с 01.01.2017 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
с 01.01.2013 по 01.01.2019
Москва, г. Москва и Московская область, Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ОКСО 270000 АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО
ББК 385 Строительные конструкции
ТБК 54 Строительство
BISAC TEC005000 Construction / General
Пожар является одной из важнейших проблем общества с развитой технологией. Причем, это в большей степени относится к передовым странами, имеющим богатый опыт и знания в области пожарной безопасности и новых строительных материалов. Различные техногенные факторы способствуют к развитию динамической нагрузки, влияющие на конструкцию зданий и сооружений. В статье рассматриваются формы частот собственных колебаний многоэтажного железобетонного каркасного здания до и после огневого воздействия. Рассматривается сценарий огневого воздействия многоэтажного каркасного здания на 2,12 и 21 этаже, затем проводится анализ 100 форм частот собственных колебаний. Исходя из полученных данных, математического анализа в ПК Ansys, было выявлено, что после огневого воздействия частота форм собственных колебаний изменяется до 157%. Средний процент изменения форм частот собственных колебаний здания на 5,4 %. Изменение частоты колебаний напрямую зависит от уровня огневого воздействия. Изменение частот собственных колебаний способствует снижению сопротивления к динамической нагрузке, приближая частоту форм собственных колебаний к частоте колебания основания, что в свою очередь может вызвать резонансное состояние.
огневое воздействие, пожар, огнестойкость, железобетон, колебания
Введение. Как известно, в общемировой практике в результате пожаров ежегодно в пострадавших странах фиксируются огромные потери. К примеру, по данным Американского центра огневых испытаний в США каждый год погибает более 12 тыс. человек – больше 100 тыс. получают увечья.
По данным National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA [10], в США, за 2017 год, ущерб от пожаров стал рекордным и составил более 18 млрд долларов. В нашей стране пожары также приносят значительный ущерб: 2017 г. – более 5 млрд руб. [5].
Максимальный материальный ущерб, около 52 %, связан с разрушением строительных конструкций зданий и их последующим обрушением, поскольку при потере несущей способности тяжелые конструкции, падая вниз, нарушают целостность технологического оборудования и всего того, что находится в помещениях. В тоже время, сохранение строительных конструкций существенно снижает ущерб, а последствия таких пожаров связаны лишь с восстановлением технологического оборудования и других материальных ценностей.
Следовательно, обеспечение несущей способности строительных конструкций зданий при пожарах является важной задачей, решение которой должно создать безопасные условия для работы людей, защиты материальных ценностей и сведения до минимума возможных потерь.
Поведение конструкции в условиях пожара характеризуется ее огнестойкостью – способностью конструкции сопротивляться воздействию пожара в течение определенного времени, сохраняя при этом свои обычные эксплуатационные характеристики.
Огнестойкость строительной конструкции, в первую очередь, определяется характером и интенсивностью температурного режима пожара [7].
Несмотря на исследования проблемы пожаров в зданиях [3, 6, 21], процесс развития и распространения огня, а также сопутствующих опасных продуктов сгорания по помещениям зданий, остается малоизученным, в виду многообразия и вариативности характеров температурных режимов, условиях пожара, количества и вида горючей нагрузки, теплообмена в помещении, теплоемкости, теплофизических характеристик ограждающих конструкций и т.д.
В общем случае режим реального пожара характеризуется сложной температурной кривой, имеющей экстремум, восходящие и нисходящие ветви [21].
Считается, что основное влияние на состояние конструкций в условиях воздействия пожара оказывает период нарастания температуры среды. Поэтому для целей исследования огнестойкости строительных конструкций и сопоставления полученных результатов в 1961 г. организацией ISO была принята возрастающая температурная кривая именуемая, как – температурный режим стандартного пожара. Она построена по усредненным данным о нарастании температур в жилых и общественных зданиях [21].
Экспериментальные исследования показывают, что огневое воздействие меняет прочностные и деформативные характеристики железобетона, снижая при этом сопротивление к динамической нагрузке [1, 2, 18].
Методология. Целью работы является оценка частот собственных колебаний железобетонного многоэтажного здания подверженному огневому воздействию в условиях пожара.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Нелинейный расчет 23-этажного каркасного железобетонного здания при нормальных условиях с температурой среды +20 °С;
2. Задание высокотемпературной нагрузки на конструкции здания по ISO–834 с временным промежутком – 30 мин.;
3. Анализ конструкции после огневого воздействия;
4. Модальный анализ здания при нормальных условиях;
5. Модальный анализ здания с учетом деформаций, после огневого воздействия;
6. Произвести качественную и количественную оценку изменения частот собственных колебаний здания по полученным данным в программном комплексе ПК Ansys 19.1.
Основная часть. Объектом исследования был выбран 23-этажный жилой дом (см. рис. 1).
Габариты здания в плане 36,0×30,0 м, сетка колонн 6,0×6,0 м, высота здания 72,6 м.
Конструктивное решение здания – рамный каркас, монолитного исполнения; плита перекрытия толщиной – 200 мм, колонны размером – 400×400 мм, ригели сечением – 400 мм. Материал несущих конструкций: бетон класса В25, арматура А500С.
В программном комплексе ПК Ansys 19.1 моделируется математическая модель нелинейно-статического расчета, с учетом всех граничных условий, расчет проводится при нормальных условиях, с температурой среды +20 °С.
После проведённого расчета были выявлены значения вертикальных деформаций здания (см. рис. 2).
По нелинейному расчету модели здания в программном комплексе ПК Ansys 19.1, получено:
– максимальная деформация 17,4 мм, что меньше максимально допустимой деформации несущей конструкции – 30 мм.
Рис. 1. Параметрическая модель здания
Следующий этап расчета здания – задание огневого воздействия на трех разных уровнях, рассматриваются 2, 12 и 21 этажи. Нелинейно статический расчет на огневое воздействие произведен с учетом нормативного документа [4].
Стандартная кривая температуры пожара задается в программном комплексе ПК Ansys 19.1, временной промежуток огневого воздействия – 30 мин.
Температура стандартного температурного режима определяется по ISO–834, через логарифмическую зависимость [22]:
T=345lg(8τ +1)+te , (1)
где Т – температура среды, °С; τ – время нагрева, мин.; te – начальная температура, °С;
График зависимости температуры от времени задается в препроцессоре программного комплекса ПК Ansys 19.1 (см. рис. 2).
Огневое воздействие рассматривается на 2, 12 и 21 этажах здания, приводятся изображения температурных полей и деформаций конструкций (см. рис. 4–5).
Численные значения деформации железобетонного здания после огневого воздействия приведены в табличной форме (см. табл. 1).
Рис. 2. Деформации конструкций здания при нормальных условиях
Рис. 3. Стандартная кривая температуры пожара по ISO-834
Рис. 4. Температурное поле огневого воздействия на 2 этаже
Рис. 5. Температурное поле огневого воздействия на 2 этаже
Таблица 1
|
Деформация здания после огневого воздействии |
|||||||
|
Structure |
REI |
Деформация конструкций, мм |
Запас прочности, % |
||||
|
2 этаж |
12 этаж |
21 этаж |
|
|
|
||
|
Плита перекрытия |
45 |
8,129 |
7,932 |
3,276 |
73 |
74 |
89 |
|
Ригель |
90 |
6,643 |
5,643 |
2,128 |
77 |
79 |
93 |
|
Колонна |
90 |
1,221 |
1,184 |
0,863 |
95 |
96 |
97 |
На основании полученных данных можно сделать вывод, об обеспеченности огнестойкости строительных конструкций; деформации основных несущих элементов здания находятся в нормативных пределах.
Для анализа собственных частот колебаний здания проведен модальный анализ с учетом 100 форм колебаний в момент времени до и после приложения пожарной нагрузки.
Результаты расчета 100 форм частот собственных колебаний в момент времени до и достижения огневого воздействия с соответствующей температурной нагрузки в уровне приведены в табличной форме (см. табл. 2).
Таблица 2
Деформация здания после огневого воздействия
|
№ Формы колебаний |
Частота колебаний до огневого воздействия, Hz |
Частота колебаний после огневого воздействии, Hz |
Изменение, % |
||||
|
2 этаж |
12 этаж |
21 этаж |
2 этаж |
12 этаж |
21 этаж |
||
|
1 |
0,30987 |
0,31214 |
0,31476 |
0,31575 |
0,73 |
1,57 |
1,89 |
|
2 |
0,31438 |
0,32336 |
0,60481 |
0,80795 |
2,86 |
92,38 |
157 |
|
3 |
0,35392 |
0,36639 |
0,68436 |
0,89217 |
3,52 |
93,36 |
152 |
|
5 |
0,9715 |
1,0137 |
1,4525 |
1,6679 |
4,34 |
49,51 |
71,68 |
|
6 |
1,0834 |
1,1341 |
1,5998 |
1,7345 |
4,68 |
47,66 |
60,09 |
|
8 |
1,7351 |
1,8071 |
2,0267 |
2,4551 |
4,15 |
16,80 |
41,5 |
|
9 |
1,9002 |
1,9872 |
2,2375 |
2,5268 |
4,58 |
17,75 |
32,97 |
|
12 |
2,5922 |
2,5953 |
2,9431 |
3,0549 |
0,12 |
13,53 |
17,85 |
|
13 |
2,6976 |
2,8192 |
3,0694 |
3,0845 |
4,51 |
13,78 |
14,34 |
|
16 |
3,2152 |
3,2793 |
3,3127 |
3,562 |
1,99 |
3,03 |
10,79 |
|
34 |
6,1045 |
6,3142 |
6,3896 |
6,6454 |
3,44 |
4,67 |
8,86 |
|
57 |
8,989 |
9,1896 |
9,1504 |
9,4141 |
2,23 |
1,79 |
4,73 |
|
70 |
10,021 |
10,178 |
10,191 |
10,444 |
1,57 |
1,69 |
4,22 |
|
100 |
12,187 |
12,368 |
12,288 |
12,44 |
1,49 |
0,82 |
2,07 |
Сравнительный анализ результатов частот собственных колебаний здания при нормальных условиях и в условиях после достижения огневого воздействия (см. рис. 6).
Анализ форм частот собственных колебаний показывает, что частоты форм колебаний здания увеличивается до 157 %, что обусловлено изменением деформативных свойств материалов при огневых воздействиях [1].
Выводы. Программный комплекс ПК Ansys 19.1, позволяет выполнить модальный анализ здания, учитывая при этом высокотемпературный режим воздействия на конструкцию с течением времени.
а) До огневого воздействия б) После огневого воздействия
Рис. 6. Собственная частота колебания здания
Вертикальные деформации после огневого воздействия, остаются в пределах нормы, что соответствует нормативному документу [12].
Наибольшее изменение частоты собственных колебаний здания достигается при сценарии, когда пожар происходит на 21 этаже, при этом вторая и третья формы колебаний достигли максимальных увеличений частот в 2,52 и в 2,57 раза.
Средний процент изменения частоты колебания на 2 этаже – 1,51 %, на 12 этаже – 5,4 %, на 21 этаже – 8,87 %, соответственно.
Чем выше место расположения деформируемой конструкции в здании после огневого воздействия, тем больше она влияет на частоту собственных колебаний здания, основное изменение происходит при формах на кручение.
Изменение частот собственных колебаний способствует снижению сопротивления к динамической нагрузке, приближая частоту форм собственных колебаний к частоте колебания основания, что в свою очередь может вызвать состояние резонанса в конструкции.
1. Аветисян Л.А., Тамразян А.Г. Влияние динамического эффекта на несущую способность железобетонных колонн, работающих в условиях огневых воздействий // Вестник МГСУ. 2013. №10. С. 13-24.
2. Аветисян Л.А., Тамразян А.Г. Расчет внецентренносжатых железобетонных элементов на кратковременную динамическую нагрузку // Строительство: наука и образование. 2013. №4. Ст. 2. Режим доступа: http://www.nso-iournal.ru
3. Голованов В.И., Павлов В.В., Пехотиков А.В. Экспериментальный и аналитические исследования несущей способности большепролетных балок при огневом воздействии // Огнестойкость строительных конструкций. 2015. Т. 24. №11. С. 31-38.
4. ГОСТ 30247.0-94 (ИСО 834-75) Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.
5. Государственный доклад «О состоянии защиты населения и территорий Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера в 2017 году». М.: МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2018. 376 с.
6. Курлапов Д.В. Воздействие высоких температур пожара на строительные конструкции // Инженерно-строительный журнал. 2009. №4. С. 50-58.
7. Милованов А.Ф., Яковлев А.И. Огнестойкость изгибаемых предварительно напряженных железобетонных элементов при потере прочности от поперечной силы // В кн.: Огнестойкость строительных конструкций: Сборник трудов вып. 7 / Всероссийский. науч.-иссл. ин-т противопожарной обороны МВД. М.: ВНИПО, 1979. C. 36-49.
8. Мкртычев О.В., Сидоров Д.С. Расчет железобетонного здания на температурное воздействие // Вестник МГСУ.2012. №5. С. 50-55.
9. Мкртычев О.В., Сидоров, Д.С. Расчет огнестойкости высотного здания при пожаре // Вестник МГСУ. 2010. №4. С. 246-249.
10. Мэтт Макграт., BBC [Электронный ресурс] // BBC.com: BBC News Русская служба URL: https://www.bbc.com/russian/features-42614950
11. Синицын С.Б. Строительная механика в методе конечных элементов стержневых систем. М., 2001. 320 с.
12. СП 20.13330.2011. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. Минрегион России, ОАО «ЦПП. М., 2010. 80 с.
13. СП 63.13330.2012. СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Минрегион России, ОАО «ЦПП. М., 2012. 155 с.
14. СТО 365.54501-006-2006 // Правила по обеспечению огнестойкости и огнесохранности железобетонных конструкций. Москва. 2006.
15. Тамразян А.Г., Булгаков С.Н., Рахман И.А., Степанов А.Ю. Снижение рисков в строительстве при чрезвычайных ситуациях природного н технического характера // Научное издание. Под общ. ред. Тамразяна А.Г. Издание второе. М.: Издательство АСВ, 2012. 304 с.
16. Тамразян А.Г., Гильмутдинова Л.Р. Оценка надежности железобетонной многопустотной плиты перекрытия после огневого воздействия // Сборник трудов конференции. Москва. 2017. С. 273-276.
17. Тамразян А.Г., Мехрализадех А.Б., Особенности проявления огневых воздействий при расчете конструкций на прогрессирующее разрушение зданий с переходными этажами // Пожаровзрыво-безопасность. 2012. Том 21. № 12. С. 41-44.
18. Тамразян А.Г., Аветисян Л.А. К учету коэффициента динамического упрочнения при расчете железобетонных колонн в условиях огневых воздействий // Вестник ИрГТУ. 2014. №9 (92). С. 133-138.
19. Capua D.D., Mari A.R. Nonlinear analysis of reinforced concrete cross-sections exposed to fire. Fire Saf J. 2007. 42(2). Pp. 139-49.
20. Davie C.T., Zhang H.L., Gibson A. Investigation of a continuum damage model as an indicator for the prediction of spalling in fire exposed concrete Comput Struct. 2012. 94-95. Pp. 54-64
21. EN 1992-1-2, “Eurocode 2, Design of concrete structures, Part 1-2: General rules - Structural fire design”, Commission of the European Communities, Brussels, 2004.
22. Haei-Juan Lee Finite Element Simulations with ANSYS Workbench 15 // 2010.
23. Howard C.Q., Cazzolato B.S., Acoustic Analyses Using MATLAB® and ANSYS® (CRC, 2014). 2014. 663 р.
24. Kokot S., Anthoine A., Negro P., Solomos G. Static and dynamic analysis of a reinforced concrete flat slab frame building for progressive collapse // Engineering Structures. 2012. Vol. 40. Pp. 205-217.
25. Shapira A. Potential earthquake risk estimations by application of a simulation process // Tectonophysics. 1983a. Vol. 95. No. 1/2. Pp.75-89.
26. Shapira A.A. Probabilistic approach for evaluating earthquake risks, with application to the Afro-Eurasian junction // Tectonophysics. 1983b. Vol. 91. N3/4. Pp. 321-334.
