном шаге сетки по длине й0—=£120 достигнута точность расчета времени испарения 1.4%. Дальнейшее уменьшение г и Л0 не ведет к увеличению точности.

Соответствие модели (5)-(11) реальным процессам проверено на экспериментальных данных, приведенных в монографии Б.Бартелеми и Ж.Крюппа. Данные приведены при характерных для бетона значениях р = 2300 кг/м3, влажность 3%; толщина плиты £ = 23 см. Кривая зависимости температуры пожара ту от времени показана на рис. 4.

На рис. 5, 6 приведены сравнительные результаты эксперимента и расчетов. На рис. 5 дана закономерность движения границы испарения вглубь влажной области. На рис. 6 изображены температурные кривые в различные моменты времени на разном расстоянии от огневой стороны.

Сравнение экспериментальных и расчетных данных свидетельствует о высокой точности соответствия математической модели описываемым процессам и достоверности получаемых оценок.

Рис. 4. Зависимость Гf от времени в эксперименте

Рис. 5. Движение границы области испарения: 1 - экспериментальные данные, 2 - расчетные

г(°С)

Рис. 6. Изменение температуры бетона в различных точках плиты (на указанных расстояниях от обращенной к огню поверхности): 1 - экспериментальные данные, 2 - расчетные

Полученные решения для распределения поля температур и уравнение движения границы испарения (19) качественно соответствуют также экспериментальным данным С.Л. Фомина о распределении температуры в сечении плиты в различные моменты времени при ее одностороннем нагреве. Согласно этим данным, за время прогрева г = 60 мин. зона испарения (Г = 100°С) углубилась примерно на 11см. Согласно оценочной формуле (19), при I = 60 мин. и характерных значениях параметров (25) и влажности 3% получаем значение а» 13см; расчет нелинейной задачи при стандартной температуре пожара показывает, что время просушки плиты толщиной 10 см равно примерно 53 мин. По данным С.Л. Фомина можно получить аналогичное время около 50 мин., проинтерполировав кривые температур на интервале между 30 и 60 мин. Сравните приведенных результатов свидетельствует об удовлетворительном совпадении теоретических оценок и экспериментов.

Предложенная методика прогнозирования огнестойкости бетонных конструкций апробирована при расчете предела огнестойкости ненапряженной плиты из мелкопористого бетона с заполнителем из силикатных пород, испытывающей одностороннее огневое воздействие (рис.3).

При решении задачи использовались следующие характеристики: длина плиты с = 0.1м, плотность бетона р = 2300 кг/м3, радиус микропор г3 = 10см, пористость 0.2 и 0.26; М = 0.018 кг/моль, Л = 8.3 дж/моль град, 7у -температура стандартного пожара, зависимости Л(T),c(Г),af(T),ac(T) принимались согласно рекомендациям НИИЖБ; температура холодной среды и начальная температура бетона Т0 = 20°С.

Расчеты показали, что при указанных выше параметрах процесса время полного испарения свободной влаги /и зависит от влажности бетона; численные значения /и приведены в таблице 1.

Полученные данные свидетельствуют о том, что даже при малой влажности 2 % пренебрегать временем процесса испарения свободной влаги в ' микропорах нельзя.

Таблица 1

Зависимость времени испарения свободной воды и максимального внутрипорового давления от влажности бетона

Влажность (%) 2 3 3.5

время (н (мин.) 49.83 58.67 62.63

Ртах (ат)> пористость 0.26 54.5 70.8 77.0

Ртах (аТ). пористость 0.20 70.6 91.8 99.9

При этом в зависимости от пористости бетона изменяется максимальное внутрипоровое давление ртах (табл. 1), которое уже на этапе испарения свободной влаги может привести к образованию микротрещин вблизи горячей стенки. Это важный параметр, который нужно учитывать при оценке огнестойкости. В данном случае для полученных значений ртях условие растрескивания (23) не выполняется. Поэтому предел огнестойкости определяется на втором этапе расчетов.

В таблице 2 приведены данные о времени прогрева половины толщины плиты до Ткр при различных значениях влажности бетона. Эти результаты совпадают с оценками огнестойкости, приведенными в монографии Б. Бартелеми и Ж. Крюппа.

Таблица 2

Время прогрева половины толщины плиты до

Влажность (%) 2 3 3.5

время 2ч. 32мии. 2ч. 41 мин. 2ч. 44мин.

Таким образом, полученный предел огнестойкости ненапряженной бетонной плиты составляет примерно 2.5 часа.

Далее приведены результаты оценки огнестойкости ненапряжешюй сталебетонной пли ты (рис. 8).

х

бетон

сталь

1 I Г

т/

Рис. 8. Общая схема сталебетонной плиты при одностороннем нагреве

(<?«/)

Расчеты показали, что для сталебетонной плиты без воздушного зазора между сталью и бетоном оценки огнестойкости те же, что и для бетонной плиты. При толщине зазора Нь порядка 0.5-5 мм предел огнестойкости также значительно не изменяется (возрастает примерно на 10 мин.), однако максимальное внутрипоровое давление уже при толщине зазора 0.5 мм значительно ниже, чем для бетонной плиты (на 10-16%), что существенно для

высококачественных мелкопористых бетонов и при интенсивных режимах нагрева.

Кроме этого, при толщине зазора Нъ порядка 0,5-5 мм несколько замедляется нагрев стального листа за счет активного радиационного теплообмена (так, на 20-й минуте пожара при кь =0 температура составила 634 °С, а при Ь.ъ = 0.5мм - 560 °С). Эти результаты существенно не изменяются при увеличении Ьь до 5мм. Это явление можно использовать для создания тепловой защиты при не очень интенсивных пожарах.

С целью такой тепловой защиты можно использовать, например, следующую конструкцию, включающую плоский стальной лист, тонкостенный профилированный лист для образования пустот и слой бетона (рис. 9).

Рис. 9. Предлагаемая конструкция стальной плиты 1 - стальной лист; 2 - тонкий профилированный лист (для образования пустот); 3 - бетон; 4 - анкерные упоры

При этом дальнейшее увеличение Иь (свыше 10мм) приводит к замедлению теплообмена между сталью й бетоном и, как следствие, более быстрому нагреванию стального листа: при А4=10мм время прогрева стали до 700°С уменьшается с 22.7 мин. до 18.5мин. Этот факт говорит о том, что чрезмерное увеличение 1ц может ухудшить прочностные свойства сталебетонной плиты при нагреве (при температуре 700° С сталь практически теряет прочность).

Четвертый раздел посвящен исследованию огнестойкости напряженно-деформированных сталебетонных плит. Дан подробный вывод уравнений равновесия неравномерно нагретой нагруженной плиты при двухосном изгибе с учетом образования трещин в растянутой зоне бетона. Для одноосной деформации нагруженной неравномерно нагретой плиты проведены аналитические исследования, причем для равномерного нагрева удалось получить оценочную формулу ширины зоны трещинообразования.

По предложенной методике были проведены численные оценки огнестойкости сталебетонной плиты, шарнирно опертой на двух сторонах и бесконечно длинной в перпендикулярном направлении (рис. 10), с размерами : толщина бетона Л0 = 0.1 мм, толщина стального листа Л5=4мм, длина плиты Х=0.5м, толщина воздушного зазора между сталью и бетоном /¡¿ = 2.5 мм. Нагрев - равномерный.

1 1 Т

Рис. 10. Сталебетонная плита

Огнестойкость строительных конструкций существенно зависит от интенсивности тепловых потоков. Наиболее опасными типами пожаров являются быстроразгораюгциеся, когда в начале пожара температура Ту уже велика. К таким пожарам близок стандартный, при котором температура Ту после 15 мин. горения равна примерно 140°С. При таком режиме горения, как показали расчеты, температура стального листа даже при кь = 5мм через 23 мин. достигает 700°С, т.е. сталь почти полностью теряет прочность. Поэтому использование обычных сталебетонных плит, не защищенных тепловыми экранами или теплоизолирующими покрытиями, нецелесообразно.

Будем поэтому рассматривать защищенную каким-либо образом сталебетонную плиту с заданной температурой стальной пластины, то есть предположим, что при помощи тепловой защиты смоделирован слабоинтенсивный пожар, так что температура стального листа не превышает 700°С.

/г

о

При расчетах использовались температурные поля, полученные по разработанной методике. Разрушение во всех случаях произошло по сжатой зоне бетона Результаты оценок приведены в таблицах 3, 4 (для наименее и наиболее прочной марок обычных тяжелых бетонов: В3.5 и В50). Для стали £5.(20°с)«2-105МПа ; ст7(20°С)к 235МПа . Зависимость прочностных характеристик бетона и стали от температуры приведена в диссертации.

Таблица 3

Остаточная прочность по сжатию нагруженной сталебетонной плиты при 11ь(20°С) = 2,1 МПа,Я),!(20°С) = 0,26МПа, ЕЬ(20°С)-^ 9500МПа

Остаточная прочность при температуре стали, ° С

нагрузка 200° С 300° С 400° С | 500° С

5т/м' 31.1% 13.7% -

Зт/м2 44.7% 27.3% 1.83%

2.5т/м2 48.1% 30.7% 5.26%

Таблица 4

Остаточная прочность по сжатию нагруженной сталебетонной плиты при Яь (же) = 27,5МГ1а, Кь, (20°С) = 1,55МПа, Еь (20°С) = 40000МПа

Остаточная прочность при температуре стали, 0 С

нагрузка 200°С | 300°С 400°С 500°С | 600°С | 700°С

50 т/м2 96.4% 82.1% 76.7% 69.1% 54.9% 40.0% 62.4% 61.4% 58.7% 51.1% 36.9% 6.29% 26.7% 25.7% 22.6% 15.0% 0.73%

100 т/м2

200 т/м2

Из таблицы 3 видно, что для данной марки бетона при нагреве стали до 400°С плита практически не выдерживает нагрузки выше 2,5 т/м2.

Результаты расчетов для более прочного бетона приведены в таблице 4. Плита из такого бетона выдерживает 200Т/М2 при нагреве до 500° С Однако даже при наличии воздушного зазора 2.5мм между стальным листом и бетоном разрушение плиты наступает довольно быстро: температура стального листа 700° С достигается примерно через 23 мин. после начала пожара, что намного меньше возможной огнестойкости бетона как материала. Это еще раз подтверждает необходимость применения дополнительной тепловой зашиты сталебетонных плит.

ВЫВОДЫ

1. На оспове обзора литературы дан анализ влияния на физико-химические, теплофизические и прочностные свойства бетона высоких температур, приводящих к его разрушению в условиях огневой среды.

2. На основе обзора экспериментальных исследований сделан вывод о том, что для расчета поля температур необходимо учитывать процессы фазовых переходов при испарении влаги во внугрипоровом пространстве, что становится возможным при рассмотрении бетона как пористой многофазной среды с различными температурами фаз.

3. Предложена система уравнений, учитывающая микроструктуру среды и позволяющая рассчитать поле температур в твердой, жидкой и газовых фазах бетона, а также распределения пара и давления пара в порах.

4. Показано, что в случае высокошггснсивных тепловых потоков сформулированная задача сводится к более простой, так называемой задаче Стефана Проведено качественное исследование задачи Стефана для полубесконечной области с нагреваемой границей при неподвижном твердом каркасе. Даны оценочные формулы для закона движения границы зоны испарения, позволяющего определить время просушки; распределения полей температур и внутрипорового давления с течением времени.

5. Составлена программа дЛя расчета температурно-влажностных полей и внутргаюрового давления ненапряженной бетонной и сталебетонной гагат при огневом воздействии в точной (нелинейной) постановке. Правильность работы программы проверена на точном решении задачи Стефана. Оценки, полученные при помощи этой программы, показали высокую степень соответствия предложенной математической модели реальным процессам.

6. Предложена методика оценки предела огнестойкости ненапряженных бетонных и сталебетонных плит, основанная на оценке степени гидратационного разрушения бетона и величины внутрипорового давления.

7. Получены оценки предела огнестойкости и внутрипорового давления для бетонной плиты из тяжелого мелкопористого бетона с заполнителем го силикатных пород и сталебетонной плиты.

8. Численные исследования показали, что применение сталебетонной плиты целесообразно с точки зрения уменьшения внутрипорового давления в пристеночных областях, когда используется высококачествегашй мелкопористый бетон и имеет место интенсивный режим нагрева.

9. Дан вывод уравнений равновесия неравномерно нагретой нагруженной сталебетонной плиты при двухосном изгибе с учетом трещиноватости.

10. Проведены аналитические исследования одноосной деформации нагруженной неравномерно нагретой плиты с учетом образования микротрещин в растянутой зоне бетона.

11. Проведены численные исследования одноосной деформации сталебетонной равномерно нагруженной плиты при нагревании. Показано, что для рационального использования запаса прочности бетона как материала необходимо применять тепловые экраны либо защитные покрытия стального листа.

12. Методика расчета температуро - влажностных полей сталебетонных и бетонных плит внедрена в проектных институтах "Укргидропроект" и "Харьковтрансмашпроект".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Веревичева М.А., Меньшиков В.В., Элькин Б.С. Об одном эффективном методе решения задач математической физики на нерегулярных сетках // Математическое и программное обеспечите задач оптимизации технических систем. - Киев: Ин-т кибернетики им. В.А. Глушкова. - 1987. -С. 56-60.

2. Жакин А.И., Чихладзе Э.Д., Веревичева М.А. Теория тепломассообмена в пористых средах //Изв. ВУЗов. Строительство.-1997. - №1. - С. 111-116.

3. Веревичева М.А., Колодяжный Б.Г., Меньшиков В,В., Элькин Б.С. Об одном подходе к решению нелинейного нестационарного уравнения теплопроводности с использованием неравномерных сеток специального вида //Деп. В УкрНИИНТИ 1987, №352-Ук-87.

4. Чихладзе Э.Д., Жакин А.И., Веревичева М.А. Бетон в условиях высокотемпературного нагрева // Ресурсосберегающие конструктивно -технологические решения зданий и сооружений: Сб. докл. Междунар. конф. "Промышленность стройматериалов и стройиндустрия, энерго- и ресурсосбережение в условиях рыночных отношений". -4.6-7. - Белгород: Изд. БелГТАСМ. - 1997. - С. 91-95.

5. Чихладзе Э.Д., Жакин А.И., Веревичева М.А. Исследование процесса разрушения бетона в условиях высокотемпературного нагрева И Сб. докл. Междунар. конф. "Инженерные проблемы современного бетона и железобетона. Технология сборного и монолитного бетона и железобетона". - Том 2. - Минск: НПФ "Рансо". - 1997. - С. 237-243.

АННОТАЦИЯ

Веревичева М.А. Исследование процесса разрушения бетонных и сталебетонных конструкций при интенсивных температурных воздействиях. -Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технический наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. - Харьковская государственная академия железнодорожного транспорта, Харьков, 1997.

Диссертация посвящена разработке методики определения предела огнестойкости бетонных и сталебетонных конструкций в ненапряженном и напряженно-деформированном состояниях с учетом образования зоны трещиноватости. Реализована программа для расчета предела огнестойкости бетонной и сталебетонной плит при одностороннем температурном воздействии в ненапряженном и напряженном состояниях. Результаты расчетов подтверждаются имеющимися в литературе экспериментальными данными. Основные результаты работы внедрены в проектных организациях.

Ключевые слова : огнестойкость, температуро-влажностное поле, критическая температура, внутрипоровое ■ давление, напряженно-деформированное состояние, предел прочности.

Верев1чева М. А. Дослщження процесу руйнування бетонних 1 сталебетонних конструкшй при ¿нтенсивних температурних впливах. -Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за снещальшстю 05. 23. 01 - бyдiвeльш конструкцн, будовл1 та спорудн. -Харыавська державна академм залвничного транспорту, Харюв, 1997.

Дисертащя присвячена опрацюванню методик визначення мсж1 вогиестшкосп бетонних 1 сталебетонних конструкцш в ненапруженому 1 напружено-деформованому станах з урахуванням утворення зони тршщноватосп. Реализована програма для розрахунку меж вогаестшкоста бетонгон1 сталебетощкм плит при односторонньому температурному вшвта в ненапруженому 1 напруженому станах. Результата розрахунюв шдгверджуються експериментальними наданими, що наводяться у ли-ературь Основш результата роботи завпроваджеш в проеьсших оргашзащях.

Ключов1 слова : вогнестшисть, температуро-волопсне поле, критична температура, внуцншньопоровий тиск, напружено-деформований стан, межа мщность

J8

Verevicheva M.A. Research of process of destruction concrete and steel-concrete constructions at intensive temperature influence. - Manuscript

Dissertation for the scientific degree of the candidate of technical sciences by speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures. - Kharkov state academy of railway transport, Kharkov, 1997.

The dissertation is devoted to development of a technique of determination of a limit fire-strength of concrete and steel-concrete designs in non-strained and strained deformed conditions in view of formation a zone cracks. The program for account of a limit fire- strength of concrete and steel-concrete plates is realize4 at unilateral temperature influence in non-strained and intense states. The results of accounts prove to be true by experimental data being available in the literature. The basic results of work are introduced in design organizations.

Key words: fire-strength, temperature-moisture field, critical temperature, inside-pore pressure, strained - deformed state, strength.