Параметры сейсмостойкости железобетонных каркасных зданий после пожара с учетом многовариантности огневого воздействия

Введение. Последствия разрушительных землетрясений показывают, что проблема сейсмостойкости железобетонных каркасов после пожара актуальна. Применяемые при решении подобного класса задач расчетные модели должны учитывать нелинейные характеристики бетона и арматуры, вариативность огневого воздействия и расчетных акселерограмм. Исследование направлено на поиск наиболее опасных (с точки зрения сейсмостойкости) вариантов воздействия пожара на железобетонные каркасные здания.

Материалы и методы. В качестве объекта исследования выбрана плоская железобетонная пятиэтажная рама при различных вариантах огневого воздействия. Воздействие пожара принято по стандартной температурной кривой (ISO 834) продолжительностью 120 мин. Рассмотрены пять вариантов: контрольная рама; пожар в крайнем пролете на первом этаже; то же на третьем этаже; пожар во всех пролетах на первом этаже; то же на третьем этаже. Предварительно проведен теплотехнический анализ в ПК SolidWorks с определение температурных полей в сечениях элементов. Выполнен сейсмический расчет пяти рам в нелинейной постановке в ПК OpenSees. Расчет производится во временной области на акселерограмму Лома-Приета (1989). Использованы билинейные и трехлинейные диаграммы материалов. Сечения моделируются с помощью волокнистой модели.

Результаты. Осуществлена численная оценка зависимости параметров сейсмостойкости железобетонных каркасов от различных вариантов огневого воздействия. Периоды первого тона собственных колебаний увеличились по отношению к контрольной раме (неповрежденной пожаром) до 11,2 %, перемещения в уровне покрытия возросли до 32,2 %, максимальные значения междуэтажных сдвигов возросли до 34,0 %, из-за перераспределения усилий максимальные значения изгибающих моментов в элементах рамы увеличились до 26,3 %. Изменяются схемы разрушения, отмечается образование пластических шарниров не только в ригелях, но и в колоннах, для большинства рассмотренных рам уровень деформаций в элементах достигает критического.

Выводы. Выявлено, что самым опасным сценарием, в наибольшей степени снижающим сейсмостойкость железобетонного каркаса, является возникновение пожара на первом этаже. Важным оказывается и процент поврежденных вертикальных несущих элементов — при большем проценте сейсмостойкость снижается существеннее. В отдельных случаях, например при локальном повреждении пожаром средних этажей, сейсмостойкость каркаса снижается незначительно. На стадии проектирования здания, находящегося в сейсмоопасном районе, рекомендуется учитывать наиболее опасные варианты возникновения огневого воздействия. При этом следует в большей степени повышать огнестойкость вертикальных несущих конструкций нижних этажей и сокращать размеры пожарных отсеков.

1. Liu L., Xiao J. Simulation on seismic performance of the post-fire precast concrete column with grouted sleeve connections // Structural Concrete. 2023. Vol. 24. Issue 3. Pp. 3299–3313. DOI: 10.1002/suco.202200663. EDN XEMKAI.

2. Melo J., Triantafyllidis Z., Rush D., Bisby L., Rossetto T., Arêde A. et al. Cyclic behaviour of as-built and strengthened existing reinforced concrete columns previously damaged by fire // Engineering Structures. 2022. Vol. 266. P. 114584. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114584. EDN EALVCA.

3. Гончаренко В.С., Чечетина Т.А., Сибирко В.И., Мартемьянов С.И., Надточий О.В., Полехин П.В. и др. Пожары и пожарная безопасность в 2021 году: статистика пожаров и их последствий : стат. сб. Балашиха, 2022. 114 с. EDN LVXFQJ.

4. Ni S., Birely A.C. Simulation procedure for the post-fire seismic analysis of reinforced concrete structural walls // Fire Safety Journal. 2018. Vol. 95. Pp. 101–112. DOI: 10.1016/j.firesaf.2017.10.011

5. Tamrazyan A., Kabantsev O., Matseevich T., Chernik V. Estimation of the Reduction Coefficient When Calculating the Seismic Resistance of a Reinforced Concrete Frame Building after a Fire // Buildings. 2024. Vol. 14. Issue 8. P. 2421. DOI: 10.3390/buildings14082421. EDN YWUXQR.

6. Мкртычев О.В., Решетов А.А. Обеспечение сейсмостойкости железобетонных зданий // Железобетонные конструкции. 2024. № 5 (1). С. 57–67. DOI: 10.22227/2949-1622.2024.1.57-67. EDN FFLOKZ.

7. Sunil J.C., Kamatchi P. Nonlinear modelling strategies for seismic performance evaluation of reinforced concrete structures // Materials Today: Proceedings. 2022. Vol. 65. Issue 6. Pp. 503–510. DOI: 10.1016/j.matpr.2022.03.062. EDN WKZHPJ.

8. Хачиян Э.Е. Анализ величин перемещений, сдвиговых деформаций, скоростей и ускорений грунтов и спектров реакций по синтетической акселерограмме сильного землетрясения // Вопросы инженерной сейсмологии. 2022. Т. 49. № 4. С. 206–224. DOI: 10.21455/VIS2022.4-14. EDN QIPYTW.

9. Белостоцкий А.М., Акимов П.А., Павлов А.С. О численном моделировании физически нелинейной динамической реакции зданий и сооружений при сейсмических воздействиях, заданных акселерограммами // Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования Российской академии архитектуры и строительных наук по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли Российской Федерации в 2019 году : сб. науч. тр. РААСН. 2020. С. 105–112. EDN LWZLJX.

10. Ilki A., Demir U. Factors affecting seismic behaviour of reinforced concrete structures after fire exposure // NED University Journal of Research. 2019. Pp. 31–41. DOI: 10.35453/nedjr-stmech-2019-0003

11. Korsun V., Baranov A. Mechanical properties of high-strength concrete after heating at temperatures up to 400 °C // Lecture Notes in Civil Engineering. 2021. Pp. 454–463. DOI: 10.1007/978-3-030-72404-7_44

12. Avetisyan L.A., Chapidze O.D. Estimation of reinforced concrete seismic resistance bearing systems exposed to fire // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 456. P. 012035. DOI: 10.1088/1757-899X/456/1/012035. EDN XCEIYB.

13. Mostafaei H. A testing method for seismic resistance assessment of fire-damaged structures. 2011. DOI: 10.4224/20374365

14. Mazza F., Imbrogno G. Effects of Fire Duration on the Seismic Retrofitting with Hysteretic Damped Braces of R.C. School Buildings // Frontiers in Built Environment. 2019. Vol. 5. DOI: 10.3389/fbuil.2019.00141

15. Kamath P., Sharma U.K., Kumar V., Bhargava P., Usmani A., Singh B. et al. Full-scale fire test on an earthquake-damaged reinforced concrete frame // Fire Safety Journal. 2015. Vol. 73. Pp. 1–19. DOI: 10.1016/j.firesaf.2015.02.013

16. Xiao J.-Z., Li J., Huang Z.F. Fire Response of High-Performance Concrete Frames and their Post-Fire Seismic Performance // ACI Structural Journal. 2008. Vol. 105. Issue 5. Pp. 531–540. DOI: 10.14359/19936

17. Li L.Z., Liu X., Yu J.T., Lu Z.D., Su M.N., Liao J.H. et al. Experimental study on seismic performance of post-fire reinforced concrete frame // Engineering Structures. 2019. Vol. 179. Pp. 161–173. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.080

18. Tamrazyan A., Matseevich T. The Criteria for Assessing the Safety of Buildings with a Reinforced Concrete Frame during an Earthquake after a Fire // Buildings. 2022. Vol. 12. Issue 10. P. 1662. DOI: 10.3390/buildings12101662. EDN QURCTH.

19. Wang G.Y., Zhang Ch., Xu J., Zhang D.M. Post-fire seismic performance of SRC beam to SRC column frames // Structures. 2020. Vol. 25. Pp. 323–334. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.03.016. EDN GUVXIH.

20. Kabantsev O., Perelmuter A. Plastic Behavior Particularities of Structures Subjected to Seismic Loads // Magazine of Civil Engineering. 2021. No. 5 (105). DOI: 10.34910/MCE.105.13. EDN NPOOWS.

21. Mueller C., Glassmoyer G. Digital Recordings of Aftershocks of the 17 October 1989 Loma Prieta, California, Earthquake // Open-File Report. 1990. DOI: 10.3133/ofr90503

22. Федосов С.В. О некоторых особенностях математического моделирования явлений тепломассопереноса на границах двухфазных сред // Повышение энергоресурсоэффективности и экологической безопасности процессов и аппаратов химической и смежных отраслей промышленности (ISTS «EESTE-2021») : программа и материалы пленарной сессии Междунар. науч.-техн. симпозиума, посвящ. 110-летию А.Н. Плановского, в рамках Третьего Междунар. Косыгинского форума «Современные задачи инженерных наук». 2021. С. 56–64. DOI: 10.37816/eeste-2021-p-56-64. EDN VERDAA.

23. Грановский А.В., Добрина К.Е., Тангамян Г.С. Навесные кирпичные фасадные системы для сейсмических регионов России // Промышленное и гражданское строительство. 2020. № 1. С. 33–39. DOI: 10.33622/0869-7019.2020.01.33-39. EDN WXWJUF.

24. Law A., Stern-Gottfried J., Gillie M., Rein G. The influence of travelling fires on a concrete frame // Engineering Structures. 2011. Vol. 33. Issue 5. Pp. 1635–1642. DOI: 10.1016/j.engstruct.2011.01.034. EDN OENNBJ.