УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДУ РОЗРАХУНКУ НА ВОГНЕСТІЙКІСТЬ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БАЛОК ТА РИГЕЛІВ

Abstract

Актуальність теми дослідження. Обґрунтування вибору теми продиктоване тим, що в процесі прогнозування поведінки залізобетонних будівельних конструкцій в умовах пожежі вагоме місце займає прогнозування вогнестійкості залізобетонних балок та ригелів, оскільки їхнє руйнування та обвалення становить найбільшу небезпеку для життя людей, які перебувають у будівлях, та аварійно-рятувальних підрозділів, які ліквідовують наслідки надзвичайних ситуацій. Одним з основних способів підвищення надійності будівель в умовах пожежі є забезпечення нормованої межі вогнестійкості залізобетонних балок та ригелів, а найбільш ефективним підходом щодо прогнозування вогнестійкості залізобетонних конструкцій є розрахунковий, що заснований на математичних моделях розрахункових методів. Передумовою для застосування цього підходу є вивчення закономірностей температурних розподілів у перерізах залізобетонних ригелів та балок під час вогневих випробувань та закономірності зниження міцності бетону від температури, що є частиною початкових даних для вирішення задач міцності для розрахункової прогнозованої оцінки вогнестійкості залізобетонних ригелів та балок під час пожежі. Ідея роботи полягає у забезпеченні нормативного значення класу вогнестійкості залізобетонних балок та ригелів для підвищення надійності будівель на основі прогнозування вогнестійкості за методом ідентифікації залежності коефіцієнта зниження міцності бетону від температури. Для реалізації даного методу запропоновано в якості даних, що входять у набір результатів вимірювань під час здійснення вогневих випробувань, використовувати аналогічні дані, отримані за допомогою математичного моделювання на основі методу скінчених елементів та заданих властивостей матеріалів враховуючи рекомендації настанов кривої зниження міцності бетону залежно від температури. Такими даними є залежності від часу температурних показників в окремих точках перерізу та залежність максимального прогину ригеля від часу в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. Мета роботи полягає у розкритті закономірностей зміни розподілень температури та міцності бетону у перерізах залізобетонних ригелів та балок залежно від тривалості теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі як наукового підґрунтя удосконалення методу розрахунку на вогнестійкість залізобетонних ригелів та балок. Основні завдання дослідження: 1. Виконати аналіз сучасного стану щодо нормування та методів оцінювання вогнестійкості залізобетонних ригелів та балок в Україні і шляхів удосконалення методів, що базуються на розрахунковому підході. 2. Розробити метод інтерполяції температурних розподілень у перерізі залізобетонних ригелів та балок за точковими вимірювання температури під час вогневих випробувань та на його основі розробити метод ідентифікації коефіцієнтів зниження міцності бетону таких залізобетонних ригелів. 3. Обґрунтувати методику та провести з її використанням випробування залізобетонних балок та ригелів, на основі яких виконати інтерполяцію температурних розподілень. 4. За визначеними температурними розподіленнями виконати ідентифікацію коефіцієнтів зниження міцності бетону залізобетонного ригеля, до якого були застосовані вогневі випробування. 5. Дослідити адекватність результатів, отриманих за запропонованим методом ідентифікації коефіцієнтів зниження міцності бетону за даними вимірювань, що отримані у результаті вогневих випробувань залізобетонних ригелів, і визначити умови, за яких досягається їхня найбільша точність. 6. Розробити удосконалений метод розрахунку на вогнестійкість залізобетонних балок та ригелів, для яких отримані дані щодо зниження міцності бетону є частиною комплексу початкових даних. Об’єкт дослідження – процеси нагрівання, деформування та руйнування, пов’язані з настанням граничних станів вогнестійкості, що відбуваються у залізобетонних ригелях та балках в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. Предмет дослідження – закономірності змінення температурних розподілень у перерізах та зниження міцності бетону залізобетонних ригелів та балок залежно від їхніх конструктивних параметрів та тривалості теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. Наукова новизна дисертації полягає у розкритті закономірностей зміни розподілень температури та міцності бетону в перерізах залізобетонних балок та ригелів залежно від тривалості теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. При цьому: 1. Вперше виявлені закономірності залежностей параметрів інтерполяційних функціоналів, які описують температурний розподіл у перерізі залізобетонних балок та ригелів, від часу випробувань за умов високих температур для прогнозування міцнісної деградації бетону та арматурної сталі ригелів та балок. 2. Вперше запропонований метод ідентифікації залежності коефіцієнту зниження міцності бетону від температури, заснований на інтерполяції температурних розподілень у перерізах залізобетонних ригелів під час їхніх вогневих випробувань за точковими температурними вимірюваннями у шарах бетону та деформаційній математичній моделі напружено-деформованого стану ригелів в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. 3. Вперше виявлена закономірність температурної залежності коефіцієнта зниження міцності бетону для залізобетонних балок та ригелів в умовах їхніх вогневих випробувань з використанням запропонованого методу її ідентифікації, яка може бути описана регресійною залежністю:

4. Удосконалено метод розрахунку на вогнестійкість залізобетонних балок та ригелів в умовах впливу стандартного температурного режиму пожежі у результаті використання отриманої температурної залежності коефіцієнта зниження міцності бетону як частини початкових даних для визначення часу настання граничного стану за ознакою втрати несучої здатності на основі розв’язання задачі міцності за деформаційною математичною моделлю. 5. Набула подальшого розвитку сфера застосування удосконаленого методу розрахунку на вогнестійкість залізобетонних будівельних конструкцій і науково обґрунтовано можливість його застосування для оцінки вогнестійкості залізобетонних балок та ригелів в умовах впливу стандартного температурного режиму пожежі, який дозволяє більш точно визначити клас вогнестійкості будівельної конструкції на основі визначення фактичної межі вогнестійкості. Практичне значення отриманих результатів. Практична цінність дисертаційних досліджень полягає у розробленні удосконаленого методу розрахунку на вогнестійкість залізобетонних балок та ригелів. Застосування запропонованого методу розрахунку на вогнестійкість залізобетонних балок та ригелів дозволить суттєво підвищити точність прогнозування даних під час аналізу відповідності залізобетонних балок та ригелів вимогам норм щодо їхньої вогнестійкості, чим дозволить підвищити рівень пожежної безпеки будівель із залізобетонними конструкціями. З огляду на вищевикладене, розроблений метод можливо використовувати в процесі розроблення відповідної нормативної документації для прогнозування роботи залізобетонних балок та ригелів в умовах пожежі. Результати дослідження впроваджені у діяльність Інституту державного управління та наукових досліджень з цивільного захисту під час виконання науково-дослідних робіт, розробки нормативно-правових актів (акт про впровадження результатів дисертаційної роботи від 21 липня 2023 року) та у діяльність Департаменту запобігання надзвичайним ситуаціям Державної служби України з надзвичайних ситуацій, шляхом апробації та практичного застосування удосконаленого методу розрахунку на вогнестійкість залізобетонних балок та ригелів (акт впровадження результатів дисертаційної роботи від 3 жовтня 2023 року), а також в освітній процес Черкаського інституту пожежної безпеки імені Героїв Чорнобиля НУЦЗ України при підготовці фахівців освітнього рівня «бакалавр» на кафедрі безпеки об’єктів будівництва та охорони праці за спеціальністями 261 «Пожежна безпека» та 263 «Цивільна безпека» (акт про впровадження результатів дисертаційної роботи від 29 серпня 2023р.). Методи дослідження. Для дослідження залізобетонних балок та ригелів застосовувався експериментальний метод випробувань в умовах дії високих температур. При встановленні основних закономірностей для температурних розподілень, міцності бетону та параметрів напружено-деформованого стану у перерізах залізобетонних балок та ригелів використаний метод математичного моделювання. В процесі розроблення методики розрахункової інтерпретації результатів експериментів застосовані спрощені стандартні методи моделювання поведінки залізобетонних балок та ригелів в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі. Для вивчення достовірності та адекватності результатів експериментів і моделювання теплових процесів у перерізі залізобетонних балок та ригелів в умовах теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі застосовані методи математичної статистики. У вступі наведено загальну характеристику дисертації, обґрунтовано актуальність теми досліджень, сформульовано мету, завдання, визначено об’єкт та предмет дослідження, вказано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, розкрито зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі проаналізовано основні методи прогнозування поведінки залізобетонних балок та ригелів під час впливу високих температур, а також описано методики їхнього проведення. Обґрунтовано недоліки та переваги кожного методу прогнозування поведінки залізобетонних конструкцій у випадку теплового та механічного навантаження. Розкрито закономірності зміни міцності бетону та арматурної сталі за різних температур нагрівання. На основі результатів виконаного аналізу сформульовано мету та основні завдання роботи. У другому розділі описано математичну модель залізобетонної балки та виконано математичне моделювання напружено-деформованого стану у перерізі залізобетонної балки в умовах впливу стандартного температурного режиму пожежі. Після розв’язання теплових задач отримано дані про температурні розподілення та параметри напружено-деформованого стану залізобетонної балки та ригеля за умов впливу стандартного температурного режиму пожежі. Запропоновано та обґрунтовано метод ідентифікації залежності від температури коефіцієнта зниження міцності бетону залізобетонних ригелів та балок прямокутного перерізу, а також показано, що результати, отримані за допомогою методу ідентифікації коефіцієнта зниження міцності бетону, є адекватними, оскільки їхня відносна похибка у середньому не перевищує 6,4 %, і можуть бути застосованими для аналізу термомеханічних властивостей бетону залізобетонних ригелів та балок для удосконаленого методу розрахунку на вогнестійкість. Третій розділ присвячено опису експериментального обладнання для вогневих випробувань залізобетонних ригелів в умовах впливу стандартного температурного режиму пожежі і методикам експериментального дослідження міцнісності бетону залізобетонних ригелів. В цьому розділі описано склад суміші та методику виготовлення зразків, запропоновано схему розташування термопар. Основне експериментальне обладнання – установка, що складається з вогневої печі з паливно-форсунковою системою на дизельному паливі. Експеримент виконано протягом контрольного часу, який відповідає часу настання граничного стану за ознакою втрати несучої здатності для залізобетонних ригелів та балок. У четвертому розділі представлено результати експериментальних досліджень. Вони показали, що залізобетонні ригелі мають час настання граничного стану за втратою несучої здатності більший за 60 хв, а виконана інтерполяція температурного розподілу за результатами експерименту за розробленою методикою підтвердила, що обраний алгоритм є стійким і дає адекватні результати. Також було отримано уточнену залежність від температури коефіцієнта зниження міцності бетону для залізобетонних ригелів та балок, що дозволяє підвищити точність методу розрахунку на вогнестійкість для елементів конструкцій такого типу на 8 %. Для аналітичного описання отриманої закономірності зниження міцності бетону залізобетонного ригеля, підданого випробуванню, був здійснений регресійний аналіз. У результаті виконаного регресійного аналізу було отримано рівняння регресії, що описує отриману закономірність зниження міцності бетону залежно від температури, що має такий вигляд:

У п’ятому розділі виконані розрахунки граничного максимального прогину залізобетонних ригелів та балок. На основі отриманих результатів були побудовані графіки зниження несучої здатності цих елементів. Також, за допомогою критерію Фішера було проаналізовано адекватність результатів розрахунків, що не перевищує табличного значення та дорівнює 0,97. Отримані результати за запропонованим методом є достатньо точними, оскільки розбіжність з теоретичними та експериментальними даними у середньому становлять 10,9 %.