Несуча здатність сталебетонних колон при силових та інтенсивних температурних впливах

Размещено на http://www.allbest.ru/

УКРАЇНСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

НЕСУЧА ЗДАТНІСТЬ СТАЛЕБЕТОННИХ КОЛОН ПРИ СИЛОВИХ І ІНТЕНСИВНИХ ТЕМПЕРАТУРНИХ ВПЛИВАХ

Спеціальність: Будівельні конструкції, будівлі і споруди

ЖАКІН ІВАН АНАТОЛІЙОВИЧ

Харків, 2004 рік

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із самих небезпечних впливів на споруди є пожежа, що може виникнути як від недбалого чи неграмотного поводження з вогнем, електроустаткуванням, речовинами, що легко займаються, так і при різних надзвичайних ситуаціях - глобальних чи локальних катаклізмах природного, антропогенного чи техногенного характеру. Особливо слід зазначити зрослу останнім часом небезпеку пожеж, викликаних терористичними актами.

Число пожеж в усьому світі щорічно зростає. У середньому щогодини у вогні пожежі гинуть 1-3 особи, одержують важкі каліцтва 10-12 осіб. Збитки від руйнування несучих конструкцій під час пожежі складають 13-18% загального збитку. Це створює необхідність удосконалювання і розвитку нормативної бази в області протипожежного захисту. Забезпечення пожежної безпеки будівельних об'єктів є складною комплексною задачею, що вирішується спільними зусиллями конструкторів, матеріалознавців і фахівців пожежної справи. Особлива роль тут приділяється конструктивній безпеці споруд, що виражається в забезпеченні вогнестійкості несучих конструкцій, у першу чергу колон, а також їх вогнезбереженні після пожежі. На підставі сказаного підвищення умов пожежної безпеки несучих елементів і всієї споруди в цілому шляхом розробки принципів і методів оцінки їхньої вогнестійкості є важливою державною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота була виконана в рамках наукової теми “Розробка способів посилення аварійних та передаварійних споруд та методів оцінки їх несучої здатності після посилення з урахуванням реальних властивостей матеріалів”, реєстраційний номер 0102V002542-02. Особистий внесок - чисельні розрахунки несучої здатності бетонних колон у сталевій обоймі.

Мета дослідження полягає у розробці методики розрахунку на силові й температурні впливи сталебетонних колон із суцільним й кільцевим поперечними перерізами, а також бетонних колон круглого перерізу при різних умовах обпирання.

Задачі дослідження - розробити математичний й обчислювальний апарат для визначення вогнестійкості бетонних і сталебетонних колон, провести чисельні дослідження вогнестійкості зазначених конструкцій із установленням впливу розмірів перерізу, відсотка армування, міцності бетону, виду теплового захисту, товщини захисного шару. Впровадити методику розрахунку в практику проектування несучих конструкцій.

Об'єкт дослідження. Сталебетонні колони із суцільним і кільцевим поперечними перерізами, а також бетонні колони круглого перерізу при різних умовах обпирання.

Предмет дослідження. Несуча здатність сталебетонних колон із суцільним та кільцевим поперечними перерізами, а також бетонних колон круглого перерізу.

Методи дослідження. Метод пружних рішень у формі методу змінних параметрів пружності для розрахунку НДС у перерізі колони, аналітичне й чисельне інтегрування отриманих рівнянь термопружності, дискретизація області й метод прогонки для чисельного рішення нелінійної задачі тепломасообміну з рухливою границею паротворення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Розроблено методику розрахунку на термосилові впливи сталебетонних колон суцільного й кільцевого перерізів і бетонних колон круглого перерізу, що враховує:

- тривісний напружений стан у бетоні;

- модель бетону як трифазного середовища;

- нестаціонарне температурно-вологісне поле з рухливою границею паротворення;

- змінність фізико-механічних характеристик матеріалів при нагріванні;

- змінність параметрів деформування й залежно від рівня силових і температурних впливів;

- різні умови обпирання.

2. Досліджено залежність пористості бетону від температури. На підставі аналітичних оцінок зроблений висновок про те, що ця залежність є слабкою й може не враховуватися в трифазній моделі бетону при температурному впливі;

3. Розроблено алгоритм і складена програма розрахунку колон для ЕОМ, що дозволяє оцінити несучу здатність при термосилових впливах;

4. Показано вплив різних захисних матеріалів на вогнестійкість сталебетонних колон.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування запропонованої методики розрахунку дозволяє визначити несучу здатність сталебетонних, бетонних і залізобетонних колон при заданих термосилових впливах й оцінити вогнестійкість зазначених конструкцій.

Впровадження. Результати дисертаційної роботи у вигляді методики і програми розрахунку вогнестійкості сталебетонних колон на силові і температурні впливи впроваджено в практику проектування несучих конструкцій станцій метрополітену у м. Харкові, ВАТ “Харківметропроект”.

Особистий внесок здобувача. Проведено аналіз літературних джерел, присвячених задачам оцінки несучої здатності сталебетонних, бетонних і залізобетонних колон при термосилових впливах, проведено аналіз залежності пористості бетону від температури, розроблено методику розрахунку напружень у круглому й кільцевому перерізах сталебетонної колони, що враховує тривісний напружений стан у бетоні на підставі методики А.В. Яшина, розроблено методику і програму розрахунку на силові й температурні впливи сталебетонних колон суцільного й кільцевого перерізів, а також бетонних колон круглого перерізу з використанням моделі бетону як трифазного середовища і з урахуванням змінності фізико-механічних характеристик матеріалів при нагріванні.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися та обговорювалися на:

1. Міжнародній науково-технічній конференції кафедр академії й фахівців залізничного транспорту й підприємств (м. Харків, 2001 р., 2002 р., 2003 р.);

2. Четвертій науково-технічній конференції “Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди” (м. Рівне, 2003 р.);

3. Третій Всеукраїнській науково-технічній конференції “Науково-технічні проблеми сучасного залізобетону” (м. Львів, 2003 р.);

4. Міжнародній науково-технічній конференції “Автоматизація проектування в будівництві й гідротехніці” (м. Одеса, 2003 р.);

5. Міжнародному конгресі “Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии” (м. Бєлгород, Росія, 2003 р.);

6. Науково-технічній конференції “Математичні моделі процесів у будівництві” (м. Луганськ, 2004 р.).

Публікації. Основний зміст дисертації опубліковано у 9 наукових працях. З них 8 - у виданнях, рекомендованих ВАК України для публікації результатів дисертаційних робіт, 1 - у Росії.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаних джерел, додатка і містить 145 сторінок основного машинописного тексту, у тому числі: 90 рисунків, 62 таблиці, 1 додаток. Список використаних джерел містить 128 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, наукова новизна і практична цінність роботи, дана її загальна характеристика.

У першому розділі приведено: огляд опублікованих робіт з теоретичних і експериментальних досліджень моделей розрахунку температурних і вологісних полів у бетоні як трифазному середовищі при інтенсивних температурних впливах, огляд робіт, у яких досліджується несуча здатність бетонних і сталебетонних конструкцій, що працюють в умовах складного напруженого стану, при силових і температурних впливах. Експериментальним і теоретичним дослідженням напружених сталебетонних, бетонних і залізобетонних конструкцій при силовому і температурному впливі й оцінці їх міцносних властивостей присвячені роботи С.В. Александровського, О.Я. Берга, Б. Бартелеми і Ж. Крюппа, А.А. Гвоздьова, О.С. Городецького, Б.Б. Григор'яна, Б.Г. Демчини, Н.І. Карпенка, Ф.Є. Кліменка, З.Ф. Клованича, В.І. Корсуна, О.П. Кричевського, Г. Купфера, В.Н. Левіна, А.В. Ликова, А.Ф. Мілованова, Г.А. Молодченка, А.В. Разживіна, Л.І. Стороженка, С.Л. Фоміна, Е.Д. Чихладзе, О.Л. Шагіна, В.С. Шмуклера, А.І. Яковлєва, О.Ф. Яременка, А.В. Яшина, і ін.

На підставі огляду теоретичних і експериментальних досліджень зроблений висновок про необхідність розробки методики розрахунку сталебетонних колон із суцільним і кільцевим поперечними перерізами і бетонних колон на силові і температурні впливи, що враховує тривісний напружений стан у бетоні, удосконалення трифазної моделі бетону в частині встановлення залежності пористості від температури.

Другий розділ присвячено розробці методики розрахунку НДС колон при силових і інтенсивних температурних впливах.

Розглядається спочатку бетонна циліндрична консольна колона, що знаходиться під дією рівномірно розподіленого навантаження інтенсивністю (її рівнодіюча дорівнює F), рівномірного теплового впливу і власної маси. Колона вважається короткою, що дозволяє не враховувати в кожному поперечному перерізі згинальний момент. Залежності між напруженнями і деформаціями в бетоні приймаються у формі закону Гуку з перемінними параметрами деформування і. Граничні значення середнього напруження й інваріанта визначаються відповідно до критерію міцності Яшина А.В. і рекомендацій НДІЗБ. Зміну модуля пружності бетону в залежності від температури враховуємо коефіцієнтом. Коефіцієнт поперечної деформації приймається незалежним від температури.

Напруження в розглянутій задачі розподіляються симетрично щодо центральної осі, перпендикулярній площини перерізу. Складові дотичного напруження і обертаються на нуль унаслідок симетрії.

Дотичне напруження також може бути прийнятим рівним нулю, якщо припустити, що поверхня поперечного переріза колони після деформації залишається перпендикулярною всім подовжнім волокнам.

Передбачається, що прикладання навантаження супроводжується нагріванням. За початок відліку деформацій приймається стан колони до додавання навантаження і температури.

Чисельні оцінки показали, що деформації в процесі нагрівання досліджуваних колон не перевищували граничних. Руйнування центральної стиснутої постійним навантаженням колони при бічному нагріванні починається при досягненні граничного напруження в деякій приграничній області. При цьому в області радіуса, розташованій навколо центра перерізу, напруження не перевищують граничних. Виключимо з роботи волокна зазначеної області. При цьому інтенсивність навантаження на область збільшиться:. Визначимо розрахункові і граничні напруження в області.

Приймаємо, що сталева обойма захищена від втрати місцевої і загальної стійкості. Критерієм досягнення граничного стану сталі вважаємо досягнення по Мізесу. Роботу ядра й обойми в подовжньому напрямку приймаємо спільною. З цієї умови одержуємо розподіл навантаження між ядром і обоймою.

Для оцінки напружено-деформованого стану перерізу колони розкривається контакт між бетоном і сталлю. У якості невідомих приймаємо сили контактної взаємодії. Для їхнього визначення в кожному перерізі використовуємо умову рівності переміщень на границі контакту.

У третьому розділі приведені результати чисельних досліджень бетонної і сталебетонної колон при силових і температурних впливах.

Досліджувався час збереження несучої здатності бетонних колон у залежності від навантаження, заданого в частках від розрахункового опору. Для кожного навантаження визначався також радіус несучого ядра. Розрахунки проводилися для класів бетонів В15-В55 і дозволяють зробити наступні висновки: вогнестійкість бетонної колони збільшується зі збільшенням міцності бетону, вогнестійкість зменшується зі збільшенням осьового навантаження, колони з бетону з меншою вологістю є менш вогнестійкими, деформації в колонах з розглянутих бетонів невеликі і не приводять до руйнування відповідно до критерію, неармована бетонна колона, незважаючи на малий ступінь деформативності, зберігає несучу здатність не більш 1 години. Це не задовольняє вимогам до вогнестійкості колон у спорудах I ступеня вогнестійкості.

Досліджено роботу бетонної колони в сталевій обоймі при нормальній температурі. Вивчено залежність ефекту обойми від міцності бетону, товщини обойми, радіуса бетонного ядра, способу навантаження колони.

Контактна сила для будь-якого навантаження є розтягаючою. За результатами розрахунків проведений аналіз залежності ефективності обойми від її товщини при заданому радіусі бетонного ядра, а також аналіз залежності ефекту обойми від величини радіуса ядра.

Досліджувалася вогнестійкість бетонних колон у сталевій обоймі. При стандартній пожежі через 20-30 хв. після початку в обоймі досягається температура до 800С, що приводить до текучості сталі. Тому такі колони виконуються з тепловим захистом.

Як показали результати розрахунків, усі розглянуті типи теплових захистів (азбестоцемент, пінобетон, мармур) забезпечують виконання вимог до вогнестійкості колон у будинках II і III ступенів вогнестійкості (2 години) при ступені навантаження. Захисти з пінобетону і мармуру забезпечують при такому ступені навантаження вимоги до вогнестійкості I ступеня (2,5 години). Для захистів з азбестоцементу і пінобетону досліджувалася залежність вогнестійкості від товщини захисного шару. Розрахунки показали, що при збільшенні захисного шару кожен сантиметр забезпечує збільшення межі вогнестійкості на 20-30 хв.

У колон з бетонів В15-В40 з більшою товщиною сталевої обойми при додатку однакової частки несучого навантаження вогнестійкість виявляється меншою. Це можна пояснити тим, що при збільшенні товщини обойми (у межах припустимої для заданого навантаження) збільшується й ефект обойми, значить збільшується несуче навантаження. Тому при додаванні однакової частки цього навантаження абсолютна величина прикладеної сили виявляється більшою.

Вивчено вогнестійкість сталебетонної колони кільцевого перерізу при пожежі з зовнішньої сторони колони. Як показали розрахунки, для сталебетонної колони з зовнішнім радіусом бетонного ядра 0,5 м. і внутрішнім радіусом кільця при наявності захисного шару з пінобетону і мармуру вогнестійкість суцільного і кільцевого перерізів збігаються. Це пояснюється дуже повільним прогрівом захищеного масивного бетонного перерізу. Розходження в розподілі температур малі, тому вони не приводять до розходження вогнестійкості. При вогнестійкість ще збігається для суцільного і кільцевого перерізів у межах 5-10 хв. При збільшенні радіуса внутрішнього кільця збіг температурних полів порушується. У поєднанні з великими навантаженнями це приводить до значного зниження вогнестійкості кільцевого перерізу в порівнянні із суцільним (до 40 хв.).

Четвертий розділ присвячений розрахнунку сталебетонної колони станції метро “Інтернаціональна” Харківського метрополітену.

При осьовому навантаженні на колону 12МН і стандартній товщині обойми (5-8 мм.) вимоги до вогнестійкості виконуються.

При деяких сполученнях навантажень (відсутність тимчасового навантаження на одну половину станції) у перерізах колони можуть виникати згинальні моменти.

У цьому випадку для оцінки її міцності використовувалася методика, розроблена проф. Е.Д. Чихладзе, що зводиться до визначення рівня несучої здатності при заданих геометричних розмірах колони, міцносних і теплофізичних характеристиках матеріалів і умовах пожежі. При інших розрахункових сполученнях значення ексцентриситету не перевищує випадкового.

ВИСНОВКИ

1. Виконано огляд літератури і проведено аналіз роботи бетонних, залізобетонних і сталебетонних конструкцій. Огляд показав наступне. При нормальній і підвищеній температурах до оцінки стану конструкцій можна застосувати ті самі рівняння рівноваги з урахуванням зміни властивостей матеріалів конструкції при пожежі. Такий підхід забезпечується методом пружних рішень у формі методу перемінних параметрів пружності. Для розрахунку температурних полів у бетоні найбільш прийнятна його модель як пористого вологого трифазного середовища;

2. Розроблено методику розрахунку напружень у круглому і кільцевому перерізах сталебетонної колони, що враховує тривісний напружений стан у бетоні. Напружено-деформований стан описується рівняннями теорії пружності з перемінними параметрами деформування;

3. Розроблено методику розрахунку на силові і температурні впливи бетонних колон, сталебетонних колон суцільного перерізу, сталебетонних колон кільцевого перерізу. Для описання температурних полів використана модель бетону як трифазного середовища. Розрахунок нестаціонарного температурного поля з рухливою границею паротворення здійснюється рішенням системи нелінійних рівнянь тепломасообміну. На підставі розподілу температури в кожен момент часу розраховується напружено-деформований стан колони з урахуванням зміни фізико-механічних характеристик матеріалів; сталебетонний конструкція споруда

4. Досліджено несучу здатність бетонної колони при пожежі. Розроблено методику визначення радіуса несучого ядра і сформульовані умови руйнування;

5. Досліджено роботу бетонної колони в сталевій обоймі при нормальній температурі. Вивчено залежність ефекту обойми (відношення міцності бетону в обоймі до міцності ізольованого бетону) від міцності бетону, товщини обойми, радіуса бетонного ядра, способу навантаження;

6. Вивчено вогнестійкість сталебетонної колони суцільного перерізу з різними видами теплових захисних матеріалів;

7. Вивчено вогнестійкість сталебетонної колони кільцевого перерізу при пожежі з зовнішньої сторони колони. Зроблено висновок про розмір співвідношення зовнішнього і внутрішнього радіусів бетонного ядра, при якому збігаються вогнестійкості колон суцільного і кільцевого перерізів. При зовнішньому радіусі м це співвідношення складає 0,6;

8. Вивчено вогнестійкість сталебетонної колони кільцевого перерізу при пожежі зсередини колони. Зроблено висновок про те, що використання колон кільцевого перерізу з зовнішнім радіусом до 1 м. і співвідношенням внутрішнього і зовнішнього радіусів 0,3 як несучих елементів недоцільно з погляду вогнестійкості. При великих зовнішніх радіусах (від 2,5 м.) і співвідношеннях радіусів 0,4-0,6 такі конструкції задовольняють вимогам пожежної безпеки;

9. Результати дисертаційної роботи у вигляді методики і програми розрахунку вогнестійкості сталебетонної колони на силові і температурні впливи впроваджені в практику проектування станцій метрополітену в м. Харкові, ВАТ “Харківметропроект”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чихладзе Е.Д., Жакін І.А. Температурне поле бетонної циліндричної колони при інтенсивному тепловому впливі // Зб. наук. праць - Харків: ХарДАЗТ, 2001. - Вип. 45. - С. 116-124.

2. Чихладзе Э.Д., Жакин И.А. Напряженно-деформированное состояние бетонных цилиндрических колонн при силовых и температурных воздействиях // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - Белгород:БГТУ, 2003. - №5. - С. 454-456.

3. Чихладзе Э.Д., Веревичева М.А., Жакин И.А. Расчет сталебетонных цилиндрических колонн на силовые и температурные воздействия // Зб. наук. праць: Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди / Видавн. Укр. держ. універс. водного: Рівне, 2003. - Вип. 9. - С. 359-365.

4. Чихладзе Э.Д., Веревичева М.А., Жакин И.А. Расчет бетонных цилиндрических колонн в стальной обойме на силовые и температурные воздействия // Зб. наук. праць УкрДАЗТ: Будівельні конструкції. - Кн. 1. - Вип. 59. - 2003. - С. 318-325.

5. Жакин И.А. Напряженно-деформированное состояние бетонных цилиндрических колонн при силовых и температурных воздействиях // Вісник ДонДАБА “Будівельні конструкції, будівлі та споруди” - Вип. 2003-2(39). - Т. 2. - С. 156-160.

6. Жакін І.А. Розрахунок бетонних циліндричних колон у сталевій обоймі на силові і температурні впливи //Зб. наук. праць - Харків, УкрДАЗТ, 2003. - Вип. 56. - С. 93-100.

7. Жакин И.А. Влияние температуры на напряженно-деформированное состояние бетонных цилиндрических колонн // Зб. наук. праць - Київ: КиївЗНДІЕП, 2003. - Спец. випуск - С. 181-184.

8. Чихладзе Э.Д., Веревичева М.А., Жакин И.А. Расчет бетонных цилиндрических колонн в стальной обойме на силовые и температурные воздействия // Зб. наук. праць. - Київ: НДІБК, 2003. - Вип. 59. - С. 318-326.

9. Жакин И.А., Кравцив Л.Б. Математическое моделирование процессов деформирования и разрушения бетонных и сталебетонных цилиндрических колонн при пожаре // Зб. наук. праць Луганського державного аграрного університету. Серія: Технічні науки. - Луганськ: Видавництво ЛНАУ, 2004. - №40(52). - С. 97-105.

Размещено на Allbest.ru