ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СТІЙКОСТІ МОНОЛІТНИХ ЗАЛІЗОБЕТОННИХ БУДІВЕЛЬ ДО ПРОГРЕСУЮЧОГО ОБВАЛЕННЯ ВНАСЛІДОК ПОЖЕЖІ ТА ДЕФЛАГРАЦІЙНОГО ВИБУХУ

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вирішенню важливого науково–практичного завдання в галузі пожежної безпеки – забезпечення стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення внаслідок пожежі та дефлаграційного вибуху. У вступі подано загальну характеристику дисертаційної роботи. Обґрунтовано напрямок наукових досліджень, сформульовано мету роботи та основні завдання дослідження, об’єкт та предмет дослідження, наукову новизну, практичне впровадження, показано зв’язок роботи з науковими програмами. Наведено дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації. У першому розділі проведено аналіз наукових джерел і нормативних документів щодо дослідження проблеми прогресуючого обвалення монолітних залізобетонних будівель внаслідок аварійних ситуацій. Виявлено, що існуючі дослідження обмежуються спрощеними розрахунковими методами та не охоплюють комбіновану дію пожежі та внутрішнього дефлаграційного вибуху. Проаналізовано трактування терміну «прогресуюче обвалення» в нормативних документах і дослідженнях, за результатами чого встановлено неоднозначність цього визначення, що ускладнює розробку єдиних підходів для забезпечення стійкості будівель до прогресуючого обвалення. Виділено окрему категорію прогресуючого обвалення залізобетонних будівель, зумовленого пожежами, що супроводжуються вибухами, здебільшого газовими або пилоповітряними, що характерні для виробничих будівель. Встановлено, що вимоги сучасних методик і нормативних документів не враховують особливості поведінки конструктивної системи монолітних залізобетонних будівель за умов комбінованого впливу пожежі та дефлаграційного вибуху. Виявлено основні недоліки існуючих підходів, що підтверджує необхідність розроблення методики для прогнозування та забезпечення стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення в умовах комбінованих аварійних ситуацій. У другому розділі розроблено математичну модель прогнозування поведінки монолітних залізобетонних конструкцій в умовах пожежі та дефлаграційного вибуху, яка на відміну від існуючих враховує нелінійні теплофізичні характеристики матеріалів, температурні режими пожеж, нелінійність законів деформування матеріалів конструкцій, вплив навантаження від дефлаграційного вибуху. Також розроблено математичну модель розподілу температурних полів у системі «залізобетонна колона–перекриття» при пожежі, яка побудована на базі рівнянь нестаціонарної теплопровідності, теплового випромінювання, конвективного теплообміну, враховує просторову сумісну теплову взаємодію конструктивних елементів, тепловий контакт у зоні вузла та механізм взаємного опромінювання поверхонь. У третьому розділі розроблено методику, яка ґрунтується на запропонованих математичних моделях, дозволяє проводити розрахунки й прогнозувати стійкість монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення за умов високотемпературного впливу пожежі та динамічного навантаження, зумовленого внутрішнім дефлаграційним вибухом. Визначено особливості розрахунку прогресуючого обвалення залізобетонних будівель, спричиненого дією пожежі та дефлаграційного вибуху. Представлено комп’ютерну реалізацію запропонованої методики в програмному комплексі ЛІРА–САПР для забезпечення стійкості монолітної залізобетонної будівлі на прикладі шести поверхової виробничої споруди. За результатами чисельного моделювання визначено, що під дією пожежі тривалістю 60 хвилин переміщення плит перекриття зростає у 2,6 рази через втрату жорсткості матеріалів. У разі комбінованого впливу пожежі та дефлаграційного вибуху відзначено збільшення переміщень до 8,2 рази. Визначено, що поєднаний вплив температурного та вибухового навантажень суттєво знижує несучу здатність конструктивної системи будівлі. У четвертому розділі проведена перевірка достовірності розроблених математичних моделей шляхом порівняння результатів чисельного розрахунку з експериментальними даними випробувань на вогнестійкість монолітних залізобетонних конструкцій. Відносна похибка не перевищила 10 %. Виконаний розрахунок кошторису доцільності застосування розробленої методики забезпечення стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення внаслідок пожежі та дефлаграційного вибуху (на прикладі виробничої будівлі). Прямі витрати у разі впровадження додаткових конструктивних або інженерно–технічних заходів, визначених за методикою, у 6 разів менші, ніж витрати, пов’язані з відновленням зруйнованої будівлі після розвитку прогресуючого обвалення. Наукова новизна одержаних результатів полягає у тому, що: 1. Вперше розроблено математичну модель прогнозування поведінки монолітних залізобетонних конструкцій в умовах пожежі та дефлаграційного вибуху, яка на відміну від існуючих враховує нелінійні теплофізичні характеристики матеріалів, температурні режими пожеж, нелінійність законів деформування матеріалів конструкцій, вплив навантаження від дефлаграційного вибуху. 2. Вперше розроблено математичну модель розподілу температурних полів у системі «залізобетонна колона–перекриття» при пожежі, яка побудована на базі рівнянь нестаціонарної теплопровідності, теплового випромінювання, конвективного теплообміну, враховує просторову сумісну теплову взаємодію конструктивних елементів, тепловий контакт у зоні вузла та механізм взаємного опромінювання поверхонь. 3. Вперше розроблено методику забезпечення стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення внаслідок пожежі та дефлаграційного вибуху, яка базується на розроблених математичних моделях та передбачає визначення напружено–деформованого стану конструктивної системи під впливом пожежі та вибуху, визначення зруйнованих елементів, вжиття конструктивних рішень або інженерно–технічних заходів з метою недопущення прогресуючого обвалення будівель. 4. Удосконалено комп’ютерну модель стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення, яка забезпечує програмну реалізацію розробленої методики. Розроблена методика забезпечення стійкості монолітних залізобетонних будівель до прогресуючого обвалення внаслідок пожежі та дефлаграційного вибуху, яка базується на розроблених математичних моделях, є новим підходом, який дозволяє реалізовувати стратегії проєктування, приймати обґрунтовані рішення щодо вибору конструктивних і інженерно–технічних заходів для забезпечення структурної цілісності будівель в умовах комбінованих аварійних навантажень. Використання удосконаленої комп’ютерної моделі дозволяє автоматизувати процес оцінювання стійкості конструктивної системи, здійснювати поетапне дослідження напружено–деформованого стану конструктивної системи та визначати критичні зони руйнування. Це забезпечує практичну цінність як на стадії проєктування нових об’єктів, так і обстеження та реконструкції існуючих споруд, а також може бути використано в системах підтримки прийняття рішень в умовах надзвичайних ситуацій техногенного та воєнного характеру.