Жесткость поврежденной пожаром железобетонной колонны при разгрузке после высокоинтенсивного горизонтального воздействия

Введение. Последствия разрушительных землетрясений показывают, что проблема анализа реакции железобетонных каркасов при сейсмических нагрузках после пожара является актуальной. Применяемые при этом расчетные модели для отдельных элементов и зданий в целом должны учитывать нелинейные свойства бетона и арматуры. Малоцикловой характер сейсмического воздействия приводит к необходимости разработки моделей гистерезиса, которые отражали бы специфику поведения конструкции не только при нагружении, но также при разгрузке и последующем приложении силы в обратном направлении. Представлен краткий обзор моделей гистерезиса для железобетонных элементов при малоцикловых нагрузках с акцентом на жесткостные свойства при разгрузке. Гистерезисных моделей для железобетонных элементов после пожара в настоящее время не разработано.

Материалы и методы. Предлагаемая модель основана на билинейной диаграмме для расчета внецентренно сжатых железобетонных колонн, поврежденных пожаром. Для описания модели требуется всего три параметра: предельный момент, предельная кривизна и эффективная начальная жесткость. При определении жесткости при разгрузке используется метод, основанный на непосредственном рассмотрении распределения напряжений и деформаций в стадии напряженно-деформированного состояния, соответствующей полной разгрузке. Модель учитывает различные уровни осевой нагрузки, косвенное армирование поперечными хомутами, продольный изгиб и неравномерное распределение напряжений в сжатой зоне бетона.

Результаты. На основе предложенной модели проведено сравнение билинейных диаграмм деформирования и жесткостей при разгрузке для железобетонных колонн, подвергнутых стандартному пожару различной продолжительности. Результаты расчетов показали значительное снижение несущей способности и жесткости поврежденных колонн и увеличение их пластичности. Жесткость разгрузки для железобетонных колонн оказалась меньше начальной. Снижение жесткости при разгрузке происходит тем более интенсивней, чем дольше оказывалось воздействие пожара.

Выводы. Полученная модель проста в использовании и подходит для большинства инженерных расчетов. Данная модель может быть применена в качестве основы для построения диаграммы гистерезиса для малоцикловых воздействий после пожара, что необходимо для сейсмического анализа конструкций во временной области.

1. Tamrazyan A.G., Avetisyan L.A. Behavior of compressed reinforced concrete columns under thermodynamic influences taking into account increased concrete deformability // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018. Vol. 365. P. 052034. DOI: 10.1088/1757-899X/365/5/052034

2. Савин С.Ю., Колчунов В.И., Федорова Н.В. Несущая способность железобетонных внецентренно сжатых элементов каркасов зданий при коррозионных повреждениях в условиях особых воздействий // Железобетонные конструкции. 2023. Т. 1. № 1. С. 46–54. EDN RHWWVO.

3. Tamrazyan A., Chernik V. Equivalent viscous damping ratio for a RC column under seismic load after a fire // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2021. Vol. 1030. Issue 1. P. 012095. DOI: 10.1088/1757-899X/1030/1/012095

4. Demir U., Goksu C., Binbir E., Ilki A. Impact of time after fire on post-fire seismic behavior of RC columns // Structures. 2020. Vol. 26. Pp. 537–548. DOI: 10.1016/j.istruc.2020.04.049

5. 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 frames // Engineering Structures. 2019. Vol. 179. Pp. 161–173. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.080

6. 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. DOI: 10.14359/19936

7. Xu Y., Chen Y., Yan B., Zheng Y., Luo Y. Post-fire seismic behaviors of concrete stub columns indifferent fire exposure cases // Journal of Vibration and Shock. 2020. Issue 18. Pp. 11–19. DOI: 10.13465/j.cnki.jvs.2020.18.002

8. Ioannou I., Rossetto T., Rush D., Melo J. Simplified model for pre-code RC column exposed to fire followed by earthquake // Scientific Reports. 2022. Vol. 12. Issue 1. DOI: 10.1038/s41598-022-13188-z

9. 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

10. 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

11. 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

12. Тамразян А.Г., Черник В.И. Учет последствий пожара при проектировании железобетонных зданий в сейсмоопасных районах // XIV Рос. нац. конф. по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с междунар. участием) : сб. мат. 2021. С. 114–117. DOI: 10.37153/2687-0045-2021-14-114-117

13. Sengupta P., Li B. Hysteresis modeling of reinforced concrete structures: State of the art // ACI Structural Journal. 2016. Vol. 114. Issue 1. DOI: 10.14359/51689422

14. Veletsos A.S., Newmark N.M., Chelapati C.V. Deformation spectra for elastic and elastoplastic systems subjected to ground shock and earthquake motions // Proceedings of 3rd World Conference on Earthquake Engineering. 1965.

15. Clough R.W., Johnston S.B. Effect of stiffness degradation on earthquake ductility requirements // Proceedings of 2nd Japan National Conference on Earthquake Engineering. 1966.

16. Mahoney M. Effects of strength and stiffness degradation on seismic response // FEMA P440A. 2009.

17. Takeda T., Sozen M.A., Nielson N.N. Reinforced concrete response to simulated earthquakes // Journal of the Structural Division. 1970. Vol. 96. Issue 12. Pp. 2557–2573. DOI: 10.1061/JSDEAG.0002765

18. Imbeault F.A., Nielsen N.N. Effect of degrading stiffness on the response of multistory frames subjected to earthquakes // Proceedings of 5th World Conference on Earthquake Engineering. 1973. Pp. 1756–1765.

19. Dowell R.K., Seible F., Wilson E.L. Pivot hysteresis model for reinforced concrete members // ACI Structural Journal. 1998. Vol. 95. Issue 5. DOI: 10.14359/575

20. Ibarra L.F., Medina R.A., Krawinkler H. Hysteretic models that incorporate strength and stiffness deterioration // Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 2005. Vol. 34. Issue 12. Pp. 1489–1511. DOI: 10.1002/eqe.495

21. Тамразян А.Г., Черник В.И., Мацеевич Т.А., Манаенков И.К. Аналитическая модель деформирования железобетонных колонн на основе механики разрушения // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2022. Т. 18. № 6. С. 573–583. DOI: 10.22363/1815-5235-2022-18-6-573-583

22. Алексейцев А.В. Анализ устойчивости железобетонной колонны при горизонтальных ударных воздействиях // Железобетонные конструкции. 2023. Т. 2. № 2. С. 3–12. DOI: 10.22227/2949-1622.2023.2.3-12

23. Kunnath S.K., Heo Y.A., Mohle J.F. Nonlinear uniaxial material model for reinforcing steel bars // Journal of Structural Engineering. 2009. Vol. 135. Issue 4. Pp. 335–343. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-9445(2009)135:4(335)

24. Mander J.B., Priestley J.N., Park R. Theoretical stress-strain model for confined concrete // Journal of Structural Engineering. 1988. Vol. 114. Pp. 1804–1826. DOI: 10.1061/(asce)0733-9445(1988)114:8(1804)

25. Takiguchi K., Kokusho S., Kobayashi K. Analysis of reinforced concrete sections subjected to bi-axial bending moments // Transactions of the Architectural Institute of Japan. 1976. Vol. 250. Issue 0. Pp. 1–8. DOI: 10.3130/aijsaxx.250.0_1

26. Черник В.И. Эффективная жесткость железобетонных колонн после пожара // Перспективы науки. 2022. № 5 (152). С. 88–92. EDN RTKIBE.

27. Elwood K.J., Eberhard M.O. Effective stiffness of reinforced concrete columns // ACI Structural Journal. 2009. Vol. 106. Issue 4. DOI: 10.14359/56613

28. Moehle J. Seismic design of reinforced concrete buildings. 2014.