МІНІСТЕРСТВО ВНУТРІШНІХ СПРАВ УКРАЇНИ

АКАДЕМІЯ ПОЖЕЖНОЇ БЕЗПЕКИ УКРАЇНИ

ЮЗЬКІВ ТАРАС БОГДАНОВИЧ

УДК 614841.3.33:624012.46

ОЦІНКА ТЕПЛОВОЛОГІСНОГО ВПЛИВУ НА ГРАНИЧНІ СТАНИ

ЗА ВОГНЕСТІЙКІСТЮ ЗГИНАЛЬНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ

ЕЛЕМЕНТІВ ПРИ ПОЖЕЖІ

Спеціальність 21.06.02 – Пожежна безпека

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Академії пожежної безпеки України, МВС України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент

Кулєшов Микола Миколайович,

Академія пожежної безпеки України, МВС України,

м. Харків

перший проректор з навчальної роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Соловей Віктор Васильович

Інститут проблем машинобудування НАН України, м. Харків,

начальник відділу термодинаміки

доктор технічних наук, професор

Фомін Станіслав Леонідович

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Міністерство освіти і науки України, м. Харків,

професор кафедри залізобетонних та кам'яних

конструкцій

Провідна установа: Український науково-дослідний інститут пожежної

безпеки МВС України, центр № 2, м. Київ

Захист відбудеться 21 червня 2001 р. о 14 годині на засіданні Спеціалізованої вченої ради К 64.707.01 при Академії пожежної безпеки України, МВС України, за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Академії пожежної безпеки України, МВС України, за адресою: 61023, м. Харків, вул. Чернишевського, 94

Автореферат розісланий "18 " травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кривцова В.І.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Щорічно в Україні виникає біля 50 тисяч пожеж, з яких біля 70% трапляється в будівлях і спорудах, виконаних з залізобетонних елементів. Пожежі завдають багатомільйонні збитки, після вогневої дії будівельні конструкції втрачають свої експлуатаційні якості, а в деяких випадках руйнуються. Залишається не вивченим в повному обсязі вплив фактору водяного охолодження несучих будівельних конструкцій під час гасіння пожежі на їх несучу здатність та межу вогнестійкості. Протипожежним нормуванням не передбачено визначення межі вогнестійкості залізобетонних елементів після пожежі в будівлях та спорудах. Одним з важливих напрямків протипожежного захисту будівель є збереження необхідних експлуатаційних властивостей будівельних конструкцій в умовах пожежі на всіх періодах розвитку та припинення горіння. Урахування всіх негативних факторів, які діють під час пожежі на несучі конструктивні елементи будівель, дозволить істотно знизити рівень їх пошкоджень та зберегти експлуатаційні властивості цих конструкцій.

Тому розробка методів оцінки тепловологісного впливу на межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів при пожежі та оцінка межі вогнестійкості будівельних конструкцій за наслідками пожеж є актуальною задачею дослідження.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційне дослідження проводилося в рамках науково–дослідної роботи, що відповідає завданням з забезпечення пожежної безпеки об'єктів і переліку проблем науково – технічного розвитку Державної пожежної охорони МВС України на період 1995 – 2000 р., а також плану НДР № 1099U003785 за замовленням ГУДПО МВС України "Дослідження поведінки будівельних конструкцій в умовах пожежі з урахуванням дій підрозділів Державної пожежної охорони".

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження є оцінка тепловологісного впливу на властивості бетону і межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів при різних температурно-вологісних режимах пожежі з урахуванням дій підрозділів пожежної охорони під час гасіння пожежі та розробка на основі отриманих результатів методу оцінки стану конструктивних елементів будівель і споруд після пожеж.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні основні задачі:–

провести експериментальні дослідження характеристик тепловологопереносу, міцності і деформативності важкого бетону при високо-температурному нагріві з урахуванням циклічного тепловологісного впливу;–

провести експериментальні дослідження міцнісних характеристик суцільних залізобетонних плит при однобічному нагріванні з урахуванням циклічного тепловологісного впливу;–

розробити метод розрахунку температурних полів і програму розрахунку;–

розробити метод експериментальної оцінки впливу високих температур і водяного охолодження на межу вогнестійкості залізобетонних плит перекриття в умовах температурного режиму пожежі, приведеного до стандартного;–

провести експериментальні дослідження впливу високих температур і водяного охолодження на межу вогнестійкості залізобетонних плит перекриття в умовах температурного режиму реальної пожежі, приведеного до стандартного;–

розробити метод оцінки вогнестійкості будівель після пожежі і визначення залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів;–

розробити практичні рекомендації з проведення експертної оцінки стану ЗБК, які підлягали тепловологісним діям в умовах пожежі.

Об'єкт дослідження – бетонні зразки, згинальні залізобетонні елементи у стадії високотемпературного нагріву з урахуванням циклічної тепловологісної дії в умовах пожежі.

Предмет дослідження – температурно–вологісні поля, міцнісні та деформативні характеристики бетону.

Методи досліджень. У роботі використані:–

чисельні методи рішення нелінійних диференціальних рівнянь теплопровідності, напружено – деформованого стану згинальних залізобетонних конструкцій при циклічному тепловологісному впливі;–

методи оцінки теплофізичних і вологісно–міцнісних характеристик важкого бетону, вогнестійкості будівель після пожежі та визначенні залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних конструкцій;–

натурні випробування на вогнестійкість залізобетонних елементів у виді багатопустотних плит перекриття.

Наукова новизна одержаних результатів. Розроблений оригінальний метод планування та проведення експериментальної оцінки властивостей бетону і межі вогнестійкості залізобетонних конструкцій, який дозволяє з більшою точністю визначати стан та прогнозувати поведінку будівельних конструкцій на стадії виникнення, розвитку і гасіння пожежі, а також при подальшій експлуатації будівлі.

Запропонований новий метод розрахунку температури прогріву залізобетонних плит, який дозволяє більш адекватно описати їх температурний стан в умовах стандартної пожежі.

Вперше отримані залежності міцності бетону від температури нагріву і режимів водяного охолодження.

Отримані нові результати дозволили вперше, з погляду організації пожежегасіння, провести кількісну оцінку негативного впливу водяного охолодження нагрітих в умовах пожежі до високих температур несучих будівельних конструкцій на відміну від існуючих положень керівних документів по тактиці гасіння пожеж, що зобов'язують подачу водяних стволів на захист будівельних конструкцій у палаючому будинку.

Розроблено обґрунтовану систему організації комплексного нагляду за будівлями та спорудами після пожежі на стадії поновлення їх експлуатації, яка включає в себе розроблений метод експертної оцінки стану будівельних конструкцій після дії на них різноманітних факторів пожежі.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати та запропоновані методи досліджень і розрахунків дозволяють з більшою точністю оцінити ступінь пошкодження вогнем основних будівельних конструкцій у ході розвитку та гасіння пожежі з урахуванням комплексної дії високих температур, навантажень та додаткових вологісних факторів, а саме:–

при виробленні й ухваленні рішення керівником гасіння пожежі на вибір тактики і способів подачі вогнегасячих засобів у палаючі приміщення будівель, виконаних із залізобетонних конструкцій;–

при оцінці ступеня ушкодження вогнем основних будівельних конструкцій за ходом розвитку та гасіння пожежі для розробки заходів, спрямованих на відновлення експлуатаційних характеристик конструкцій і необхідних меж їхньої вогнестійкості.

Результати досліджень у вигляді методу оцінки вогнестійкості будівель після пожежі, практичних рекомендацій із проведення експертної оцінки стану ЗБК, які подлягали тепловологісному впливу в умовах пожежі, та навчального посібника "Будівельні конструкції та їх поведінка в умовах високих температур" впроваджені в навчальний процес пожежно-технічних навчальних закладів України і у практичну діяльність підрозділів Державної пожежної охорони.

Особистий внесок здобувача полягає в аналізі стану досліджень вогнестійкості залізобетонних конструкцій, узагальненні експериментальних та теоретичних даних про поведінку будівельних конструкцій в умовах пожежі; виборі методів експериментальних досліджень; розробці методу експериментальної оцінки впливу високих температур та водяного охолодження на межу вогнестійкості залізобетонних плит перекриття в умовах температурного режиму пожежі, приведеного до стандартного; проведенні експериментів; запропонуванні математичного методу розрахунку температурних полів; розробці методу оцінки вогнестійкості будівель після пожежі та визначенні залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних конструкцій; розробці практичних рекомендацій по проведенню експертної оцінки стану залізобетонних конструкцій, які підлягали тепловологісному впливу в умовах пожежі.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації представлені й обговорені на: – IV науково – практичній конференції "Пожежна безпека – 99", м. Черкаси, 1999 р.; – XV науково – практичній конференції "Проблемы горения и тушения пожаров на рубеже веков", м. Москва, 1999 р.

Дисертаційна робота обговорювалася на наукових семінарах ЛПТУ, Академії пожежної безпеки України (АПБУ)і семінарах кафедри пожежної профілактики в населених пунктах АПБУ.

Публікації. Основні положення дисертації опубліковані в 10 друкованих працях, з них 7 – у фахових збірниках ВАК, в 3–х тезах доповідей на науково–практичних конференціях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'ятьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. Повний обсяг дисертації становить 176 сторінок, в тому числі 131 сторінка основної частини, 52 рисунків, 2 таблиць, 167 найменувань списку використаних джерел та додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проаналізований сучасний стан питання, пов'язаного з проблемою вогнестійкості залізобетонних конструкцій та підходи до вирішення цих проблем провідними вітчизняними та закордонними вченими. Одним з найважливіших завдань в галузі протипожежного захисту будівель та споруд є збереження експлуатаційних властивостей основних залізобетонних елементів під час пожежі. Існуючі експериментальні методи дослідження та оцінки вогнестійкості будівельних конструкцій, методики розрахунків меж вогнестійкості дозволяють з достатньою надійністю проектувати будівлі та споруди і прогнозувати їх поведінку при дії високих температур в залежності від виду конструкцій, класу бетону, фізико–механічних та теплотехнічних властивостей бетону та арматури, товщини захисного шару, умов роботи конструктивних елементів і експлуатації будівель. Разом з тим, існуючі методи не дають повної інформації стосовно процесів, які протікають в структурі матеріалу при дії на нагрітий бетон води, яка використовується з метою охолодження будівельних конструкцій практично на всіх пожежах. Дані процеси протікають в умовах різко нестаціонарних тепло– та вологопереносів, які супроводжуються фазовими перетвореннями присутньої в матеріалі вологи, нерівномірним розподілом температур і вологості всередині бетону, виникненням градієнту надлишкового тиску.

Відомі методики для розрахунку меж вогнестійкості О.П.Бушева, В.В.Жукова, М.Ф.Мілованова, М.Я.Ройтмана, А.І.Яковлева та ін. враховують тільки наявну природну вологість бетону.

Присутність фактору додаткового вологопереносу при гасінні пожеж і його впливу на міцнісні характеристики та межу вогнестійкості будівельних конструкцій зараз не враховується, в тому числі, і при визначенні ступеня пошкоджень будівель після пожеж. В діючих нормах проектування також відсутні вказівки та вимоги щодо розрахунків несучої здатності залізобетонних конструкцій та їх меж вогнестійкості (після вогневої і тепловологісної дії в умовах розвитку та гасіння пожеж).

В зв'язку з розглянутими питаннями запропоновано наукову гіпотезу, яка полягає в тому, що підвищення рівня пожежної безпеки будівель і споруд, побудованих з залізобетонних конструктивних елементів, можна досягти шляхом комплексного підходу щодо забезпечення необхідної стійкості будівельних конструкцій до негативних факторів пожежі з урахуванням дій підрозділів пожежної охорони на всіх етапах функціонування будівель, в тому числі, під час пожежі та після неї, шляхом зміни підходів до тактики гасіння пожеж та запровадження методів оцінки ступеня вогнестійкості будівель після пожежі, розроблених на основі отриманих результатів експериментальних досліджень впливу високих температур та водяного охолодження на граничний стан згинальних залізобетонних конструкцій.

Виходячи з цього, була сформульована мета, визначена область дослідження та основні напрямки вирішення поставлених задач.

У другому розділі викладені результати експериментальних досліджень характеристик тепловологопереносу, міцності та деформативності важкого бетону при високотемпературному нагріві з урахуванням циклічності тепловологісної дії на зразки, які досліджувались, та метод розрахунку температури прогрівання плити.

Під циклом слід розуміти проміжок часу від початку нагріву зразка до закінчення охолодження його водою. Дослідження проводились на малих зразках важкого бетону у вигляді порожнистих циліндрів з зовнішнім діаметром 0,07 м та висотою 0,35 м, а також на плитах розміром 0,23 ґ 0,23 ґ 0,12 м, які нагрівалися в спеціальних електричних печах за режимом стандартної пожежі. Дослідження температурних полів, полів вологості, міцнісних і деформативних характеристик здійснювалися за стандартними методиками.

Під час дослідження температурних полів та полів вологості встановлено, що при охолодженні нагрітого до високих температур бетону (573 К та вище) він набуває здатності інтенсивного вологопоглинання, яке перевищує початкову природну вологість в середньому в три рази, і може досягати критичних значень, які викликають вибухоподібне руйнування поверхневих шарів бетону до глибини залягання арматури (рис.1).

Найбільше водопоглинання відбувається в захисному шарі арматури. Це явище можна пояснити збільшенням пористості та гігроскопічності бетону внаслідок лавинного утворення мікротріщин. Коливання потенціалу вологості приводить до порушення структури бетону, збільшення температурних деформацій, зміни температури в перерізах зразків, що значно впливає на коефіцієнти теплопровідності l та теплоємності С. Зміни цих коефіцієнтів подані у вигляді формул:

l = 1.2508–0.0027Т+0.0002 . Т2–3 . 10–6t3+ 3 . 10–8Т4 –8 . 10–11Т5; (1)

C = 0.2297+0.0026 . Т–0.0001 . Т2 + 2 . 10–6Т3 –8 . 10–9Т4 . (2)

Запропоновано метод розрахунку температури прогрівання плити в умовах стандартної пожежі, коли зміна температури навколишнього середовища за часом описується функцією:

V1 (t) = A lg (Bt + 1), (3)

де А = 618 К; В = 480 1/год, t – год.

На відміну від існуючих підходів, в яких здійснюється штучний перехід від граничних умов третього роду до умов першого роду, в розробленому методі дається розв'язок задачі нестаціонарної теплопровідності для граничних умов третього роду. Розв'язок подається у вигляді:

, (4)

де: Т(х,t)–приріст температури; h – товщина стінки; х – просторова координата;

; (5)

mN – невід'ємні корені трансцендентного рівняння;

, (6)

де: a1, a2 – коефіцієнти теплосприйняття на поверхні, що нагрівалась та тепловіддачі на протилежній поверхні плити відповідно; ; r–питома маса, кг/м3; l-коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м К); С–питома теплоємність, кДж/К.

Числова реалізація розв'язку здійснювалася на персональному комп'ютері, що дозволило проводити розрахунок з високою точністю.

Запропонований підхід дозволяє більш адекватно описати температурний стан конструкції, бо враховує умови теплопередачі, та зміну за часом температури зовнішнього середовища в умовах стандартної пожежі.

Результати досліджень міцнісних та деформативних характеристик бетону підтверджують гіпотезу про негативний вплив на нього тепловологісної дії. Встановлено, що при нагріві та охолодженні бетону при температурах 673 К і вище на кожному циклі спостерігається різке зниження його міцності.

На рис.2 подані криві зниження міцності бетону, який піддавався циклічному високотемпературному нагріву та охолодженню водяними струменями. Кожний цикл включає в себе нагрів тривалістю 1800 секунд та охолодження на протязі 60-ти секунд.

Виявлено, що міцність бетону, який двічі підлягав водяному охолодженню при температурах 673 К і 873 К еквівалентна міцності бетону, нагрітого до 1173 К. Ці дані свідчать про те, що вже на початкових стадіях пожежі бетон, який піддавався охолодженню, практично повністю втрачає свою міцність, що може призвести до руйнування конструкцій.

Для визначення міцності бетону, який піддавався діям високих температур і зволоженню, застосована наступна формула:

де DRb(n,t,T) і se(n,t,T) розраховуються на кожному циклі у випадку дії високих температур, а DRb(n,W,T) и se(n,W,T) – у випадку зволоження.

У третьому розділі наведені результати експериментальних досліджень міцнісних характеристик суцільних залізобетонних плит при односторонньому високотемпературному нагріві та водяному охолодженні (2 цикли), проведених за відомими методиками ВНДІПБ та НДІЗО, удосконаленими з урахуванням введення фактору охолодження.

В якості дослідних зразків використовувались плити, виготовлені з важкого бетону, розміром в плані 1,2 х 1,2 м з висотою перерізу 0,12 м. Склад і розхід матеріалів відповідає складу та розходу матеріалів для виготовлення зразків, дослідження яких описано в розділі 2 дисертацїї.

Нагрів плит виконувався на спеціальній електричній печі потужністю 50 кВт у відповідності до вимог ДСТУ Б В.1.1-4-98 "Будівельні конструкції. Методи випробувань на вогнестійкість. Загальні вимоги" і дозволяє підтримувати температурний режим, наближений до стандартного.

За ходом досліджень здійснювався контроль розподілу температур за перерізом плити, величини прогинів, ширини розкриття тріщин, оцінювався характер тріщиноутворення та руйнування плит. Метод дослідження включає в себе водяне охолодження контрольних плит після їх нагріву за заданим режимом з наступним руйнуванням на спеціальній установці .

Результати експериментів підтвердили негативність тепловологісного впливу на міцнісні характеристики залізобетонних елементів. Руйнування плит відбувалося за похилим перерізом, що свідчить про зниження сил зчеплення бетону з арматурою в процесі нагріву та охолодження. При цьому, в конструкціях, які піддавались водяному охолодженню, під час руйнування здійснювалося відшарування захисного шару бетону практично на всій площі плити, на відміну від зразків, які не піддавалися тепловологісній дії, де руйнувалися тільки ділянки спирання.

Зниження міцності плит (рис.3), які підлягали високотемпературному нагріву та водяному охолодженню (2 цикли), майже в два рази менша, ніж несуча здатність дослідних зразків, які підлягали тільки нагріву.

Трішиностійкість плит, які піддавалися тепловологісним діям, значно нижча, ніж плит, які не охолоджувалися водою. Ширина розкриття тріщин в перших перевищила допустимі значення для умов нормальної експлуатації конструкцій в 3.5 рази.

У четвертому розділі викладений метод експериментальної оцінки впливу високих температур та водяного охолодження на межу вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів в умовах температурного режиму реальної пожежі, приведеного до стандартного, та результати експериментальних досліджень, які отримані за ходом натурних вогневих випробувань.

Розроблений метод дозволяє змоделювати осередок реальної пожежі та дії пожежних підрозділів по його ліквідації, а також вибіркове охолодження водяними струменями плит за заданим режимом через кожні 1200 секунд протягом 3600 с. з допомогою спеціально сконструйованих металевих екранів (рис.4).

Вогневим випробуванням підлягали попередньо напружені плити перекриття марки ПК 60.12–8 АтVт, розмірами 6 х 1,2 х 0,22 м, які були виготовлені з важкого бетону класу В20 згідно ДСТУ Б В.2.7 – 43 – 96. Межа вогнестійкості даної плити складала 1,5 год.

Плити перекриття, що випробувалися, встановлювалися на стіни, побудовані з керамзитобетонних блоків. Навантаження на плити складало 80 % від запроектованого.

В якості горючого завантаження використовувалась деревина твердих порід. Об'єм горючого навантаження приймався розрахунковим шляхом з метою підтримання необхідного температурного режиму протягом 7200 секунд.

В процесі експерименту виконувались заміри прогинів плит, температури в перерізах плит та арматурних стрижнів, відслідковувався характер тріщиноутворення та пошкоджень конструкцій. Температурний режим в зоні горіння регулювався кількістю повітря, яке подавалось в приміщення за допомогою пожежного димовисмоктувача, і був близьким до стандартного.

Експериментально встановлено негативний вплив циклічної тепловологісної дії на межу міцності згинальних конструкцій. Виявлено, що фактична межа вогнестійкості плит, які піддавалися такому впливу, значно нижча, ніж нормативна та розрахункова.

В залежності від режиму охолодження середня швидкість наростання деформацій склала для плит:

П-1 – 0,055 . 10-3 м/с (без охолодження водою);

П-2 – 0,17 . 10-3 м/с (дворазове охолодження водою через кожні 1200 с);

П-3 – 0,067 . 10-3 м/с (одноразове охолодження водою ).

На час ліквідації горіння температура арматурних стрижнів досягла 873 К і повністю вичерпала свої пружнопластичні властивості.

Аналізуючи характер тріщиноутворення та руйнування поверхневого шару бетону можна зробити висновок про те, що він в значній мірі співпадає з характером тріщиноутворення на плитах, які описані в третьому розділі. Найбільш інтенсивне розтріскування спостерігалось на поверхні плити П–2, яка двічі підлягала водяному охолодженню (рис 5).

Окрім цього, плити, які підлягали водяному охолодженню, мають значні сколи та відшарування захисного шару бетону на глибину до 0,003 м з середнім діаметром до 0,04 м. При знятті цих плит відбулося їх крихке руйнування на глибині залягання арматури (рис.6).

У п'ятому розділі поданий метод оцінки вогнестійкості будівель після пожежі та визначення залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних конструкцій.

Після вогневого впливу на будівельні конструкції в процесі пожежі в них формуються різного роду ушкодження та дефекти, що призводять до відхилень від початкової фактичної межі вогнестійкості.

Це викликає зменшення робочого перерізу ЗБК, зниження міцності та нагромадження пошкоджень.

Всі ці фактори можуть впливати на вогнестійкість будівельних конструкцій будівель та споруд.

Як відомо, фактична межа вогнестійкості згинальних залізобетонних конструкцій залежить від величини експлуатаційного навантаження на конструкції, товщини захисного шару бетону, площі поперечного перерізу арматури або її діаметру.

У випадку визначення фактичної межі вогнестійкості залізобетонних конструкцій після пожежі необхідно враховувати термін експлуатації будівлі та корозійні пошкодження арматури, які призводять до зменшення її робочого перерізу. Зменшення перерізу арматури спричиняє збільшення напружень при тих самих експлуатаційних навантаженнях. В свою чергу це веде до зниження критичної температури нагрівання арматури при пожежі. На рис. 7 показана залежність критичної температури нагрівання робочої арматури залізобетонних плит при пожежі (Ts.cr) від зміни її діаметру (ds). Ця залежність отримана за результатами обчислювального експерименту, проведеного за методом М.Я. Ройтмана та Ю.В.Алексєєва.

Дії перерахованих вище факторів призводять до зниження значень фактичних меж вогнестійкості.

Для розрахунку фактичної межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів після пожежі на прикладі залізобетонної плити використовуємо наступний алгоритм.

Робоча висота стиснутої зони бетону пошкодженої конструкції:

, (8)

де hexp – висота перетину елементу після вогневого впливу, dexp – середня товщина пошкодженого шару, dsexp – діаметр пошкодженої арматури.

Згинальний момент при розрахунковій схемі у виді балки на двох опорах з урахуванням навантаження при пожежі:

. (9)

Коефіцієнт стиснутої зони бетону пошкодженої конструкції:

. (10)

Відносна висота стиснутої зони бетону при пожежі:

t = 1–. (11)

Визначаємо значення експлуатаційної критичної температури прогріву робочої арматури плити при пожежі (Тs.erexp). З графіку на рис. 7 знаходимо dsexp/dsdes, а потім по відношенню Тsexp/Тsdes (k) знаючи проектне значення критичної температури знаходимо Тs.erexp як відношення k . Tsdes.

Щільність сухого бетону:

. (12)

Коефіцієнт впливу щільності бетону К беремо з відповідних довідників.

Коефіцієнт теплопровідності бетону

lt = А+ B.tm. (13)

Коефіцієнт теплоємності бетону

Сt = С + D.tm . (14)

Коефіцієнт температуропровідності бетону

. (15)

Функція помилок Гауса

(16)

За довідниковими даними знаходимо аргумент функції Х.

Ордината поверхні арматурного стрижня:

ysexp = dexp. (17)

Тут в розрахунку враховуємо ординату поверхні арматурного стрижня, а не центра ваги, так як сталь має високу теплопровідність і весь об'єм арматурного стрижня прогрівається миттєво.

Фактична (залишкова) межа вогнестійкості плити при нагріві робочої арматури внаслідок пожежі визначається за формулою:

. (18)

ВИСНОВКИ

1. Виконано комплексну оцінку стану системи: будівельний матеріал–конструкція–будівля з урахуванням впливу негативних факторів пожежі на стадії її розвитку та гасіння.

2. Підтверджено гіпотезу про негативну дію тепловологісного впливу на міцнісні та деформативні характеристики бетону. Встановлено, що міцність важкого бетону, підданого дворазовому водяному охолодженню при температурах 673 і 873 К еквівалентна міцності бетону, нагрітого до 1173 К.

3. Вивчено вплив вологості на межу вогнестійкості залізобетонних конструкцій, в результаті чого встановлено, що наявність деякої кількості вологи підвищує теплоємність матеріалу, збільшуючи цим самим межу вогнестійкості конструкцій за другим граничним станом. Підвищення вологовмісту до величини більше ніж 5 % найчастіше призводить до вибухоподібного руйнування матеріалу, різко знижуючи межу вогнестійкості будівельного елементу. Гранична величина вологості важкого бетону на гранітному заповнювачі не повинна перевищувати 5.3 % – 5.5 %.

4. Встановлено, що до моменту гасіння пожежі в захисному шарі бетону і прилеглому до нього шарі вологість відсутня. При подачі води на поверхню залізобетонної конструкції відбувається різке зростання вологості до критичних значень, що призводять до тріщиноутворення та відшарування захисного шару бетону.

5. Урахування вологісних характеристик важкого бетону при випробуваннях на вогнестійкість дозволяє підвищити достовірність і точність отриманих результатів.

6. При організації гасіння пожеж необхідно враховувати ризик обвалення конструкцій, який зростає при повільному нарощуванні сил і засобів пожежогасіння в період подачі вогнегасних речовин (води) на нагріті поверхні несучих залізобетонних елементів будівель з метою їхнього охолодження.

7. Розроблено новий метод експериментальної оцінки вогнестійкості згинальних залізобетонних конструкцій, який дозволяє оцінювати напружено–деформований стан конструктивних елементів з урахуванням впливу негативних факторів пожежі на стадіях її розвитку та гасіння.

8. Розроблено метод оцінки вогнестійкості будівель після пожежі і визначення залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів.

9. Розроблені практичні рекомендації з проведення експертної пожежно–технічної оцінки стану будівельних конструкцій, які підлягали вогневому впливу при пожежі, що дозволяють провести якісну оцінку технічного стану будівель та споруд, виконаних із залізобетонних конструкцій, після пожежі та прийняти рішення щодо їх придатності до подальшої експлуатації.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в роботах:

Кулешов Н.Н., Стельмах О.А., Юзькив Т.Б. Исследование процессов тепло–влагопереноса при циклическом нагреве и водяном охлаждении бетона и их влияние на огнестойкость строительных конструкций// Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. -Вып. 7. –Харьков: ХИПБ, 2000. – С. 121–126.

Кулешов Н.Н., Стельмах О.А., Юзькив Т.Б. Определение прочности бетона с учётом тепловлажностных воздействий при пожаре//Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. -Вып. 8. –Харьков: АПБУ, 2000. – С. 99– 102.

Кулешов Н.Н., Стельмах О.А., Юзькив Т.Б. Экспериментальные исследования поведения железобетонных конструкций при циклическом водяном охлаждении в условиях реального пожара//Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. -Вып. 6. –Харьков: ХИПБ, 1999. – С. 85–87.

Кулешов Н.Н., Стельмах О.А., Юзькив Т.Б. Особенности поведения бетона при разных режимах нагрева и охлаждения//Проблемы пожарной безопасности: Сб. научн. тр. Вып. 5. -Харьков: ХИПБ, 1999.-С.137-140.

Ольшанский В.П., Юзькив Т.Б. Методика расчёта температуры прогревания плиты в условиях стационарного пожара//Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: Зб. наук. пр. -Вип. 5. – Рівне: РДТУ, 2000. –С. 216–220.

Кулєшов М.М., Стельмах О.А., Юзьків Т.Б. Експериментальні дослідження характеристик тепловологопереносу при високотемпературному нагріву і водяному охолодженні бетону//Актуальні проблеми філософії науки і сучасних технологій: Зб. наук. пр. Вип. 388.–Харків: ХДУ, 1997.–С.236–237.

Юзьків Т.Б. Вплив тепло–вологопереносу на бетон під час його циклічного нагрівання і водяного охолодження та їх вплив на вогнестійкість будівельних конструкцій//Теорія і практика будівництва. Вісник НУЛП. -Вип. 409. –Львів: НУЛП, 2000. – С.183–188.

Кулєшов ММ., Юзьків Т.Б. Практичний інженерний підхід до рішення проблем вогнестійкості//Пожежна безпека: Наук. збірник. –Черкаси: ЧІПБ МВС України, 1999.–С. 7–10.

Кулєшов М.М., Стельмах О.А., Юзьків Т.Б. Особливості поведінки залізобетонних будівельних конструкцій при циклічному охолодженню водою//Пожежна безпека: Наук. збірник. –Черкаси: ЧІПБ МВС України, 1999.–С. 59–60.

Кулешов Н.Н., Стельмах О.А., Юзькив Т.Б. Влияние циклического охлаждения на прочность бетона//Проблема горения и тушения пожаров на рубеже веков: Материалы 15 научно–практической конференции.–М.: 1999.–С.200–202.

АНОТАЦІЯ

Юзьків Т.Б. Оцінка тепловологісного впливу на граничні стани за вогнестійкістю згинальних залізобетонних елементів при пожежі. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02 – Пожежна безпека, Академія пожежної безпеки України, Харків, 2001.

Аргументовано обґрунтована необхідність врахування впливу водяного охолодження при проведенні розрахунків межі вогнестійкості залізобетонних конструкцій. Проведена серія експериментальних досліджень, які дозволили оцінити тепловологісний вплив на згинальні залізобетонні конструкції при високотемпературному нагріві та охолодженні. Розроблені методи оцінки стану ЗБК після тепловологісної дії, які дозволяють враховувати вплив водяного охолодження при гасінні пожежі на їх міцність та деформативність. Розроблено метод оцінки ступеня вогнестійкості будівель після пожежі та визначення залишкової межі вогнестійкості згинальних залізобетонних елементів і практичні рекомендації щодо проведення експертної оцінки стану ЗБК, які підлягали тепловологісній дії в умовах пожежі.

Ключові слова: залізобетон, межа вогнестійкості, тепловологісний вплив, теплотехнічні характеристики, міцність, деформативність.

АННОТАЦИЯ

Юзькив Т.Б. Оценка тепловлажностного влияния на предельные состояния по огнестойкости изгибаемых железобетонных элементов при пожаре. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02 – Пожарная безопасность, Академия пожарной безопасности Украины, Харьков, 2001.

Диссертация посвящена вопросу исследования огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций.

Проведен комплекс экспериментальных и теоретических исследований по выявлению влияния высокотемпературного нагрева и циклического водяного охлаждения на прочностные и деформативные характеристики изгибаемых железобетонных конструкций.

На основе изучения процессов тепловлагопереноса в бетоне установлен механизм снижения прочности и повышения деформативности железобетонных конструкций. Выявлено, что бетон, который подвергался двукратному высокотемпературному нагреву и охлаждению, снижает свою прочность более чем в два раза. Установлено, что прочность бетона подверженного циклическому водяному охлаждения при температурах 673 и 873 К эквивалентна прочности бетона нагретого до 1173 К.

С каждым последующим циклом тепловлажностного воздействия происходит интенсивный процесс влагопоглощения нагретым слоем бетона. Это способствует быстрой потере защитным слоем бетона своих функций (растрескивание, отслоение и разрушение защитного слоя).

Разработаны методы оценки предела огнестойкости и остаточной прочности изгибаемых железобетонных конструкций с учетом количества циклов тепловлажностного воздействия, а также проведения экспериментальных исследований влияния высоких температур и водяного охлаждения на предел огнестойкости железобетонных плит перекрытия в условиях температурного режима реального пожара, приведенного к стандартному.

Разработанные методы определения полей влажности позволили уточнить расчет температурных полей в сечении конструкций с учетом изменения теплотехнических характеристик, зависящих от влагосодержания бетона.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований разработаны практические рекомендации по проведению экспертной оценки состояния железобетонных конструкций, подвергшихся тепловлажностным воздействиям в условиях пожара.

Ключевые слова: железобетон, предел огнестойкости, тепловлажностное влияние, теплотехнические характеристики, прочность, деформативность.

ABSTRACT

Yuzkiv T.B. An estimation of the heat-and-moisture influence upon the limit states according to the fire-resistance of bending ferroconcrete elements during fire. – Manuscript.

A dissertation for the degree of candidate of technical sciences in field 21.06.02 – fire safety. Fire Safety Academy of Ukraine, Kharkiv, 2001.

The dissertation presented a substantiated basis for fact that the water cooling influence upon ferroconcrete constructions should be taken into account while calculating the fire-resistance limit. A series of experimental research was conducted. The research enabled the estimation of the heat-and-moisture influence upon bending ferroconcrete constructions while high temperature heating and cooling. Techniques for estimating the state of ferroconcrete constructions after heat-and-moisture influence were developed. These techniques make possible taking into account the influence of water cooling during fire extinguishing upon the strength and deformatibility of ferroconcrete constructions. A technique for estimating the fire-resistance degree of buildings after fire and determining the residual fire-resistance limit of bending ferroconcrete elements was developed. Practical recommendations for conducing expert estimation of the state of ferroconcrete constructions influenced by a heat-and-moisture activity under the conditions of fire were developed.

Key words: fire-resistance limit, heat-and-moisture influence, thermal and technical properties, strength, deformatibility, ferroconcrete.