Підвищення достовірності результатів вогневих випробувань при оцінюванні межі вогнестійкості несучих стін

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНА СЛУЖБА УКРАЇНИ З НАДЗВИЧАЙНИХ СИТУАЦІЙ

ЛЬВІВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ БЕЗПЕКИ
ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Підвищення достовірності результатів вогневих випробувань при оцінюванні межі вогнестійкості несучих стін

СІДНЕЙ СТАНІСЛАВ ОЛЕКСАНДРОВИЧ

Львів - 2016

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Черкаському інституті пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Тищенко Євген Олександрович, Навчально-методичний центр цивільного захисту та безпеки життєдіяльності Черкаської області з навчальної та методичної роботи, заступник начальника.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Демчина Богдан Григорович, Національний університет «Львівська політехніка», завідувач кафедри «Будівельні конструкції і мости»

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ніжник Вадим Васильович, Український науково-дослідній інститут цивільного захисту, начальник науково-дослідного центру технічного регулювання.

Захист відбудеться «06» жовтня 2016 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 35.874.01 у Львівському державному університеті безпеки життєдіяльності за адресою: 79000, м. Львів, вул. Клепарівська, 35.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Львівського державного університету безпеки життєдіяльності за адресою: 79000, м. Львів, вул. Клепарівська, 35.

Автореферат розісланий « » 2016 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент В. М. Баланюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення пожежної безпеки є невід'ємною складовою державної політики в Україні. В умовах пожежі порушення загальної стійкості будівлі завжди відбувається внаслідок руйнування окремих елементів в каркасі споруди. Зважаючи на це, одним із важливих аспектів забезпечення пожежної безпеки у наш час є застосування будівельних конструкцій, зокрема несучих стін із відповідною межею вогнестійкості. Помилкове визначення значення межі вогнестійкості призводить до порушення нормативних вимог щодо забезпечення пожежної безпеки об'єктів будівництва на стадіях проектування та експлуатування, що негативно впливає на статистику пожеж.

Для визначення меж вогнестійкості найбільш поширеним є метод випробувань у спеціальних вогневих випробувальних печах. Нажаль, під час визначення значень меж вогнестійкості несучих конструкцій у зазначених печах мають місце похибки, внаслідок того, що управління паливною системою та конфігурація вогневих печей не забезпечують повну відповідність умов проведення експерименту вимогам стандартів у даній галузі.

Дослідженням вогнестійкості залізобетонних конструкцій, у тому числі несучих стін, займались і займаються багато вчених, зокрема Яковлєв О.І., Ройтман В.М., Харченко І.О., Бушев В.П., Мілованов О. Ф., Фомін С. Л., Страхов В.Л., Круковський П. Г., Поздєєв С. В., Бєліков А.С., Cемерак М.М., Ковалишин В.В., Демчина Б.Г., Гуліда Е.М., Новак С.В., Ніжник В.В., Шналь Т.М., Половко А.П., Т. Lie, В. Bartelemi, G. Kruppa, T. Harmathy та інші, проте в їх роботах недостатньо уваги було приділено впливу на значення меж вогнестійкості несучих стін дисперсії температур по їх обігрівальній поверхні.

Виявлення закономірностей змінення значень межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур по їх обігрівальній поверхні під час випробувань у вогневих печах є актуальною науковою задачею, розв'язання якої є науковим підґрунтям удосконалення параметрів таких печей, а також підвищення достовірності результатів випробувань.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота проводилася відповідно до «Концепції Державної цільової соціальної програми забезпечення пожежної безпеки на 2011--2015 роки», затвердженої розпорядженням Кабінету Міністрів України від 29 грудня 2010 р. № 2348-р та «Державної цільової соціальної програми забезпечення пожежної безпеки на 2012-2015 роки», затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 01.06.2012 р. № 590, у рамках виконання науково-дослідної роботи в Черкаському інституті пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України «Методика розрахунку класу вогнестійкості монолітних залізобетонних конструкцій» (номер державної реєстрації 0115U000980), в якій здобувач був виконавцем.

Ідея роботи полягає у підвищенні достовірності визначення значень меж вогнестійкості несучих стін будівель шляхом проведення випробувань у вогневих печах з обґрунтованими параметрами за запропонованим алгоритмом, який враховує закономірності впливу дисперсії температур по їх обігрівній поверхні.

Метою дисертаційної роботи є розкриття закономірностей змінення значень межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур по їх обігрівній поверхні під час випробувань у вогневих печах.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі задачі:

провести аналіз стану нормативної бази та наукових розробок щодо оцінювання вогнестійкості несучих стін та виявити шляхи підвищення точності та достовірності його результатів;

побудувати математичні моделі, засновані на числовому розв'язку повної системи диференціальних рівнянь Нав'є-Стокса, які описують процес тепломасообміну у випробувальних вогневих печах під час визначення вогнестійкості несучих стін, та провести обчислювальні експерименти;

провести експериментальні дослідження процесів теплообміну та розподілу температур у вогневих печах під час стандартних випробувань несучих стін на вогнестійкість;

перевірку адекватності результатів проведеного математичного моделювання процесів теплообміну шляхом порівняння з даними експерименту;

провести обчислювальні експерименти з виявлення впливу дисперсії температур на обігрівних поверхнях несучих стінна значення їх межі вогнестійкості та похибку;

обґрунтувати конструктивні параметри удосконаленій вогневої печі та алгоритм визначення вогнестійкості несучих стін, що забезпечує мінімізацію дисперсії температур по їх обігрівній поверхні.

Об'єкт дослідження - процес і методологія оцінювання вогнестійкості несучих стін будівель у випробувальних вогневих печах за стандартного температурного режиму пожежі.

Предмет дослідження - вплив дисперсії температур по обігрівній поверхні несучих стін будівель на достовірність результатів визначення меж їх вогнестійкості у випробувальних вогневих печах за стандартного температурного режиму пожежі.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводились на основі систем диференціальних рівнянь неперервних середовищ типу рівнянь Нав'є-Стокса, рівнянь теплопровідності та напружено-деформованого стану залізобетону в умовах нагріву під час пожежі та рівняння теплопровідності. Для розв'язку рівнянь у роботі використано метод кінцевих елементів, оптимізаційні методи, а також методи статистичної обробки експериментальних і розрахункових даних. Експериментальні дослідження виконано із застосуванням атестованих спеціальних вогневих випробувальних печей, а також метрологічно повірених засобів вимірювання.

Новизна наукового результату полягає у розкритті закономірностей змінення значень межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур по їх обігрівальній поверхні під час випробувань у вогневих печах. При цьому:

- уперше встановлено, що значення межі вогнестійкості несучих стін, визначене за стандартного температурного режиму пожежі, має поліноміальну залежність від дисперсії температур () по обігрівній поверхні, а їх похибки описуються у вигляді поліноміальної регресії третього порядку:

вогнестійкість несучий стіна

;

- уперше виявлено, що кількість пальників і отворів для відведення продуктів згоряння та місця їх розташування у вогневих випробувальних печах впливають на рівномірність розподілу температур по обігрівній поверхні вертикальних огороджувальних конструкцій, що дозволило обґрунтувати параметри удосконаленої печі, які забезпечують мінімізацію дисперсії температур і підвищення достовірності визначення значення межі вогнестійкості несучих стін;

- набули подальшого розвитку експериментальна та розрахункова бази вогневих випробувань з оцінювання вогнестійкості несучих стін за стандартним температурним режимом пожежі.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується використанням відомих систем диференційних рівнянь тепломасообміну та напружено-деформованого стану (НДС) для несучих стін в умовах нагріву під час пожежі, апробованих чисельних методів інтегрування математичних моделей тепломасообміну та НДС, а також задовільною збіжністю розрахункових та експериментальних даних, отриманих під час випробувань залізобетонної несучої стіни.

Практичне значення отриманих результатів полягає у застосуванні результатів роботи під час проектування та будівництва нових установок для випробування несучих стін для досягнення в камері печі однорідності температурного поля на обігрівних поверхнях конструкцій та, як результат, підвищення точності та достовірності випробувань на вогнестійкість як підґрунтя для удосконалення існуючої випробувальної та нормативної бази щодо випробувань несучих стін на вогнестійкість.

Отримані результати досліджень впроваджено в роботу пожежно-технічної лабораторії ТОВ «ПожТест» (м. Київ) та дослідно-випробувальної лабораторії Управління ДСНС України в Черкаській області. Вдосконалення стосуються кількості і місць встановлення пальників та отворів для відведення продуктів згоряння, геометричних особливостей камер вогневих печей, тощо. Врахування запропонованих нововведень дозволяє значно зменшити похибку під час проведення вогневих випробувань несучих стін. Також результати роботи впроваджено в навчальний процес Черкаського інституту пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля Національного університету цивільного захисту України під час вивчення дисциплін: «Будівлі і споруди та їх поведінка в умовах пожежі», «Матеріалознавство та технологія матеріалів».

Особистий внесок здобувача полягає у визначенні мети та завдань дослідження, аналізі літературних джерел, дослідженні впливу залежності між величиною дисперсії температур на обігрівальній поверхні несучої стіни та межею вогнестійкості зазначеної стіни, аналізі отриманих даних. Впровадження результатів роботи здійснені особисто здобувачем.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційних досліджень доповідалися і обговорювалися на:

VI Міжнародній науково-практичній конференції «Теорія і практика гасіння пожеж та ліквідації надзвичайних ситуацій» (м. Черкаси, 2014 р.);

Міжнародній науково-практичній конференції «Наукове забезпечення діяльності оперативно-рятувальних підрозділів (теорія та практика)» (м. Харків, 2015 р.);

17 Всеукраїнській науково-практичній конференції рятувальників (м. Київ, 2015 р.);

Всеукраїнській науково-практичній конференції з міжнародною участю
(м. Черкаси, 2015 р.);

Міжнародної конференції «Technical safety-2015» (м. Варшава, 2015 р.);

Международной научно-практической online конференции «Технические средства предупреждения и ликвидации Чрезвычайных ситуаций» (г. Гомель 2016 г.).

Публікації. Основний зміст роботи викладено в 11 наукових працях, в тому числі: 1 монографія, 3 статті у визнаних закордонних виданнях, 3 статей у виданнях України, а також у тезах 4 доповідей на міжнародних та національних науково-практичних конференціях і семінарах.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів і загальних висновків, списку використаних літературних джерел із 102 найменувань; містить 136 сторінок друкованого тексту, 15 таблиць, 52 рисунки та додатки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і завдання дослідження, показані наукова новизна і практичне значення роботи, та наведено відомості про апробацію та публікацію результатів досліджень.

У першому розділі проведено аналіз стану нормативної бази та наукових розробок щодо випробувань з визначення меж вогнестійкості несучих стін та виявлено шляхи підвищення їх ефективності.

Аналіз робіт таких авторів, як Яковлєв О. І., Ройтман В. М., Харченко І. О., Поздєєв С. В., Бушев В. П., Мілованов О. Ф., Фомін С. Л., Страхов В. Л., Круковський П. Г., Новак С. В., Т. Lie, В. Bartelemi, G. Kruppa, T. Harmathy та ін. показав, що для оцінки вогнестійкості залізобетонних будівельних конструкцій на сьогоднішній день в Україні пріоритетними є вогневі випробування. Було вивчено конструкції та вплив параметрів вогневих печей на точність визначення межі вогнестійкості досліджуваних конструкцій і проаналізовано джерела похибок, які впливають на їх результати. Визначено, що випробування на вогнестійкість та параметри сучасних випробувальних установок далекі від досконалості через похибки, внаслідок того, що управління паливною системою та конфігурація вогневих печей не забезпечують повну відповідність умов проведення експерименту вимогам стандартів у цій галузі. Тому даний метод необхідно удосконалювати. Крім того, існує багато конструкцій печей, які розрізняються геометричними конфігураціями, видом паливно-форсуночної системи, схемами розташування та конструкцією вимірювальної арматури. Це може призвести до того, що різні випробувальні установки можуть давати результати, які відрізняються на 30 і більше відсотків. Якщо йдеться про час, що визначає настання граничного стану, а це фактично час, який потрібен для евакуації людей та матеріальних цінностей, то для REI 60 відхилення може складати близько 20 хвилин, REI 120 - 40 хвилин, REI 150 - 50 хвилин. Це значний проміжок часу, в якому визначається межа вогнестійкості тією чи іншою лабораторією і при цьому немає гарантій, що результат не є завищеним. У такому випадку не можна гарантувати безпеку людей та матеріальних цінностей відповідно до існуючих нормативів. І тому, питання удосконалення характеристик для вогневих випробувань є актуальним і важливим, а здійснити ці випробування можливо за допомогою обчислювальних експериментів, які мають перевагу перед реальними, завдяки економічності, екологічності та ефективності.



Розглянувши основні підходи щодо здійснення досліджень, було доведено ефективність комп'ютерного моделювання процесів тепломасообміну за допомогою спеціальних програмних комплексів CFD, заснованих на використанні повної системи рівнянь Нав'є-Стокса, через високу збіжність результатів обчислювальних та реальних експериментів. У алгоритми цих програм закладені сучасні чисельні методи, такі як метод кінцевих або граничних елементів, методи нев'язок, метод Гальоркіна, оптимізаційні методи, тощо, для розв'язку систем диференціальних рівнянь неперервних середовищ типу рівнянь Нав'є-Стокса, рівняння теплопровідності Фур'є та ін., де враховуються всі можливі чинники, що є неможливим під час застосування аналітичних методів розв'язку. До цих чинників можна віднести будь-яку складність граничних умов, а також різного роду нелінійності у цих рівняннях. Крім того, використання засобів обчислювальної газогідродинаміки не має обмеження, зумовлених високою вартістю, трудомісткістю, неекологічністю та складністю проведення реальних експериментів.

На основі проведеного огляду сформульовано завдання, вирішення яких дозволило досягти поставленої в роботі мети.

У другому розділі побудовано математичну модель, яка описує процес тепломасообміну у вертикальній випробувальній вогневій печі при визначенні вогнестійкості несучих стін. Як модельну розглянуто конфігурацію вогневої печі для випробувань на вогнестійкість несучих стін у пожежно-технічній лабораторії ТОВ «ПожТест», м. Київ. Для проведення розрахунків обрано ліцензійний програмний комплекс CFD та розкрито його переваги.

До основних принципів побудови (рис. 1) математичної моделі належать такі:

1) як основний інструмент побудови моделі та проведення чисельного експерименту використано програмний комплекс «FlowVision 2.5»;

2) у процесі чисельного експерименту враховано конвективний і радіаційний теплообмін поверхні випробуваних конструкцій та простору камери печі;

3) у камерах передбачена модель термопари у вигляді стержня довжиною 100 мм і діаметром 6 мм з урахуванням конвективного та радіаційного теплообміну;

4) використано реальні повномасштабні розміри камери вогневої печі, які внесено у геометричні параметри польової математичної моделі.

Засобами програмного комплексу підобласть камери печі сполучається з поверхнею конструкції та термопарою, задається вид палива, інтенсивність його подачі, а також підпір повітря. Крім того, вводяться загальні параметри, такі як: вісь гравітації, критерій Куранта-Фрідріхса-Леві тощо.

У програмному комплексі застосований метод контрольних об'ємів, тому наступним етапом є створення сіткової моделі печі (рис. 2).

Для того, щоб врахувати конвективний і радіаційний теплообмін між простором камери печі та поверхнями термопари і залізобетонної конструкції, адаптивну сітку у їх регіонах було подрібнено так, щоб одночасно забезпечити точність при необхідній продуктивності розрахунку. Крім цього, були створені адаптації: І рівня по простору циліндра, що охоплює термопару радіусом 0,01 м і висотою 0,12 м і І рівня по простору підобласті термопари. При їх накладенні була було отримано адаптацію ІІ рівня.



Для проведення обчислювального експерименту, з використанням створеної математичної моделі вогневої печі для випробувань, використана нижченаведена послідовність розрахункових процедур.

1. Ініціюється процес горіння з мінімальним глобальним кроком за часом.

2. Значення температури термопари візуалізується і контролюється порівнянням на кожному часовому кроці випробувань (підібране оптимальне значення 10 с).

3. Після 0,05 с встановлюється вдвічі грубіший крок за часом.

4. Досягнувши температури, що відповідає температурі стандартного температурного режиму пожежі, для цього часового кроку, процес горіння припиняється установкою відповідних граничних умов.

5. Після вигоряння усіх часток палива (визначається за температурою факелів), встановлюється ще грубіший крок за часом до настання наступного часового інтервалу.

6. Для наступного часового інтервалу розрахункові процедури повторюються.

7. Під час проведення розрахунку контролюється температура відповідних точок конструкції і простору печі.



Під час проведення експерименту контроль температури відбувався так, щоб температурний режим нагріву термопари по можливості точно співпадав з стандартною температурною кривою пожежі і не виходив за допустиму похибку випробування. Додатково контролювалися покази змодельованої термопари та температура простору безпосередньо поруч з термопарою.

Аналізуючи розподіл температур у площині термопари (рис. 2) та на поверхні несучих стін, була виявлена особливість, що полягає в нерівномірності прогріву цих конструкцій на обігрівальній поверхні. Крім того, існує різниця показів температури змодельованої термопари та температури простору безпосередньо поруч з термопарою.

Розрахунки показали, що для підвищення ефективності випробувань необхідно виявити залежності значень межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур на їх обігрівальних поверхнях.

У третьому розділі описані методики та обладнання (рис. 4), які використано під час виконання експериментальних досліджень залізобетонних несучих стін на вогнестійкість із застосуванням вогневої печі ТОВ «ПожТест» (м. Київ) і перевірено адекватність побудованих математичних моделей та експериментальних даних.

Проведення випробувань залізобетонних стін за стандартним температурним режимом здійснювалося за методом, що регламентований ДСТУ Б В.1.1-4-98* «Будівельні конструкції. Методи випробувань на вогнестійкість. Загальні вимоги» та ДСТУ Б В.1.1-19:2007 «Захист від пожежі. Несучі стіни. Метод випробування на вогнестійкість». Метод випробувань полягає у визначенні проміжку часу від початку випробування за температурним режимом згідно з ДСТУ Б В.1.1-4-98* температурного впливу на зразок знизу до настання одного з нормованих для перекриття (покриття) граничних станів з вогнестійкості за умов, що регламентуються ДСТУ Б В.1.1-19:2007.

Для випробувань використано зразок фрагменту залізобетонної стіни ліфтової шахти. Зразок стіни для випробувань мав розміри 3200х3200х200 мм та складаються з: армування внутрішньої та зовнішньої частини плити виконаної несучою сталевою арматурою діаметрами 16 мм (класу А500С) та 6 мм (класу А240С). Несуча стіна виготовлена з бетону марки П3 В30 F200 W6, класу В30. Захисний шар бетону для арматури складає 20мм. Зовнішній вигляд зразка до випробування наведено на рисунку 4.

У процесі підготовки до випробувань, зразок був шарнірно закріплений з одного краю, навантажений (осьове навантаження) виходячи з створення в конструкції напруг, розподіленим навантаженням 150 т/м2 стіни (без врахування власної ваги). Навантаження дослідного зразка відбувалося трьома гідравлічними домкратами.

Середня температура у камері печі знаходилась в температурних межах випробувань відповідно до ДСТУ Б В.1.1-4-98* (рис. 5).

Температура в вогневій камері вимірювалася пічними термопарами, рівномірно-розташованими по довжині зразків у шести місцях згідно ДСТУ Б В.1.1-20:2007 (рис. 6).

За результатами експериментального дослідження час настання граничних станів з вогнестійкості несучої стіни розмірами 3200х3200х200 мм склав не менше ніж 150 хвилин за ознаками втрати несучої здатності (R), цілісності (Е) та теплоізолюючої здатності (І).

Для перевірки адекватності побудованих математичних моделей було використано результати експерименту з випробувань на вогнестійкість горизонтальних залізобетонних плит у аналогічній геометричній конфігурації вогневої печі за допомогою алгоритму описаного в розділі 2. Збіжність експериментальних та розрахункових даних було перевірено за допомогою критеріїв адекватності (t-крит. Ст'юдента, Q-крит. Кохрена, F-крит. Фішера).

Дисперсія адекватності розраховувалася як відхилення між розрахунковими і експериментальними даними по кожній з термопар експериментальної установки та відповідного їй місця контролю температури в моделі.

У створеній комп'ютерній моделі чотири місця контролю температури, в експериментальній установці термопар вісім. Але, термопари в експериментальній установці попарно симетричні відносно поздовжньої осі (рис. 6-б). Дані кожної із термопар розрахунку порівнювалися по черзі з двома відповідними їм термопарами експерименту. Так було отримано вісім значень дисперсії адекватності.

Дисперсія відтворюваності розраховувалася як відхилення температури простору безпосередньо біля термопари і показань термопари, з урахуванням експериментальної похибки.

Таким чином, вісім значень дисперсії адекватності почергово порівнюються з дисперсією відтворюваності і розраховується критерії Фішера (F) та Ст'юдента (t).

Додатково по вісім значень критеріїв Фішера (F*) та Ст'юдента (t*) були отримані під час розрахунку дисперсії відтворюваності, як середнього значення дисперсії між симетричними, відносно поздовжньої осі, термопарами (рис. 6-б) при експерименті. Дисперсії адекватності використовувалися аналогічно першому випадку (табл. 1).

Таблиця 1 Параметри дисперсії результатів математичного моделювання вогневих випробувань залізобетонної конструкції від експериментальних даних

Критерій	Значення параметрів, визначених за даними термопар
	Т1	Т2	Т3	Т4	Т5	Т6	Середнє значення	Критичне значення
Максимальне відхилення, С	57,4	64,3	68,9	108,1	47,9	42,8	64,9	-
Середнє відхилення, С	24,0	22,4	19,4	25,0	21,8	21,7	22,4	-
Відносне відхилення, %	5,15	4,81	4,16	5,37	4,67	4,66	4,81	15
F-критерій	1,62	3,84	3,49	3,77	1,31	4,03	3,01	4,49
t-критерій	1,52	1,77	1,93	1,82	1,18	1,45	1,61	2,92
Q-критерій	0,32	0,35	0,39	0,32	0,33	0,32	0,34	0,45

Розраховані критерії адекватності не перевищують допустимих значень, чим було підтверджено адекватність моделей теплових процесів для подальшого використання під час вивчення залежності значень межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур на їх обігрівальних поверхнях.

У четвертому розділі для різних конфігураціях печей (рис. 7) проведено обчислювальні експерименти з визначення вогнестійкості несучих стін. Було обґрунтовано алгоритм визначення та конструктивні параметри вогневої печі, які забезпечують мінімально можливі дисперсії температур на обігрівній поверхні плити під час випробувань на вогнестійкість несучих стін.

Спираючись на дані попередніх обчислювальних та реальних експериментів, було обрано 6 конфігурацій печей (рис. 7) (змінювалися розташування і кількість пальників та отворів для відведення продуктів горіння, тощо) та показано, як конструктивні особливості установки можуть впливати на рівномірність розподілу температур по обігрівній поверхні огороджувальної конструкції. У результаті було визначено конфігурацію з найбільш рівномірним розподілом температур на обігрівній поверхні стіни протягом часу випробувань.

Для цього було розраховано значення дисперсії температур на обігрівній поверхні кожної зі змодельованих конструкцій на кожній хвилині обчислювального експерименту, після чого побудовано графік зміни її у часі. Використовуючи можливість CFD, було отримано дані щодо температури на кожній хвилині обчислювальних експериментів: від 5000 до 7500 контрольних точок (залежно від особливостей конфігурації), що розподілені рівномірно по поверхні конструкції. Опрацювавши ці дані, було розраховано дисперсії (1) температур та побудовано графіки (рис. 8).

(1),

де n - кількість контрольних точок значень температури, Ti - значення температури у контрольній точці, - середнє значення температури на поверхні конструкції.

У отриманих графіків (рис. 8) існує певна особливість: у більшості кривих, які відображають числове значення дисперсії температур, існує екстремум. Після початкової фази, зростання значення дисперсії, вона поступово починає зменшуватись. Це можна пояснити тим, що в умовах випробувань за стандартним температурним режимом пожежі більш інтенсивна зміна температури в камері вогневої печі спостерігається на початкових хвилинах випробувань. Після чого інтенсивність її зміни зменшується і вона вирівнюється. До 60-тої хвилини різниця стає незначною.



Ще однією особливістю є те, що чим менше значення екстремуму, тим раніше він досягається.

Якщо детально розглянути створені конфігурації, то можливо відмітити, що найменші значення дисперсій на усьому часовому проміжку спостерігаються у конфігураціях «Д» та «Е». Найбільше значення дисперсії у конфігурації «Д» спостерігається на 40-й хвилині випробувань, у конфігурації «Е» на 39-й хвилині.

Виходячи з отриманих значень дисперсії температури на поверхні кожної зі змодельованих конструкцій камери печі на кожній хвилині обчислювального експерименту (рис. 8), було визначено удосконалену конфігурацію з найбільш рівномірним розподілом температур на обігрівальній поверхні несучої стіни, що дозволяє зменшити похибку, яка виникає за рахунок дисперсії температур на обігрівальній поверхні огороджувальних конструкцій під час випробувань на вогнестійкість (рис. 9).

У п'ятому розділі із застосуванням обчислювальних експериментів проведено дослідження з виявлення впливу залежності між значенням межі вогнестійкості несучих стін і дисперсією температур на їх обігрівальних поверхнях та обґрунтовано параметри вогневої печі для визначення вогнестійкості несучих стін, а також алгоритм їх визначення, які враховують виявлені залежності дисперсії температур по обігрівальній поверхні.

Для визначення межі вогнестійкості було побудовано кінцево-елементну (КЕ) модель залізобетонної несучої стіни, яка використовувалась при реальному експерименті (рис. 4) та описана в розділі 3 дисертаційної роботи (рис. 10), і розв'язано статичну задачу з використанням методу кінцевих елементів. Вхідні дані прогріву несучої стіни під час випробувань на вогнестійкість взято з попередніх досліджень.

Розрахунок напружено-деформованого стану залізобетонної несучої стіни проводився з врахуванням змін теплофізичних та міцнісних характеристик бетону та сталі під час вогневих випробувань за стандартним температурним режимом пожежі. При розрахунку міцнісні характеристики відповідних конструкцій закладаються в, як показано на рис. 11.

Розрахунок проведено з урахуванням всіх факторів, які можуть виникати в несучій стіні при температурно-силових впливах. При розрахунку враховувалась неоднорідність бетону. Основні прийняті методи опису та врахування поведінки залізобетону при температурно-силових впливах представлені у табл. 2.

Таблиця 2 Основні методи опису та врахування напружено-деформованого стану залізобетону

Параметри залізобетону	Метод опису та врахування
Напружено-деформований стан	Рівняння методу кінцевих елементів
Пластична деформація сталі	Багатошарова модель Беселінга асоціативної теорії пластичності
Фізична і геометрична нелінійність поведінки залізобетону	Ітеративний метод Ньютона-Рафсона
Критерій руйнування бетону	Складений критерій Віллема і Варнке
Теплофізичні та механічні властивості бетону та арматурної сталі	ДСТУ-Н Б EN 1992-1-2:2012 Єврокод 2

Розрахунок проводився за декількома етапами. На першому етапі розв'язувалась теплотехнічна задача із використанням теплофізичних та міцнісних характеристик бетону та сталі, відповідно до протоколів випробувань (розділ 3) і моделі теплопередачі. На другому етапі створювалася кінцево-елементна модель (рис. 10) вертикальної залізобетонної конструкції і до неї прикладалися граничні умови закріплення та механічного навантаження, і проводився розрахунок НДС.

На третьому етапі на кожному з кроків розрахунку прикладалися температурні розподілення і розраховувалися параметри НДС. З отриманих даних будувалася крива залежності розрахункових значень межі вогнестійкості залізобетонної плити від значення максимальної дисперсії температур на обігрівальній поверхні конструкції під час вогневих випробувань (рис. 11).

З отриманого графіка, було отримано залежність межі вогнестійкості несучих стін від дисперсії температур на їх обігрівальних поверхнях, а також похибки визначення межі вогнестійкості, які описуються формулою:

(2),

де Д - похибка визначення межі вогнестійкості несучої стіни, хв.; S2 - дисперсія температур на обігрівальній поверхні несучої стіни.

Висновки

У дисертаційній роботі розв'язано актуальне наукове завдання щодо виявлення закономірностей залежностей межі вогнестійкості несучих стін та її похибки від дисперсії температур на обігрівальних поверхнях стін, підданих стандартним вогневим випробуванням, як наукового підґрунтя підвищення точності та достовірності результатів стандартних випробувань на вогнестійкість несучих стін. При цьому отримані такі найбільш суттєві науково-практичні результати.

Проаналізовано стан нормативної бази та наукових розробок щодо оцінювання вогнестійкості несучих стін. З'ясовано, що під час випробувань несучих стін за стандартним температурним режимом пожежі отримуються результати, які мають похибку до 30 %, залежну від дисперсії температур по обігрівній поверхні, що, у тому числі, залежить від конструктивних параметрів вогневої печі, де відбуваються випробування.

З використанням засобів обчислювальної термогазодинаміки побудовано математичні моделі, які описують процес тепломасообміну у випробувальних вогневих печах під час визначення вогнестійкості несучих стін, та проведено обчислювальні експерименти із їх використанням, за допомогою яких отримані закономірності зміни дисперсії по обігрівній поверхні несучих стін при ї випробуванні у вогневих печах різної конструкції. Виявлено, що дисперсія температури у діючих установках для вогневих випробувань може становити 200 єС та більше, що позначається на точності результатів випробувань.

Проведено експериментальні випробування залізобетонної несучої стіни на вогнестійкість за стандартним температурним режимом. У результаті досліджень виявлені експериментальні залежності дисперсії температури по обігрівній поверхні випробовуваної стіни від часу випробувань у реальній вогневій печі. Виявлено, що дисперсія температури збігається з теоретично визначеною, оскільки середня похибка при визначенні дисперсії не перевищує 5 %.

Доведена адекватність результатів побудованих математичних моделей тепломасообміну у вогневих печах шляхом їх порівняння із експериментальними даними, оскільки розраховані критерії адекватності (t-критерій Стьюдента, Q-критерій Кохрена, F-критерій Фішера) не перевищують допустимих значень.

На основі отриманих закономірностей зміни дисперсії температур у залежності від часу випробувань обґрунтовано параметри вертикальної випробувальної вогневої печі, завдяки чому досягнуто зменшення значення дисперсії температур у 3 рази в порівнянні із діючою установкою, що дозволяє зменшити похибку визначення вогнестійкості у 2 рази.

Шляхом обчислювальних експериментів із використанням розроблених математичних моделей виявлені залежності межі вогнестійкості та похибки її визначенні при стандартних вогневих випробуваннях залізобетонної несучої стіни від дисперсії температур на її обігрівній поверхні.

Встановлено, що значення межі вогнестійкості несучих стін, визначене за стандартного температурного режиму пожежі, має поліноміальну залежність від дисперсії температур () по обігрівній поверхні, а похибки оцінювання межі вогнестійкості описуються регресійної залежністю від дисперсії температур () у вигляді поліному третього порядку: ;

Розроблений алгоритм визначення межі вогнестійкості несучих залізобетонних стін, заснований на врахуванні впливу дисперсії температур на обігрівній поверхні на похибку визначення межі вогнестійкості, що дозволив підвищити точність експериментальної оцінки вогнестійкості на 20 %.

Список опублікованих праць за темою дисертації

У наукових фахових виданнях:

Сідней С. О. Методи математичного моделювання теплових процесів при випробуваннях на вогнестійкість залізобетонних будівельних конструкцій / С. О. Сідней, О. М. Нуянзін, С. В. Поздєєв [та ін.] // Монографія. - Черкаси: ЧІПБ імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, 2015. - 120 с.

Сідней С. О. Аналіз існуючих математичних моделей тепломасообміну у камерах вогневих печей установок для випробувань на вогнестійкість несучих стін / С. О. Сідней, О. М. Нуянзін, С. В. Поздєєв [та ін.] // Пожежна безпека : теорія і практика : зб. наук. праць. - Черкаси: ЧІПБ імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, 2014. - № 18. - С. 93 - 101.

Сидней С. А. Влияние дисперсии температур на обогреваемых поверхностях горизонтальных железобетонных строительных конструкций на значение их предела огнестойкости во время испытаний этих конструкций в огневых печах. / А. М. Нуянзин, С. А. Сидней, С. В. Поздеев // Международный научно-практический журнал : Чрезвычайные ситуации образование и наука. - Гомель Республики Беларусь: ГИИ МЧС, 2015. - Том 10 №1. - С. 162 - 167.

Сідней С. О. Вплив конструктивних особливостей вогневих печей на достовірність результатів випробувань стін на вогнестійкість / О. М. Нуянзін, С. В. Поздєєв, С. О. Сідней // Науковий вісник Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки. - Київ: НДІЦЗ, 2015. - № 1 (31). - С. 4 - 12.

Сідней С. О. Чисельне дослідження ефективності випробувань на вогнестійкість несучих стін у вогневих печах різної конфігурації // Пожежна безпека : теорія і практика : зб. наук. праць. - Черкаси: ЧІПБ імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, 2015. - № 19. - С. 106 - 111.

Sidney Stanislav. Investigation of fire influence on reinforced concrete walls using finite elements method / Stanislav Sidnei, Serhii Pozdieiev, Yuriy Otrosh [ets.] // Logistyka - nauka : scince journal. - Warsaw: Main School of Fire Service in Warsaw, 2015. - №5/2015. - P. 1265 - 1272.

Сидней С. О. Исследование адекватности результатов математического моделирования динамики пожара в помещении с помощью программного комплекса FDS / С. Э. Трошкин, С. А. Сидней, Е. А. Тищенко, О. В. Некора // Пожежна безпека : теорія і практика : зб. наук. праць. - Черкаси: ЧІПБ імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України, 2015. - № 20. - C. 104 - 109.

Сидней С. А. Влияние конструкции испытательных установок огневых печей на адекватность результатов испытаний несущих стен на огнестойкость / А. М. Нуянзин, С. А. Сидней, И. В. Федченко // Вестник командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. - Минск: КИИ МЧС Республики Беларусь. - № 1( 23). - 2016. - С. 28 - 37.

Размещено на Allbest.ru

...