З А Николаевская - Расчет огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных балок - страница 1

Страницы:
1 

3.Николаевская З.А. Садово-парковый ландшафт. - М.: Стройиздат, 1989. - 339 с.

4.Крижановская Н.Я. Городская среда, дети, транспорт. - К.: Будіввельник, 1994. -

135 с.

Получено 18.04.2007

 

УДК 624.012.46

С. Л. ФОМИН, д-р техн. наук, КАТО ЛОРЕНС АЛБАТ

Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры

РАСЧЕТ ОГНЕСТОЙКОСТИ НЕРАЗРЕЗНЫХ СТАЛЕЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ БАЛОК

Разработана методика расчета огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных балок, основанная на результатах теоретических и экспериментальных исследований и гармонизированная с Еврокодом.

Сталежелезобетонные перекрытия, как правило, выполняются с применением неразрезных статически неопределимых балок. Сниже­ние их несущей способности при кратковременном нагреве снизу про­исходит за счет уменьшения прочности опорных и пролетных сечений.

Прочность пролетных сечений, как и в случае разрезных статиче­ски определимых элементов, уменьшается в результате нагревания растянутой части стальной секции. Снижение прочности опорных се­чений происходит вследствие потери прочности сжатой зоны стальной секции при ее нагреве до высоких температур.

Основные положения инженерного метода расчета сталежелезо-бетонных балок состоят в применении стержневой линейной расчет­ной схемы и метода предельного равновесия. На основании проведен­ных теоретических и экспериментальных исследований работы нераз­резных железобетонных балок выявлены три характерные стадии ра­боты в процессе нагрева [1]. Эта методика может быть применена и к расчету сталежелезобетонных балок. На рис.1 представлены расчет­ные схемы неразрезных балок при воздействии равномерно распреде­ленной нормативной нагрузки и одномерного нестационарного нагре­ва второго пролета снизу.

На рис.1, а показана эпюра изгибающих моментов в первой ста­дии работы конструкции при пожаре (tf = 0) от нормативной нагрузки qn, которые значительно ниже предельных, т.е. в конструкции имеется запас прочности. Наибольшие моменты возникают в пролете М„^р и на опорах М„,шрі и М„

,sup2.

По мере нагрева конструкции снизу в ней возникают темпера­турные моменты Ми М^ир (рис.1, б), которые увеличивают опорныемоменты и уменьшают пролетные (рис.1, в). При увеличении темпера­туры возрастают опорные моменты, и по достижении предельной ве­личины мишр на опорах образуются пластические шарниры. Балка из гиперстатической (с дополнительными связями), по определению Ев-рокода 2 [2], превращается в изостатическую (свободно опертую на две опоры с продленными консолями) с моментами на опорах мишр1, ми?ир2. Это состояние характеризует вторую стадию работы. Пролет­ный момент уменьшается на величину температурного момента. При этом возможны три случая: а) температурный момент по абсолютной величине меньше пролетного от нормативной нагрузки \мкmax \ < \м„:sp\, тогда суммарный пролетный момент mspfi остается положи­тельным (рис.1, в); б) \мкmax i = \мп:sp\ , тогда mspfi = 0;    в) \мкmax i >


\ M„sp\ - mspfi отрицательный, т.е. нижняя зона балки в пролете оказы­вается сжатой. В последних двух случаях снижение прочности сече­ния в пролете в результате потери прочности арматуры (ми^ < m„ssp) не приводит к разрушению. Дальнейший нагрев не вызывает увеличе­ния температурного момента.

Снижение прочности опорного сечения в результате нагрева нижней сжатой зоны стальной секции уменьшает моменты в опорных пластических шарнирах, что в свою очередь, приводит к увеличению пролетного момента. К этому моменту времени существенно снижает­ся прочность пролетного сечения. Третья стадия характеризуется обра­зованием третьего пластического шарнира в пролете, возникновением геометрически изменяемой схемы, т. е. разрушением конструкции.

Анализ формирования напряженно-деформированного состояния в неразрезной балке проведен методом численного моделирования с

Линейный расчет, конечно, переоценивает действительные на­пряжения в сечениях, но позволяет отследить возникновение предель-



применением ПК ЛИРА 9.2, разработанного НИИАСС Госстроя Ук­раины. В качестве объекта исследования выбрана экспериментальная трехпролетная балка, состоящая из стальной секции в виде двутавра №14 и монолитной железобетонной плиты толщиной 50 мм, шириной 250 мм, которая армирована 3010 А400С, расположенными на рас­стоянии 25 мм от верхней грани. Для обеспечения прочности на сдвиг между секциями предусмотрены специальные анкера. На рис.2 приве­дены результаты расчета в упругой постановке, из которого видно, что расчетная стержневая схема, в общем, достаточно полно описывает напряженно-деформированное состояние конструкции. При воздейст­вии статической нагрузки в среднем пролете возникают растягиваю­щие напряжения снизу, в опорных сечениях - сверху, по которым можно посчитать пролетный M„,sp и опорные Mnsup изгибающие мо­менты (рис.2, а), при нагреве снизу верхняя часть балки растянута, а нижняя в среднем пролете сжата, что соответствует воздействию тем­пературного отрицательного момента Mtsp (рис.2, б), совместное воз­действие нагрузки и нагрева приводит к разгрузке среднего пролета, в данном случае, к полному его исчезновению (рис.2, в).ного состояния и провести корректировку с помощью перераспределе­ния усилий. Такая методика принята в Еврокоде XP ENV 1992-1-2 [2].

В физически нелинейных задачах материал конструкции подчиняется нелинейному закону деформирования, в том числе с различными пределами сопротивления растяжению и сжатию. В ПК ЛИРА 9.2 для решения таких задач шаговый нелинейный процессор организует процесс пошагового нагружения конструкции и обеспечивает решение линеаризованной системы уравнений на каждом шаге для текущего приращения вектора узловых нагрузок, сформированного для конкретного нагружения. Проведено моделирование указанной задачи в нелинейной постановке с использованием для арматуры, бетона и двутавра физически нелинейных универсальных прямоугольных конечных элементов оболочки КЭ241, экспоненциальных зависимостей «а-Е» для бетона, арматуры и стали двутавра, формирования трех нелинейных загружений с учетом предыстории, максимальным числом итераций 300, 10 шагами расчета. Как видно из результатов расчета, разрушение балки произошло из-за отказа группы растянутых элементов бетонной секции в опорных частях балки на втором шаге третьего загружения -нагрева балки снизу по температурному режиму стандартного пожара (рис.3).

При выводе условия огнестойкости рассматривается уравнение равновесия для неразрезной балки с учетом метода перераспределения усилий (предельного равновесия):

М(х) = Msp(x) +Мшр(х) , (1) где М(х) - момент в неразрезной балке; Msp(x) - момент в статически определимой (изостатической) балке от действия нагрузок (балочный момент); Мшр(х) - момент в статически определимой балке от действия заданных моментов на опорах М!ир1, М!ир2.

Момент в статически определимой балке от действия моментов на опорах М!ир1, М!ир2 определяется по зависимости

МШр(х) = ШрГМШр2) x/l - М. (2)

Тогда

М(х) =Мр(х) + М*иріШр2) x/l - Мирі . (3) Балочный момент М!р(х) зависит от характера нагрузок. Расстояние xmax от первой опоры до максимального значения момента в неразрезной балке Mmax определяется из уравнения

dMmcJdx= dM^/dx +(Мрі!ир2)/1 = 0 (4)

или

Q(xmax) + ШріШр2)/1 = 0. (4a)


.,,.5^.,і. .,1, J, !, 1 j. ,Jg 111™='m

 

 

і»

Рис.3 - Характер разрушения сталежелезобетонной балки: а - деформированная схема; б - изополя напряжений по Nx; в - направление развития трещин для каждого элемента в нижнем слое на фоне изополей главных напряжений N1 (коэффициент искажения перемещений 162).

Для равномерно распределенной нагрузки q

xmax =l /2 + ирі^^І, (5)тогда максимальное значение пролетного момента определяется по формуле

Mmax =Msp(xmax) + (Msup1-Msup2) CCmax/l - Msup1, (6)

где

MSp(Xmax) = ql2/8 (7) и максимальное значение пролетного момента будет равно:

Mmax =MSp(Xmax) + МШр1 b/l Шр2 a/l, (8)

где

MSp(Xmax) = Р ■ a Ь / l . (9) Из формулы (6) получим условие образования третьего пластиче­ского шарнира, подставляя вместо опорных моментов Msup1, Msup2 их предельные значения Mu?sup1ji и MUjSup2f. Тогда условие потери несущей способности неразрезных балок имеет вид:

Mmaxfi =Msp(xmax) + (Mu,sup1fi -Mu,sup2fi) xmaxZl ~Mu,mp1fi, (10) Mmax £ Mu,Sp . (11)

Таким образом, из уравнения (10) определяем для различных мо­ментов времени максимальный пролетный момент Mmax,fi в неразрез­ной балке по заданному значению балочного максимального момента (например, Msp(xmax) = ql2/8 при равномерно распределенной нагрузке q), значениям предельных опорных моментов с учетом температуры нагрева Mu^pf и Mu

Предельная величина пролетных моментов Mu^sp^^ должна оп­ределяется из расчета по нелинейной деформационной модели с уче­том полных диаграмм «о—є» бетона и арматуры при нагреве и по рас­чету несущей способности сечения стальной секции с ограниченной пластичностью [3,4].

Прочность опорных сечений Mu sup fi определяется из расчета

по нелинейной деформационной модели с учетом полных диаграмм «о—є» арматуры и по расчету несущей способности сечения стальной секции с ограниченной пластичностью при нагреве [1] .

Предел огнестойкости соответствует времени выполнения усло­вия (11), при котором возникает третий пластический шарнир в проле­те.

Разработанная методика, гармонизированная с Еврокодом [2], ос­нована на результатах теоретических исследований, численном моде­лировании напряженно-деформированного состояния в неразрезных балках при нагреве методом конечных элементов и огневых испыта­ний.

1.Фомин С.Л. Методика расчета огнестойкости и остаточной прочности статиче­ски неопределимых железобетонных конструкций с учетом полной диаграммы "а-є" // Коммунальное хозяйство городов: Науч.-техн. сб. Вып. 8. - К.: Техніка, 1997. - С. 16-19.

2.ENV 1992-1-2:1995: Eurocode 2: Calcul des structures en beton - Partie 1-2 : Regies generales - Calcul du comportement au feu. Novembre 1995.

3.Металеві конструкції. Матеріали. Основи розрахунку. З'єднання / О.В.Пермяков, В.В.Трофимович, В.Л.Тарасенко. - К.: ІЗМН, 1996. - 204 с.

4.СНиП ІІ-23-81*. Стальные конструкции / Госстрой СССР. - М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1991. - 96 с.

Получено 18.04.2007

 

 

 

АВТОРСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ

 

Аббаси Р. 63 Абракітов В.Е. 391 Абрамов Ю.А. 399 Аднан Абу Саль 145 Акмен Р.Г. 221

Алексахин А.А. 226 Али Эззеддин 158 Арутюнян И. А.  170, 183 Архипова Е.С. 275 Ахмеднабиев Р.М. 96, 142 Ахмеднабиева Н.В. 96, 142

Бабичева О.Ф. 359 Байдалинов Д .Н. 310 БанахВ.А. 7, 101

Баранов А.Н. 132

Баранова А.А. 132 Бекетов В.Е. 205 Безуглов О.Е. 409

Білоха Д.О. 279 Бобух А.А. 216 Бойко О.В. 85 Борисенко М.В. 205 Боровок С.В. 221 Братута Э.Г. 221 Бурак Н.П. 201

ВойтоваЖ.Н. 198 Гавриленко И.А. 247

Гайко Ю.И. 187

Галінська Т.А. 151

Гапонова Л.В. 258 Гаряжа В.М. 279 Герасимчук М.В. 444

Гирман Л.В. 239

Глазунов Ю. В. 11 Голтвянский Н. А. 385 Горбачов П.Ф. 336

Горяинов А.Н. 318, 332

Гранкина В.В. 263 Губій М.М. 123

Даниленко А. В. 441

Деркач И.Л. 226

Дибривный В.В. 385

Довженко О.О. 16, 113 Донец А.В. 354 Дудко В.В. 310

Евтухова Г.П. 205

Есаулов С.М. 359

Жартовський В.М. 402 Жартовський С.В. 402 Жучкова Г.А. 142

ЗолотовМ.С. 67

Зубенко Д.Ю. 348

Іванов А.М. 106 Иванской С.И. 359 Избаш М.Ю. 22

Като Лоренс Албат 462 Каплуновская М.А. 170

Капустин Г.В. 290

Карабаш Л.В. 16

Качан Т.Ю. 113

Кисельов М. І. 364 Кіяшко І.В. 128

Страницы:
1 


Похожие статьи

З А Николаевская - Расчет огнестойкости неразрезных сталежелезобетонных балок