CC BY
23
https://doi.org/10.18322/PVB.2019.28.05.60-70 УДК 614.841.334.2
ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй
© В. И. Голованов'', А. В. Пехотиков, Н. С. Новиков, В. В. Павлов, Е. В. Кузнецова
Введение. Железобетонные конструкции из тяжелого бетона повышенной влажности (более 3,5 %) имеют склонность к взрывообразному разрушению, которое может привести к преждевременному наступлению предела огнестойкости таких конструкций и частичному или полному обрушению зданий и сооружений. Повышенная влажность железобетонных конструкций обычно встречается в подземных сооружениях и во вновь возводимых зданиях. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений в значительной степени зависит от взрывообразного (хрупкого) разрушения бетона при воздействии высокихтемператур пожара на поверхность обделки тоннеля.
Материалы и методы. В качестве объекта исследования были выбраны железобетонные тюбинги из тяжелого бетона влажностью 6 % с добавкой полипропиленовой фибры в количестве 1 кг/м3. Проведены крупномасштабные огневые испытания на специально изготовленном стенде при нагружении образцов вертикальной и горизонтальной нагрузкой.
Результаты и обсуждение. Представлены основные результаты экспериментального исследования огнестойкости железобетонных тюбингов с добавкой полипропиленовой фибры и без нее. По результатам установлено, что предел огнестойкости железобетонного тюбинга с добавкой полипропиленовой фибры согласно ГОСТ 30247.0-94 составил не менее 125 мин (REI 120). Разработана аналитическая модель оценки огнестойкости. Для решения теплотехнической задачи проведен численный эксперимент с помощью программного комплекса "ANSYS". Предложена аналитическая зависимость определения дополнительного температурного прогиба для геометрически нелинейного элемента. Расчет предела огнестойкости железобетонного тюбинга с добавкой полипропиленовой фибры по разработанной аналитической модели с учетом ранее полученных прочностных и теплотехнических характеристик подтвердил результаты огневых испытаний: предел огнестойкости составил REI 120.
Заключение. Использование для ограждающих конструкций тоннеля железобетонных тюбингов из фибро-бетона с полипропиленовой фиброй позволит значительно снизить затраты на устройство огнезащиты и сократить сроки строительства.
Ключевые слова: стандартный температурный режим пожара; теплотехническая задача; статическая (прочностная) задача; взрывообразное (хрупкое) разрушение бетона; обделка тоннеля.
Для цитирования: Голованов В. И., Пехотиков А. В., Новиков Н. С., Павлов В. В., Кузнецова Е. В. Огнестойкость железобетонных тюбингов подземных сооружений с полипропиленовой фиброй // Пожаровзрывобез-опасность/Fireand Explosion Safety. -2019.-Т. 28, №5.-С. 60-70. DOI: 10.18322/PVB.2019.28.05.60-70.
И Голованов Владимир Ильич, e-mail: [email protected]
Fire resistance of reinforced concrete tubings of underground structures with polypropylene fiber
© Vladimir I. Golovanov:', Andrey V. Pekhotikov, Nikolay S. Novikov, Vladimir V. Pavlov, Elena V. Kuznetsova
All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia (VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903, Russian Federation)
ABSTRACT
Introduction. Reinforced concrete structures made of heavy concrete of high humidity (more than 3.5 %) are prone to explosive destruction. This phenomenon can lead to premature onset of the fire resistance of such structures and the partial or complete collapse of buildings and structures. The increased humidity of reinforced concrete structures is usuallyfound in underground structures and newly constructed buildings. The fire resistance of reinforced concrete tubes of underground structures largely depends on the explosive (brittle) destruction of concrete when exposed to high temperatures of fire on the surface of the tunnel lining.
Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России (Россия, 143903, г. Балашиха Московской обл., мкр. ВНИИПО, 12)
РЕЗЮМЕ
Materials and methods. As the object of the study were selected reinforced concrete tubes of heavy concrete with a moisture content of 6 % with the addition of polypropylene fiber in the amount of 1 kg/m3. Large-scale fire tests were carried out on a specially manufactured test bench when loadingsampleswith vertical and horizontal loads. Results and discussion. The main results on the study of fire resistance of reinforced concrete tubes with the addition of polypropylene fiber and without additives are presented. According to the results of experimental studies, it was established that the fire resistance limit of reinforced concrete tubing with the addition of polypropylene fiber according to GOST 30247.0-94 was at least 125 minutes (REI120). The analytical model of fire resistance assessment is developed. To solve the thermal engineering problem, a numerical experiment was performed in the ANSYS software package. An analytical dependence is proposed for determining an additional temperature deflection for a geometrically nonlinear element. The calculation of the fire resistance limit of reinforced concrete tubing with the addition of polypropylene fiber according to the developed analytical model, considering the previously obtained strength and thermal characteristics, confirmed the results of fire tests, and amounted to REI 120. Conclusion. The use of reinforced concrete tubing made of fiber-reinforced concrete with polypropylene fiber for buildingenvelopes will significantly reduce the cost of a fire protection device and shorten the construction time.
Keywords: standard temperature fire; thermal engineering problem; static (strength) problem; explosive (brittle) concrete destruction; tunnel lining.
For citation: V. I. Golovanov, A. V. Pekhotikov, N. S. Novikov, V. V. Pavlov, E. V. Kuznetsova. Fire resistance of reinforced concrete tubings of underground structures with polypropylene fiber. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2019, vol. 28, no. 5, pp. 60-70 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2019.28.05.60-70.
K Vladimir Ilich Golovanov, e-mail: [email protected]
Введение
Железобетонные конструкции из тяжелого бетона повышенной влажности (более 3,5 %) имеют склонность к взрывообразному разрушению. Данное явление может привести к преждевременному наступлению предела огнестойкости несущих железобетонных конструкций и, как следствие, к частичному или полному обрушению зданий и сооружений. Повышенная влажность таких конструкций обычно встречается в подземных сооружениях и во вновь возводимых зданиях.
Исследования по защите железобетонных конструкций от взрывообразного разрушения бетона [1-6] проводились в ряде европейских стран. Добавка в бетонную смесь полипропиленовой фибры [7-13] является наиболее эффективным способом защиты железобетонных конструкций от взрывообразного разрушения.
Однако при добавке фибры в состав бетонной смеси изменяются физико-механические и теплотехнические характеристики бетона, которые очень важны при оценке огнестойкости железобетонных конструкций расчетными методами. Значения этих характеристик были получены в ранее проведенных исследованиях.
Так как полипропиленовая фибра предотвращает взрывообразное разрушение бетона, целесообразно применять данный материал на таких объектах, как подземные сооружения, влажность конструкций которых может превышать пороговые значения. Основными конструкциями подобных сооружений являются железобетонные тюбинги, которые образуют обделку тоннеля и используются для прокладки в грунте автодорожных тоннелей и метрополитена. Обеспечение пожарной безопасности таких объектов — важная народнохозяйственная задача, целью которой является обеспечение достаточной
несущей способности конструкций при воздействии пожара, а актуальность этих исследований обуславливается перевозкой большого количества людей, пожароопасных грузов и т. д. [14,15]. Несущая способность конструкций при воздействии пожара обеспечивается достаточными пределами огнестойкости железобетонных конструкций, которые оцениваются как экспериментальными, так и расчетными методами.
Экспериментальные методы позволяют посредством крупномасштабных огневых испытаний оценить огнестойкость конструкции и наглядно рассмотреть ее поведение в условиях пожара. Однако данный метод является трудоемким и экономически затратным.
При рассмотрении существующих расчетных методов установлено, что ни один из них не позволяет производить расчет огнестойкости железобетонных тюбингов.
В то же время в соответствии с ГОСТ 30247.0-94 (Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования) расчетные методы для оценки огнестойкости конструкций должны быть подтверждены результатами экспериментов для конструкций, аналогичных по форме, материалам и конструктивному исполнению. В соответствии с этим были проведены крупномасштабные огневые эксперименты с тюбингами тоннельной обделки.
Целью исследований является:
1) определение влияния добавки полипропиленовой фибры в бетонную смесь железобетонного тюбинга тоннельной обделки на предотвращение взры-вообразного разрушения бетона с влажностью 6 %;
2) установление предела огнестойкости железобетонного тюбинга с добавкой полипропиленовой фибры;
3) разработка методики расчета огнестойкости железобетонных тюбингов с добавкой полипропиленовой фибры с учетом полученных ранее физико-механических и теплотехнических характеристик фибробетона.
Материалы и методика проведения эксперимента
Образцы железобетонных тюбингов для проведения эксперимента изготавливались из тяжелого бетона на заводе ОАО "Моспромжелезобетон". Состав бетона: портландцемент марки ПЦ1-500-Н, мелкий заполнитель — кварцевый песок, крупный заполнитель — гранитный щебень (фракции 5-15 мм), пластификатор — 01ешиш 51. Размеры тюбингов — 2984x1400x300 мм. В состав железобетонных тюбингов вводилась полипропиленовая фибра "Рго-2ЛБК ЮБ" с длиной волокон 6 мм, диаметром 18 мкм в количестве 1 кг/м3. Армирование: 28 012 мм, класс стали В500С. Арматурные каркасы изготавливались с применением точечной сварки. Толщина защитного слоя от обогреваемой поверхности до края арматуры составляла 34 мм. Общий вид испытуемых образцов представлен на рис. 1.
Испытания на огнестойкость проводились по ГОСТ 30247.0-94 и ГОСТ 30247.1-94, в которых установлены требования к оборудованию, размещению термопреобразователей и регистрации необходимых параметров.
В ходе испытаний на огнестойкость тюбингов необходимо воспроизвести нагрузку, которая воздействует на конструкцию при эксплуатации объекта с максимальным моментом и продольной силой в сечении обделки тоннеля. Эксперименты проводили во ВНИИПО МЧС России. Так как на данную конструкцию в процессе ее эксплуатации действуют как вертикальные, так и горизонтальные нагрузки, необходимо было усовершенствовать систему опи-
Рис. 1. Общий вид исследуемых железобетонных тюбингов Fig. 1. General view of the tested reinforced concrete tubings
Рис. 2. Усовершенствованная система нагружения для исследования огнестойкости железобетонных тюбингов: 1 — горизонтальная рама; 2 — неподвижная опора домкрата; 3 — рамы для создания вертикальной нагрузки; 4 — гидравлический домкрат для вертикальной нагрузки; 5 — вертикальная рама; 6 — упор домкрата; 7 — испытуемый образец; 8 — подвижная опора; 9 — гидравлический домкрат для горизонтальной нагрузки; 10 — опора гидравлического домкрата Fig. 2. The advanced loading system for the study of fire resistance of reinforced concrete tubings: 1 — horizontal frame; 2 — fixedjack support; 3 —vertical load frames; 4 — hydraulic jack for vertical load; 5 — vertical frame; 6 — jack rest; 7 — test sample; 8 — movable support; 9 — hydraulic jack for horizontal load; 10 — hydraulic jack support
рания и нагружения на новой установке для испытаний на огнестойкость перекрытий, покрытий и балок дополнительной системой нагружения. На рис. 2 представлена схема усовершенствованной системы нагружения, которая во время огневых испытаний находилась вне зоны нагрева.
Перед началом проведения эксперимента согласно ГОСТ 30247.1-94 рассчитывали максимальные значения прогиба (99,5 мм) и предельной скорости деформации (0,33 см/мин), превышение которых ха-рактеризирует наступление предельного состояния по несущей способности. В ходе эксперимента прогиб фиксировали с помощью прибора "Прогибомер МП-3". Для установления предельного состояния по теплоизолирующей способности на необогрева-емой поверхности размещали термопреобразователи для измерения температур.
Нагрузка в эксперименте рассчитывалась ОАО "Мосинжпроект" для тюбингов тоннельной обделки диаметром 6,0 м.
За 30 мин до начала огневых испытаний конструкция нагружалась расчетной нагрузкой, которая составляла: вертикальная — 50 тс (490,5 кН), горизонтальная — 30 тс (294,3 кН). После этого испытуемый образец тюбинга подвергался воздействию температурного режима стандартного пожара.
В результате экспериментальных исследований были построены графики изменения температуры в огневой камере и прогиба (рис. 3), а также температуры на необогреваемой поверхности (рис. 4).
Время, мин / Time, min
Стандартная температурная кривая tB t = 345 lg(8i + 1) + fj Standard temperature curve tb345 lg(8i + 1) + tin Верхняя и нижняя допустимые границы отклонения Upper and lower tolerance limits
Средняя температура среды в огневой камере, образец 1 Average temperature of medium in firing chamber, sample 1 Средняя температура среды в огневой камере, образец 2 Average temperature of medium in firing chamber, sample 2 Прогиб в середине пролета тюбинга, образец 1 Deflection in mid-span tubing, sample 1 Прогиб в середине пролета тюбинга, образец 2 Deflection in mid-span tubing, sample 2
Рис. 3. Результаты испытаний на огнестойкость железобетонного тюбинга с полипропиленовой фиброй Fig. 3. The test results on the fire resistance of reinforced concrete tubing with polypropylene fiber
Рис. 4. Зависимость температуры на необогреваемой поверхности тюбинга от времени при огневых испытаниях Fig. 4. The time dependence of the temperature on the unheated surface of the tubing during fire tests
Нормативный предел огнестойкости тюбингов составлял REI 120, поэтому огневые испытания проводились в течение 125 мин.
По результатам эксперимента с тюбингами без добавки полипропиленовой фибры отмечено взрыво-образное разрушение бетона при воздействии высоких температур, которое сопровождалось сильными хлопками. Это привело к отслаиванию защитного слоя бетона и быстрому прогреву арматуры до критических значений. Образец после огневых испытаний с разрушенным защитным слоем бетона представлен на рис. 5,а.
В ходе огневых испытаний тюбингов с добавкой полипропиленовой фибры взрывообразного разрушения бетона не отмечено. Предельная деформация составила 7 мм, что не превышает предельно допустимого прогиба (99,5 мм). Средняя температура по пяти термопарам в интервале 0-120 мин составила 25 °С, что значительно меньше допустимой температуры (160 °С). В ходе испытаний визуально определено, что выпаривание влаги на необогреваемой поверхности образцов происходит на 30-37-й ми-
Рис. 5. Железобетонные тюбинги после испытаний без добавки (а) и с добавкой полипропиленовой фибры (б)
Fig. 5. Reinforced concrete tubings after testing without the addition of polypropylene fiber (a) and with the addition of polypropylene fiber (b)
Рис. 6. Зависимость изгибающего момента от расстояния между опорами тюбинга при расчете в программном комплексе ZSoil Fig. 6. The dependence ofthe bending moment on the distance between the supports of tubing in the calculation in the software package ZSoil
нуте и продолжается до момента завершения испытаний.
По окончании испытаний и демонтажа образца с установки на обогреваемой стороне обнаружены две поперечные трещины шириной 1-3 мм и глубиной 20-30 мм и многочисленные нитевидные трещины (рис. 5,6).
При визуальном осмотре после огневых испытаний обогреваемой поверхности тюбинга с добавкой полипропиленовой фибры (см. рис. 5,6) повреждений защитного слоя бетона не отмечено. Обнаружены лишь незначительные отколы защитного слоя бетона, образовавшиеся в результате демонтажа образца с опор установки. Это свидетельствует об отсутствии взрывообразного разрушения бетона на поверхности исследуемого образца.
В результате экспериментальных исследований железобетонных тюбингов с полипропиленовой фиброй установлено, что предел огнестойкости тюбингов составил REI 120, что соответствует нормируемому пределу огнестойкости. Эксперимент был прекращен на 125-й минуте.
Аналитическая оценка огнестойкости железобетонного тюбинга
Для установления предела огнестойкости расчетным методом необходимо решить две задачи — теплотехническую и статическую (прочностную).
Совместно с ООО "Научно-инженерный центр тоннельной ассоциации" проводился расчет момен-
Таблица 1. Коэффициенты ybt условия работы бетона при нагреве с добавкой полипропиленовой фибры ProZASK IGS Table 1. The coefficients ybt ofthe working conditions of concrete when heated with the addition of polypropylene fibers ProZASK IGS
Температура, °С Temperature, °С 2G 2GG 3GG 4GG 500 6GG 7GG 8GG
Коэффициент ybt Coefficient ybt 1 1 1 G,99 G,96 G,82 G,72 G,21
M5pa„= 131,5 kN-m
* span
Рис. 7. Эпюра моментов и сжимающих усилий железобетонного тюбинга: Мпр, Nnp — расчетные усилия в поперечном сечении в середине пролета тюбинга
Fig. 7. Plot of moments and compressive forces of reinforced concrete tubing: Mspan, Nspan — calculated forces in the cross sec-
tion in the middle ofthe tubing span
тов и сжимающих усилий, возникающих в исследуемом блоке от внешней нагрузки при нормальной температуре (до огневых испытаний). С помощью метода конечных элементов (МКЭ) решалась задача на базе программно-вычислительного комплекса (ПВК) 1_Бо11.
В результате вычислений получены максимальные моменты и сжимающие усилия от внешних нагрузок, образующиеся в поперечных сечениях блока (рис. 6 и 7).
Кроме того, определено расчетное сечение с максимальным положительным моментом Мпр = = 131,5 кНм и продольной силой Ыпр = 139,7 кН, где растянутая зона располагается с обогреваемой стороны образца.
Таблица 2. Свойства бетона с полипропиленовой фиброй и арматуры
Table 2. Properties of concrete with polypropylene fiber and reinforcement
Характеристика Property Значение Value
Бетон с полипропиленовой фиброй Concrete with polypropylene fiber
Коэффициент теплопроводности Xt, Вт/(м-К) Thermal conductivity Xt, W/(m-K) 1,3-0,0006t
Коэффициент теплоемкости ct, Дж/(кг-К) Heat capacity ct, J/(kg-K) 481 +0,92t
Плотность, кг/м3 / Density, kg/m3 2400
Влажность W, % 6
Humidity W, %
Арматура / Reinforcement
Коэффициент теплопроводности Xt, Вт/(м-К) Thermal conductivity Xt, W/(m-K) 78 - 0,048t
Коэффициент теплоемкости ct, Дж/(кгК) Heat capacity ct, J/(kg-K) 310 + 0,48t
Плотность, кг/м3 / Density, kg/m3 7800
Состав образцов для исследования прочностных показателей фибробетона соответствовал составу, из которого были изготовлены блоки.
Исследованиями установлено, что призменная прочность бетона с добавкой полипропиленовой фибры ЯЬп = 33,7 МПа, что согласно СП 63.13330.2012 (Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 51-01-2003) соответствует классу бетона В45. Экспериментальные данные по изменению прочности фибробетона от температуры при нагреве представлены в табл. 1.
Для решения теплотехнической задачи использовались показатели теплопроводности X , и теплоемкости с,, полученные в ходе исследований бетона с добавкой полипропиленовой фибры [16, 17]:
X, = 1,2-0,0006 (1)
с, = 710 + 0,92г. (2)
Основной целью теплотехнической части расчета является определение температуры по сечению тюбинга в процессе огневого воздействия. Изменение температуры в железобетонном элементе рассчитывают путем решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье [15].
Поскольку задача такого рода является трудоемкой из-за наличия большого количества переменных и нелинейных граничных условий, для ее решения использовался программный комплекс Л№УЗ [18-21].
При подготовке к расчету моделировалась объемная конструкция (расчетная область) в виде железобетонного тюбинга; бетону и арматуре присваивались свойства, представленные в табл. 2 (начальные условия). Модель разбивалась наконечные элементы.
Для расчета в программном комплексе задавались граничные условия 3-го рода. Для обогреваемой поверхности задавались характеристики, приведенные в табл. 3.
На необогреваемой поверхности в табличном виде задавался коэффициент теплоотдачи а':
а' = 1,5 3ti - t н + 5,77s
пр
100
100
ил
ti - t н
(3)
где а' — коэффициент теплоотдачи от необогрева-емой поверхности к среде, Вт/(м2-К); ,—температура необогреваемой поверхности, К; гн — начальная температура конструкции, К; епр—приведенная степень черноты конструкции. Так как бетон является гигроскопичным материалом, учитывалось выпаривание свободной влаги из пор бетона за счет увеличения коэффициента теплоемкости в интервале температур 100-140 °С.
Расчет выполнялся при воздействии стандартного температурного режима пожара в течение 120 мин. Результаты расчета представлены на рис. 8 и 9.
По окончании теплотехнического расчета проводилась обработка результатов численного эксперимента в целях определения основных параметров, необходимых для решения прочностной задачи.
Таблица 3. Граничные условия для обогреваемой поверхности / Table 3. Boundary conditions for heated surface
Характеристика / Property Значение / Value
Коэффициент передачи тепла конвекцией ак, Вт/(м2-°С) Convection heat transfer coefficient aconv, W/(m2-°C) 29
Приведенная степень черноты системы огневая камера - бетонная поверхность епр The degree of blackness of the system fire chamber - concrete surface eref 0,67 - 0,0004t
Зависимость стандартного температурного режима пожара (tR — начальная температура конструкции, °С) The temperature dependence of the standard mode of fire (tin — initial temperature of construction, °С) 345 lg (0,133t + 1) + t,, 345 lg (0.133t + 1) + tm
Рис. 8. Результаты расчета температурных полей для железобетонного тюбинга в программном комплексе ANSYS Fig. 8. The results of the calculation of temperature fields for reinforced concrete tubing in the software package ANSYS
30 мин 30 minutes
60 мин 60 minutes
90 мин 90 minutes
120 мин 120 minutes
°C
1041,9 max
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100
20 mill
Рис. 9. Изотермы прогрева для железобетонного тюбинга с полипропиленовой фиброй Fig. 9. Heating isotherms for reinforced concrete tubing with polypropylene fiber
При этом для определения достоверности полученных результатов сравнивались расчетные и экспериментальные кривые роста температуры на необогреваемой поверхности тюбинга (рис. 10). Сравнение показало, что расхождение расчетных и экспериментальных данных не превышает 10 %.
В результате теплотехнического расчета определены: температура растянутой арматуры на 120-й минуте прогрева 475,1 °С; коэффициент снижения нормативного сопротивления арматурной стали у í= 0,662; коэффициент снижения модуля упругости р,, {= 0,812.
Расчет несущей способности тюбинга проводился для наиболее напряженного поперечного сечения, расположенного в середине пролета.
От неравномерного нагрева по толщине блока образуется дополнительный температурный прогиб [15, 22, 23], который увеличивает эксцентриситет продольной силы.
Железобетонный тюбинг является геометрически нелинейным элементом, поэтому использование
для его расчета приведенных в справочной литературе формул для колонн и стен не представляется возможным.
В процессе исследования получена расчетная схема (рис. 11) и формула для определения дополнительного температурного прогиба в( (м) железобетонного тюбинга при огневом воздействии:
et =
3(аtjs + аtbtb)г2 sin2Ф
2h
= 0,00612 м, (4)
о, t
где а ( — коэффициент температурного расширения арматуры растянутой зоны при нагреве до (475,1 °С);
- коэффициент температурного расширения
а
бетона сжатой грани при нагреве до ^ (25 °С); г—длина от опоры тюбинга до середины конструкции по нейтральной оси элемента, м; Ф — угол между г и осью ОХ;
h
о, t '
рабочая высота сечения, м.
Эксцентриситет е (м) внешней продольной силы N относительно центра тяжести сечения арматуры
О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Время прогрева, мин / Warm-up time, min
Рис. 10. Зависимость температуры на необогреваемой поверхности тюбинга от времени при огневых испытаниях и теплотехническом расчете
Fig. 10. The time dependence of the temperature on the unheated surface of the tubing during fire tests and thermal engineering calculation
i h
Phc. 11. ^ene306eT0HHHH Tro6nHr c nnHenHbiM xapaKTepoM H3MeHeHna TeMnepaTypw no BticoTe cewHna Fig. 11. Reinforced concrete tubing with a linear character of temperature variation along the section height
Tro6nHra npn orHeBOM Bo3fleHcTBnn pacc^nTtiBa^ca no ^opMyne
e = eo'H + 0,5 (h0, t - a') + et = 1,1 m, (5)
rfle e0 — 3KcueHTpncnTeT npoflontHon cnrni, m; ^ — K03^^nnneHT, ynnTMBaro^nn BnnaHne npo-AontHoro n3rn6a 6noKa Ha ero Hecy^yro cnoco6-hoctb;
a'— paccToaHne ot paBHoflencTByro^en ycnnnn b c^aron apMaType flo 6nn^anmen rpaHn ceneHna, m. Hecy^aa cnoco6Hocrt Mp t ceneHna Tro6nHra pac-cnnTMBa^act c y^eTOM n3MeHeHna cbohctb 6eToHa n apMaTypM npn oflHocropoHHeM Bo3fleHcTBnn b Tene-Hne 120 MnH TeMnepaTypHoro pe^nMa cTaHflapTHoro no^apa:
Mp,t = Rbn,tbxI ho,t - x | +
, > 2; (6) + Rsn>tAs (h0, t - a ) = 341,8 kHm,
где Rbn, t—нормативное сопротивление бетона осевому сжатию с учетом коэффициента ybt, МПа; b — ширина прямоугольного сечения тюбинга, м; х — высота сжатой зоны бетона, м; Rsn t — нормативное сопротивление арматуры с учетом коэффициента у t, МПа; A's — площадь сечения сжатой арматуры, м2. Момент внешнего усилия от нагрузки относительно центра тяжести сечения арматуры
Ыпрe = 153,7 кНм. (7)
Таким образом, условие N^ e < Mp t выполнено. Предел огнестойкости тюбинга по потере несущей способности R 120 будет обеспечен. Проведенные огневые испытания подтверждают результаты расчетов по теплоизолирующей способности (I 120).
Заключение
В результате огневых испытаний железобетонных тюбингов с добавкой полипропиленовой фибры в количестве 1 кг/м3 взрывообразного разрушения бетона не происходило, что подтверждает положительное влияние добавки на огнестойкость конструкций из тяжелого бетона с повышенной влажностью.
Значения допустимого максимального прогиба (99,5 мм) и температуры на необогреваемой поверхности конструкции (160 °С) не достигнуты, следовательно, предельные состояния по потере несущей и теплоизолирующей способности в течение 125 мин воздействия температурного режима пожара на образцах не наступили.
В результате экспериментальных исследований установлено, что предел огнестойкости конструкции составил REI120.
Решена теплотехническая задача в программном комплексе ANSYS, в результате чего получены данные по прогреву арматуры и бетона, а также проведено сравнение экспериментальных и расчетных температур на необогреваемой поверхности конструкции. Расхождение их составило не более 10 %, что говорит о достоверности численного эксперимента. Получена формула для определения дополнительного температурного прогиба при огневом воздействии для геометрически нелинейного элемента, каковым является железобетонный тюбинг.
Разработана аналитическая модель оценки огнестойкости железобетонных тюбингов с полипропиленовой фиброй и определен фактический предел огнестойкости данной конструкции.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Moore D. B., Lennon T. Fire engineering design of steel structures // Progress in Structural Engineering and Materials. — 1997. —Vol. 1,No. 1. —P. 4-9. DOI: 10.1002/pse.2260010104.
2. Maraveas C., Vrakas A. A. Design of concrete tunnel linings for fire safety // Structural Engineering International.—2014.—Vol. 24,No. 3. —P. 319-329.DOI: 10.2749/101686614X13830790993041.
3. БартелемиБ., КрюппаЖ. Огнестойкость строительных конструкций / Пер. с фр. —М. : Строй-издат, 1985. — 216 с.
4. Голованов В. И., Кузнецова Е. В. Эффективные средства огнезащиты для стальных и железобетонных конструкций // Промышленное и гражданское строительство. — 2015. — №9. — С. 82-90.
5. Голованов В. И., ПавловВ. В., ПехотиковА. В. Защита железобетонных тюбингов автодорожных тоннелей от хрупкого разрушения при пожаре // Пожарная безопасность. — 2008. — № 2. — С. 50-55.
6. Фёдоров В. С., ЛевитскийВ. Е., МолчадскийИ. С., Александров А. В. Огнестойкость и пожарная опасность строительных конструкций. — М. : АСВ, 2009. — 408 с.
7. Heo Y.-S., Sanjayan J. G., Han C.-G., Han M.-C. Synergistic effect of combined fibers for spalling protection of concrete in fire // Cement and Concrete Research. — 2010. — Vol. 40, No. 10. — P. 1547-1554. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.06.011.
8. Werther N.Brandversuche an Tunnelinnenschalenbetonen für den M 30-Nordtunnel in Madrid // BetonundStahlbetonbau.— 2006.—'Vol. 101,No.9.—P. 729-731 (inGerman).DOI: 10.1002/best.200608187.
9. DuttaDey S., Winterberg R., KorullaM., GharpureA.D. Steel fibre reinforced concrete for underground structures // 6th Asian Rock Mechanics Symposium. — 2010. — 8 p.
10. Rodrigues J. P. C.,LaímL., Correia A. M.Behaviouroffiberreinforcedconcrete columns in fire // Composite Structures. — 2010.—'Vol. 92,Issue 5. —P. 1263-1268.DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.10.029.
11. Кузнецова И. С., РябченковаВ. Г., КорнюшинаМ. П., Саврасов И. П., Востров М. С. Полипропиленовая фибра—эффективный способ борьбы со взрывообразным разрушением бетона при пожаре // Строительные материалы.—2018.—№ 11. —С. 15-20.DOI: 10.31659/0585-430Х-2018-765-11-15-20.
12. Dehn F., Werther N., Knitl J. Großbrandversuche für den City-Tunnel Leipzig // Beton- und Stahlbetonbau.—2006.—Vol. 101,Issue 8.—P. 631-636 (inGerman). DOI: 10.1002/best.200608186.
13. Kordina K. Brände in unterirdischen Verkehrsanlagen // Bautechnik. — 2003. — Vol. 80, No. 5. — P. 327-338 (in German). DOI: 10.1002/bate.200302620.
14. Ройтман В. М., Голованов В. И. Необходимость технического регулирования огнестойкости зданий с учетом возможности комбинированных особых воздействий с участием пожара // Пожарная безопасность. — 2014. — № 1. — С. 86-93.
15. Яковлев А. И.Расчет огнестойкости строительных конструкций. —М.: Стройиздат, 1988. —144 с.
16. Голованов В. И., Новиков Н. С., Павлов В. В., Кузнецова Е. В. Прочностные и теплофизические свойства бетона с полипропиленовой фиброй в условиях температурного режима стандартного пожара // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. — 2017. — Т. 26, № 5. — С. 37-44. DOI: 10.18322/PVB.2017.26.05.37-44.
17. Голованов В. И., Новиков Н. С., Павлов В. В., Антонов С. П. Прочностные характеристики фибро-бетона для тоннельных сооружений в условиях высоких температур // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. — 2017. — № 2. — С. 63-67.
18. Волков А. А., РойтманВ. М., ПриступюкД. Н., Федоров В. Ю. Влияние влажности строительных материалов на точность расчетов прогрева конструкций при оценке их огнестойкости // Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании : c6. матер. VI Международной научной конференции. — М. : НИУ МГСУ, 2018. — С. 207-212.
19. КамлюкА. Н., Ширко А. В., Янковский А. Г. Теплотехнический и прочностной расчет железобетонных колонн в программной среде ANSYS // Техносферная безопасность. — 2014. —№ 2(3). — С. 26-33.
20. Ширко А. В., КамлюкА. Н., Полевода И. И., Зайнудинова Н. В. Прочностной расчет железобетонных плит при пожаре с использованием программной среды ANSYS // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. — 2014. — № 1(19). — С. 48-58.
21. Камлюк А. Н., Полевода И. И., Ширко А. В. Модели материалов арматуры и бетона для теплотехнических и прочностных расчетов на примере Российского стандарта // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. — 2013. — № 1(17). — С. 104-116.
22. Kordina K., Meyer-Ottens C. Beton brandschutz. Handbuch. 2 Auflage. — Düsseldorf: Verlag Bau + Technik, 1999. — 284 p. (in Germany).
23. Nause P. Brandschutztechnische Bewertung tragender Bauteile im Bestand. — Brandschutz-ForumMünchen, 21.06.2013. — 47 p. URL: https://docplayer.org/2762246-Brandschutztechnische-bewertung-tragender-bauteile-im-bestand.html (дата обращения: 15.05.2019).
REFERENCES
1. D.B. Moore, T. Lennon. Fire engineering design of steel structures. Progress in Structural Engineering and Materials, 1997, vol. 1, no. 1,pp. 4-9. DOI: 10.1002/pse.2260010104.
2. C. Maraveas, A. A. Vrakas. Design of concrete tunnel linings for fire safety. Structural Engineering International, 2014, vol. 24, no. 3, pp. 319-329. DOI: 10.2749/101686614X13830790993041.
3. Barthélémy B., Kruppa J. Résistace au feu des structurs beton - acier - bois. Paris, Ediitions Eyrolles, 1978. 216p. (in French) (Russ. ed.: Barthélémy B., Kruppa J. Ognestoykost stroitelnykh konstruktsiy. Moscow, Stroyizdat Publ., 1985. 216 p.).
4. V. I. Golovanov, E. V. Kuznetsova. Effective means of fire protection for steel and concrete structures. Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitelstvo / Industrial and Civil Engineering, 2015, no. 9, pp. 82-90 (in Russian).
5. V. I. Golovanov, V. V. Pavlov, A. V. Pekhotikov. Protection of concrete tubing highway tunnels by brittle fracture during a fire. Pozharnaya bezopasnost /Fire Safety, 2008, no. 2, pp. 50-55 (in Russian).
6. V. S. Fedorov, V. E. Levitskiy, I. S. Molchadskiy, A. V. Aleksandrov. Ognestoykost i pozharnaya opasnost stroitelnykh konstruktsiy [Fire behavior and fire danger of building designs]. Moscow, ASV Publ., 2009. 408 p. (in Russian).
7. Y.-S. Heo, J. G. Sanjayan, C.-G. Han, M.-C. Han. Synergistic effect of combined fibers for spalling protection of concrete in fire. Cement and Concrete Research, vol. 40, no. 10, pp. 1547-1554. DOI: 10.1016/j.cemconres.2010.06.011.
8. N. Werther. Brandversuche an Tunnelinnenschalenbetonen für den M 30-Nordtunnel in Madrid. Beton-und Stahlbetonbau, 2006,'vol. 101, issue 9, pp. 729-731 (in German). DOI: 10.1002/best.200608187.
9. S. Dutta Dey, R. Winterberg, M. Korulla, A. D. Gharpure. Steel fibre reinforced concrete for underground structures. In: 6th Asian Rock Mechanics Symposium, 2010. 8 p.
10. J. P. C. Rodrigues, L. Laím, A. M. Correia. Behaviour of fiber reinforced concrete columns in fire. Composite Structures, 2010, vol. 92, issue 5, pp. 1263-1268. DOI: 10.1016/j.compstruct.2009.10.029.
11. I. S. Kuznetsova, V. G. Ryabchenkova, M. P. Kornyushina, I. P. Savrasov, M. S. Vostrov. Polypropylene fiber is an effective way to struggle with the explosion — like destruction of concrete in case of fire. Stroitel'nye Materialy / Construction Materials, 2018, no. 11, pp. 15-20. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-765-11-15-20.
12. F. Dehn, N. Werther, J. Knitl. Großbrandversuche für den City-Tunnel Leipzig. Beton- und Stahlbetonbau, 2006, vol. 101, issue 8, pp. 631-636 (in German). DOI: 10.1002/best.200608186.
13. K. Kordina. Brände in unterirdischen Verkehrsanlagen. Bautechnik, 2003, vol. 80, no. 5, pp. 327-338 (in German). DOI: 10.1002/bate.200302620.
14. V. M. Roytman, V. I. Golovanov. Need for technical regulation of the buildings fire resistance taking into account the possible combined hazardous fire exposure. Pozharnaya bezopasnost / Fire Safety, 2014, no. 1, pp. 86-93 (in Russian).
15. A. I. Yakovlev. Raschet ognestoykosti stroitelnykh konstruktsiy [Calculation of fire resistance of building structures]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1988. 143 p. (in Russian).
16. V. I. Golovanov, N. S. Novikov, V. V. Pavlov, E. V. Kuznetsova. Strength and thermo-physical properties of concrete with polypropylene fiber under standard temperature regimes. Pozharo-vzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety, 2017, vol. 26, no. 5, pp. 37-44 (in Russian). DOI: 10.18322/PVB.2017.26.05.37-44.
17. Golovanov V. I., Novikov N. S., Pavlov V. V.,AntonovS. P. Strength characteristics of fiber reinforced concrete for tunnel structures in high temperatures. Pozhary i chrezvychaynyye situatsii: predotvra-shcheniye, likvidatsiya / Fire and Emergencies: Prevention, Elimination, 2017, no. 2, pp. 63-67 (in Russian).
18. A. A. Volkov, V. M. Roytman, D. N. Pristupyuk, V. Yu. Fedorov. The influence of humidity of construction materials on the accuracy of calculations of the heating of structures in assessing their fire resistance. In: Integratsiya, partnerstvo i innovatsii v stroitelnoy nauke i obrazovanii. Sbornik materialov VI Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii [Partnership and Innovation in Construction Science and Education. Proceedings ofVI International Scientific Conference]. 2018, pp. 207-212 (in Russian).
19. A. N. Kamluk, A. V. Shirko, A. G. Yankovskiy. The thermal and strength calculation of concrete columns in a software environment ANSYS. Tekhnosfernaya bezopasnost / Technosphere Safety, 2014, no. 2(3), pp. 26-33 (in Russian).
20. A. V. Shirko, A. N. Kamlyuk, 1.1. Polevoda, N. V. Zaynudinova. The strength calculation of concrete stabs in a soft-ware environment ANSYS. VestnikKomandno-inzhenernogo instituta MChSRespubliki Belarus / Vestnikof the Institute for Command Engineers of the MES of the Republic of Belarus, 2014, no. 1(19), pp. 48-58 (in Russian).
21. A. N. Kamlyuk, I. I. Polevoda, A. V. Shirko. Models of reinforcement and concrete materials for thermal engineering and strength calculations on the example of the Russian standard. VestnikKomandno-inzhenernogo instituta MChS Respubliki Belarus / Vestnik of the Institute for Command Engineers of the MES of the Republic of Belarus, 2013,no. 1(17), pp. 104-116 (in Russian).
22. K. Kordina, C. Meyer-Ottens. Beton brandschutz. Handbuch. 2 Auflage. Düsseldorf, Verlag Bau + Technik, 1999. 284 p. (in Germany).
23. P. Nause. Brandschutztechnische Bewertung tragender Bauteile im Bestand. Brandschutz-Forum, München, 21.06.2013. 47 p. (in German). Available at: https://docplayer.org/2762246-Brandschutztechnische-bewertung-tragender-bauteile-im-bestand.html (Accessed 15 May 2019).
Поступила 28.05.2019, после доработки 19.07.2019;
принята к публикации 25.08.2019 Received 28 May 2019; Received in revised form 19 July 2019;
Accepted 25 August 2019
Информация об авторах
ГОЛОВАНОВ Владимир Ильич, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0001-6043-0537; e-mail: [email protected]
ПЕХОТИКОВ Андрей Владимирович, канд. техн. наук, начальник отдела, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0003-2396-3136; e-mail: [email protected]
НОВИКОВ Николай Сергеевич, научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0002-2945-663X; e-mail: [email protected]
ПАВЛОВ Владимир Валерьевич, начальник сектора, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0001-5131-7401; e-mail: [email protected]
КУЗНЕЦОВА Елена Вячеславовна, старший научный сотрудник, Всероссийский научно-исследовательский институт противопожарной обороны МЧС России, г. Балашиха Московской обл., Российская Федерация; ORCID: 0000-0002-4711-0210; e-mail: [email protected]
Information about the authors
Vladimir I. GOLOVANOV, Dr. Sci. (Eng), Main Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow Region, Russian Federation; ORCID: 0000-0001-6043-0537; e-mail: [email protected]
Andrey V. PEKHOTIKOV, Cand. Sci. (Eng.), Head of Department, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow Region, Russian Federation; ORCID: 0000-0003-2396-3136; e-mail: [email protected]
Nikolay S. NOVIKOV, Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow region, Russian Federation; ORCID: 0000-0002-2945-663X; e-mail: [email protected]
Vladimir V. PAVLOV, Head of Sector, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow region, Russian Federation; ORCID: 0000-0001-5131-7401; e-mail: [email protected]
Elena V. KUZNETSOVA, Senior Researcher, All-Russian Research Institute for Fire Protection of Emercom of Russia, Balashikha, Moscow region, Russian Federation; ORCID: 0000-0002-4711-0210; e-mail: [email protected]
