Огнестойкости из армированных волокном полимерные Укрепление бетонных T-Балки
Понимание производительности из армированных волокном полимера (FRP)-члены укрепить в огонь имеет решающее значение для широкого применения, как FRPS отделочные материалы для развития инфраструктуры. Исследование было предпринято, чтобы изучить и документировать выполнение волокнита укрепить железобетонные балки T в стандартных условиях пожара. Два полномасштабных железобетонных Т-лучи при изгибе укрепить листами FRP и изолированные запатентованные двухкомпонентной системы изоляции пожара. Образцы были впоследствии подвергаются стандартной стрельбы в полной постоянной нагрузки службы. Член прогибов, деформаций в арматуре, и температура в рамках данного раздела были измерены и записаны в ходе всех испытаний. Численная модель передачи тепла используется для прогнозирования температуры в разделе в любое время пожара. Предсказал температуры по сравнению с наблюдаемым во время пожара испытания и показали удовлетворительное согласие. Результаты показывают, что соответствующим образом сконструированных и изолированных волокнита укрепить железобетонные балки T может достичь огонь выдержки более чем на 4 часа ..
Ключевые слова: огонь выносливости; огневых испытаний; FRP укрепления, Т-лучи.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы, инженеров-строителей, стали более знакомы с армированной волокном полимера (FRP) материалов. Сопротивление материалов FRP к электрохимической коррозии, их высокие показатели прочности и веса, присущие легким весом, а также их простота применения преимуществ, которые делают FRPS привлекательным как для нового строительства, ремонта и восстановления элементов конструкций, в частности, как внешне- связанных ремонтные материалы для бетона.
Несмотря на в целом поощрения структурных и экологической надежности выполнения FRPS в научных исследованиях и практического применения достигнутых результатах, их надлежащее исполнение в огне остается в значительной степени undemonstrated. Fire выносливости, не может иметь решающее значение, когда FRPS используются в мостовых, но, как FRP-члены укрепить стали все чаще используются в строительстве и ремонте, этот важный вопрос должен быть addressed.1
FRP поведение материала в огне
FRP материалы чувствительны к ухудшению механических свойств и горения при воздействии высоких температур или огня, в первую очередь из-за теплового восприимчивость их матрицы полимера. Так как температура полимерной матрицы приближается к своей температуры стеклования T ^ ^ г к югу, матрица превращается в мягкий, эластичный материала2 с сокращением численности и stiffness.3 Общие термореактивных полимерных матриц, таких как эпоксидные или винилэфирные, как правило, обладают T ^ подпункт г ^ в диапазоне от 60 до 82 C (от 140 до 180 F) .4 В экстремальных тепла, полимерной матрицы может воспламениться, поддерживая распространение огня и ядовитого дыма evolution.5 После пожара составляет более, FRP материалы могут иметь пострадали обугливание, плавление, расслоение, растрескивание и buckling6 и их структурной целостности может быть сомнительной. Соответствующие ограничения температуры для обеспечения адекватного остаточной эффективности в настоящее время не известны. Наконец, FRP укрепления связей, как правило, критически важных и ценных бумаг, серьезно ухудшилось высокой температуре из-за связей в первую очередь зависит от свойств клея и матрицы ..
Kodur и Baingo7 и Bisby8 осмотрел литературы по свойствам FRP при высокой температуре, и предложил "для изменения прочности материалов FRP с ростом температуры. 1 приведены силы в зависимости от температуры отношения, как сообщили в эти два studies7, 8 по сравнению с кривыми для бетона и стали, и показывает, что FRP очень чувствительны к повышенной температуре. Ван и др. al.9 провели обширное исследование с целью определения критических температур для стекла FRP (GFRP) и углерода FRP (углепластика) арматуры; температур, при которых только 50% от исходной прочности остался. На основании 57 напряженности испытаний, проведенных при различных температурах, было установлено, что углепластика и GFRP потерял 50% своей первоначальной численности в 250 и 325 C (482 и 617 F) (измеряемая в середины длины образца), соответственно. Жесткость-видимому, страдают незначительными потерями приблизительно до 400 C (752 F), выше которого резко сократились. Эти испытания измеряется только прочность и жесткость, бары FRP и не изучить воздействие высокой температуры на связь ..
В дополнение к озабоченности, связанные с потерей механических свойств при высоких температурах, связь листов FRP к конкретным вызывает обеспокоенность в связи внешних приложений FRP. Необходимы дальнейшие исследования в этой области, для количественной оценки степени утраты связи FRP с ростом температуры.
Исследований, связанных с
Хотя испытания были выполнены разными авторами материалов FRP в изоляции при повышенных температурах, эти результаты не могут быть экстраполированы непосредственно предсказать огонь выполнения конкретных членов укрепить externallybonded листов FRP. Насколько нам известно, только два исследования, опубликованные результаты в области пожарной прочность бетонных балок укрепить при изгибе с externallybonded материалов FRP, что свидетельствует о необходимости дальнейших исследований и анализа в этой области.
Deuring10 испытания серии извне укрепления бетонных балок по стандарту (ISO) условиях воздействия огня. Шесть балок, 300 мм (12 дюйма) глубокий, 400 мм (16 дюймов) в ширину и охватывающих 5 м (16,4 м) были опробованы. Четыре из пучков были укреплены полос углепластика, 11 и один был усилен липко-связанных стальной пластиной. В рамках этой программы, выход из строя образцов была отмечена точка, в которой чрезмерной деформации или когда начал углепластика debonded из бетона. Шесть пучков были разработаны таким образом, что unstrengthened опорного пучка были достаточными внутренними арматурной стали давать ему такую же теоретические комнатной температуре изгиб качестве углепластика укрепить пучков (128 кНм [94,4 kipft]), тогда как все укрепления пучков было меньше внутреннего стали, и, следовательно, ниже изгиб потенциала в unstrengthened условие (87 кНм [64,2 kipft]) прежде, чем система углепластика укрепления была применена). Постоянная нагрузка была применена к пучков во время огневых испытаний, в результате устойчивого применяться момент 71 кНм (52,4 kipft) в середине пролета (примерно 55% от теоретически возможной мощности).
Референтного образца без каких-либо внешних укрепления, но с 50% больше, внутренние растягивающие арматурной стали, чем любой из укрепить балки, выдержали огонь 118 минут под нагрузкой. FRP-упрочненного бетонная балка без защиты достигли огнестойкости в 81 минут, тогда как идентичных пучка с 40 мм (1,5 дюйма) в толщину защиты силиката кальция Доска изоляции, применительно к внешней FRP, улучшение его огнестойкости по 1,8 раз по сравнению с незащищенными образца до 146 минут. Учитывая, что ожидается выносливость огонь пучков требуется порядка 2 до 3 часов, изолированные укрепить пучков достигнут приемлемый уровень производительности огня. Сравнение незащищенных FRP-упрочненного пучков с незащищенной стали platestrengthened пучков показало, что первый начальника; вероятно, в связи с низкой теплопроводностью из углепластика по сравнению со стальными и низшее вес углепластика ..
В аналогичной программе испытаний огнем, Blontrock др. al.12 испытания серии 10 железобетонных балок, которые были 300 мм (12 дюйма) глубокий, 200 (8 дюймов) в ширину и 3,15 м натянутое (10,3 м). В огне тестирование, балки были подвергнуты максимальных нагрузок услуг, рассчитанные в соответствии с Европейским 2. В результате пожара тест нагрузки примерно 45% от конечной и 38% от конечной для unstrengthened и укрепить случаев, соответственно. Полная информация о нагрузке расчеты имеются в номер 12. Эти лучи также укрепить полосками углепластика и защищены силиката кальция доски. Изоляции схем поменяно несколько параметров, включая защиту толщины, место, способ связи, и общая длина. Пучка с изоляцией на якорь только клей debonded из FRP только после 7 минут воздействия огня, а механически закреплены изоляции сохранить ее защитные свойства в течение 45 минут воздействия огня. Было установлено, что П-образной схеме противопожарной защиты, применяется как основание и стороны балки, понижения температуры в полосе углепластика и стальной арматуры, а затем снижение общих прогибов во время пожара.
Потери составных действий между FRP и конкретные произошло, когда полоса углепластика достиг примерно 66 до 81 C (151 до 178 F) в этом случае, который находится в диапазоне T ^ ^ г к югу для этой системы. Интересно, что изоляция применяется только в пределах зоны крепления волокнита со средней части FRP подставлять под огонь, сохранились связи и позволила полосы углепластика поддерживать свой вклад в укрепление как растяжение и на тест (38 минут), по аналогии с полной защитой пучков. Балки пола и собраний как правило, требуют оценки огнестойкости больше 2 часов, поэтому для этого исследования не привели к удовлетворительным оценок огонь FRP укрепление систем в типичных приложениях здания в соответствии с требованиями нормативных североамериканские власти ..
Наконец, в ранней стадии тестовой программы в настоящем докладе, два 3,81 м (12,5 м) в длину, 400 мм (16 дюйма) диаметр кругового железобетонные колонны, укрепить (только) с внешним связям углепластика листов и изолирован два запатентованных -компонентной системы изоляции, подверглись к стандартным условиям огонь под полный комплекс услуг load.13-15 Это исследование продемонстрировало, что удалось добиться 5-часовой оценки огнестойкости в соответствии с североамериканские стандарты соответствующим образом сконструированных и изолированных FRP пленку столбцов.
Fire испытания на прочность
Огонь то случайный процесс, и поэтому трудно имитировать пожары в лабораторных условиях. Общие условия огонь, однако, были разработаны различные учреждения представляют собой типичные серьезных пожаров здания. ASTM E11916 предоставляет стандартный график изменения температуры, времени, которым необходимо следовать в огне ресурсных испытаний в Северной Америке, достигнув температуре свыше 1000 ° С (1830 F), после 2 часов. Fire выносливость в этих стандартных тестов определяется как количество времени, структуры или члена выдерживает воздействие огня без потери его несущей или пожара разделяющей мощности. ASTM E11916 утверждает, что огонь прочность изгиба сборка время, в течение которых: 1) структурные членов способна выдержать его нагрузку, 2) арматурной стали в бетоне поддерживает температуре ниже 593 C (1100 F) и 3) средняя температура на поверхности неэкспонированные не расти более чем на 140 C (250 F), и ни один человек температуры точки нераскрытый лицо поднимается более чем 180 C (325 F) выше комнатной температуры ..
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Несмотря на большой объем информации документирование успешного ремонта FRP железобетонных конструкций, по-прежнему воспринимается исследований дефицит в области огнестойкости. В то время как два исследования на огонь исполнении волокнита укрепить и изолированных изгиб членов были проведены, они использовали достаточно дорогим и трудоемким изоляционных систем, а также шкалы образцов были использованы не обязательно отражающих типичные сооружения области. Исследований в настоящем документе целей тщательно документ и проверить все соответствующие аспекты материала с использованием полномасштабных членов и относительно простой и недорогой системы противопожарной изоляции. Результаты исследования будут способствовать созданию условий для использования материалов FRP и укрепление систем в создании приложений, где требования огнестойкости должны быть удовлетворены.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ
Программа испытаний предусматривает проектирование и изготовление двух полномасштабных T-лучи. Хотя бетонных балок, как правило, не требуют дополнительной противопожарной защиты 1 большинства членов, которые внешне укрепить FRP должны быть обеспечены пожарной безопасности применительно к внешней FRP. Пучков в настоящем исследовании были загружены ожидаемых услуг нагрузки уровнях на основе укрепления потенциала балок и подвергается стандартной пожара в Национальном научно-исследовательского совета Канады (СРН) Fire Laboratories. Основной целью было исследовать и количественно поведение серийного укрепить и изолированных членов в условиях пожара.
Испытательные образцы
Т-лучи, направленные на представляют собой типичные геометрии потенциала для обеспечения максимальной полезности результаты тестирования будущих применений области. 2 показаны сечения балки. Размер печи СРН ограничивает общую длину пучка до 3900 мм (12,8 м). Член глубина 400 мм (16 дюймов) была выбрана для удовлетворения минимальным требованиям, толщина как указано CSA A23.3, 17, а ширина фланца (1220 мм [4 м]) и с веб (300 мм [12 дюймов ]) были отобраны за их сходство с фактической установки поля исполнении промышленного партнера. Член размеры встретился также требований, изложенных в ASTM E119.16 внутренней арматуры была призвана противостоять собственной массы и 2,4 кПа (50 фунтов/фут2) размещение жить нагрузки, распределенной по предположить приток плиты шириной 3000 мм (9,8 футов). Прозрачная крышка для поперечной арматуры 40 мм (1,6 дюйма). Конкретный дизайн смеси одинаковы для обоих пучков и включены чистого известняка (карбонат) агрегат с максимальным диаметром 16 мм (5 / 8 дюйма).
Укрепление и изоляции
Схема FRP укрепления был разработан при условии, что увеличение нагрузки в прямом эфире на 4,8 кПа (100 фунтов/фут2) не требуется. В консультации с существующими FRP укрепления руководящих принципов проектирования, 4,18,19 и в ходе обсуждений с промышленными партнерами, 20 было решено использовать 100 мм (4 дюйма) широкий слой системы углепластика для перекрытия луча, в результате чего в приближенных 15% увеличить прочность изгиба. Кроме того, 600 мм (24 дюйма) шириной крепления U-упаковка, состоящая из двух слоев GFRP, была применена на концах пучка, чтобы предотвратить преждевременный нарушение сцепления изгибных системы. Производитель-заданными свойствами обеих систем FRP представлены в таблице 1.
Справочная система противопожарной защиты для обоих пучков запатентованной два-компонентная система, разработанная специально для данного применения промышленного партнера. Изоляция состоит из слоя изоляции В.Г., применительно к внешней FRP, наряду с непроницаемым пальто поверхностного упрочнения EI-R. На рисунке 2 приводится схематическое расположение каждого слоя изоляции на усиленный пучков. В. изоляции легкая, противопожарных цементная штукатурка, которые могут быть спрей-прикладного, как показано на рис. 3, или вручную применяется (затирки) на структурные компоненты обеспечить тепловую защиту от огня. Материалы аналогичных В. Г. широко использовались в прошлом, в частности, для противопожарной конструкционной стали members.21 В. изоляции был спрей-прикладного толщиной до 25 мм (1 дюйм) для луча 1 и 38 мм (1,5 дюйма) для луча 2, с трех сторон, балки и распространяется на нижней плите, вдоль всей длины луча (см. рис. 2). В рамках подготовки к крупномасштабных установки изоляции, средне-промышленные испытания проводились с целью оценки требуемой толщины изоляции, необходимые для получения желаемого огонь рейтинг.
Результаты этих тестов можно elsewhere.21, 22 пальто материал, состоящий из огнеупорного покрытия песчаника текстуры (EI-R), был распылением наносится тонким слоем на номинальной толщиной 0,1 мм (5 мил) на обоих пучков по всей длине. Приближенного свойства В. Г. представлены в таблице 2, а образец детали и обозначения приведены в таблице 3 ..
Схема экспериментальной установки
Пучков были проверены одновременно в полномасштабную этаже печи СРН, в Оттаве, Канада. Печь способна разоблачения 4,87 х 3,96 м (16 х 13 м) образцов стрелять при применении распределенной нагрузки на образец через 30 распределенных гидравлических домкратов. Балки были установлены в стальной раме, кольцо, которое затем поднял и поставил на вершине печи, таким образом, герметизация отверстия. Таким образом, балки подвергались огонь снизу, а верхняя поверхность плит была разоблачена температуры окружающего воздуха. Концы пучков аксиально сдержанно выполнить условия, необходимые для получения сдержанный андеррайтеров лаборатории Канады (ULC), перечисленные оценки для собраний. Осевой фиксации не превратились в момент фиксации на поддержку в условиях комнатной температуры, так что лучи были разработаны для изгибных нагрузок при simplysupported условиях конца. Предполагается, что при условии ограничения осевой пучком кольца стали повысит огнестойкости пучков во время пожара тестирования как это предлагается в literature.23.
Fire стандартов тестирования требует, чтобы структурные элементы должны противостоять только загружает услуг во время пожара. Таким образом, конечной изгибной потенциал укрепления элементов определяется в соответствии с FRP дизайн guidelines.4, 18,19 живых todead нагрузки соотношение было предположить (1:1) и связанные с оказанием услуг и наложенных нагрузки были определены на основе backcalculation с использованием методов, изложенных в CAN / ULC S101.24 Исходя из этих расчетов, устойчивый равномерно распределенной нагрузкой 34 кНм (2,33 kipft) была применена в ходе испытания. Этот уровень нагрузки соответствует 56% от теоретических пределов возможностей бетонная балка один, и 48% от конечной возможностей укрепить beam.18
Измерительные приборы
Т-лучи приборами для измерения распределения температуры по всему сечению деформаций в арматурной стали, а также смещение общих членов в различных местах. Тридцать шесть термопар помещались внутри бетона при трех различных местах вдоль пролета балки, на нераскрытый поверхности, а внутри FRP и изоляционных слоев для контроля теплообмена в ходе испытания. На рисунке 4 показана схема термопар на участке в середине пролета. Шесть высоких температур тензодатчиков находились на растяжение арматуры на две части вдоль балки пролета, в дополнение к четырем электро-механического смещения датчиков находится на поверхности неэкспонированные для измерения отклонения луча. Перемещение измерения проводились вдоль осевой линии раздела, а также на полпути вдоль фланец в одном месте на каждую чашку весов для наблюдения за любыми скручивания, которые могут возникнуть.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ОБСУЖДЕНИЕ
Количество малых портов зрения были расположены вокруг стен печи, что позволило наблюдения во время огневых испытаний. В течение 30 секунд начала испытание на огнестойкость, поверхность пламенный покрытия EI-R было обнаружено и длилась около 4 минут. Небольшие проблемы с гидравлической системой загрузки привело к потере нагрузку на 33 минут воздействия огня, но давление было восстановлено на 60 минут, в результате 27-минутного периода, в котором нагрузки были меньше, чем требуется. Для учета этих потерь гидравлического давления, испытание на огнестойкость, продолжалась 4 часа и 27 минут в соответствии с требованиями для 4-х часов огонь рейтинг. В результате случайного разгрузки и погрузки процесса, выяснилось, что некоторые незначительные крекинга был вынужден в изоляции В.Г. по базе сетей, хотя это и не подумал оказать существенное влияние на производительность пучков в огонь.
Небольшой участок изоляции В. delaminated от основания Сети пучка 1 на 52 минут огонь воздействия. Размер, форма и расположение расслоения были аналогичными, что и отслоение изоляции, которые произошли в процессе применения теплоизоляции. Вполне вероятно, что ремонт изоляции, которая была выполнена во время рассмотрения заявления не связи и с существующими материала В.Г., и впоследствии не обладают достаточной адгезионной связи выдерживать огонь воздействия.
Приблизительно 1 час в год и последующий период испытаний, объединения и испарение воды наблюдался на неэкспонированные лица обоих пучков. После 4 часов огонь воздействия на пучках не проявляя никаких признаков надвигающейся неудачи, приложенной нагрузки была увеличена почти в два раза превышает первоначальный интенсивности (на полную мощность гидравлической системой загрузки) в попытке вызвать разрушение конструкции. На 260 минут огонь экспозиции, стало ясно, что отказ не был неизбежным, и, следовательно, нагрузка была возвращена в исходное устойчивый уровень обслуживания. На 267 минут огонь воздействия, испытание было остановлено, так как желаемого 4-часового периода рейтинг испытаний была достигнута.
В то время как адекватные оценки пожара были получены, тенденция к изоляции слоя взломать при воздействии огня остается незначительной проблеме, поскольку позволяет быстро крекинга проникновения тепла в локализованных областях, которые могли бы способствовать отслаивание и значительные потери в странах-членах силы в некоторых случаях.
Температуры
Рисунок 5 показывает температур, измеренных в FRP и изоляционных слоев пучка 1. Верхняя линия показывает температуру печи во время пожара. Температурах EI-R/VG, VG / FRP и FRP / конкретные интерфейсы были измерены при осевой потолков пучков в трех разных местах по размаху каждого луча. Наблюдаемые температуры примерно EI-R/VG следует, что из печи, хотя и в широком диапазоне температур зарегистрированных на сегодня не существует интерфейс, как показано на затененной области на рисунке. Это, вероятно, из-за слегка неравномерным покрытием EI-R, или небольшие заливки из термопар в слое В.Г., что привело к снижению зарегистрированных температур. Все три EI-R/VG термопар зарегистрировано быстрое повышение температуры, почти до 400 C (752 F), в течение первых 5 минут огонь воздействия. Это, вероятно, из-за сжигания слоя EI-R в начале испытаний.
Хотя температура в VG / интерфейс FRP следовать той же общая тенденция, как в печи температура, диапазон температур также зарегистрированы среди три измерения, расположенных вдоль пролета. В течение первого часа, краткое плато температура была записана на этой границе, возможно, связано с испарением влаги из слоя изоляции В. Г., который, как известно, происходит при температурах, близких к 100 C (212 F). За это время, большая часть тепловой энергии, проникающей изоляционного слоя была использована для испарения воды, в отличие от отопления света. Как только вода испарилась, температура вновь начала расти. После более чем 4 часов огонь экспозиции, зарегистрированная температура на поверхности FRP составляла примерно 400 C (752 F).
Температура клеевого FRP предположительно является важным индикатором способности поддерживать связь между системой FRP укрепления и бетонные основания во время пожара. Рисунок 5 показывает, что температура на FRP / конкретного интерфейса была относительно равномерной в различных местах вдоль пролета балки. Температура в этом месте резко возросло до 100 C (212 F) в течение 13 минут воздействия, а затем постоянное плато температуры, который продлится до 30 минут, снова вызваны испарения влаги из слоя В.Г.. Один из трех термопар клеевого FRP зафиксирована кратковременная плато температура примерно 400 C (752 F), что может быть связано с термическим разложением матрицы клей в том месте, которое, как известно, происходят между 390 и 510 C (734 и 950 F) .8 После более чем 4 часов огонь экспозиции, максимальная зарегистрированная температура на клеевого FRP было 434 C (813 F).
Поскольку основной изгиб арматурной стали в лучах имеет важное значение для достижения удовлетворительных выносливость огонь для этих членов, полезно тщательно изучить температура, зарегистрированная на уровне первичной растяжение арматуры во время пожара, воздействия. Стальной арматуры в лучах был очень хорошо изолированы и опытных медленный и стабильный рост температуры во время испытаний, как показано на рис. 6. Стальной арматуры в луч 1, которые меньше толщины изоляции, чем луч 2, показано несколько высоких температурах, чем усиление в луче 2. После 4 часов огонь воздействия, однако, средняя температура стали в обоих пучков было меньше 250 C (482 F), и таким образом стали в основном в полную силу. Несмотря на отсутствие unstrengthened, неизолированные железобетонной балки контроля противопожарной испытанных в ходе программы испытаний, представленные здесь, предсказание укрепление температуры во время пожара воздействия можно с помощью проверки цифровой модели теплообмена представлены позже в этом документе.
Результаты моделирования включены на рис. 6 и показать, что стальной арматуры в unstrengthened, неизолированные железобетонной балки можно было бы ожидать, чтобы быть приблизительно 660 C (1220 F), после 4 часов огонь воздействия. Действительно, стали бы температура превысила ASTM температурный предел усиления 593 C (1100 F), в чуть меньше 3 часов воздействия огня в этом случае ..
На рисунке 7 показана температура измеряется в изоляции и FRP слоев в 2 луча во время пожара. Обратите внимание, что затененных областях цифра отражает весь диапазон температур, измеренных на тот же интерфейс, но в разных местах вдоль пролета балки. Опять же, температура, зарегистрированная термопар на границе EI-R/VG внимательно следит за температурой печи. Одна из термопар отображается температурах около 150 C (270 F) выше, чем у двух других на тот же интерфейс, вероятно, связано с легким движением термопар в процессе установки или небольшой степенью вложенности двух других термопар в В. слоя. Снова три термопары зарегистрировано быстрое повышение температуры в первые несколько минут тест, возможно, связано с сгорания EI-R. За этой точкой, темпы повышения температуры высадили и начали следовать тенденциям, установленных температуры в печи. Ровно в 4 часа в тест, почти все внешние термопары зарегистрировано вдруг непредсказуемыми изменениями температуры.
Это совпало со временем, при котором применяется увеличения нагрузки, с тем чтобы производить разрушение конструкции образцов. Он предположил, что это увеличение нагрузки либо причиной смещения термопары, создавая ложные показания, или гидравлической системы управления как-то мешал электрически с приобретением показаний температуры ..
Записанных температур VG / интерфейс FRP были достаточно последовательной вдоль пролета балки. Первоначально, с ростом температуры медленно, с тонким evaporationinduced плато, примерно в 100 C (212 F). Затем температура повышается до 140 минут в испытание, если температура на один из термопар начал расти более быстрыми темпами, чем в других местах, по размаху. Вполне вероятно, что трещины, разработанные в слое В. вблизи этого места, что позволяет тепло передается быстрее, в этом разделе. После 4 часов огонь воздействия температуры на VG / FRP-интерфейса на других местах, было несколько меньше, чем 400 C (752 F). В среднем температура в луч 2, который был изолирован большей толщины изоляции В.Г., более чем на 100 C (212 F) кулер на VG / FRP интерфейс, чем в 1 луча. На FRP / конкретных интерфейс, температура медленно увеличивалась, достигла испарения вызванных плато, которое продолжалось около 70 минут, а затем неуклонно увеличивалась до конца испытания.
Штаммы во внутренние арматурной стали
Штаммов увеличилось в обоих пучков во время предварительной загрузки процесса, как и ожидалось, и изначально продолжает увеличиваться во время пожара, воздействия в результате теплового кланяясь в результате воздействия повышения температуры в нижней части балки. На 33 минут воздействия огня, когда нагрузку внезапно потерял из-за проблем с печью гидравлика, штаммов соответственно сокращены. За этой точкой в тесте, однако, лишь бессмысленные данные штамм, записанный в обоих пучков. Это случайное явление чтении деформации была выявлена ранее с помощью аналогичных деформации gauges.15
Перемещение
Прогибов каждого пучка измерялись вдоль ее пролета в средней линии и в центре фланцев. Прогиба в середине пролета данных для обоих пучков приведены на рис. 8. В преднагрузки этапе отклонения неуклонно растет, после увеличения нагрузку, чтобы максимальное отклонение 7,4 мм (0,29 дюйма) в луч 1 и 7,5 мм (0,30 дюйма) в 2 луча. Отклонения постоянно увеличивается, как огонь, продвинулись примерно до 20 минут в огонь испытания, вероятно, из-за теплового кланяясь. Максимальное отклонение, то остается неизменным, в 11 мм (0,43 дюйма) в луч 1 и 10 мм (0,39 дюйма) в 2 луча, пока нагрузку случайно потерял 33 минут в огонь испытания. Когда нагрузка была потеряна, прогибы уменьшаются соответственно, и, когда нагрузка была восстановлена, прогибы выросли до уровня чуть меньше, чем их предыдущие максимальные значения. Это различие, как полагают, из-за смещения приборы не откатные полностью в течение выгрузить-процесса загрузки. В середине пролета прогибов продолжает увеличиваться незначительно с увеличением времени воздействия огня.
Когда нагрузка была увеличена, примерно в 4 часа воздействия, отклонения увеличилось соответственно. Максимальные отклонения в середине пролета были зарегистрированы 20,2 мм (0,80 дюйма) для луча 1 и 15,6 мм (0,61 дюйма) для луча 2. Отклонение луча фланец 1 составляет примерно 3 мм (0,12 дюйма) выше, чем в средней линии раздела, а для луча 2, отклонение фланца составляет примерно 1 мм (0,04 дюйма) меньше, чем в осевой линии. Вполне вероятно, что какой-либо небольшой эксцентриситет загрузки прокладки создал небольшое кручения в странах-членах, в результате чего один фланец движется вниз, а другая движется вверх, поскольку такие различия между осью и фланец прогибы были замечены еще до контакта с огнем ..
Fire выносливость
Три провал критериев, используемых ASTM E11916 для определения структурной прочности пожара были намечены ранее. Оба луча, описанные здесь успешно несли нагрузку в течение всего времени огонь, и таким образом получить огонь выдержки более 4 часов в соответствии с первым критерием. В оставшейся части этого раздела обсуждаются применения ASTM E11916 тепловых критериев T-лучи. Температура стальной арматуры в плите часть танка Т-луч был значительно выше, чем у стальной арматуры в пучке части обоих пучков, потому что был ограничен противопожарной защите плит. Максимальное зарегистрированное арматуры температуре 561 C (1042 F) (луч 1) и 540 C (1004 F) (луч 2), однако, меньше, чем максимально допустимая температура 593 C (1100 F ) в течение всего срока испытания; критериев, который обычно используется при назначении безудержной оценок огонь железобетонной балки и перекрытия собраний. Рисунок 9 показывает среднюю температуру поверхности неэкспонированные получить девять термопар для каждого луча, и сравнивает эти средние с максимальной допустимой среднее увеличение температуры 140 C (250 F).
Опять же, затененные области представляют диапазон температур, измеряемую на дискретных точек вдоль пролета балки. Очевидно, что одной точки и средней температуры нераскрытый были меньше, чем максимально допустимая температура, и таким образом удовлетворил пучков тепловых критериев в течение всего периода испытаний и достиг 4-х часов огонь оценок ..
Кодекс положений, ограничивающих температура слоя FRP во время пожара события в настоящее время не существует. Тем не менее, интересно рассмотреть последствия применения критерия требуется средняя температура на уровне слоя FRP оставаться на уровне или ниже T ^ ^ г к югу от эпоксидный клей ФГС / смолы (93 C [200 F ] для материалов, используемых в настоящем документе). С 25 мм (1 дюйм) изоляции (луч 1), T ^ ^ г к югу от эпоксидной был превышен между 16 и 36 минут после начала теста. С 38 мм (1,5 дюйма) изоляции (луч 2), T ^ ^ к югу г был превышен от 55 до 57 минут. Важно признать, что этот критерий overconservative с точки зрения структуры (в большинстве случаев), в котором он предполагает отказ от FRPstrengthened структурных член в момент, когда матрица T ^ ^ г югу превышен. Это явно не реально, так как об этом свидетельствует тот факт, что температура внутри слоя FRP Т-лучи в программе испытаний превысил T ^ ^ г югу течение 1 часа после воздействия огня, но и собраний сопротивлялся их полной загрузкой службы более 4 часов.
Кроме того, температура FRP-прежнему ниже температуры его возгорания (около 450 C [842 F]) на протяжении около 4 часов огонь воздействия. Фактические рейтинг выносливость огонь Т-лучей равна самой низкой продолжительности выдержки определяется по три ASTM E11916 критериев, перечисленных выше. Таким образом, оба луча достигнуто огнестойкости рейтинги 4 часа ..
Численное МОДЕЛЬ
Двумерной численной модели теплообмена была разработана для прогнозирования температуры в различных точках в поперечном сечении волокнита укрепить и изолированных T-лучевой простреливается. В модели используется явной конечно разработке разницей, что discretizes луча в узловых точках, а затем распространяется тепловой уравнений равновесия каждого узла, чтобы определить температуру на каждом последующем шаге по времени. Эффект испарения влаги включены в анализ, предполагая, что при повышении температуры в узле достигает 100 C (212 F), все тепло, переведенных в этот узел используется для испарения воды. В испарения, температуры в узле предполагается постоянной и равной 100 C (212 F), и снова возрастает только тогда, когда влага полностью испарится. Воздействия влаги отходе от источника тепла в настоящее время не включены. Дальнейшие подробности, связанные с theory25 и programming21 предоставляются в другом месте.
На рисунке 10 приведены сравнительные данные по температуре, измеренная в В.Г., FRP, а также конкретные пучка 2 от температуры предсказывает численной модели. Из-за вероятных непреднамеренных термопары заливки в слое В. Г. во время установки, модели overpredicts температур на поверхности В. Г. для луча 2. С другой стороны, в VG / FRP интерфейс, рис. 10 показывает, что модель underpredicts температур в течение всего испытания на огнестойкость. В 1 час огонь воздействия, ошибка составляет около 25 C (45 F) возрастает до примерно 100 C (180 F), после 4 часов. Он предположил, что растрескивания слоя В.Г., который в настоящее время не включены в модель, созданная повышение температуры на поверхности FRP в ходе испытания. На клеевого FRP, модель немного underpredicts температуры, опять же из-локализованные последствия В. Г. трещин. В целом, однако, модель хорошо согласуется с тестовыми данными. Испытания показали, что эпоксидные T ^ ^ г югу будет превышен в пределах от 65 до 80 минут, тогда как модель предсказывает это событие на 98 минут.
В то время как модель прогноза unconservative, превышение эпоксидных T ^ ^ г к югу, вероятно, не является критическим для FRPstrengthened исполнении члена, при условии, что определенные ограничения укрепления будут соблюдаться в течение design.15 Даже если T ^ ^ г к югу были превышены в середине пролета пучка, если крепления зон FRP были сохранены при низких температурах, FRP все еще может действовать в качестве члена напряжения, обеспечивая прочность к конкретному. Температура на растяжение арматуры было предсказано удовлетворительно модели, с максимальной разницей между температурой тестовых данных и модели прогнозирования 25 C (45 F). В целом, модель обеспечивает разумную оценку температуры в различных точках по всей сборки, хотя это требует дальнейшего совершенствования ..
ТЕКУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Текущие исследования в области в рамках нынешнего исследования, в котором учитывается огнестойкости альтернативных систем изоляции на полномасштабную уровне, в целях предоставления необходимого разнообразия с учетом широкого спектра противопожарных материалов в настоящее время в промышленности. Еще одним важным фактором является остаточной прочности FRP-упрочненного элементов после пожара. Структурное тестирование на провал при комнатной температуре пожара проверенных образцов из текущей программы научных исследований было conducted.26 Это дает практическую информацию о методах диагностики степени повреждения, потенциал после пожара структурных жизнеспособность, и, возможно, сумма дополнительного ремонта требуется после пожара события.
Численные модели кратко изложены здесь дает лишь приблизительные прогнозы температуры вблизи FRP. Это, вероятно, из-за чувствительности температуры FRP к локализованным трещин в слое В. изоляцию явления, которые должны быть учтены в будущих сценариев моделирования, возможно, при искусственном увеличении теплопроводности материала, или, возможно, рассматривает тепловые эффекты, трещин и влаги миграции в трех измерениях, а не два. Дальнейшее изучение различий в FRP тепловых свойств с температурой должны быть выполнены, чтобы улучшить точность модели в этом отношении. Наконец, силы модель разрабатывается для прогнозирования ухудшения изгибе прочность этих членов в огонь. Это позволит надеяться, о том, как долго и в какой степени, FRP укрепления обеспечивает изгиб сопротивления во время пожара. Исследований в ходе создаст значительные данные в этой важной области огнестойкости.
ВЫВОДЫ
На основании результатов экспериментальных и численных исследований обсуждаются в настоящем документе, можно сделать следующие выводы сделал:
* FRP-упрочненного Т-балок с 25 и 38 мм (1 и 1,5 дюйма) изоляции и достигнут 4-часовой огнестойкости оценок под нагрузкой, согласно ASTM E11916 спецификаций;
* Система изоляции оцениваться в ходе этой исследовательской программы, как представляется, эффективную защиту FRPstrengthened конкретных сборок проникновения тепла. Толщиной 38 мм (1,5 дюйма) от VG / системы утепления EI-R поддерживается средняя температура ниже FRP матрицы T ^ ^ г к югу на 54 минут, а ниже температуры воспламенения более 4 часов воздействия ASTM E11916 огня. Система изоляции поддерживается низкая температура в таких пучков, что они не разрушаться под нагрузкой уровень обслуживания во время пожара воздействия, а также
* Модель теплообмена в данной работе способна предсказывать температуры в волокнита укрепить и изолированных T балки простреливается.
Авторы
Авторы являются представителями интеллектуальных зондирования для инновационных сетевых структурах (ISIS Канада) и хотел бы отметить поддержку сетей центров передового опыта программы Правительства Канады и естественным наукам и инженерным исследованиям. Авторы также хотели бы отметить Национального исследовательского совета Канады, Файф компания "и BASF.
Ссылки
1. Kodur, ВКР, "Огнестойкость Требования к FRP Структурные Участники", ежегодной конференции Канадского общества по гражданскому строительству, Канадское общество гражданское строительство, Regina, Словакия, Канада, 1999, с. 83-94.
2. Банк, LC, "Свойства FRP пополнение для бетона," Волоконно-металлопластиковых (FRP) пополнение для железобетонных конструкций: свойства и применение, Elsevier Science Publishers Б.В., 1993, с. 59-86.
3. Blontrock, H.; Taerwe, L.; и Matthys, S., "Свойства армированных волокном пластмасс при повышенных температурах, учитывающих Огнестойкость железобетонных Участники" Четвертый Международный симпозиум по армированного волокном полимерные Арматура железобетонных конструкций, С. П. -188, CW Долан, SH Rizkalla, А. Нанни, ред., американский институт бетона, Фармингтон Hills, MI, 1999, с. 43-54.
4. ACI Комитет 440 "Руководство по проектированию и строительству Внешне Таможенный системы FRP для укрепления бетонных конструкций (ACI 440.2R-02)," Американский институт бетона, Фармингтон, М., 2002, 113 с.
5. Апичелла Ф., Imbrogno, М., "Fire Выполнение углепластика-композиты, используемых для ремонта и усиления бетона," Труды Пятого инженерно ASCE материалы конгресса, LC банка, под ред. ASCE, Цинциннати, Огайо, 1999, стр. . 260-266.
6. Мильке, JA, и Визини, AJ, "Эффект имитации воздействия Пожар на стеклопластика термопластичных материалов," Журнал пожарной охраны инженерия, V. 5, № 3, 1993, с. 113-124.
7. Kodur, ВКР и Baingo Д., "Огнестойкость FRP железобетонных плит", IRC Внутренний отчет № 758, Институт исследований в области строительства, Национальный исследовательский совет Канады, Оттава, Канада, 1998, 37 с.
8. Бисби, Л., "Пожар Поведение Fibre-Железобетонная полимера (FRP) Железобетонная или укрепление бетона", докторская диссертация, Королевский университет в Кингстоне, Кингстон, Канада, 2003, 371 с.
9. Wang, YC; Вонг, PMH, и Kodur, ВКР, "Механические свойства полимерных армированных волокном арматуры при повышенных температурах," ASCE / SFPE конференции Специальность Проектирование структуры для Fire, Baltimore, MD, октябрь 2003, с. 1 - 10.
10. Deuring, М., "Brandversuche Nachtraglich Verstarkten Tragern австралийских Бетон", Research Report EMPA Нету 148795, Швейцарские федеральные лаборатории по испытаниям материалов и исследований, Дюбендорф, Швейцария, 1994.
11. <a target="_blank" href="http://www.sika.com.au/cmc/Datasheets/tds/SikaCarboDur_tds.pdf" rel="nofollow"> http://www.sika.com.au/ CMC / Информация / TDS / SikaCarboDur_tds.pdf </ A> (по состоянию на 7/11/07).
12. Blontrock, H.; Taerwe, L.; и Вандевельде П., "Fire Испытания бетонных балок, укрепляясь Fibre Композитный слоистый пластик," Третий кандидат симпозиума, Вена, Австрия, 2000, 10 с.
13. Бисби, Л.; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР, "Моделирование поведения из стеклянно-бетонные колонны замкнутых подвергшихся Fire" Журнал композиты для строительства, т. 9, № 1, 2005, с. 15-24 лет.
14. Бисби, Л.; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР, "Параметрический Исследования по огнестойкости из стеклянно-замкнутых железобетонные колонны," Canadian Journal гражданского строительства, V. 31, 2004, с. 1090-1100.
15. Бисби, Л.; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР "Fire Выносливость из армированных волокном Полимер-замкнутых железобетонные колонны," Структурные ACI Journal, В. 102, № 6, ноябрь-декабрь 2005, с. 883-891.
16. ASTM E119, "Стандартные методы испытаний для Fire Испытания строительства и материалов", ASTM International, Запад Коншохокен, PA, 2002, 22 с.
17. CSA A23.3, "Бетон Справочник конструктора" Канадская ассоциация портландцемент, Ottawa, ON, Канада, 1994.
18. CAN / CSA S806-02, "Проектирование и строительство зданий и сооружений компонентов с помощью волоконно-Железобетонная полимеров", Канадская ассоциация стандартов, 2002, 177 с.
19. ISIS Канады, "Руководство по проектированию № 4: Укрепление железобетонных конструкций с внешней связью армированного полимеров," ISIS Канада Corporation, Виннипег, MB, Канада, 2001.
20. <a target="_blank" href="http://www.fyfeco.com/products/compositesystems/sch-41.html" rel="nofollow"> http://www.fyfeco.com/products/compositesystems/ SCH-41.html </ A> (по состоянию на 7/11/07).
21. Уильямс, B., "Fire Выполнение FRP-Укрепление железобетонных изгиб Участники", докторская диссертация, Королевский университет в Кингстоне, Кингстон, Канада, 2004, 389 с.
22. Уильямс, B.; Бисби, Л.; Kodur, ВКР; Грин, М. Ф. и Чоудхури Е., "Fire изоляции схем для FRP-Укрепление бетонных плит," Композиты части, V. 37, 2005, с. 1151-1160 .
23. Gustaferro, АГ, "Критерии Температура на провал", Американского общества по испытанию материалов симпозиума по Fire Performance Test, Denver, CO, 1969, с. 68-84.
24. CAN / ULC S101-89, "Стандартные методы Fire ресурсных испытаний строительства Строительство и материалы," Лаборатории андеррайтеров Канады, Скарборо, Онтарио, Канада, 1989, 49 с.
25. Ли, ТТ, "Противопожарная защита в строительстве", ASCE комитета по пожарной безопасности, структурного подразделения, Американское общество гражданских инженеров, Нью-Йорк, 1992, 241 с.
26. Чоудхури, ЕС; Бисби, Л.; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР, "Остаточная Поведение Fire Exposed железобетонных балок предварительного укрепить изгиб с волокном полимерные листы," Журнал композиты для строительства, 2007. (В печати)
Входящие в состав МСА Брея Уильямс Техническая группа членов в Халолл Associates ООО, Ottawa, ON, Канада. Она получила степень бакалавра и магистра в Университете Манитобы, Манитоба, ON, и ученую степень в Университете Королевы в Кингстоне, ON. Ее исследовательские интересы включают огонь производительности из армированных волокном полимера (FRP)-членов и укрепить FRP материалов для использования в мост палубы.
Входящие в состав МСА Venkatesh Kodur является профессором инженерии в Университете штата Мичиган, Ист-Лансинг, ИМ. Он получил степень магистра и докторскую степень в Университете Королевы в 1988 и 1992 годах, соответственно. Он является членом комитетов МСА 440, армированных полимерных подкрепление, и 544, армированного волокном бетона и совместной ACI-TMS Комитет 216, Огнестойкость и противопожарная защита конструкций.
Входящие в состав МСА F. Марк Грин профессор гражданского строительства в Университете королевы. Он получил степень бакалавра в Университете королевы и докторскую степень в университете Кембриджа, Кембридж, Великобритания, в 1991 году. Он является членом комитета ACI 440, армированных полимерных Укрепление и совместной ACI-TMS Комитет 216, Огнестойкость и противопожарная защита конструкций. Его научные интересы включают усиление железобетонных конструкций с волоконно-армированные полимеры, напрягаемой бетонных балок с волоконно-армированные полимеры, и мост-динамических характеристик автомобиля.
Входящие в состав МСА Луки Бисби является профессором гражданского строительства в Королевский университет. Он получил BEng в строительстве из Университета МакГилл, Монреаль, Квебек, Канада, в 1997, и его MScEng и докторскую степень по гражданскому строительству из Королевского университета в 1999 и 2003, соответственно. Он является членом комитета ACI 440, армированных полимерных Укрепление и совместной ACI-TMS Комитет 216, Огнестойкость и противопожарная защита конструкций. Его исследовательские интересы включают укрепление и усиление железобетонных конструкций с волоконно-армированные полимеры с нынешнего акцента на огонь производительности.