Регистрация / Вход
Прислать материал

Экспериментальные и теоретические исследования поведения сжатых железобетонных элементов при особых сочетаниях температурных и динамических воздействий

Общие сведения
Тематическое направление
Рациональное природопользование
Название доклада
Экспериментальные и теоретические исследования поведения сжатых железобетонных элементов при особых сочетаниях температурных и динамических воздействий
Исполнитель проекта
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
Докладчик (участник)
Участник
Тамразян Ашот Георгиевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью исследования является изучение прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
- экспериментальные исследования внецентренно сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях и после остывания при статических и динамических нагружениях;
- исследование динамических прочностных и деформативных характеристик бетона и арматуры при огневых воздействиях и после остывания;
- исследование коэффициента динамического упрочнения центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при огневых воздействиях и после остывания;
- сравнительный анализ статического расчета монолитных высотных зданий в нормальных условиях и расчета при огневых воздействиях с учетом геометрической и физической нелинейности;
- расчет динамической прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов в составе железобетонного каркаса при огневых воздействиях;
- использование прочностных и деформативных характеристик сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях при оценке стойкости монолитного высотного здания к прогрессирующему обрушению.
Решение перечисленных задач позволит оценить прочность и деформативность сжатых железобетонных элементов при динамических нагружениях в условиях огневых воздействий.
Актуальность и новизна исследования
Расчет конструкций при разных сочетаниях нагружений должен проводиться с учетом прочностных и деформативных характеристик материалов. Несмотря на большое количество исследований, посвященных статической работе железобетонных элементов с учетом температуры, совместная работа динамического нагружения на центрально и внецентренно сжатые железобетонные элементы в условиях повышенных температур мало изучена. Тем самым исследование прочностных и деформативных свойств сжатых железобетонных элементов при динамическом нагружении в условиях огневых воздействий является актуальным.
Учет изменения динамических прочностных и деформативных характеристик материалов в условиях огневых воздействий, несомненно, повысит уровень безопасности зданий и позволит оценить стойкость конструкции зданий при чрезвычайных ситуациях.

Научная новизна исследования:
1 Результаты экспериментальных исследований влияния огневых воздействий на прочность и деформативность центрально и внецентренно сжатых железобетонных колонн при статических и динамических нагружениях.
2 Зависимости динамической прочности сжатых бетонных и железобетонных элементов от повышенной температуры.
3 Адаптированная методика и алгоритм динамического расчета сжатых железобетонных элементов с учетом огневых воздействий, на основе которого создана вычислительная программа, реализованная в ПК Wolfram Mathematica.
4 Результаты динамического расчета прочности и деформативности сжатых железобетонных элементов при огневых воздействиях.

Описание исследования

Экспериментальные исследования проводились с целью определения изменений физико-механических свойств бетона, арматуры и сжатых железобетонных элементов при статическом и динамическом нагружении, а также изучения изменения коэффициента динамического упрочнения бетонных кубиков, призм и железобетонных колонн до и после огневых воздействий. 

Для получения зависимости динамической прочности железобетонных колонн от температуры нагрева, были испытаны железобетонные колонны при разных скоростях динамического нагружения после разных температурных воздействий. Образцы были испытаны, как при центральном сжатии, так и при разных эксцентриситетах. Экспериментальным путем были получены значения прочности железобетонных элементов после статических и динамических испытаний. Для получения величин динамической прочности сжатых железобетонных элементов при разных температурах и разных скоростях динамического нагружения выбирались два времени нагружения образцов - 1,0 сек. и 0,4 сек. Для получения результатов влияния огневых воздействий на прогибы, деформации, динамические разрушающие нагрузки, модуль упругости, железобетонные колонны были нагреты до 300°C, 500°C, 700°C и 900°C и испытаны при динамических нагрузках при различных эксцентриситетах.  

С целью выявления влияния огневых воздействий на физико-механические свойства бетона при статических и динамических нагружениях были испытаны бетонные кубики с размерами 100х100х100мм и призмы 100х100х400 при разных температурах.

Для исследования влияния огневых воздействий на прочностные и деформативные характеристики арматуры  при статических и динамических нагружениях были испытаны арматурные стержни класса А500 при температурных воздействиях и после остывания с разным временем нагружения. 

Установлено, что наиболее опасным сценарием, который может привести к прогрессирующему обрушению зданий, является динамическое воздействие на его несущие элементы, работающие в условиях огневых воздействий.

Для оценки несущей способности конструкции здания при разных термосиловых воздействиях, разработана методика динамического расчета сжатых железобетонных элементов, основанная на проведенных экспериментальных исследованиях.

Используя полученные зависимости динамических прочностных и деформационных характеристик железобетонных элементов от температуры пожара, разработана методика динамического расчета сжатых железобетонных элементов при высоких температурах (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2015615847).

Программа позволяет осуществлять нелинейный динамический расчет сжатых железобетонных элементов при разных температурах пожара и получить значение раскрытия пластических шарниров на разных стадиях деформации элемента.

Разработанная методика позволяет использовать посчитанную величину в программных комплексах для проведения нелинейного статического и динамического расчета конструкции здания, для точной оценки сопротивления конструкций зданий против прогрессирующего обрушения. 

Результаты исследования

 В результате экспериментальных и теоретических исследований было выявлено что:

  1. Изменение статических прочностных характеристик  арматурных стержней  выявило, что снижение модуля упругости арматурной стали после прогрева до 900 °C составляет 13,86%.
  2. При 250˚C максимальная статическая нагрузка, которую выдерживает образец арматурной стали класса A500, повышается на 21% в сравнении с данными в нормальных условиях.
  3. При внецентренном сжатии образцов-колонн с эксцентриситетами  максимальные деформации при сжатии соответственно равны 0,0014 и 0,0017, а при растяжении 0,0024 и 0,0039.
  4. При статическом нагружении с увеличением эксцентриситета уменьшается разрушающая нагрузка. С увеличением эксцентриситета от  до  разрушающая нагрузка снижается на 25%. При увеличении эксцентриситета от  до  она снижается на 30,5%. 
  5. При статическом нагружении снижение прочности  центрально сжатых железобетонных колонн при температуре 900˚C достигает 52,76%, для внецентренно сжатых железобетонных колонн – 64,19%.  
  6. Динамическая прочность центрально сжатых железобетонных  колонн (при температуре нагрева Т=900˚C) снижается при t=1,0сек. на 59,09%; при t=0,4 сек. – на 65,80% .
  7. Динамическая прочность внецентренно сжатых железобетонных  колонн при температуре нагрева 900˚C снижается до 83,14% ( ).
  8. В условиях огневых воздействий разрушение внецентренно сжатых железобетонных колонн происходит по сжатой зоне.

 

Практическая значимость исследования
Точная оценка стойкости здания при особых сочетаниях температурных и динамических воздействий с учетом изменения физико-механических характеристик составляющих материалов приводит к рациональному использованию бетона и арматуры, но не снижая стойкость здания при таких внепроектных воздействиях.