Удосконалення методу оцінки вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем

Abstract

Степаненко В. О. Удосконалення методу оцінки вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 261 – Пожежна безпека. ‒ Національний університет цивільного захисту України, Черкаси, 2025. Актуальність теми. У сучасному будівництві набуло широкого поширення застосування сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, які поєднують в собі переваги сталевих та залізобетонних конструкцій. Однак, оцінювання їхньої вогнестійкості здебільшого здійснюється розрахунковими методами, що, з огляду на композитну природу таких плит та значну варіативність їх складу, часто не дає достовірних результатів. Це ускладнює забезпечення нормативного рівня пожежної безпеки об’єктів будівництва та ефективного реагування рятувальників в умовах надзвичайних ситуацій. Особливої актуальності дана задача набуває в умовах обмеженого доступу до великогабаритних вогневих печей для експериментального оцінювання вогнестійкості конструкцій у різних регіонах України. Це зумовлює необхідність розробки методик, адаптованих до використання малогабаритних вогневих установок, які дозволяють проводити експериментальні дослідження без транспортування зразків на великі відстані. Аналіз праць провідних дослідників у галузі вогнестійкості будівельних конструкцій, зокрема С. В. Поздєєва, О. М. Нуянзіна, П. Г. Круковського, В. В. Ніжника, В. Bartelemi, T. Harmathy та ін., свідчить про значні досягнення у створенні підходів до визначення межі вогнестійкості залізобетонних та сталезалізобетонних конструкцій. Проте, використання відомих методик не забезпечує високу достовірність отриманих результатів, що пов’язано з анізотропністю процесів у залізобетоні та недосконалістю розрахунків за спрощеними методиками. Таким чином, удосконалення методу оцінювання вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем із застосуванням малогабаритних вогневих печей є актуальним науковим завданням, що сприятиме підвищенню достовірності оцінки вогнестійкості та, як наслідок, надійності таких конструкцій. Ідея роботи полягає в створенні удосконалень для розрахунково-експериментального методу оцінки межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит, що не знижуючи точності та надійності підвищить екологічність, економічність та знизить трудомісткість у порівнянні з повномасштабними випробуваннями на вогнестійкість та буде більш достовірним за існуючі експериментально-розрахункові та розрахункові методики з метою гарантування нормативної стійкості конструкцій у разі пожежі. Це можливо досягнути завдяки проведенню нагрівання малогабаритних фрагментів без застосування механічного навантаження (з урахуванням особливостей одностороннього теплового впливу та раціонального розміщення точок вимірювання температури всередині зразків) та врахування реальних геометричних параметрів конструкцій під час подальших розрахунків температурних полів і несучої здатності повномірних конструкцій. Об’єкт дослідження ‒ процеси нагрівання та деформації елементів сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем у ході оцінювання їхньої вогнестійкості. Предметом дослідження – експериментально-розрахунковий метод оцінки вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем на основі нагрівання фрагментів у малогабаритних вогневих печах. Мета – виявлення закономірностей нагрівання та втрати міцності сталезалізобетонними плитами з гофрованим профілем за умов пожежі як наукового підґрунтя для удосконалення експериментально-розрахункового методу такої оцінки.

Для досягнення поставленої мети були сформовані завдання: 1. Проаналізувати сучасні методи експериментального та розрахункового оцінювання вогнестійкості сталезалізобетонних плит, виявити їхні переваги та обмеження, визначити науково-практичні передумови до розроблення удосконаленої методики оцінювання вогнестійкості. 2. Створити комп’ютерні моделі процесів тепломасообміну у сталезалізобетонних плитах з гофрованим профілем під впливом пожежі та описати алгоритм побудови моделей теплового впливу на конструкції у вогневих печах засобами CFD-програмних комплексів. 3. Розробити методику та провести експериментальні дослідження з нагрівання фрагментів сталезалізобетонних плит у малогабаритній вогневій печі за стандартним температурним режимом пожежі, а також систематизувати результати температурних вимірювань у контрольних точках. 4. Обґрунтувати розрахункову частину методу оцінювання межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем шляхом створення розрахункового алгоритму визначення температурних полів усередині конструкції на основі точкових температурних вимірювань, отриманих під час експерименту. 5. Розробити алгоритм інтегрування експериментальних та розрахункових даних у метод оцінювання межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем та обґрунтувати подальший розрахунок її несучої здатності з урахуванням фактичних геометричних розмірів, просторової орієнтації й прикладеного навантаження. Наукова новизна дисертації полягає у вирішенні актуального науково-технічного завдання щодо вивчення закономірностей нагрівання та втрати міцності сталезалізобетонними плитами з гофрованим профілем за умов пожежі як наукового підґрунтя для удосконалення експериментально-розрахункового методу такої оцінки. Запропоновано підхід, який враховує специфіку передачі тепла у багатошарових матеріалах та можливість застосування малогабаритних вогневих установок для локального нагрівання фрагментів без необхідності масштабних випробувань, що є особливо актуальним у контексті післявоєнної відбудови та економії ресурсів. Отримані такі основні наукові результати: Уперше:  теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що у діапазоні ребер сталевого профілю до 52 мм під час нагрівання сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем за стандартним температурним режимом пожежі рівномірність прогріву арматури не залежить від глибини та кроку гофрованої частини;  теоретично обґрунтовано та експериментально підтверджено, що положення сталезалізобетонної плити (горизонтальне чи вертикальне) під час теплового впливу стандартного температурного режиму пожежі у малогабаритній вогневій печі не впливає на рівномірність температурного поля по поверхні гофрованого сталевого профілю, а також на результати теплотехнічних випробувань загалом, що підтверджено максимальним відхиленням, яке не перевищує 5 %. Удосконалено:  експериментально-розрахунковий метод оцінювання межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит із гофрованим профілем, що відрізняється від існуючих врахуванням особливості теплопередачі у сталевому профілі та залізобетоні під час впливу температурного режиму пожежі, а також геометрії поверхні гофрованого профілю, передачі тепла у композитних матеріалах, що можливо здійснити за рахунок застосування малогабаритних вогневих установок для нагрівання фрагментів – без необхідності повномасштабних випробувань – із подальшою екстраполяцією результатів на реальні розміри навантажених конструкцій за допомогою обчислень;  підхід до моделювання температурного поля в поперечному перерізі сталезалізобетонної плити при тепловому впливі, без зниження точності отриманих результатів, шляхом застосування методу інтерполяції експериментальних даних, що у порівнянні з традиційними методиками дозволяє зменшити кількість необхідних місць контролю температури до 9 у будівельній конструкції та 2 у камері печі, одночасно враховуючи геометричні особливості профілю плити та параметри армування;  конструкцію малогабаритної вогневої установки шляхом введення додаткових конструктивних елементів контролю температурного режиму та енергоефективності, що дозволило підвищити якість процесу нагрівання сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, сприяло більшій екологічності, економічності та зниженню трудомісткості проведення випробувань. Набуло подальшого розвитку застосування експериментально-розрахункових методів оцінки межі вогнестійкості для вирішення задач із оцінки вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, що ураховує просторову структуру гофрованої основи профілю та дозволяє підвищити точність і достовірність визначення межі вогнестійкості таких будівельних конструкцій. Практичне значення. Полягає у розробленні ефективної експериментально-розрахункової методики оцінювання межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, яка дозволяє зменшити обсяги повномасштабних вогневих випробувань за рахунок використання малогабаритних вогневих установок без втрати точності оцінювання; адаптувати метод до різних типів плит у діапазоні ребер сталевого профілю до 52 мм з урахуванням реального армування, геометрії та умов теплового навантаження; підвищити точність розрахунку температурних полів та міцності елементів конструкції під час дії пожежі; інтегрувати запропоновану методику у практику інженерних розрахунків з використанням ПЗ Mathcad та ANSYS, що сприяє автоматизації процесу визначення межі вогнестійкості; удосконалити нормативно-технічну базу щодо випробувань та проектування залізобетонних конструкцій на вогнестійкість. Усі положення, які винесені на захист, та результати досліджень наведено в роботах [1–16], з яких роботи [1, 11–15] опубліковано здобувачем самостійно. Результати виконаних теоретичних і експериментальних досліджень реалізовані у нових технічних рішеннях: – Система захисту модульних укриттів від зіткнень з автотранспортом: пат. 160549 Україна. № 202405340; заявл. 12.11.2024; опубл. 17.09.2025, Бюл. № 38. 120 с. Результати дослідження впроваджено в: – діяльність ТОВ «Інженерно-проєктно-виробнича компанія «Спецзахист» – розроблені й запропоновано новації мають цінність для процесу проведення та оцінки на вогнестійкість сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, що застосовують, зокрема, під час будівництва об’єктів критичної інфраструктури та захисних споруд цивільного захисту (акт упровадження від 30.09.2025); – у роботу 3 Спеціалізованого центру швидкого реагування ДСНС України за рахунок розробки алгоритму застосування удосконаленої експериментально-розрахункової методики, включаючи підготовку зразків, проведення випробувань, обробку даних інтерполяції, розрахунок міцності та валідацію точності результатів на основі порівняння з науковими джерелами та експериментальними даними (акт упровадження від 02.10.2025); – в освітній процес Національного університету цивільного захисту України, що, підвищує якість лекційних і практичних занять для здобувачів вищої освіти (акт упровадження від 14.10.2025). Методи досліджень. Теоретичні дослідження проведено 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 й рівнянь теплопровідності Фур’є. Для розв’язку рівнянь у роботі використано метод кінцевих або граничних елементів, оптимізаційні методи, а також методи статистичного оброблення експериментальних і розрахункових даних. Експериментальні дослідження виконано за допомогою малогабаритної вогневої установки. У вступі описана загальна характеристика роботи, обґрунтовано актуальність теми дисертаційного дослідження, розкрито зв’язок роботи з науковими програмами, планами та темами, сформульовано мету, завдання, об’єкт та предмет дисертаційного дослідження, вказано наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведено дані про апробацію, публікації, структуру та обсяг роботи. У першому розділі виконано аналіз сучасних підходів до оцінювання вогнестійкості сталезалізобетонних плит, зокрема тих, що мають гофрований профіль. Вивчено як експериментальні, так і розрахункові методи, які використовуються в Україні та за кордоном. Окреслено проблеми, пов’язані з точністю, складністю та вартістю існуючих методик. Визначено потребу в удосконаленні підходів до визначення межі вогнестійкості з урахуванням особливостей реальних конструкцій, умов пожежі та впливу механічного навантаження. Сформульовано мету і завдання дисертаційного дослідження. У другому розділі проведено дослідження теплових процесів, що відбуваються у сталезалізобетонних плитах з гофрованим профілем під час впливу пожежі. Для цього використано методи комп’ютерного моделювання в програмних комплексах CFD. Детально проаналізовано особливості побудови обчислювальних сіток, вибору граничних умов та формування конфігурації моделей. Проведено моделювання температурного впливу на конструкції за різних сценаріїв, що дозволило визначити закономірності розподілу температур у перерізах плит та зробити висновки про їхню теплотехнічну поведінку. У третьому розділі розроблено експериментальну методику проведення вогневих випробувань фрагментів сталезалізобетонних плит у спеціально створеній малогабаритній вогневій установці. Визначено вимоги до параметрів печі, конфігурації нагріву, характеристик датчиків і способів монтажу зразків. Описано процес виготовлення фрагментів плит, їхнє витримування в нормальних умовах та подальше нагрівання. Описано хід проведення експерименту та його результати. Зафіксовано температурні значення в контрольних точках перерізу, що стало основою для подальших розрахунків. Отримані дані підтвердили доцільність використання спрощеної моделі випробувань для дослідження вогнестійкості. У четвертому розділі представлено вдосконалену методику оцінювання вогнестійкості сталезалізобетонних плит, яка передбачає побудову температурного поля за даними точкових вимірювань у малогабаритній вогневій печі. Запропонований підхід дозволяє враховувати особливості профілю плити та нерівномірність нагріву без повномасштабних випробувань. Підтверджено відповідність температурного режиму стандартній пожежній кривій, незначний вплив орієнтації плити на результати, а також зменшення потреби у вимірювальному обладнанні на 30 %. Визначено межу вогнестійкості за критерієм несучої здатності (239 хвилин), що підтверджено чисельним аналізом і збігається з даними з наукових джерел, що дозволяє рекомендувати методику для практичного застосування. У п’ятому розділі розроблено покроковий алгоритм з 9 етапів для оцінювання межі вогнестійкості сталезалізобетонних плит з гофрованим профілем, який поєднує експериментальні та чисельні методи. Представлено удосконалену схему реалізації методики з використанням малогабаритної вогневої печі, що враховує конструктивні особливості зразка та теплові умови. Обґрунтовано оптимальні параметри розмірів фрагментів, конфігурації установки, розміщення пальників та необхідність ущільнення для герметичності. Проведено розрахунок залишкової несучої здатності після впливу температурного режиму пожежі, що підтвердив ефективність підходу. Визначено перелік обов’язкових експериментальних даних для розрахунків та рекомендовано використання F-критерію Фішера для перевірки достовірності результатів. Ключові слова: пожежа, безпека, вогнестійкість, сталь, залізобетон, плита, математична, комп’ютерна, модель, небезпека, експеримент, розрахунок, моделювання, процеси горіння, деформація, несуча здатність.