УСТОЙЧИВОСТЬ И НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассматривается влияние длительного воздействия высоких температур на устойчивость и несущую способность железобетонных конструкций. Анализируются изменения физико-механических свойств бетона и арматуры при температурных нагрузках, а также их воздействие на общую прочность и долговечность конструкций. Предоставляется подробное описание методики термико-механического моделирования, включающей численный анализ температурного распределения и механических напряжений, а также результаты проведённых испытаний с использованием современного оборудования, таких как тепловизоры и универсальные испытательные установки. Особое внимание уделяется аспектам, связанным с определением остаточной несущей способности железобетонных конструкций после термического воздействия.

ABSTRACT

This paper examines the effect of long-term exposure to high temperatures on the stability and bearing capacity of reinforced concrete structures. Changes in the physical and mechanical properties of concrete and reinforcement under temperature loads, as well as their impact on the overall strength and durability of structures, are analyzed. A detailed description of the thermal-mechanical modeling methodology is provided, including a numerical analysis of temperature distribution and mechanical stresses, as well as the results of tests carried out using modern equipment, such as thermal imagers and universal testing facilities. Particular attention is paid to aspects related to determining the residual bearing capacity of reinforced concrete structures after thermal exposure.

Ключевые слова: железобетон, конструкция, температура, прочность, термическое воздействие, моделирование, арматура, деформaция

Keywords: reinforced concrete, structure, temperature, strength, thermal exposure, modeling, reinforcement, deformation

Введение: Железобетонные конструкции являются одним из наиболее распространённых видов строительных элементов благодаря своей высокой прочности, долговечности и устойчивости к внешним воздействиям. Однако в условиях длительного воздействия экстремальных температур, таких как пожары, высокотемпературные технологические процессы или климатические аномалии, эксплуатационные характеристики железобетона могут существенно изменяться[1,2]. Особенно остро эта проблема стоит при проектировании зданий и сооружений, работающих в условиях повышенных тепловых нагрузок.

Методология: Методика механического моделирования поведения железобетонных конструкций. Данная методика основана на численном моделировании процессов, происходящих в железобетонных конструкциях под длительным воздействием высоких температур. В её основе лежит совместный анализ теплопереноса и механических напряжений с учётом изменений физико-механических свойств материалов при нагреве. Для расчётов используется конечно-элементный метод, позволяющий учитывать температурное распределение в конструкции, появление трещин, потерю прочности бетона и снижение несущей способности арматуры[3]. Модель строится на основе экспериментальных данных, включающих температурно-зависимые характеристики бетона и стали, а также параметры теплопроводности и удельной теплоёмкости. На первом этапе проводится тепловой анализ, позволяющий определить распределение температур в конструкции на различных временных интервалах. На втором этапе выполняется механический расчёт, в котором учитываются изменения модуля упругости, предела прочности и сцепления между бетоном и арматурой. В результате такой методики можно прогнозировать не только общее снижение несущей способности конструкции, но и выявлять зоны наибольшего риска разрушения[4]. Это позволяет более точно оценить остаточную прочность конструкции после термического воздействия и разработать меры по её усилению или восстановлению.

Результаты проведённого исследования с использованием предложенной методики показали значительное снижение несущей способности железобетонных конструкций при длительном воздействии высоких температур. В ходе моделирования было установлено, что при температуре 600°C прочность бетона снижается на 45%, а для арматуры — на 30%. Максимальное ослабление конструкции наблюдается в зоне, непосредственно соприкасающейся с высокотемпературной средой. После 60 минут воздействия температур в пределах 800°C, остаточная несущая способность конструкции составила только 55% от исходной, что подтверждает высокую чувствительность материалов к термическим нагрузкам. Более того, анализ распределения температур и напряжений показал, что в местах концентрации тепла появляются трещины, которые значительно ослабляют сцепление между бетоном и арматурой. В таких зонах конструкция теряет до 40% своей прочности, что в ряде случаев может привести к катастрофическим последствиям при дальнейшей эксплуатации. Для предотвращения разрушений и повышения долговечности конструкций рекомендуется применять дополнительные меры по теплоизоляции и использованию термостойких материалов, что позволяет снизить потери несущей способности до 20-25%.

Таблица 1.

Оборудование, использованное для проведения механического моделирования железобетонных конструкций

Заключение: Основываясь на проведённом исследовании и использовании предложенной методики механического моделирования, можно сделать вывод, что длительное воздействие высоких температур существенно снижает несущую способность железобетонных конструкций. В частности, при воздействии температуры 600°C прочность бетона теряет до 45%, что влечёт за собой значительные деформации и появление трещин в материале. Эти изменения особенно критичны в зоне контактирования с источником тепла, где происходит максимальная потеря прочности и сцепления между бетоном и арматурой. Также было установлено, что арматура теряет около 30% своей прочности при воздействии высоких температур, что также серьёзно влияет на общую устойчивость конструкции.

Список литературы:

1. Алмазов В.О. Железобетонные каркасы без прогрессирующего разрушения. // МГСУ. М., 2008. - 32 с.
2. Гроздов В.Т. Техническое обследование строительных конструкций зданий и сооружений. СПб., 2004.
3. Kobilov, B. U., & Abdurakhmanov, A. M. (2021). theoretical justification of criteria of capacity of Knots and components of the equipment. In концепции, теория и методика фундаментальных и Прикладных научных исследований (pp. 136-137).
4. Berdiyev, O., Asatov, N., Abdurakhmonov, A., Djurayev, U., & Sagatov, B. (2023). Substantiation of the physics of mathematical calculation of the heat-humidity regime of building envelopes in non-stationary conditions. In E3S Web of Conferences (Vol. 434, p. 02015). EDP Sciences.
5. Nurmuhamat Asatov, Uktam Djurayev, Mashrab Aliyev, Bakhodir Sagatov and Azizjon Abdurakhmonov (2024). Research of a modern energy-saving model of the enclosing structure of civil buildings from efficient insulations. In E3S Web of Conferences (Vol. 497, p. 02009). EDP Sciences.