ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Рашид Шауш

УДК 624.012.3+699.812

РОБОТА ЗБІРНО-МОНОЛІТНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ

КОНСТРУКЦІЙ ІЗ ЗАСТОСУВАННЯМ ПУСТОТНИХ БЛОКІВ

ПРИ ВПЛИВІ КЛІМАТИЧНОГО І ПОЖЕЖНОГО СЕРЕДОВИЩА

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції,

будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті

будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник

доктор технічних наук, професор

Фомін Станіслав Леонідович,

Харківський державний технічний

університет будівництва та архітектури,

професор кафедри залізобетонних і

кам'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

Демчина Богдан Григорович,

Національний університет

“Львівська політехніка”,

завідувач кафедри будівельних

конструкцій і мостів;

кандидат технічних наук, доцент

Стельмах Олег Адамович,

Університет цивільного захисту України,

заступник начальника кафедри пожежної

профілактики в населених пунктах.

Провідна установа

Харківська національна академія міського

господарства, кафедра будівельних

конструкцій, Міністерство освіти і науки

України, м. Харків.

Захист відбудеться “5” липня 2006 р. о 13-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: вул. Сумська, 40, м. Харків, 61002.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: вул. Сумська, 40, м. Харків, 61002.

Автореферат розісланий “5” червня 2006 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент О.Ю. Крот

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Збірно-монолітні залізобетонні конструкції із застосуванням пустотних блоків знайшли широке поширення в будівництві. Простота виробництва, невелика енергоємність їхнього виготовлення, відсутність необхідності дорогих піднімальних механізмів сприяють застосуванню цих конструкцій і на будовах України.

Недостатня вивченість поводження цих конструкцій в умовах впливу кліматичного і пожежного середовища деякою мірою стримує поширення цих конструкцій на райони з жарким кліматом, у тому числі Марокко, і утрудняє визначення їхньої вогнестійкості незалежно від районування будівництва.

Накопичені результати експериментальних і натурних досліджень, а також розвиток ряду суміжних дисциплін до цього часу створили умови для рішення розглянутої проблеми на принципово новій основі. Застосування теорії тепломасопереносу, заснованої на понятті потенціалу вологості, дозволяє істотно уточнити результати розрахунку температурних і вологісних полів у конструктивних елементах. Аналіз особливостей змушених температурно-усадочних деформацій бетону і урахування мінливості міцностних і деформативних характеристик дає можливість більш вірно оцінити напружено-деформований стан конструкцій, на основі чого розробити оцінні критерії, мінімально необхідні для забезпечення якості і безпеки.

Пожежі є серйозною проблемою для країн усього світу. В останні роки спостерігається збільшення їх кількості, істотно зростають збитки і людські жертви. Повне використання переваг збірно-монолітних конструкцій можливо після проведення спеціальних досліджень їх вогнестійкості. Тому проблема забезпечення необхідних меж вогнестійкості розглянутих будівельних конструкцій є особливо актуальною.

Обрана тема дисертаційної роботи сприяє рішенню актуальної для України проблеми удосконалення будівельних конструкцій у складних температурно-вологісних умовах і профілактики пожежної безпеки, що відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, визначених Верховною Радою України.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт з держбюджетної теми № 0037 “Розробка підсилених залізобетонних конструкцій після впливу технологічних температур і пожежі” і держбюджетній темі № 0060 “Дослідження залізобетонних конструкцій з новими видами термічно зміцненої зварювальної арматури, що працює в умовах нормальних, підвищених та високих температур”.

Метою дослідження є удосконалення методів розрахунку збірно-монолітних конструкцій із застосуванням пустотних блоків при температурно-вологісних впливах жаркого клімату і пожежного середовища.

Задачі дослідження:

1. Провести дослідження з виявлення основних параметрів кліматичного середовища Марокко (потенціалу вологості і температури) для формулювання граничних умов задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель і споруд.

2. Визначити поля потенціалу вологості в перерізах збірно-монолітних залізобетонних конструкцій перекриттів найбільш розповсюджених розмірів при однобічному висиханні для різних моментів часу. Уточнити залежність “cst-wb” для розрахунку зміни усадки і провести чисельне моделювання усадочних вільних деформацій у монолітній частині збірно-монолітного перекриття при висиханні для різних складів бетону.

3. Провести дослідження температурних полів у збірно-монолітних конструкціях з пустотними блоками при різних умовах теплообміну в пустотах. Розробити конструктивні рішення з поліпшеними теплоізолюючими характеристиками перекриттів і покрить.

4. Дослідити нестаціонарні температурні поля в перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі. Встановити ступінь впливу ефекту пустотних екрануючих блоків, характер розподілу температури по висоті і ширині перерізу балки. Розробити методику розрахунку еквівалентних температур для розрахунку температурних зусиль.

5. Провести чисельне моделювання напружено-деформованого стану в нерозрізних балках при нагріванні для з'ясування ролі температурного моменту при формуванні їх граничного стану.

6. Розробити гармонізовану з Єврокодом методику розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних конструкцій з використанням методу граничної рівноваги і деформаційної моделі.

7. Провести експериментальні дослідження з метою виявлення особливостей роботи збірно-монолітних часторебристих залізобетонних конструкцій перекриттів з пустотними блоками при нагріванні і підтвердження розробленої методики розрахунку їх вогнестійкості.

8. Впровадити результати дослідження в проектування і будівництво.

Об'єкт дослідження – залізобетонні збірно-монолітні конструкції, що працюють в умовах впливу кліматичного і пожежного середовища.

Предмет дослідження – робота часторебристих збірно-монолітних залізобетонних конструкцій із застосуванням пустотних блоків в умовах впливу кліматичного і пожежного середовища.

Методи дослідження – аналітичні і чисельні рішення нелінійних рівнянь тепло-вологопровідності, методи теорії залізобетону, враховуючі фізичну нелінійність бетону і арматури, використання і розробка нової методики оцінки напружено-деформованого стану залізобетонних конструкцій при нагріванні на основі деформаційної моделі, експериментальні методи досліджень.

Наукова новизна роботи:–

запропоновані розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури), що дозволяють сформулювати граничні умови задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель і споруд для кліматичних поясів і областей Марокко;–

визначені нестаціонарні поля потенціалу вологості по перерізу монолітних залізобетонних плит збірно-монолітного перекриття найбільш розповсюджених товщин – 4, 5 і 6 см по уточненій програмі рішення системи нелінійних диференціальних рівнянь тепло-вологопереносу; отримані залежності розподілу вагової відносної вологості по висоті плит у часі; побудовані діаграми розподілу вільних деформацій усадки по перерізу залізобетонних плит у різні моменти часу сушки; –

розроблені конструктивні рішення по поліпшенню теплоізолюючих характеристик перекриттів і покрить на основі чисельних досліджень температурних полів у збірно-монолітних конструкціях з пустотними блоками при різних умовах теплообміну;–

встановлений екрануючий ефект пустотних блоків в результаті досліджені нестаціонарних температурних полів в перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі; виявлені резерви вогнезбереження за рахунок відновлення міцності арматури при її охолодженні;

– розроблена гармонізована з Єврокодом методика розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних конструкцій із застосуванням методу граничної рівноваги, деформаційної моделі. Запропоновані критериальні рівняння для визначення меж вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок;–

отримані результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану статично невизначених збірно-монолітних залізобетонних конструкцій при впливі високих температур. Виявлено особливості перерозподілу зусиль в результаті впливу температурних моментів, умови утворення пластичних шарнірів. Підтверджено справедливість розробленої методики розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблена методика розрахунку збірно-монолітних залізобетонних конструкцій із застосуванням пустотних блоків дозволяє підвищити точність розрахунку конструкцій з урахуванням температурно-вологісних впливів кліматичного середовища, визначити межі вогнестійкості нерозрізних залізобетонних конструкцій, розробити раціональні конструктивні рішення з забезпеченою межею вогнестійкості. Результати роботи впроваджені в проектування і будівництво будинків, а також при розробці навчального посібника для курсантів пожежно-технічних учбових закладів і студентів будівельних вузів.

Особистий внесок здобувача:–

отримані розрахункові залежності річного ходу потенціалу вологості і температури в кліматичних поясах і областях Марокко для рішення задач тепло-вологопровідності в залізобетонних конструкціях будівель і споруд;–

визначені поля потенціалу вологості в перерізах монолітних залізобетонних плит збірно-монолітних перекриттів, залежності розподілу вагової відносної вологості по висоті плит у часі; залежності розподілу вільних деформацій усадки в перерізі залізобетонних плит для різних моментів часу сушки; –

проведені чисельні дослідження температурних полів у збірно-монолітних конструкціях з пустотними блоками при різних умовах теплообміну, розроблені конструктивні рішення по поліпшенню теплоізолюючих характеристик перекриттів і покрить;–

проведені дослідження нестаціонарних температурних полів у перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі; виявлений екрануючий ефект пустотілих блоків; виявлені резерви вогнезбереження за рахунок відновлення міцності арматури при її охолодженні;

– розроблена методика розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних конструкцій, яка гармонізована з Єврокодом;

– проведені експериментальні дослідження напружено-деформованого стану статично невизначених збірно-монолітних залізобетонних конструкцій при впливі високих температур. Виявлено особливості перерозподілу зусиль в результаті впливу температурних моментів, особливості утворення пластичних шарнірів.

Апробація результатів роботи.

Основні результати роботи доповідалися на І і ІІ міжнародних наукових конференціях “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, ХДТУБА, 2003, 2005), наукових конференціях ХДТУБА 1995- 2005 р.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований у 7 друкованих працях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, що включають експериментальну і теоретичну частини, висновків, списку використаних джерел з 123 найменувань. Вона містить 269 сторінок, у тому числі 111 сторінок машинописного тексту, 220 рисунків, 13 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і задачі дослідження, показана наукова новизна, практичне значення роботи, дані зведення про апробацію і публікацію результатів дослідження.

У першому розділі проведений аналітичний огляд конструктивних рішень збірно-монолітних залізобетонних конструкцій будівель із застосуванням пустотних блоків, методів їх розрахунку з урахуванням впливу кліматичного і пожежного середовища.

Кліматичні температурно-вологісні впливи найбільш інтенсивні в районах з жарким кліматом, що характеризується підвищенням температури повітря до 50С і поверхні – до 90С, відносно низкою вологістю до 9- 20 %.

В результаті досліджень Б. Саіні, А.П. Кричевського, Г. Ліпсмайера, С.А. Миронова, Е.Н. Малинського, В.П. Пунагіна, А.Н. Римши, В.Н. Самойленко, С.Л. Фоміна, Е.Н. Щербакова, Т.М. Юмоля, І. Ясичака й ін. встановлено, що виникнення температурно-вологісних деформацій від кліматичних впливів, приводить до появи внутрішніх і зовнішніх тріщин, викрашування і відшарування бетону, зміні його фізико-механічних характеристик, виникненню зусиль від стримування температурних і вологісних деформацій.

Оцінка впливу кліматичного середовища складається з визначення температури і вологості в перерізах елементів, визначення вільних деформацій усадки і набухання, аналізу напружено-деформованого стану конструкцій.

Розробці методів розрахунку температурно-вологісних полів у бетонних і залізобетонних конструкціях присвячені роботи С. В. Александровського, А. В. Белова, А. А. Гвоздьова, А. В. Ликова, Ш. Н. Плята, С. Г. Фарбера, К. Ф. Фокіна, С. Л. Фоміна і багатьох інших авторів.

Для аналізу температурно-вологісних полів в конструкціях використана теорія потенціалу вологості В. Н. Богословського, згідно з якою модифікована система диференціальних рівнянь тепло - і вологопереносу в бетоні має вигляд:

(1)

. (2)

Дослідження усадочних деформацій бетону для різних температур проводилися С. В. Александровським, А. В. Беловим, О. Я. Бергом, A. В. Голишевим, А. П. Кричевським, А. Ф. Миловановим, А. В. Путансом, Л. Р. Сірих, В. И. Самойленко, И. Н. Улицьким, С. Г. Фарбером, С. Л. Фоміним, В. Н. Щербаковим і ін.

Під впливом високої температури при пожежі міцність залізобетонних конструкцій знижується, а іноді відбувається їх руйнування, у зв'язку з чим забезпечення необхідної межі вогнестійкості залізобетонних конструкцій є однією з найважливіших задач багатьох країн світу.

Проблемам вогнестійкості залізобетонних конструкцій присвячені роботи Б. Бартелемі Б., В.П. Бушева, И. Гійона, Б.Г.Демчини, Ф. Леонгардта, Т.Т. Ли, В.В. Жукова, М.И. Колякова, Ж. Крюппа, М.М. Кульшова, Х.Л. Мальхотри, А.Ф. Милованова, В.И. Мурашова, Э.Ф.Панюкова, В.А. Пчелинцева, А.В.Пчелинцева, В.М.Ройтмана, М.Я. Ройтмана, І.Т. Романенкова і В.Н. Зигерн-Корна, О.А.Стельмаха, С.Л.Фоміна, Е.Д. Чихладзе, В.С. Шмуклера, А.І. Яковлєва і інших дослідників.

У ХДТУБА проведені експериментальні дослідження впливу температури на деформативні властивості бетону. Отримано повні діаграми деформування бетону і арматури, емпіричні формули їх опису.

При нормальних температурах дослідженню нерозрізних залізобетонних конструкцій присвячені роботи Бондаренко В.М., Гвоздьова А.А., Городецького А.С., Диховичного А.А., Зайцева Ю.В., С.М. Крилова., Маіляна Л.Р. і ін.

В експериментальних дослідженнях виявлений вплив опорного і пролітного армування на деформативність, тріщиностійкість, перерозподіл зусиль. Виявлено, що вогнестійкість нерозрізних залізобетонних конструкцій значно вища розрізних еквівалентного перерізу, що обумовлюється виникненням у них температурного моменту, який при нагріванні знизу розвантажує пролітні перерізи і довантажує опорні.

Головною тенденцією розвитку сучасної світової нормативної бази в області бетону і залізобетону, у тому числі в Україні, є зближення технічного змісту, вимог і правил нормативних документів різних країн. Єврокод XP ENV 1992-1-2 “Загальні правила: Розрахунок поводження у вогні” визначає порядок розрахунку і конструювання залізобетонних конструкцій в умовах впливу пожежі для країн європейського співтовариства. Однією з задач дослідження ставилася розробка методики розрахунку розглянутих конструкцій, гармонізованої з Єврокодом.

В результаті виконаного аналізу визначені і сформульовані задачі досліджень.

Другий розділ присвячений дослідженню температурно-вологісних впливів кліматичного і пожежного середовища на збірно-монолітні залізобетонні конструкції, що виявляються у виникненні в них зусиль і напружень в результаті змушених деформацій від нагрівання і усадки.

Для розрахунку розподілу змушених температурно-усадочних напружень і зусиль необхідно встановити кліматичні параметри і їх вплив на міцностні і деформативні властивості збірно-монолітних залізобетонних конструкцій.

На основі обробки результатів спостережень метеорологічних станцій систематизовані дані про відносну вологість і середню температуру повітря t у містах Марокко. Для призначення граничних умов задачі вологопровідності по цим даним визначалася величина потенціалу вологості середовища відповідно до методики ХДТУБА. Для діапазону температур повітря Марокко 0<t<50С виведена наступна емпірична формула

q = 19,7+5,371610-2exp(0,003125 e)- 19,75exp(-0,00191 е), (3)

у якій величина пружності водяної пари e визначається в залежності від температури t і відносної вологості повітря .

Запропоновано розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури), що дозволяють сформулювати граничні умови задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель і споруд для кліматичних поясів і областей Марокко.

Модернізовано методику побудови консервативної різницевої схеми для рівнянь (1) – (2), розроблені алгоритм і програма розрахунку на ПК у середовищі Turbo C, по якій розраховані поля потенціалу вологості по перерізу монолітної частини збірно-монолітних конструкцій найбільш розповсюджених товщин – 4, 5 і 6 см при однобічному висиханні з верхньої поверхні. Для різних складів бетону виявлені періоди виникнення максимальних градієнтів потенціалу вологості і наступу сталого режиму.

На основі аналізу залежності між відносною ваговою вологістю w, потенціалом вологості і температурою t, а також ізотерм сорбції бетонів виведена наступна емпірична формула:

W= 0,000006 3– 0,001299 2+ 0,126064 + 0,019301, (4)

за допомогою якої отримані основні залежності – розподіл вагової відносної вологості по висоті плит у часі.

Досліджені поля вільних усадочних деформацій у перерізах збірно-монолітних залізобетонних елементів. Запропоновано залежність для визначення усадки звичайного важкого бетону

e cst= e csut - a cst Wb= 0,00062 - 0,032Wb , (5)

по якій побудовані діаграми розподілу вільних деформацій усадки по перерізу залізобетонних плит у різні моменти часу сушки.

Отримані результати чисельного моделювання усадочних вільних деформацій показують динаміку протікання усадочних процесів у монолітній частині збірно-монолітного перекриття для різних складів бетону.

Проведено чисельні дослідження температурних полів у збірно-монолітних конструкціях з пустотними блоками при різних умовах теплообміну в пустотах. Розроблено конструктивні рішення по поліпшенню теплоізолюючих характеристик перекриттів і покрить шляхом створення вентиляції в пустотах блоків чи введення теплоізоляційних вкладишів або екранів від променистого нагрівання. Результати розрахунку приведені на рис. 1.

Досліджено нестаціонарні температурні поля в перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі. Для оцінки вогнестійкості цих конструкцій модернізована методика розрахунку ХДТУБА на випадок двовимірних багатозв’язкових теплових систем (які мають замкнуті пустоти). Методика заснована на чисельному рішенні нелінійного диференціального рівняння теплопровідності з перемінними від температури коефіцієнтами тепло переносу.

Рис. 1. Теплова система збірно-монолітного перекриття (а), температурне поле

з урахуванням променистого теплообміну (б), з теплоізоляцією пустоти блоку (в),

при наявності вентиляції в пустоті блоку (г), у суцільному блоці для 2 год нагрівання (д)

. (6)

Програма розрахунку функціонує під керуванням інтерактивної оболонки, що дозволяє візуально контролювати обчислювальний процес і у випадку прояву нестійкості змінювати крок інтегрування за часом.

Моделювалася теплова система обраного для дослідження типу збірно-монолітного покриття, що складається зі збірних балок, встановлених із кроком 640 мм, і пустотних блоків шириною 460 мм і висотою 200 мм. По верхній поверхні перекриття задані граничні умови III роду: температура повітря прийнята рівною 20С, на нижній поверхні реалізовані умови стандартної пожежі

. (7)

Вирішено нестаціонарну задачу загальною тривалістю пожежі 120 хв із кроком 1 хв. Дані розрахунку виведені для 15, 30, 45, 60, 75, 120 хв. Температурне поле в перерізі конструкції з пустотними блоками і без блоків для часу 75 хв показане на рис. 2. Встановлено вплив екрануючого ефекту пустотних блоків, істотне розходження в розподілі температури по ширині перерізу балки і збільшення рівня нагрівання перерізу при їх відсутності.

При оцінці вогнестійкості і залишкової міцності статично невизначених часторебристих перекриттів важливим є урахування температурного поля на спадній гільці режиму пожежі (у фазі загасання пожежі або після його гасіння).

Рис. 2. Температурне поле в перерізі перекриття з пустотними блоками (а) і без блоків (б) для 75хв нагрівання при стандартному режимі пожежі

Оцінка такого варіанта впливу при стандартній пожежі до 75 хв показана на діаграмах (рис. 3), з яких, зокрема, випливають резерви вогнезбереження за рахунок відновлення міцності арматури при її охолодженні.

Рис. 3. Зміна температури в перерізі збірно-монолітного перекриття в часі (а),

розподіл температури по висоті перерізу балки при стандартному режимі

пожежі до 75 хв і охолодженні (б)

Розроблено методику розрахунку еквівалентних температур для уточнення температурно-вологісних зусиль в конструкціях.

У третьому розділі розглянутий напружено-деформований стан збірно-монолітних залізобетонних елементів з пустотними блоками при впливі кліматичного і пожежного середовища.

Проведено чисельні дослідження усадочних напружень у тривимірній моделі збірно-монолітної конструкції методом кінцевих елементів з використанням програмного комплексу ЛІРА Windows версії 9.2.

Як об'єкт дослідження, обрано фрагмент часторебристого перекриття у виді однопрогонової балки довжиною 6000 мм таврового поперечного перерізу. Об'ємна модель балки складена з 1200 просторових восьмивузлових ізопараметричних елементів типу КЕ-36.

Результати розрахунку напружено-деформованого стану балки від максимального градієнту усадочних деформацій по товщині монолітної плити і повній її усадці показані на рис. 4. Отримано, що градієнт усадки привів до збільшення прогину і до розвантаження нижньої фібри Nу= -20,98 МПа (рис. 4а). Виникли значні розтягуючи напруження у верхніх фібрах (Nу= 940 МПа), що приводить до появи тріщин. У статично невизначених балках стримування цього прогину приводить до утворення додаткового моменту на опорах.

При максимальній усадці монолітної плити також збільшився прогин балки, сумарні напруження в нижній фібрі Nу= -220 МПа (рис. 4б). У верхніх фібрах плити Nу= 410 МПа значно більше міцності на розтягання. Додатковий момент на опорах у нерозрізних балках буде вище ніж при дії градієнта.

Виявлено істотний вплив сонячної радіації на зусилля в нерозрізних залізобетонних часторебристих покриттях.

Рис. 4. Розподіл нормальних напружень Nу в першому блоці

балки від градієнту усадки полки (а) і від її повної усадки (б)

Дослідження напружено-деформованого стану збірно-монолітних конструкцій при впливі пожежного середовища було спрямовано на рішення проблеми розрахунку статично невизначених нерозрізних систем.

Для з'ясування ролі температурного моменту на формування граничного стану при нагріванні проведені чисельні дослідження нерозрізних балок при впливі статичних навантажень і нагріванні пожежним середовищем.

Як об'єкт дослідження обрано дослідний залізобетонний зразок, що моделює несучу трипролітну балку збірно-монолітного часторебристого перекриття двотаврового перерізу. Геометричні розміри перерізу: b’f = 60 см, h’f = 5,5 см, b = 6 см, bf = 14 см, hf = 4,5 см, h = 26 см. У верхній полиці розташована робоча арматура класу Вр-I 55 із захисним шаром товщиною 2,5 см, у нижній полиці робоча арматура класу А500С з одного стержня 10 із захисним шаром товщиною 2 см. Клас бетону на стиск В15 (Rbn = 11МПа, Еb= 2310-3 МПа, = 2250 кг/м3).

Моделювалися стержнева, плоска лінійна і комбінована розрахункові схеми балки при впливі навантажень від власної ваги, двох зосереджених сил по 5 т і температурних впливів для 20 хв нагрівання (виникнення опорних пластичних шарнірів за даними експериментальних досліджень) і для тривалого (245 хв) нагрівання до 572С.

Стержнева розрахункова схема балки. Лінійний розрахунок.

Розрахункова схема балки складена з 58 універсальних просторових стержневих елементів КЕ-10. Два крайніх прольоти балки довжиною по 0,85 м розбиті на 17 елементів, середній проліт довжиною 1,2 м – на 24 елементи.

Крайні прольоти завантажені тільки власною вагою, середній – завантажений власною вагою, двома зосередженими силами Р = 5 т, і температурним перепадом для двох періодів нагрівання знизу: 1) для часу появи пластичного шарніру (20 хв) і 2) для часу 245 хв. Отримано, що згинальний момент від температури з появою пластичного шарніра дорівнює Мt = -1,2434 тм.

Плоска розрахункова схема балки. Лінійний розрахунок

Розрахункова схема балки складена з 17400 прямокутних елементів плоскої задачі (балка-стінка) КЕ-21 довжиною 0,005 м і містить 18011 вузлів у відповідності зі схемою дискретизації поперечного переріза.

Деформована схема і ізополя нормальних напружень Nx при впливі навантаження і температури показують, що, незважаючи на істотний прогин середнього прольоту, розтягуючи напруження виникають у верхній частині балки, тому що відбувається розвантаження середнього прольоту за рахунок виникнення температурного моменту (рис. 5).

Рис. 5. Нормальні напруження Nx у перерізах балки від навантаження, власної ваги і температури при виникненні пластичного шарніра (плоска схема)

Комбінована плоска розрахункова схема балки

Оскільки розглянуті моделі не враховують реальних характеристик бетону і арматури, а також виникнення і розвиток тріщин в опорних перерізах у граничному стані, запропонована комбінована модель, що складається з пружних елементів і містить два опорних перерізи, складених з нелінійних кінцевих елементів КЕ-221. Ці перерізи моделюють пластичні шарніри шляхом завдання в них нелінійних діаграм деформування бетону і арматури, виникнення тріщин і руйнувань.

Розрахункова схема балки складена з 17340 прямокутних елементів плоскої задачі (балка-стінка) КЕ-21 довжиною 0,005 м і 60 фізично нелінійних прямокутних елементів плоскої задачі (балка-стінка) КЕ-221. Для плоских лінійних елементів КЕ-21 м застосовані 5 видів жорсткостей. Для бетону і арматури нелінійних КЕ-221, що моделюють перерізи пластичних шарнірів, прийняті закони нелінійного деформування №14 – кусочно-лінійні залежності “деформації-напруження” у вигляді таблиць.

Моделювання нелінійних завантажень проводилося шляхом формування послідовності навантажень кроковим методом розрахунку з максимальним числом ітерацій 300, кількістю кроків – 10 і урахуванням передісторії завантажень.

На рис. 6а представлені ізополя нормальних напружень у балці Nx від власної ваги, навантаження Р = 5 т і температури при виникненні пластичного шарніра, які свідчить про те, що температурний момент Мt= -1,02 тм розвантажив пролітний момент у середній частині балки.

Проведено аналогічний розрахунок для 245 хв нагрівання. На рис. 6б представлений розподіл нормальних напружень Nx для 245 хв нагрівання, що показує якісно аналогічну картину попередньому розрахунку: температурний момент Мt= -1,18 тм розвантажив середню частину балки і при збільшенні температурного градієнта.

Проведено також дослідження напруженого стану при розриві перерізу тріщиною - у перерізах пластичних шарнірів видалялися напружені до граничних значень елементи. Для випадку 10 вилучених елементів і тривалості нагрівання 20 хв температурний момент дорівнює Мt = - 1,17 тм ; для випадку 20 вилучених елементів і тривалості нагрівання 245 хв Мt = - 0,7573 тм.

На основі проведених досліджень розроблена методика розрахунку вогнестійкості збірно-монолітних залізобетонних нерозрізних конструкцій, основні положення якої полягають в застосуванні стрижневої лінійної розрахункової схеми і методу граничної рівноваги, розробленого В.М.Бондаренко, А.А. Гвоздьовим, С.М.Криловим і ін.

Залізобетонні нерозрізні конструкції при нагріванні проходять 3 характерні стадії роботи. Перша стадія (f = 0) характеризується виникненням зусиль від нормативного навантаження qn, що значно нижче граничних, тобто в конструкції мається запас міцності. Найбільш небезпечними перерізами є прольотні з максимальним згинальним моментом Мn.sp і опорні з моментами на опорі Мn,sup1, Мn,sup2.

В міру нагрівання конструкції знизу в ній виникають температурні моменти Мt,sp і Мt,sup , що збільшують опорні моменти і зменшують пролітні. При збільшенні температури збільшуються опорні моменти, і по досягненні граничної величини Мu,sup на опорах утворяться пластичні шарніри. Балка з гіперстатичної (із зайвими зв'язками), по визначенню Єврокода 2, перетворюється в ізостатичну (балку з продовженими консолями) з моментами на опорах Мu,sup1, Мu,sup2.

Рис. 6. Напруження Nx від власної ваги, навантаження і температури при виникненні

пластичного шарніра (а), те ж для 245 хв нагрівання (б) (комбінована схема)

Цей стан характеризує другу стадію роботи. Пролітний момент зменшується на величину температурного моменту. При цьому можливі три випадки: а) температурний момент по абсолютній величині менший прольотного від нормативного навантаження Мt,max Мn,sp, тоді сумарний прольотний момент Мsp,fi залишається позитивним; б) Мt,max = Мn,sp , тоді Мsp,fi = 0; в) Мt,max >Мn,sp– Мsp,fi негативний, тобто нижня зона балки в прольоті виявляється стиснутою. В останніх двох випадках зниження міцності перерізу в прольоті в результаті втрати міцності арматури (Мu,sp,fi < Мn,sp) не приводить до руйнування. Подальше нагрівання не викликає збільшення температурного моменту.

Зниження міцності опорного перерізу в результаті зміни міцностних і деформативних характеристик нагрітого бетону нижньої стиснутої зони зменшує моменти в опорних пластичних шарнірах, що у свою чергу приводить до збільшення пролітного моменту. До цього періоду часу істотно знижується міцність пролітного перерізу. Третя стадія характеризується утворенням пластичного шарніра в прольоті, виникненням геометрично змінюваної схеми, тобто руйнуванням конструкції.

Статично невизначені конструкції при проектуванні розраховуються на розрахункові навантаження при нормальних температурах, за результатами яких призначаються епюри матеріалів. На рис. 7а приведений характер зміни згинальних моментів у нерозрізних балках при нагріванні і зміни епюри матеріалів на опорах і в прольоті (рис.7б). Як видно з цих рисунків, характер епюри моментів по довжині балки не змінюється, але в залежності від величин зміни опорних моментів у часі відбувається перерозподіл прольотних моментів: у першій стадії нагрівання вони зменшуються, у другий – збільшуються. Епюра матеріалів, тобто міцність опорних і прольотних зон балки, у часі зменшується.

Рис. 7. Характер зміни згинальних моментів (а) і епюри матеріалів на опорах

і в прольоті (б) у нерозрізній балці при нагріванні знизу

На рис. 8а показане сімейство кривих М(х) для чотирьох стадій нагрівання: крива 1 – епюра згинальних моментів Мfi при пожежі для часу f1= 0 (Мn,sp, Мn,sup1, Мn,sup2 – прольотний і опорні згинальні моменти від нормативного навантаження); 2 – те ж Мfi для часу f2 0 утворення першого пластичного шарніра на опорі 1 (Мn,sup1+Мt,sup1=Мu,sup1); 3 – те ж Мfi для часу f3 утворення другого пластичного шарніра на опорі 2 (Мn,sup2+Мt,sup2=Мu,sup2); 4 – епюри згинальних моментів Мfi для часу f4 утворення третього пластичного шарніра (Mu,sp,fi=Мsp,fi) - руйнування балки.

Епюри матеріалів показані прямими: 1m – епюра матеріалу для балки в холодному стані f1= 0 (Мu,sp, Мu,sup1, Мu,sup2 – несуча здатність пролітного й опорного перерізів); 2m – епюри матеріалів у процесі нагрівання для часу f2> 0 (зниження міцності пролітних перерізів в результаті нагрівання арматури Мu,sp,fi<Мu,sp і опорних перерізів в результаті нагрівання стиснутої зони бетону і стиснутої арматури Мu,sup,fi<Мu,sup); 3m – теж для часу f3; 4m – теж для часу f4 – утворення третього пластичного шарніра.

На рис. 8б представлене сімейство кривих М() для опорних і прольотних моментів, а також для кривих зміни епюр матеріалів в опорних і пролітних перерізах балки в часі.

При розрахунку вогнестійкості приймається, що під час пожежі діє нормативне навантаження (Мn,sp, Мn,sup1, Мn,sup2 – пролітний і опорні згинальні моменти від нормативного навантаження відповідно). У процесі нагрівання виникає температурний момент, що приводить до збільшення опорних моментів Мn,sup1 (крива 1), Мn,sup2 (крива 2) до значення Мu,sup1,fi і Мu,sup2,fi відповідно.

Величина пролітного моменту Мn,sp у цьому інтервалі часу зменшується (крива 3). Протягом усього часу нагрівання в результаті зниження міцності стиснутої зони бетону і стиснутої арматури граничні опорні моменти Мu,sup1,fi (крива 4) і Мu,sup2,fi (крива 5) знижуються.

Рис. 8. Послідовність зміни згинальних моментів у нерозрізних балках при нагріванні: а) сімейство кривих М(х) для чотирьох моментів часу; б) сімейство кривих М() для опорних і пролітних моментів, а також для кривих зміни епюр матеріалів в опорних і пролітних

перерізах балки в часі

Відбувається також зниження граничного пролітного моменту через нагрівання робочої арматури Мu,sp,fi (крива 6). Після утворення першого (перетинання кривої 1 із кривою 4 у точці I) і другого (перетинання кривої 2 із кривою 5 у точці II) пластичних шарнірів на опорах пролітний момент збільшується (крива 3) і при досягненні значення, рівного граничному Мu,sp,fi (перетинання кривої 3 із кривою 6 у точці III) відбувається утворення третього пластичного шарніра в прольоті.

Ґрунтуючись на викладеній методиці, отримана умова втрати несучої здатності нерозрізних залізобетонних балок і плит у вигляді

Мmax,fi=Мsp(xmax)+(Мu,sup1,fi -Мu,sup2,fi) xmax/l -Мu,sup1,fi (8)

Мmax Мu,sp . (9)

Таким чином, з рівняння (8) визначаємо для різних моментів часу максимальний пролітний момент Мmax,fi у нерозрізній балці за заданим значенням балкового максимального моменту (наприклад, Мsp(xmax)=ql2/8 при рівномірно розподіленому навантаженні q), значенням граничних опорних моментів з урахуванням температури нагрівання Мu,sup1,fi і Мu,sup2,fi.

Міцність пролітних перерізів визначається по формулі

(10)

Коефіцієнт умов роботи арматури st нормований для різних класів арматури в залежності від температури нагрівання.

Міцність опорних перерізів визначається з розрахунку по нелінійній деформаційній моделі з урахуванням повних діаграм “” бетону й арматури при нагріванні.

В інженерних розрахунках допускається міцність опорних перерізів визначати по формулі

, (11)

у якій коефіцієнт умов роботи бетону bt приймається в залежності від температури центра ваги стиснутої зони опорного перерізу балки.

Межа вогнестійкості відповідає часу виконання умови (9), при якій виникає третій пластичний шарнір у прольоті.

На підставі викладеного розрахунок вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок і плит доцільно проводити з використанням методу граничної рівноваги, деформаційної моделі і запропонованої методики, гармонізованої з Єврокодом, приймаючи величину температурного моменту постійним і рівним пайовій участі в досягненні пластичних шарнірів на опорах.

У четвертому розділі викладені результати експериментальних досліджень, метою яких ставилося виявлення особливостей роботи залізобетонних часторебристих збірно-монолітних конструкцій перекриттів з пустотними блоками при нагріванні і підтвердження розробленої методики розрахунку їх вогнестійкості.

Досліджувався фрагмент часторебристого перекриття, чисельне моделювання якого проведено в розділі 3. Як збірні елементи застосовані 3 балки (нервюри) і пустотні вкладиші зі шлакобетону. Балки довжиною 3000 мм, висотою 205 мм таврового перерізу з полицею в нижній зоні шириною – 140 мм і висотою 45 мм, шириною стінки 60 мм.

Для випробування розроблена і виготовлена спеціальна установка, що дозволяє проводити навантаження і нагрівання зразків за допомогою електричної печі потужністю 55 кВт із нагрівальною камерою розміром 100х100 см (рис. 9а).

Силова частина установки складається з рами і системи траверс, за допомогою яких зусилля від домкрата передаються на балку за схемою (рис. 9б). Крайні опори виконані у вигляді металевих серг, одягнених на балку фрагмента і тяжів, постачених динамометрами у вигляді стяжних муфт, і закріплених знизу в силовій підлозі.

Розкриття статичної невизначеності зразка проводилося за допомогою виміру переміщень всіх опор по прогиномірах, обчислення відхилення переміщень крайніх опор від прямої, проведеної через нові значення положень середніх опор, усунення нев'язання шляхом укорочення або подовження тяжів стяжними муфтами і виміру реакцій крайніх опор.

Замір температури в бетоні і арматурі проводився за допомогою термопар самописним електронним потенціометром КСП-2.

Випробування проводилися в наступній послідовності. Зразок спочатку завантажували етапами до нормативного навантаження Р= 5 т (нормативного значення згинаючого пролітного моменту Мn,sp = 0,735 тм) а потім піддавали тепловому впливу з боку нижньої грані.

У процесі навантаження, що тривав 100 хв (рис. 9в), зростали пролітний і опорні моменти до Мsр= 0,735 тм і Мsup = -0,765 тм відповідно, збільшувався прогин у центрі середнього прольоту до f5 = -1,6 мм.

На другому етапі експерименту була включена піч. У процесі нагрівання збільшувалися опорні моменти, і зменшувався пролітний в результаті виникнення і збільшення температурного моменту. Після 20 хв нагрівання, тобто на 120 хв від початку випробувань, опорні моменти досягли максимальних значень Мu,sup = -1,516 тм, на поверхні плити над середніми опорами утворилися тріщини – виникли пластичні шарниры на опорах. Подальший період нагрівання характеризується постійністю значень опорних і пролітних моментів. Величина пролітного моменту виявилася близькою до нуля. Температурний момент не збільшується в зв'язку з постійною згинальною жорсткістю опорного перерізу в результаті триваючого розкриття тріщин. Таким чином, у момент часу 120 хв від початку експерименту конструкція перетворилася в статично визначну з діючими на опорах моментами Мu,sup = -1,516 тм.

Подальше нагрівання привело тільки до збільшення прогину. Незважаючи на істотне зниження міцності пролітного перерізу, руйнування балки не відбулося, що пояснюється зниженням пролітного моменту в зв'язку з виникненням температурного. Руйнування балки вдалося досягти лише шляхом зміни розрахункової схеми, для чого наприкінці нагрівання (245 хв) були зняті крайні опори шляхом розгвинчування муфт-форкопфів.

Результати досліджень показують, що при спільному впливі температури і навантаження в статично невизначених нерозрізних залізобетонних конструкціях відбувається перерозподіл зусиль в результаті виникнення в них температурного моменту, який при нагріванні знизу розвантажує прольотні перерізи і довантажує опорні. Пластичні шарніри виникли на 20 хв нагрівання при відносно невисоких температурах (температура нагрівання нижньої грані склала t= 115С). Подальше нагрівання не викликало збільшення температурного моменту.

Рис. 9. Фрагмент експериментальної установки - а), схема завантаження і нагрівання - б), графіки зміни навантаження Р, прольотного Мs і опорного Мsup моментів в часі при

навантаження і нагрівання - в)

Отримані результати підтвердили справедливість розробленої методики розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок.

У п'ятому розділі приведені результати впровадження роботи.

Впровадження в проект 12-ти поверхового збірно-монолітного житлового будинку в м. Фес (Марокко) показало істотний вплив сонячної радіації на зусилля в часторебристих покриттях, що приводить до необхідності збільшення робочої арматури в несучих балках. Реалізовано розроблену методику розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок, що дозволила встановити приналежність запроектованого перекриття до II ступеня вогнестійкості з межею вогнестійкості cr= 86 хв.

При реалізації результатів досліджень у проекти будівель із застосуванням конструктивних рішень часторебристих монолітних будівельних конструкцій “Харківжитлобуд” оцінені аспекти вогнестійкості часторебристих монолітних перекриттів системи U-Boot Beton.

На підставі розробленої в роботі методики уточнені температурні зусилля в залізобетонних рамах фундаментів коксових батарей КБ10 біс Харківського КХЗ.

Результати роботи впроваджені також при розробці навчального посібника для курсантів пожежно-технічних навчальних закладів і студентів будівельних вузів “Будівельні конструкції і їх поводження в умовах високих температур”.

Загальні висновки

1. Уточнені температурно-вологісні режими роботи будівельних конструкцій у субтропічному і тропічному поясі за даними регіональної класифікації кліматичних зон, засновані на обробці результатів метеорологічних спостережень місцевих обсерваторій Марокко. Запропоновано розрахункові залежності річного ходу основних параметрів середовища (потенціалу вологості і температури) для формулювання граничних умов задач тепло-вологопровідності в перерізах залізобетонних конструкцій будівель і споруд.

2. По модернізованій програмі рішення системи нелінійних диференціальних рівнянь тепло-вологопереносу розрахований розподіл потенціалу вологості в перерізах монолітних залізобетонних плит збірно-монолітного перекриття найбільш розповсюджених розмірів при однобічному висиханні з верхньої поверхні. Виявлено періоди виникнення максимальних градієнтів потенціалу вологості. Отримано залежності розподілу вагової відносної вологості по висоті плит у часі.

3. Досліджені поля вільних усадочних деформацій у перерізах збірно-монолітних залізобетонних елементів. Виявлено динаміку протікання усадочних процесів у монолітній частині збірно-монолітного перекриття для різних складів бетону в різні моменти часу сушки.

4. На основі чисельних досліджень температурних полів у збірно-монолітних конструкціях з пустотними блоками отримані дані про теплоізолюючу їхню здатність при наявності променистого теплообміну в повітряному прошарку, при теплоізоляції пустоти і при наявності вентиляції в ній. Розроблено конструктивні рішення по поліпшенню теплоізолюючих характеристик перекриттів і покрить.

5. Шляхом чисельних досліджень усадочних напружень у тривимірній моделі виявлений істотний вплив градієнта усадочних деформацій по товщині монолітної полиці і максимальної її усадки на напруження і деформації статично визначної балки при її висиханні зверху.

6. Досліджено особливості нестаціонарних температурних полів у перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі. Встановлено вплив ефекту пустотних екрануючих блоків. При стандартній пожежі і охолодженні виявлені резерви вогнезбереження за рахунок відновлення міцності арматури