Размещено на http://www.allbest.ru

ХАРКІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ

УНІВЕРСИТЕТ БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

Като Лоренс Альберт

УДК 624.016+699.812

ВОГНЕСТІЙКІСТЬ СТАТИЧНО НЕВИЗНАЧЕНИХ СТАЛЕЗАЛІЗОБЕТОННИХ КОНСТРУКЦІЙ

Спеціальність 05.23.01 - будівельні конструкції,

будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків - 2007

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

Барашиков Арнольд Якович,

Київський національний університет

будівництва та архітектури;

завідувач кафедри залізобетонних

і кам'яних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент

Стельмах Олег Адамович,

університет цивільного захисту України,

начальник кафедри

наглядово-профілактичної роботи

і розслідування.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

к.т.н., доцент Костюк Т.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

вогнестійкість пожежа сталезалізобетонний конструкція

Актуальність теми. У будівельній світовій практиці знайшли широке поширення сталезалізобетонні конструкції. Їхні переваги містяться в зосередженні робочої арматури у зовнішніх гранях розтягнутої зони бетону, що призводить до зменшення висоти перерізу та зниження власної ваги конструкції в порівнянні із залізобетонними елементами.

Предметом дослідження є сталезалізобетонні балки, які являють собою комплексні конструкції, що поєднують залізобетонні та сталеві елементи. В залізобетонних секціях застосовуються залізобетонні плити, сталеві секції виконуються із прокатних або зварених профілів.

Аналіз результатів досліджень показує, що основним недоліком цих конструкцій є невелика вогнестійкість. За границею вогнестійкості вони займають проміжне положення між металевими та залізобетонними. Як відзначають французькі дослідники Б. Бартелемі й Ж. Крюппа, методи розрахунку комплексних сталезалізобетонних конструкцій до теперішнього часу в значній мірі є емпіричними, тим більш що їхню вогнестійкість важко оцінити. Проте накопичені результати випробувань на вогнестійкість дозволяють пропонувати деякі спрощені моделі розрахунку. Досвід дослідження вогнестійкості залізобетонних конструкцій, у тому числі з новим видом арматур, які проведені в ХДТУБА, дає основу для рішення поставленої проблеми на новому якісному рівні.

Актуальність роботи підтверджується також проведеним аналітичним оглядом наукової літератури, у тому числі закордонних джерел за останні п'ять років. Обрана тема дисертаційної роботи сприяє рішенню актуальної для України проблеми вдосконалювання будівельних конструкцій у складних температурних умовах і профілактики пожежної безпеки, що відповідає пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Робота виконувалася відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт з держбюджетних тем “Розробка методів оцінки, розрахунку та прогнозу властивостей компонентів бетону та роботи сталезалізобетонних конструкцій з урахуванням дії температурного фактора” № держреєстрації 0103U003441, інв. № 0018 та “Вогнестійкість статично невизначених залізобетонних конструкцій будівель та споруд”, 0106 U 000165, інв. № 0027. (особистий внесок - проведення аналітичних і експериментальних досліджень нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій).

Метою дослідження є розробка методики розрахунку вогнестійкості статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій, у тому числі з новими видами арматури.

Завдання дослідження

Провести чисельне моделювання нестаціонарних температурних полів у сталезалізобетонних балках методом кінцевих елементів на основі рішення нелінійного диференційного рівняння теплопровідності з нелінійними граничними умовами.

1. Визначити розрахункові розподіли температури в сталевій секції і залізобетоні для різних моментів часу, що дозволяють оцінити граничні згинальні моменти при нагріванні, та визначити вогнестійкість нерозрізних комбінованих конструкцій.

2. Дослідити нестаціонарні температурні поля в перерізах збірно-монолітних конструкцій при пожежі. Розробити методику розрахунку еквівалентних “ефективних” температур для розрахунку температурних зусиль.

3. Дослідити характер розподілу температури при різних конструктивних рішеннях теплового захисту та обрати найбільш ефективні.

4. Провести чисельне моделювання напружено-деформованого стану в нерозрізних балках при нагріванні для з'ясування ролі температурного моменту на їх граничний стан.

5. Розробити методику визначення пластичного шарніру в прольотних і опорних перерізах сталезалізобетонних балок при нормальних і високих температурах.

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

7. Провести експериментальні дослідження особливостей роботи сталезалізобетонних статично невизначених конструкцій перекрить при нагріванні.

8. Упровадити результати дослідження в проектування й будівництво часторебристых залізобетонних конструкцій.

Об'єкт дослідження - сталезалізобетонні конструкції, що працюють в умовах впливу пожежного середовища.

Предмет дослідження - комбіновані сталезалізобетонні конструкції, залізобетонні плити, що їх складають, та з'єднана з нею металева секція у вигляді прокатних профілів, що працюють в умовах впливу пожежного середовища.

Наукова новизна роботи:

- отримані розрахункові розподіли температури в перерізі сталезалізобетонних балок для різних моментів часу, що дозволяють оцінити граничні згинальні моменти при нагріванні й визначити вогнестійкість нерозрізних комбінованих конструкцій;

- розроблена методика розрахунку еквівалентних “ефективних” температур для розрахунку температурних зусиль у сталезалізобетонних балках;

- отримані розрахункові розподіли температури в перерізах сталезалізобетонних балок при різних конструктивних рішеннях теплового захисту й обрані найбільш ефективні;

- у результаті чисельних досліджень напружено-деформованого стану в нерозрізних балках при нагріванні виявлений характер їхнього руйнування й вплив температурного моменту на граничний стан;

- виявлений характер утворення пластичного шарніра в прольотних й опорних перерізах сталезалізобетонних балок при нормальних і високих температурах.

- розроблена гармонізована з Єврокодом методика розрахунку вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій з використанням методу граничної рівноваги й деформаційної моделі.

- отримані результати експериментальних досліджень напружено-деформованого стану статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій при впливі високих температур. Виявлено особливості перерозподілу зусиль у результаті впливу температурних моментів, які при нагріванні знизу розвантажують прольотні перерізи й довантажують опорні, особливості утворення пластичних шарнірів. Підтверджено справедливість розробленої методики розрахунку вогнестійкості нерозрізних залізобетонних балок.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблена методика розрахунку сталезалізобетонних конструкцій із застосуванням пустотних блоків дозволяє підвищити точність розрахунку їхньої вогнестійкості, визначити межі вогнестійкості нерозрізних залізобетонних конструкцій, розробити раціональні конструктивні рішення із забезпеченою межею вогнестійкості.

Результати роботи впроваджені в проект житлового будинку в м. Харкові, а також використовуються в учбовому процесі в спецкурсі-- ЗБК ”Поведінка залізобетонних конструкцій в умовах високих температур” і в дипломних роботах студентів спеціальності “Промислове і цивільне будівництво”.

Особистий внесок здобувача:

- [1] розглянуто основні аспекти розрахунку вогнестійкості комплексних сталезалізобетонних балок за методикою європейських норм, намічені шляхи вдосконалювання теорії їхньої роботи на основі проведених теоретичних та експериментальних досліджень;

-[2] виявлено особливості виникнення пластичних шарнірів у трьохпрольотних сталезалізобетонних балках при нагріванні та вплив перерозподілу зусиль на їхню вогнестійкість;

- [3] виявлено особливості напружено-деформованого стану в опорних і прольотних перерізах при виникненні пластичних шарнірів;

- [4] отримано розрахункові розподіли температури в сталевій секції й залізобетоні комплексних балок;

- [5] проведена оцінка ролі температурного моменту на вогнестійкість перекриття.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи доповідалися на І, ІІ й ІІІ Міжнародних наукових конференціях “Ресурс і безпека експлуатації конструкцій, будівель і споруд” (Харків, ХДТУБА, 2004, 2005, 2007), наукових конференціях ХДТУБА 2004- 2007 р.

Публікації. Основний зміст роботи опублікований в 6 друкованих працях в наукових виданнях, які рекомендовані ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, що включають експериментальну й теоретичну частини, висновків, списку використаних джерел з 132 найменувань. Вона містить 254 сторінок, у тому числі 122 сторінок машинописного тексту, 232 рисунків, 9 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі проведено аналітичний огляд конструктивних рішень сталезалізобетонних конструкцій перекрить, методів їхнього розрахунку з урахуванням впливу пожежного середовища.

Створенню комплексних балок та їхнього дослідженню присвячені роботи Ю. Г. Аметова, Э. І. Біліні, Б. Г. Гнідця, Н. Н. Стрілецького, Н. С. Стрілецького, Л. І. Стороженка, О. Л. Шагіна та ін. При нормальних температурах поведінка нерозрізних залізобетонних конструкцій освітлена в роботах В.М. Бондаренко, А.А. Гвоздьова, А.С. Городецького, А.А. Диховічного, Ю.В Зайцева, С.М. Крилова, Л.Р. Маіляна та ін.

Під впливом високої температури при пожежі міцність сталезалізобетонних конструкцій знижується, а іноді відбувається їхнє руйнування.

Проблемам вогнестійкості залізобетонних конструкцій присвячені роботи Б. Бартелемі, В.П. Бушева, І.Гійона, Б.Г. Демчини, В.Н. Зігерн-Корна, Ф. Леонгардта, Т.Т. Чі, В.В. Жукова, М.І. Колякова, М.М. Кулешова, Ж. Крюппа, Х.Л.Мальхотри, А.Ф. Мілованова, В.І. Мурашова, Е.Ф.Панюкова, В.А. Пчелинцева, А.В. Пчелинцева, В.М. Ройтмана, М.Я. Ройтмана, І.Т. Романенкова, О.А. Стельмаха, С.Л. Фоміна, Е.Д. Чихладзе, В.С. Шмуклера, А.І. Яковлева та ін. дослідників.

У ХДТУБА проведені експериментальні дослідження впливу температури на деформативні та міцнісні властивості бетону та нових видів арматури. Отримано повні діаграми деформування бетону й арматури, емпіричні формули для їхнього опису.

Експериментально виявлено вплив опорного й прольотного армування на деформативність, тріщиностійкість, перерозподіл зусиль у залізобетонних елементах. Отримано, що вогнестійкість статично невизначених нерозрізних залізобетонних конструкцій значно вище статично визначених розрізних еквівалентного перерізу, що обумовлюється виникненням у них температурного моменту, який при нагріванні знизу розвантажує прольотні перерізи і довантажує опорні.

Головною тенденцією розвитку сучасної світової нормативної бази в галузі бетону і залізобетону, у тому числі в Україні, є зближення технічного змісту, вимог і правил нормативних документів різних країн. Єврокод 4 EN*1994-1-2:2005 визначає порядок розрахунку та конструювання сталезалізобетонних конструкцій в умовах впливу пожежі для країн європейського співтовариства. Однією із задач дослідження ставилася розробка методики розрахунку розглянутих конструкцій, гармонізованої з Єврокодом.

В результаті виконаного аналізу визначені й сформульовані завдання даних досліджень.

Другий розділ присвячений дослідженню нестаціонарних температурних полів у перерізах сталезалізобетонних балок при пожежі на основі рішення нелінійного диференційного рівняння теплопровідності з нелінійними граничними умовами:

для конвективного теплообміну за законом Ньютона

де ( - коефіцієнт тепловіддачі Вт/(м²град)

і для променистого теплообміну за законом Стефана-Больцмана:

Чисельне моделювання проведено методом кінцевих елементів для сталезалізобетонної трьохпрольотної балки, яка складається із сталевої секції у вигляді двотавра №14 і монолітної залізобетонної плити товщиною 50 мм, шириною 250 мм, що армована 310 А400С, розташованими на відстані 25 мм від верхньої грані. Коефіцієнти теплопровідності , Вт/(мС) і питомої теплоємності с_b кДж/(кгС) важкого бетону визначалися залежностями:, для конструкційної сталі:,. Дискретизація моделі проводилася прямокутними кінцевими елементами розміром 5х7 мм. Сталева секція і нижня поверхня залізобетонної плити піддавалися впливу стандартної пожежі:

Т_s = 345 lg (8? + 1) + 20, (4)

з умовами теплообміну (2)-(3), на верхній поверхні залізобетонної плити задавалися граничні умови конвективного теплообміну (2) з повітряним середовищем при t=20C. На торцових поверхнях залізобетонної плити тепловий потік був відсутній . Для забезпечення стійкості процесу обчислень початковий часовий крок ф (приймався за наступною нерівністю

де Х - розмір кінцевих елементів, - щільність матеріалу, С_р - теплоємність, -теплопровідність.

На рис. 1 показано розподіл температури в перерізі сталезалізобетонної балки без захисного покриття, з якого витікає, що вже за 15 хв нагрівання весь переріз металевого двотавра нагрівся вище критичної температури t_cr =500C. Нижня полиця двотавра має температуру 665C, стінка - 665-530C, верхня полиця - 371C. Нижня поверхня бетону нагрілася в межах 411 - 433C зі збільшенням до торців плити. Таким чином, межа вогнестійкості сталезалізобетонного без захисту нижче 15 хв.

Проведено рішення для сталезалізобетонної балки із захистом бокових поверхонь металевого двотавра шаром цементно-піщаної (ц/п) штукатурки товщиною 25 мм із наступними теплотехнічними характеристиками: =1930

Для 45 хв нагрівання боковий захист знизив температури сталевої секції: температура нижньої полиці -714-770C, температура стінки - 671-509-435C (знизу- нагору), температура верхньої полиці 510-432C, температура нижньої поверхні бетону - 615-703C. Отримано, що бічний захист частково ізолює двотавр, що недостатньо для забезпечення необхідної вогнестійкості.

Всебічний захист сталевої секції комбінованої балки (рис.3) показав задовільні результати, що забезпечують необхідну вогнестійкість балки (R 45). Температура сталевої секції: температура нижньої полиці - 489-510C, температура стінки - 476-404-296C (знизу - нагору), температура верхньої полиці 293-280C, температура нижньої поверхні бетону - 316-698C.

Результати розрахунку із всебічним захистом для 60 хв показали наступні температури: температура нижньої полиці двотавра - 596-613C, температура стінки - 580-492-355C (знизу - нагору), температура верхньої полиці 350-359C, температура нижньої поверхні бетону - 694-760C. Температура арматури у залізобетонній плиті досягає 401C. При отриманих температурах у деяких випадках можлива експлуатація конструкції до 60 хв впливу пожежі.

Для сталезалізобетонної балки із забетонованим двотавром для 30 хв нагрівання забезпечується необхідна вогнестійкість (R30). Температура сталевої секції: температура нижньої полиці -570-623C, температура стінки - 490-370-336C (знизу - нагору), температура верхньої полиці 332-395C, температура нижньої поверхні бетону - 550-600C. в некоторых случаях возможна эксплуатация конструкции до 45 мин воздействия пожара.

Розроблено методику визначення розрахункових параметрів для призначення реальної та "ефективної" еквівалентної температури, приклад використання якої наведений на рис.4.

У третьому розділі розроблена інженерна методика розрахунку вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій з використанням стержневої лінійної розрахункової схеми, методу граничної рівноваги і трьохстадійного досягнення граничного стану, виявленого раніше при дослідженнях роботи нерозрізних залізобетонних балок.

Критеріальні рівняння для визначення меж вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних балок мають вигляд:

М_max,fi =М_sp(x_max) + (М_u,sup1,fi -М_u,sup2,fi)x_max/l -М_u,sup1,fi (6)

М_max М_u,sp (7)

Максимальний прольотний момент для заданої тривалості пожежі М_max,fi у нерозрізній балці у відповідності з (6) визначається за значенням балкового максимального моменту (наприклад, М_sp(x_max) = ql²/8 при рівномірно розподіленому навантаженні q), значенням граничних опорних моментів з урахуванням температури нагрівання М_u,sup1,fi і М_u,sup2,fi.

Відстань x_max від першої опори до максимального значення моменту в нерозрізній балці М_max визначається з рівняння

dМ_max/dx= dМ_sp(х) /dx +(М_sup1-М_sup2)/l = 0, (8)

наприклад, для рівномірно розподіленого навантаження q

x_max =l /2+(М_sup1-М_sup2)/ql, (9)

Межа вогнестійкості відповідає часу виконання умови (7), при якому виникає третій пластичний шарнір у прольоті.

Таким чином розроблена методика розрахунку вогнестійкості базується на поняттях про пластичні шарніри, які обумовлені досягненням граничних опорних М_u,sup1,fi , М_u,sup2,fi і прольотного М_u,sp,fi згинальних моментів у перерізах сталезалізобетонної балки при пожежі. Переріз комплексної балки в граничному стані при нагріванні має свою специфіку, відмінну від залізобетону та сталі.

Пластичними шарнірами в нормально армованих залізобетонних балках називаються ділянки пластичності арматури, внаслідок чого інтенсивно зменшується висота бетону стиснутої зони перерізу за рахунок розвитку тріщин по висоті елемента і прояву непружних деформацій у бетоні стиснутої зони над тріщиною. У них виникає постійне значення згинального моменту.

Пластичними шарнірами в сталевій балці називають перерізи, у яких несуча здатність вичерпується повністю, що відповідає зникненню в ньому пружної ділянки. Це означає, що несуча здатність стержня може бути істотно підвищена, якщо припустити в елементах розвиток пластичних деформацій. Тому норми регламентують розрахунок сталевих елементів, що згинають, проводити, розрізняючи роботу матеріалу в пружній і пружній-пластичній стадії шляхом порівняння максимальних напруг від навантаження з розрахунковим опором.

Пластична несуча здатність комплексних сталезалізобетонних конструкцій по моменту регламентована в Єврокоді 4 EN*1994-1-2 і показана на рис.5. Таким чином, для комплексних балок пластичними шарнірами називають перерізи, у яких несуча здатність визначається настанням пластичних деформацій по всій висоті перерізу.

З метою виявлення характеру виникнення і розвитку пластичних деформацій у граничної стадії, проведено чисельне моделювання напружено-деформованого стану трьохпрольотних сталезалізобетонних балок.

Розглянуто варіанти комплексних балок з ідеальним контактом між залізобетонною й сталевою секціями, з одиночними анкерами при різній їхній кількості і розташуванні в лінійній та нелінійній постановці.

Для варіанту з ідеальним контактом у ПК ЛІРА 9.2, що розроблений НІІАСС Держбуду України, побудована модель, що містить 1450 універсальних прямокутних кінцевих елементів КЕ41. Сформовано чотири типи завантажень: 1- власна вага, 2- дві сили в середньому прольоті Р = 8 тс,

3- 15-хвилинне нагрівання за стандартним режимом пожежі, що моделювався “ефективною” лінійною по висоті середнього прольоту температурою (див. 2 розділ), та 4- одночасний вплив навантаження і температури.

Результати розрахунку в пружній постановці показують, що розрахункова стержнева схема, загалом, досить повно описує напружено-деформований стан конструкції. При нагріванні знизу верхня частина балки розтягнута, а нижня в середньому прольоті стиснута, що відповідає впливу температурного негативного моменту М_t,sp за стержневою схемою, спільний вплив навантаження й нагрівання призводить до розвантаження середнього прольоту. Ізополя напружень по N_x у балці від впливу навантаження й температури показують повне зникнення сумарного прольотного моменту (рис. 6.г).

Лінійний розрахунок, звичайно, переоцінює дійсні напруження в перерізах, але дозволяє відстежити виникнення граничного стану і провести коректування за допомогою перерозподілу зусиль. Така ж методика прийнята і в Єврокоді XP ENV 1992-1-2.

Для виявлення характеру руйнувань кінцевих елементів у найбільш напружених зонах проведено моделювання роботи сталезалізобетонної балки в нелінійній постановці з використанням для арматур, бетону і двотавра фізично нелінійних універсальних прямокутних кінцевих елементів оболонки КЕ241, експоненційних залежностей “ - ” для бетону, арматури і сталі двотавра, формування 3 нелінійних завантажень з урахуванням передісторії, максимальним числом ітерацій 300 і 10 кроками розрахунку.

Результати моделювання етапів руйнування елементів сталезалізобетонної балки показують, що початок руйнування відбувся при завантаженні 2 - двома силами з урахуванням передісторії впливу власної ваги в завантаженні 1. Руйнування зафіксоване у вигляді досягнення розтягнутим бетоном у верхніх зонах опорних перерізів граничних деформацій і повної втрати міцності ряду кінцевих елементів. Закінчення руйнування характеризується проникненням руйнування кінцевих елементів у середню зону балки, збільшенням прогину.

Повне руйнування опорних зон балки відбулося при завантаженні 3 - впливі стандартної пожежі на 15 хв нагрівання середнього прольоту знизу з урахуванням передісторії впливу власної ваги в завантаженні 1 і двох сил у середньому прольоті Р = 8 Тс у завантаженні 2. Крім досягнення граничних напружень розтягування і руйнування КЕ з'явилися елементи із граничними напруженнями стиску. Деформована схема руйнування (коефіцієнт перебільшення переміщень 162) показана на рис.7.

Досліджено напруження і деформації в примежовому шарі між сталевою секцією і залізобетонною плитою, розподіл напружень і зусиль в анкерах при різній їхній кількості й розташуванні в лінійній і нелінійній постановці.

Розглянуто найпоширеніший тип циліндричних анкерів з рівномірним розподілом по довжині балки і з окремими анкерами, розташованими в опорних зонах. Анкери моделювалися універсальними просторовими стержневими КЕ10 у лінійному розрахунку і фізично нелінійними об'ємними універсальними просторовими КЕ210 у нелінійному розрахунку.

Для моделювання застосовані два прийоми побудови розрахункової моделі. У першому, для порушення суцільності перерізу між залізобетонною й сталевою секціями залишений зазор товщиною 1 мм, і анкери жорстко закріплювалися до вузлів на верхній поверхні двотавра і проходили в бетон, маючи зв'язок з вузлами кінцевих елементів бетону.

У другому способі в усі вузли лінії контакту між секціями встановлювалися одновузлові кінцеві елементи однобічного пружного зв'язку КЕ261, що сприймають тільки стискальні зусилля. Обидві схеми виявилися адекватними. При рівномірному розподілі анкери встановлювалися із кроком 5 см (усього 51 анкер). Результати розрахунку в лінійній постановці показані на рис.8.

Розрахунок у нелінійній постановці показав, що руйнування зафіксовано у вигляді досягнення розтягнутим бетоном у верхніх зонах опорних перерізів граничних деформацій і повної втрати міцності ряду анкерів.

Друга стадія руйнування сталезалізобетонної балки при послідовності локальних завантажень: 1 - власна вага, 2 - навантаження від двох сил Р=8 тс і 3-15 хв нагрівання стандартною пожежею, крок 1, характеризується проникненням руйнування кінцевих елементів у середню зону балки, збільшенням прогину.

Повне руйнування анкерів і бетону в опорних зонах відбулося при завантаженні 3 - впливі стандартної пожежі на 15 хв нагрівання середнього прольоту знизу з урахуванням передумов впливу власної ваги та двох сил у середньому прольоті Р = 8 Тс. У цій стадії з'явилися елементи із граничним напруженням стиску. Отримані поля пластичності в металі, тріщиноутворення та руйнування в бетоні показують об'ємний характер пластичних шарнірів у сталезалізобетоні.

Досліджено напруження й деформації в примежовому шарі між сталевою секцією й залізобетонною плитою, розподіл напружень і зусиль в анкерах при різній їхній кількості й розташуванні в лінійній і нелінійній постановці. Виявлено особливоті роботи анкерів при статичних і температурних впливах, механізм їхнього руйнуваня.

Виявлено нелінійний характер розподілу середніх переміщень по висоті перерізу сталезалізобетонної балки при спільному впливі навантаження і температури. Переміщення при лінійному розрахунку значно вище, ніж у нелінійному. Стрибка переміщень на межі між бетоном і сталлю не спостерігається.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням пластичних шарнірів у сталезалізобетонних балках і особливостям їхньої роботи при нагріванні.

Метою експериментальних досліджень пластичних шарнірів ставилося виявлення характеру виникнення і розвитку пластичних деформацій у стадії, близькій до руйнування в статично невизначеній сталезалізобетонній трьохпрольотній балці при статичному навантаженні.

Балку 1 випробовували на установці (рис.9), що складається із двох металевих опор 2 для середнього прольоту й двох крайніх опор, що включають серги 3 у вигляді замкнутих прямокутних рам, металевих тяжів 4, з'єднаних із силовою підлогою 6, врізаних у тяжі динамометрів-форкопфів 5. Для нижньої секції балки застосований двотавр №14, верхньою секцією слугувала монолітна залізобетонна плита товщиною 50 мм, шириною 250 мм, що армована 310 А400С, розташованими на відстані 25 мм від верхньої грані. Довжина балки становила 2500 мм, висота 190 мм. Для сприйняття зсуву в площині контакту сталевої секції із залізобетонною передбачено 5 анкерів із кроком 600 мм, що входять до складу арматурного каркаса.

Анкери виготовлені із гладких стержнів 10 А400С з вигином у вигляді петлі в центральній частині, що приварена до верхньої поверхні швелера.

Середній прольот балки завантажувався двома симетрично розташованими зосередженими силами Р на відстані між ними 600 мм. Навантаження передавалося від домкрата 7, за допомогою силової рами 8, переміщення визначалися прогиномірами 10 (П-1...П-5). Для розкриття статичної невизначеності проводилося обчислення відхилення переміщень крайніх опор від прямої, проведеної через нові значення положень середніх опор й усунення нев'язань шляхом укорочення або подовження тяжів стяжними муфтами (форкопфами). Реакції в крайніх опорах визначалися за динамометрами. Для виміру зсуву залізобетонної плити по поверхні контакту із двотавром на двох торцях залізобетонної плити встановлювалися індикатори годинникового типу И-1...И-4 із ціною розподілу 0,002 мм, які вставлялися в струбцини, закріплені до верхньої полиці двотавра сталевої секції.

В опорних перерізах середнього прольоту і у прольотному перерізі встановлювалися ланцюжки тензодатчиків на металевій і бетонній секціях балки.

Дослідження в діапазоні пластичних деформацій проведені до максимального навантаження 2Р=22 т. Отримано епюри відносних деформацій у перерізі середнього прольоту залежно від величини максимального прольотного моменту М_sp1; епюри відносних деформацій в опорному перерізі залежно від величини опорного моменту М_sup2.

У прольотному перерізі максимальний рівень деформацій не перевищив _s=70х10-5, в опорному перерізі з'явилася пластичність у нижній стиснутій зоні. По мірі зростання навантаження залізобетонна плита почала працювати самостійно - у ній з'явилася нейтральна зона у зв'язку з недостатнім зчепленням залізобетонної і сталевої секції.

Для створення граничного стану в опорному перерізі балки проводилося випробування її частини за схемою однопрольотної балки. Отримано, що при більших значеннях згинальних моментів, що наближаються до руйнуючих, пластичність захопила верхню половину перерізу двотавра в розтягнутій зоні і нижній частині двотавра в стиснутій зоні (рис.10). В результаті недостатнього анкерування в стадії, близької до руйнування, бетонна частина працювала самостійно та арматура практично не взяла участі в роботі перерізу.

Пластичний шарнір характеризувався станом, при якому відбувалися деформації балки при постійному навантаженні Р = 9,5 т, що відповідало згинальному моменту М = 59,85 кНм. При цьому пластична зона розтягання у двотавру склала 60 мм, пластична зона стиску - 3 мм.

Отримано, що із зростанням навантаження зона пластичності в розтягнутій частині двотавра просувалася нагору і при згинальному моменті М_{Мf M}+ = 42,6 кНм склала 100 мм. В арматурах стиснутої частини залізобетонної плити при М_{Мf M}+ = 40,37 кНм виникла пластичність, граничні деформації стиску верхньої фібри бетону _b = 157х10^-5 виникли при М_{Мf M}+ =33,6 кНм. Пластичний шарнір настав при М_{Мf M}+ = 42,6 кНм, деформації бетону склали _b = 420х10^-5.

При негативному моменті зона пластичності в стиснутій частині двотавра при згинальному моменті Ммf =34,37 кНм склала 90 мм. В арматурі розтягнутої частини залізобетонної плити при Ммf =29,37 кНм виникла пластичність, деформації розтягнутої фібри бетону в граничній стадії при Ммf =34,37 кНм склали _b = 318х10^-5.

Проведений аналіз результатів експерименту приводить до висновку про необхідність обмеження зони пластичності при розрахунку несучої здатності комплексних балок, у тому числі в сталевій секції із частковим бетонним облицюванням, відповідно до деформаційної моделі, що розроблюється.

Експериментальне дослідження сталезалізобетотонних балок при підвищених температурах проведено з метою виявлення особливостей роботи сталезалізобетонних конструкцій перекрить при нагріванні.

Визначалися температурні поля в перерізах сталевої та залізобетонної секцій комплексної балки; характер її деформування при нагріванні, при статичному навантаженні та при спільному впливі температури і навантаження для різних умов обпирання; вплив температурних моментів на перерозподіл зусиль у балці; характер утворення і розвитку пластичних шарнірів в опорних і прольотних перерізах у процесі нагрівання й тріщиноутворення бетонної секції; зниження міцності при інтенсивному високотемпературному нагріванні опорних і прольотних перерізів; вплив захисних покрить сталевої секції балки; зсув залізобетонної плити по поверхні контакту зі швелером.

Випробування були проведені на спеціальній установці, що дозволяє здійснювати навантаження та нагрівання зразків за допомогою електричної печі 2 потужністю 55 Квт із нагрівальною камерою розміром 100 х 100 см (рис.12).

На балку 1 у середньому прольоті встановлювали траверсу 3 для навантаження прольоту двома симетрично розташованими зосередженими силами Р на відстані між ними 600 мм. Силова частина установки складається з рами 4 та 50-ти тонного домкрату 5 з насосною станцією 6. Контроль навантаження здійснювався за допомогою манометру 7. Крайні опори виконані у вигляді серег 8, тяжів 9, закріплених знизу в силовій підлозі. Для розкриття статичної невизначеності в тяжі врізані динамометри 10 у вигляді форкопфів для виміру реакцій опор.

Вимір вертикальних переміщень балки здійснювався прогиномірами: П1- для визначення прогину в центрі середнього прольоту, П4, П2, П3, П5 для визначення осідання опор. Для досягнення точності вимірів проводилося обчислення відхилення переміщень крайніх опор від прямої, проведеної через нові значення положень середніх опор й усунення нев'язань шляхом укорочення або подовження тяжів стяжними муфтами (форкопфами).

Для виміру зсуву залізобетонної плити по поверхні контакту швелера із залізобетонною плитою із двох торців залізобетонної плити встановлювалися індикатори годинникового типу із ціною розподілу 0,002 мм, які кріпилися в струбцині, закріпленої до верхньої полиці швелера сталевої секції.

Бокові і нижні поверхні сталевої секції і нижня поверхня залізобетонної плити балки обігрівалися променистим і конвективным потоком тепла, бокові поверхні залізобетонної плити і відкритий простір захищався теплоізоляційним ковпаком 11. Для виміру температури в бетоні і на сталевому швелері встановлювали хромель - копелеві термопари 12, показання яких автоматично реєструвалися 12-ти крапковим самописним електронним потенціометром 13 - КСП-2.

Дослідження сталезалізобетонної балки без захисного покриття сталевої секції при нагріванні знизу проводилися в наступній послідовності.

1 ВАРІАНТ - вільне нагрівання середнього прольоту балки на 2 середніх опорах з метою дослідження розподілу температури по перерізу сталевої секції та залізобетонної плити, температурних деформацій балки при незакріплених крайніх опорах, зсуву залізобетонної плити по поверхні контакту швелера із залізобетонною плитою. У першому варіанті нагрівання відбувалось двічі: перше нагрівання тривалістю 120 хвилин для сушіння бетону і для перевірки установки. Друге нагрівання призначалося для дослідження розподілу температури по перерізу сталевої балки, температурних деформацій, зсуву залізобетонної плити по поверхні контакту зі швелером при відносно тривалому (350 хвилин) нагріванні.

2 ВАРІАНТ - нагрівання середнього прольоту знизу нерозрізної залізобетонної балки при наявності зв'язків із крайніми опорами з метою дослідження виникнення і розвитку температурного згинального моменту і зсуву залізобетонної плити по поверхні контакту зі швелером. Нагрівання середнього прольоту тривало 250 хвилин. На кожному етапі нагрівання вимірялися переміщення _{1... 5}, розраховувалися відносні переміщення ₁...₅, вирівнювалася вісь опор за допомогою стяжних муфт і по динамометрах Д1, Д2 вимірялися величини реакцій на крайніх опорах. По реакціях на крайніх опорах підраховувалися величини температурних моментів (рис.13в). Отримано, що зі зростанням температури температурний момент підвищувався до 180 хв, потім залишався постійним до кінця нагрівання (240 хв), не досягши свого граничного значення.

3 ВАРІАНТ - середній прольот балки спочатку завантажували двома симетрично розташованими зосередженими силами до нормативного навантаження Р = 8 т протягом 44 хвилин, а потім нагрівали з боку нижньої грані протягом 250 хв. На кожному етапі вимірялися прогини, вирівнювали вісь опор за допомогою стяжних муфт і визначали величини реакцій на крайніх опорах (рис.13г), по яких обчислювалися епюри згинальних моментів від спільного впливу температури й навантаження (рис.13д).

При спільній дії навантаження і температури в балці відбувся перерозподіл прольотного М_sp й опорних М_sup моментів внаслідок виникнення в ній температурного моменту, який при нагріванні знизу розвантажив прольотний переріз і довантажив опорні (рис.13е). Пластичні шарніри в опорних перерізах балки виникли при відносно невисоких температурах. Подальше нагрівання не викликало збільшення температурного моменту. Прольотний момент після виникнення пластичних шарнірів зменшився і не мінявся протягом наступного нагрівання. Утворення третього пластичного шарніра не відбулося.

Прогин середнього прольоту зростав у процесі завантаження пропорційно прольотному моменту М_sp, при зниженні моменту в результаті перерозподілу зусиль від нагрівання продовжував збільшуватися.

Дослідження сталезалізобетонної балки із захисними покриттями сталевої секції проведені з вогнезахисними покриттями, що здимається, сталевої секції “Ендотерм ХТ-150”, “Протерм Стіл” і із захисним покриттям цементно-піщаним розчином.

Результати випробувань із вогнезахисним покриттям сталевої секції “Ендотерм ХТ-150” показали, що температурні поля не мають істотного розходження з аналогічними полями у балок без захисту. Огляд балок після проведення випробування показав, що покриття виявилося повністю ушкодженим і легко знімалося з поверхні металу у вигляді тонких плівок.

Повторне випробування з усуненням можливих помилок при підготовці, нанесенні й сушінні покриття не поліпшило результатів.

Вогнезахисний склад “Протерм Стіл” виробництва італійської компанії Italivis Protect S.r.I. призначений для підвищення межі вогнестійкості металевих конструкцій до 90 хв. Підсумки випробувань цього складу також показали недостатню теплоізолюючу здатність покриття.

Захисне покриття цементно-піщаним розчином здійснювалося нанесенням штукатурки товщиною 25 мм по сітці по всьому периметру двотавра середнього прольоту сталезалізобетонної балки.

Результати випробувань показують ефективність теплового захисту штукатуркою: температура нижньої поверхні двотавра для 60 хв нагрівання склала 180С (без захисту 280С), температура верхньої поверхні - 100С (без захисту 260С). Досліджений процес перерозподілу зусиль показав наступне: протягом 60 хв навантаження виникають прольотні М_sp1, М_sp2 і опорні Msup1, Msup2 моменти, далі в процесі наступного нагрівання зменшуються прольотні моменти з M_sup,m = - 2,2 тм при = 60 хв до M_sup,m = - 1 тм при =230 хв. При подальшому нагріванні зусилля стабілізуються. Опорні моменти не досягають свого граничного значення на відміну від випробувань балки без теплового захисту.

Всебічний захист сталевої секції комбінованої балки показав задовільні результати, як по теплоізолюючій, так і по несучій здатності.

Низька ефективність вогнезахисних покрить, що спучуються, Ендотерм ХТ-150 і Протерм Стіл пояснюється, очевидно, повільним підніманням температури у вогневій камері в порівнянні з режимом стандартної пожежі.

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

У п'ятому розділі наведені результати впровадження роботи. Результати роботи впроваджені в проект реконструкції будинку по вул. Шевченка (літ. А-2) у м. Харкові. Реалізовано розроблену методику розрахунку вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних балок, що дозволила встановити належність запроектованого перекриття до II ступеня вогнестійкості.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведені теоретичне узагальнення й нове рішення наукової проблеми - розробки методики розрахунку вогнестійкості статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій. Рішення проблеми оцінки несучої здатності комплексних нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій проведено теоретичними й експериментальними методами, у результаті яких запропонована інженерна методика розрахунку меж вогнестійкості будівельних конструкцій нерозрізних перекриттів з обліком фізичної й геометричної нелінійності бетону й стали.

1. Проведено чисельне моделювання температурних полів у сталезалізобетонних балках методом кінцевих елементів на основі рішення нелінійного диференційного рівняння теплопровідності з нелінійними граничними умовами. Досліджено особливості нестаціонарних температурних полів у перерізах сталезалізобетонних конструкцій при пожежі.

2. Отримано розрахункові розподіли температури в сталевій секції і залізобетоні для комбінованих конструкцій без теплового захисту, з боковим тепловим захистом шаром цементно-піщаної штукатурки, із всебічною теплоізоляцією штукатуркою.

3. Розроблено методику визначення розрахункових параметрів для призначення реальної і "ефективної" еквівалентної температури.

4. Розроблено гармонізовану з Еврокодом методику розрахунку вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій з використанням методу граничної рівноваги, деформаційної моделі. Запропоновані критеріальні рівняння для визначення меж вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних балок.

5. Проведено дослідження шарнірів пластичності на підставі аналізу існуючих методик руйнування нерозрізних залізобетонних, сталевих і сталезалізобетонних конструкцій, у результаті якого сформульовані завдання експериментальних досліджень.

6. Проведено чисельне моделювання напружено-деформованого стану статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій на прикладі дослідної трьохпрольотної нерозрізної балки при впливі навантажень і температури по різних розрахункових схемах: стержневої, плоскої лінійної і нелінійної. Отримано, що температурний момент приводить до перерозподілу зусиль, розвантажуючи прольотний переріз і довантажуючи опорні. Після утворення пластичних шарнірів на опорах величина температурного моменту залишається постійної протягом подальшого підвищення температури.

Досліджено напруження й деформації в прикордонному шарі між сталевою секцією і залізобетонною плитою при різній кількості і розташуванні анкерів.

7. Результати нелінійного розрахунку з урахуванням фізичної нелінійності бетону, арматури і сталевої секції, а також послідовності додатка власної ваги, нормативного навантаження і нагрівання та предісторії завантаження виявили характерні стадії руйнування. Отримано поля пластичності в металі, тріщиноутворення й руйнування в бетоні, що показують об'ємний характер пластичних шарнірів у сталезалізобетоні.

8. Проведено експериментальні дослідження пластичних шарнірів у сталезалізобетонній нерозрізний і вільно обпертій балці. Виявлено зони пластичності в металі і руйнування в бетоні. Результати досліджень показують необхідність застосування для оцінки їхньої несучої здатності деформаційної моделі.

9. В результаті експериментальних досліджень виявлені особливості роботи сталезалізобетонних конструкцій при нагріванні. Підтверджено наукові положення, які прийняті при розробці методики розрахунку їхньої вогнестійкості.

При спільній дії навантаження і температури в балці відбувся перерозподіл зусиль внаслідок виникнення в ній температурного моменту, що при нагріванні знизу розвантажував прольотний переріз і довантажував опорні. Пластичні шарніри в опорних перерізах балки виникли при відносно невисоких температурах. Подальше нагрівання не викликало збільшення температурного моменту. Прольотний момент після виникнення пластичних шарнірів зменшився і не мінявся протягом наступного нагрівання, що не привело до створення третього пластичного шарніра.

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

10. Впровадження результатів роботи в проект реконструкції будинку по вул. Шевченко (літ. А-2) у м. Харкові, Україна, показало ефективність розробленої методики визначення вогнестійкості перекриттів.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ ОПУБЛІКОВАНО У НАСТУПНИХ РОБОТАХ:

1. Фомин С. Л., Като Лоренс Албат. К расчету огнестойкости комплексных балок // Науковий вісник будівництва.-Вип.30.-Том 1.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2005.-С. І-144-І-148.

2.ФоминС.Л.,КатоЛоренсАлбат Исследование работы сталежелезо-бетонных неразрезных балок при нагреве // Науковий вісник будівництва.-Вип. 38.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2006. - С.30-34.

3. Фомин С. Л., Като Лоренс Албат Экспериментальное исследование пластических шарниров в сталежелезобетонных неразрезных балках // Науковий вісник будівництва.-Вип. 40.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007.-С.78-85.

4. Фомин С. Л., Като Лоренс Албат Численное моделирование температурных полей в сталежелезобетонных неразрезных балках при пожаре // Науковий вісник будівництва.-Вип. 41.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - С.157-164.

5. Фомин С. Л., Като Лоренс Албат Расчет огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных балок // Комунальне господарство міст: Наук.-техн. сб.-Вип. 76.-К.: Технiка, 2007.-С. 462-468.

6. Като Лоренс Албат Экспериментальное исследование комплексных балок с коробчато-забетонированным профилем // Науковий вісник будівництва.-Вип. 43.-Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2007. - С.28-32.

АНОТАЦІЯ

Като Лоренс Альберт. Вогнестійкість статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій. - Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2007 р.

Дисертація присвячена теоретичному узагальненню і новому рішенню наукової проблеми - розробки методики розрахунку вогнестійкості статично невизначених сталезалізобетонних конструкцій.

Проведено чисельне моделювання температурних полів у стале залізобетонних балках. Досліджено особливості нестаціонарних температурних полів у їх перерізах при пожежі. Отримано розрахункові розподіли температури в сталевій секції і залізобетоні для комбінованих конструкцій без теплового захисту, з боковим тепловим захистом шаром цементно-піщаної штукатурки, із всебічною теплоізоляцією штукатуркою. Розроблено методику визначення розрахункових параметрів для призначення реальної й "ефективної" еквівалентної температури.

Розроблено гармонізовану з Еврокодом методику розрахунку вогнестійкості нерозрізних сталезалізобетонних конструкцій з використанням методу граничної рівноваги, деформаційної моделі.

Проведено дослідження шарнірів пластичності в сталезалізобетонних конструкціях за допомогою чисельного моделювання їх напруженого стану в лінійній і нелінійній постановки. Отримано, що температурний момент приводить до перерозподілу зусиль. Досліджено напруження й деформації в прикордонному шарі між сталевою секцією і залізобетонною плитою.

Виявлені характерні стадії руйнування, об'ємний характер пластичних шарнірів у сталезалізобетоні.. Отримано поля пластичності в металі, тріщиноутворення й руйнування в бетоні.

Проведено експериментальні дослідження пластичних шарнірів, виявлені особливості роботи сталезалізобетонних конструкцій при нагріванні. Підтверджено наукові положення, які прийняті при розробці методики розрахунку їхньої вогнестійкості. При спільній дії навантаження й температури в балці відбувся перерозподіл зусиль внаслідок виникнення в ній температурного моменту, що при нагріванні знизу розвантажував прольотний переріз і довантажував опорні.

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

Результати роботи проваджені в проектування, будівництво будинку при реконструкції у м. Харкові і у навчальному процесі.

Ключові слова: статично невизначені сталезалізобетонні перекриття, вплив пожежного середовища, температурні напруження, вогнестійкість, фізична нелінійність, деформаційна модель розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Като Лоренс Альберт. Огнестойкость статически неопределимых сталежелезобетонных конструкций. - Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения, Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2007 г.

Диссертация посвящена теоретическому обобщению и новому решению научной проблемы - разработке методики расчета огнестойкости статически неопределенных сталежелезобетонных конструкций.

Проведено численное моделирование температурных полей в сталежелезобетонных балках. Исследованы особенности нестационарных температурных полей в их сечениях при пожаре. Получены расчетные распределения температуры в стальной секции и железобетоне для комплексных конструкций без тепловой защиты, с боковой тепловой защитой слоем цементно-песчаной штукатурки, со всесторонней теплоизоляцией штукатуркой. Разработана методика определения расчетных параметров для назначения реальной и "эффективной" эквивалентной температуры.

Разработана гармонизованная с Еврокодом методика расчета огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных конструкций с использованием метода предельного равновесия, деформационного модели.

Проведено исследования шарниров пластичности в сталежелезобетонных конструкциях с помощью численного моделирования их напряженного состояния в линейной и нелинейной постановки. Получено, что температурный момент приводит к перераспределению усилий. Исследованы напряжения и деформации в пограничном слое между стальной секцией и железобетонной плитой.

Выявленные характерные стадии разрушения, объемный характер пластических шарниров в сталежелезобетоне. Получены поля пластичности в металле, трещинообразования и разрушение в бетоне.

Проведены экспериментальные исследования пластических шарниров, выявлены особенности работы сталежелезобетонных конструкций при нагревании. Подтверждены научные положения, которые приняты при разработке методики расчета их огнестойкости. При совместном воздействии нагрузки и температуры в балке произошло перераспределение усилий вследствие возникновения в ней температурного момента, который при нагревании снизу разгружал пролетное сечение и догружал опорные.

Полученные результаты подтвердили справедливость разработанной методики расчета огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных балок.

...