MODELING OF HEAT TRANSFER PROCESSES IN CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURE WHEN EXPOSED TO ELEVATED TEMPERATURES

Егорова Л.А.¹, Акулова М.В.², Ибрагимов А.М.³

¹Студент, ²Доктор технических наук, Советник РААСН, ³Доктор технических наук, Советник РААСН, Ивановский государственный политехнический университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕНОСА В БЕТОННЫХ И ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НИХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР

Аннотация

В статье рассмотрено – моделирование процесса теплопереноса в бетонных и железобетонных конструкциях при воздействии на них повышенных температур, моделирование процесса остывания, сделаны выводы о зависимости устойчивости бетона от его класса.

Ключевые слова: железобетон, температура, строительство.

Egorova L.A.¹, Akulova M.V.², Ibragimov A.M.³

¹Student, ²Doctor of Technical Sciences, Advisor RAASN, ³Doktor of Technical Sciences, Advisor RAASN, Ivanovo State Polytechnic University

MODELING OF HEAT TRANSFER PROCESSES IN CONCRETE AND REINFORCED CONCRETE STRUCTURE WHEN EXPOSED TO ELEVATED TEMPERATURES

Abstract

The article considers modeling of heat transfer in concrete and reinforced concrete structures when exposed to elevated temperatures, the cooling process modeling, conclusions about the stability of concrete depending on its class.

Keywords: concrete, temperature, and construction.

В общей массе случаев пожару предшествуют такие факторы как: неаккуратное обращение с огнем, несоблюдение правил использования и работы с производственным оборудованием, самовоспламенение химических веществ и материалов, разряды статического электричества, грозовые разряды, умышленные поджоги. Пожары в зданиях и сооружениях, подразделяются на наружные - открытые, при которых хорошо видны пламя и дым, и внутренние - закрытые, характеризующиеся скрытыми путями распространения огня [1].

Пожар по своей сути является сложным тепло- и массопереносным процессом. Строительные конструкции, подвергшиеся этому процессу, оказываются в среде с интенсивно повышающейся температурой и начинают прогреваться. Следствием прогрева является снижение прочности материала, а затем и разрушение строительной конструкции. Быстро развивающаяся деструкция материала в итоге приводит к утрачиванию своих свойств конструкции в целом, т.е. происходит потеря огнестойкости.

Выделяющееся тепло, при пожаре частично аккумулируется строительной конструкцией и частично уносится продуктами горения. Тепловая нагрузка, воспринимаемая железобетонными конструкциями, составляет примерно 50 - 70% теплоты пожара. При воздействии огня поверхность железобетона нагревается до высоких температур, в самом материале происходит неравномерный прогрев сечения. Вследствие, чего в нем возникают температурные напряжения, изменяются физико-химические и механические свойства бетона и арматуры.

Рабочая схема железобетонной конструкции состоит из внутренней железобетонной стены, на которую опираются железобетонные плиты. Температура среды до пожара с обеих сторон конструкции равны. Если с одной из сторон, возникает фронтальный пожар, то на другую сторону воздействует тепловой поток с интенсивностью q.

Между поверхностью и высокотемпературной средой происходит сложный теплообмен, определяемый излучением и конвекцией.

При воздействии на бетон высоких температур в нем протекают теплофизические и механические процессы, зависящие от уровня и скорости изменения температуры, влажности, деформаций, состава и структуры бетона, технологии его изготовления, размеров и формы сечений элементов.

В ходе исследования был поставлен эксперимент, для которого было изготовлено три партий образцов размером 100x100 мм.: партия 1 - бетон В20, партии 2- бетон В30, партии 3- бетон В35.

При проведении эксперимента для имитации высокотемпературного воздействия на бетон использовалась муфельная печь, главной особенностью этой печи является наличие муфеля, оберегающего испытуемый образец и являющегося главным рабочим пространством муфельной печи.

Интервал, с которым нагревалась каждая партия образцов, составлял 50 °С. Каждая партия образцов нагревалась от 100 до 650 °С.

Последовательность проведения эксперимента:

-      перед проведением эксперимента образцы каждой партии были тщательно осмотрены для выявления трещин и дефектов. Обнаруженные дефекты и трещины были соответствующим образом помечены на образцах и зафиксированы в протоколе испытаний;

-      после установки нужной температуры на шкале муфельной печи, образец помещался в печь;

-      время, нагрева образца в муфельной печи, замерялось секундомером и заносилось в протокол испытаний;

-      после того как температура в печи достигала значения, установленного на шкале, печь открывалась, производился замер температуры поверхности образца пирометром, а затем он погружался в ёмкость с водой, которая имела температуры 20 °С,

-      после охлаждения образца вновь производился его осмотр на наличие трещин, которые фиксировались соответствующим образом на поверхности бетона;

-      производилась корректировка температуры на шкале печи в большую сторону и в печь помещался следующий образец;

- для определения остаточной несущей способности образцов, подвергшихся термическим воздействиям, было проведено их повторное испытание.

Если рассматривать пожар, как физическое явление передачи тепла в определенных условиях его развития, можно получить модель пожара в помещении. Существует два метода моделирования пожара, в зависимости от способа описания изменения параметров состояния процесса, интегральный и дифференциальный.

Интегральный метод дает практически важные результаты, и применяется при описании пожара среднеобъемными параметрами состояния. Этот метод можно использовать, когда в помещении существует хорошее смешение продуктов горения, а само горение происходит по всему объему помещения.

Дифференциальное моделирование дает возможность получить наиболее полную информацию о величинах характеризующих пожар (скорость, температура, концентрация продуктов, тепловых потоках) в любой точке пространства и времени. Отличие данного метода, это возможность получения локальных значений термодинамических параметров пожара.

Моделирование процесса остывания (охлаждения), происходило при условии, что бетонную поверхность после теплового воздействия (пожара) на нее, обливали водой (тушение пожара), температура воды принимается равной 20°С (293.15 К).

Процесс моделирования нагревания бетона проходил в течение 2400 секунд.

Анализируя полученные зависимости температуры по глубине бетонной конструкции от процесса нагрева и охлаждения можно выделить, что чем больше время теплового воздействия (больше время пожара), тем более сильно прогревается бетонная конструкция по глубине.

При моделировании процесса тушения пожара нужно отметить, что большое влияние играет начальная температура охлаждающей жидкости, чем ниже температура охлаждающей жидкости, тем выше внутренние напряжения возникающие в бетонной конструкции.

При данном моделировании нужно обратить внимание на интервал времени с которым поливалась охлаждающей жидкостью бетонная поверхность. В первом случае данный интервал пусть составляет 300 секунд, во втором - 100 секунд. Получим распределение температуры по глубине бетонной конструкции после окончания процесса моделирования тушения пожара.

Распределения температуры по глубине бетонной конструкции значительно отличаются:

-      при интервале обливания 300 секунд максимальная температура в глубине конструкции составляет 450 К, в то время как при интервале 100 секунд максимальная температура примерно 365 К;

-      температура 365 К и более наблюдается до глубины 150 мм в первом случаи, и до 55 мм во втором;

- внутренние напряжения при интервале обливания 100 секунд меньше, нежели при интервале в 300 секунд.

Следовательно, при тушении пожаров необходимо чаще поливать охлаждающей жидкостью поверхность конструкции, для уменьшения возможных повреждений.

Анализируя полученные теоретические результаты можно говорить, что на состояние бетонных конструкций, подвергшимся высокотемпературному воздействию, влияет множество факторов, основными из которых являются:

- время действия высокотемпературного воздействия;

- характер пожара;

- вид и начальная температура охлаждающей жидкости;

- характер процесса охлаждения и т.д.

Исходя из результатов теоретических исследований, можно говорить о создании аналитических методов расчета процесса пожара, а также с определенной точностью рассчитывать температурное состояние бетонных конструкция после высокотемпературного воздействия.

Анализ результатов полученных в ходе экспериментов позволяет сделать следующие выводы:

- чем выше класс бетона, тем он более термоустойчив, что соответствует логике и физике процесса для твёрдого деформируемого тела;

- декларируемая нормативными документами, максимальная температура применения бетона составляет 250°С, однако эта температура зависит от класса бетона. Чем ниже класс, тем ниже температура термического разложения;

- после термических воздействий класс бетона снижается в среднем на 22-32% в зависимости от класса. Чем выше класс, тем меньше потери прочности;

- при более длительном времени воздействия температуры на бетон, больше потеря в прочности.

Литература

1. Программа проведения вводного противопожарного инструктажа [Электронный ресурс] URL: http://pogar.org.ua/document/1.php (дата обращения 12.07.2014).

References

1. Programma provedenija vvodnogo protivopozharnogo instruktazha [Jelektronnyj resurs] URL: http://pogar.org.ua/document/1.php (data obrashhenija 12.07.2014).