Огнестойкости из армированных волокном Полимер-замкнутых железобетонные колонны
Использование волоконно-армированные полимеры (FRPS) в целях укрепления и восстановления железобетонных конструкций является предметом многочисленных научно-исследовательских проектов и увидел широкое внедрение в последние годы. Очень мало информации о поведении материалов FRP при высоких температурах, однако, и это является основным фактором препятствующие широкому применению FRP обертывания в зданиях, где огонь вопросов, связанных с критическими требованиями дизайна. В данной работе представлены результаты двух полномасштабных испытаний огнестойкости по круговой FRP пленку железобетонных колонн изолированные с разной толщиной противопожарной изоляции. Тестовые данные сравниваются с предсказаниями численного моделирования модель огонь, и модель показана адекватно предсказать наблюдаемые тепловых и структурных ответ. Он показал, что, хотя в настоящее время композитов инфраструктуры особенно чувствительны к повышенной температуре, правильно спланировать FRP пленку железобетонных колонн способны достичь необходимого огня выдержки ..
Ключевые слова: лишение свободы; волокон; огнестойкости; реабилитации; арматуры; силы.
ВВЕДЕНИЕ
Сосредоточение железобетонных колонн на окружной обертывания с армированной волокном полимера (FRP) листов в настоящее время получила широкое признание за простоты применения и эффективности (Бисби и др.. 2002). Этот метод может быть использован для повышения как прочность и пластичность железобетонные колонны, и видел последние широкое применение для восстановления, ремонта, укрепления и модернизации сейсмических железобетонных конструкций. Если FRP материалы будут использованы для удержания бетона в строительстве и других приложений, то способность материалов FRP и FRP-только конкретные элементы должны выдерживать огонь должна быть установлена, и рациональных процедур разработки по пожарной безопасности должны быть сформулированы. Fire выносливости испытания, проведенные Blontrock, Taerwe и Вандевельде (2000, 2001), FRP углерода покрытием железобетонных балок и плит показали, что внешне связанных материалов FRP работают плохо во время пожара, а также теплоизоляции укрепление FRP требуется для предотвращения мгновенной потери эффективности при воздействии огня ..
ЗНАЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
В настоящее время нет информации о поведении загруженных FRP пленку железобетонных колонн во время пожара. В данной работе представлены результаты двух полномасштабных огневых испытаний по круговой FRP пленку железобетонных колонн, проводится в рамках более широкого исследования, исследования огнестойкости ФРП укрепления систем и использует полученные данные для подтверждения ранее представленной модели, численные могут быть использованы для прогнозирования огнестойкости этих членов (Бисби 2003).
ИСТОРИЯ
FRP материалы чрезвычайно чувствительны к воздействию повышенных температур, а также резким ухудшением механических свойств, связей свойства, или как можно ожидать при температурах, близких к температуре стеклования Т полимера клей / матрицы (Бисби 2003; Blontrock, Taerwe и Matthys 1999). Кроме того, все органических полимерных материалов матрицы горючих и будет гореть при воздействии на него достаточно высокие температуры. Обычно используется матрица материалов, таких как полиэстер, виниловым эфиром и эпоксидных не только горения поддержку, но развиваться в больших количествах густой черный дым (Sorathia, Дапп, и Бек 1992). Таким образом, Есть ряд проблем, как экологические, так (дымообразования, токсичности) и структурного (потеря прочности, жесткости), связанные с использованием FRP как внешние подкрепления для конкретных членов в зданиях (Kodur 1999). В настоящей статье основное внимание на структурные поведение FRP переноситься во время пожара, а также последствия деградации FRP при высоких температурах огнестойкости ФРП пленку железобетонных колонн.
Подробное обсуждение на ухудшение состояния прочности и жесткости материалов FRP при повышенных температурах представлена др. Бисби и др. (2002) и Kodur и Baingo (1998) ..
Дизайн пожарной безопасности
Дизайн за пожарную безопасность связана прежде всего с защитой человеческой жизни и имущества во время пожара (Ли 1992). Таким образом, одна из основных целей структурной пожарной техники заключается в обеспечении предотвращения структурного распада, по крайней мере, пока все здание пассажиров имели возможность безопасно эвакуироваться. Для построения колонны, структурных огнестойкости критериев в Северной Америке, определяется исключительно с точки зрения несущей способности, поскольку колонны как правило, не выполняют разделения огня или огонь барьерных функций (Ли 1992). Колонны в основном требуется сохранить достаточно сил, чтобы носить их предполагаемой работы (службы) нагрузка на необходимое время при воздействии стандартного пожара.
Хотя огнестойкости обычных армированных колонн бетона в целом удовлетворительной, когда колонна усилена с окружной упаковка FRP (то есть, его осевая нагрузка увеличивается), то есть серьезные опасения, что потери эффективности обертывание в FRP огонь может привести к внезапному коллапсу в условиях повышенной нагрузки службы. По этой причине, ACI 440.2R-02 (ACI Комитет 440 2002) требует, чтобы FRP обертывания быть разработаны в предположении, что они полностью потеряли во время пожара. Это требование основывается на консервативных предположениях и не основана в научных исследованиях. Кроме того, такое требование является потенциально ограничительной FRPS планируются для использования в зданиях. Инженерное сообщество часто требуется разработка рекомендаций, разработанных на основе результатов полномасштабных испытаний огнестойкости (Манли и Долан 2001) такие как представленные в настоящем документе.
Fire выносливость критерии FRP пленку колонны
Для целей настоящего исследования, три пожара критерии выносливости неудачи, один из которых в настоящее время признано ASTM E 119, были определены. FRP пленку столбца можно считать не удалось, если один из трех следующих критериев условий: 1) столбец больше не может выполнять свою полную unfactored работы (службы) нагрузки, 2) температура на FRP-бетонных интерфейс ( облигаций линии) превышает Тд клейкой FRP полимер / матрица; или 3), температура на внешней поверхности FRP превышает температуру воспламенения материала FRP.
Первый из упомянутых критериев в основном в настоящее время насильственного ASTM E 119 огнестойкости критерия разрушения для столбцов. Второй и третий критерии как было предложено в последнее время в качестве потенциальных критериев неудачи, которые будут использоваться при оценке огнестойкости ФРП пленку колонны для использования в зданиях. Смысл второго критерия отказа является то, что поддержание температуры ниже FRP матрицы T ^ ^ г югу гарантирует, что FRP сохранит определенную структурную эффективность. Третий критерий был предложен для рассмотрения вопросов относительно возможности дальнейшего распространения огня и дыма, когда горючих материалов FRP используются усиливающие приложений. Все три критерия отказа подробно рассматриваются в последующих разделах.
FIRE тестовую программу
Образцы
В рамках экспериментальной программы, два полноценных FRPwrapped и изолированных круговой армированные колонны конкретных были протестированы в колонке печи Национального исследовательского совета Канады (NRCC). Размеры и армирование данные столбцов были приведены на рис. 1. Обе колонны диаметром 400 мм, а общая высота 3810 мм. Колонны были усилены внутренне с восемью 20 mmdiameter деформированных стальных стержней в продольном направлении и 10 mmdiameter деформированной стали спиральные с центром к центру шагом 50 мм. Бетона к основным подкреплением 50 мм. Большой стальных пластин, толщиной 38 мм были приварены к продольной арматуры на обоих концах колонн, что они могут быть прикреплена к нагрузке главы испытания каркаса печи колонке.
Бетон
Обе колонны были изготовлены на основе карбоната бетон включения Тип 1 нормального портландцемента. Крупных и мелких агрегатов состояла дробленого известняка максимальный размер 14 мм, и кремнистый песок, соответственно. 28-дневный прочности на сжатие бетона 39 МПа, а конкретные сильные стороны во время тестирования были 39 и 40 МПа для колонки 1 и 2, соответственно. Объемного содержания влаги во время тестирования по оценкам, используя процедуры, изложенные в ULC S101 (CAN / ULC 1989), составляет примерно 8% в обоих случаях.
Арматурная сталь
И продольных и спиральная арматура соответствуют G30.18 CSA Стандарт с минимальной сильные выход 400 МПа. Фактические испытания сильные выход подкреплении были 400 и 460 МПа для спиральных и продольных стали, соответственно.
Кастинг, лечения и кондиционирования
Колонны были расположены вертикально в один лифт с конкретными поставляемые местными бетонный завод. Бетона стержневые вибрации во время каждого буксир для обеспечения отличной консолидации. Колонны были вылечены в увлажненных пластиковый корпус на 21 до 24 С и 100% относительной влажности в течение 7 дней, после чего опалубка была удалена. Колонны были впоследствии обусловлена в структурах Испытательная лаборатория Королевского университета, при температуре окружающего воздуха и относительной влажности воздуха около 13 месяцев до установки FRP обертываний.
Волоконно-армированных полимерных обертывания
Из-за их надежность сохранности механических свойств при повышенных температурах (Бисби и др.. 2002; Бисби 2003; др. Blontrock и др. 1999), FRP углерода был выбран в отличие от стекла или арамидных FRP в качестве итогового материала для обеих колонок. Дизайн FRP упаковка состоит из одного слоя однонаправленных углеродных эпоксидные системы FRP с 300 мм, перекрытия в окружном направлении и 25 мм, перекрытия в вертикальном направлении. Перекрытия длины были выбраны на основе спецификации промышленности партнера, и их влияние на поведение только FRP пленку колонны не известны (хотя они и не рассматриваются в качестве важных факторов). Клей и матрицы состоит из эпоксидной смолой.
Однослойные FRP упаковка дизайн выбран потому, что в результате теоретических пределов увеличения несущей способности примерно 53% на основе МСА 440.2R-02 руководящих принципов дизайна, и примерно 26% на основе ISIS (2001) руководящих принципов. Больших теоретических увеличение осевой нагрузкой, что может привести к более высокой заключения отношений (с двумя слоями FRP, например) считались нереальными, и не будет в настоящее время носить практический дизайн ситуации. Производитель заданных свойств FRP и клей / матричных материалов приведены в таблице 1.
Изоляция схем
Подробный обзор литературы по высокотемпературной поведения материалов FRP (Бисби 2003) показали, что быстрое и серьезное ухудшение механических и связи свойств материалов FRP можно ожидать при умеренно повышенных температурах, и подчеркнул необходимость для теплоизоляции ФРП обертываний. До сих пор, подход, используемый в отрасли по предоставлению изоляция FRP обертывания в том, чтобы применить выпуклое краски их внешний вид. В случае пожара, выпуклое краски релизы газов, пены, и расширяется в несколько раз своей первоначальной толщины, формируя тем самым изоляционные символ, который защищает FRP от теплового оскорбление огня.
Основной недостаток выпуклое систем противопожарной защиты FRP обертывания является то, что температуры активации (температура, при которой расширение и обугливания на выпуклое покрытие начинается) на общедоступных покрытий выпуклое, как правило, в диапазоне от 200 до 300 C, значительно выше, чем T ^ ^ г к югу от самых FRP матрицы полимеров (матриц T ^ ^ г к югу, как правило, от 65 до 150 C [ACI Комитет 440 2002]). В результате механических свойств FRP обертывания и / или связи между FRP и подложкой бетон могут быть потеряны или серьезно ухудшилось до начала выпуклое реакции.
Чтобы улучшить поведение выпуклое системах противопожарной защиты для использования с FRP обертывания, было предположить, что добавление второй пассивный слой изоляции между FRP и выпуклое покрытие позволит улучшить огнестойкости существенно. Обоснование этого того, что промежуточный слой, который в идеале состоять из пассивного слоя обладают высокими изоляционными (низкой теплопроводностью и высокой теплоемкостью) и термически инертным материалом, будет поддерживать температуру FRP намного ниже T ^ к югу г ^ до начала припухлость. После активации выпуклое покрытие, теплоизоляция значительные предоставляемый промежуточной изоляции в сочетании с выпуклое символ, предназначены для противопожарной защиты FRP в течение значительного периода времени.
С вышеупомянутой обоснование в виду, разработана недавно, и инновационная система противопожарной изоляции был выбран для защиты как колонны. Система состоит из двух компонентов активной / пассивной системы противопожарной защиты. Одним из компонентов изоляции изменение цементных вермикулита / гипса (VG), а с другой стороны, покрытие, является выпуклое эпоксидная краска (EI).
Для столбцов испытания в настоящем документе, изоляции В.Г. был первым аэрозольное применение более оцинкованной стали штукатурные рейки стоявший на внешней поверхности FRP пленку колонок с использованием конкретных якорей. Рейка, которая не является необходимым компонентом системы утепления огонь, был включен в эти первоначальные испытания обеспечивают механическое крепление между В.Г., FRP и убедитесь, что изоляция оставался бы неизменным в течение всего срока испытаний. Планка была полностью помещены в В. изоляции в процессе установки. Колонка 1 охраняется около 57 мм, а в колонке 2 около 32 мм. Е. поверхности эпоксидным покрытием, то руки-прикладного шпателем с номинальной толщиной 0,25 и 0,56 мм на колонки 1 и 2, соответственно. Подробная информация о системе изоляции приведены на рис. 2.
Измерительные приборы
Обе колонны были тщательно подготавливается с термопарами на их midheight, как показано на рис. 2. В дополнение к датчиков, установленных внутри колонн, нагрузка и инсульта контролем нагрузки кадра в ходе всех испытаний, и печи температура непрерывно контролируется на восемь различных точек в пределах испытательной камеры.
Методы испытаний
Обе колонны были протестированы, подвергая их тепло в колонке печи NRCC, который был построен специально для проверки загруженных полномасштабной колонны под воздействием огня. Печи, которая является уникальной в Северной Америке, можно воспроизвести температуры, нагрузки, а также условия теплообмена которой члены могут подвергаться в здании пожар. Подробное описание испытательной печи осуществляется Ли (1980).
Испытания проводились с обеих сторон колонны фиксированной против вращения и горизонтальных перевода (фиксированной конце состояние). Концентрических устойчивого осевой нагрузкой 2515 кН, был применен к обоим колонкам во время пожара воздействия в соответствии с ASTM E 119 спецификаций. ASTM E 119 государств, что в течение испытания на долговечность огонь, колонки должны подвергаться воздействию огня со всех сторон и должны быть загружены в таким образом, развивать, насколько это возможно, работы (услуги), подчеркивается, предусмотренных конструкцией. В обычных случаях (то есть для железобетона или структурных стальные колонны), постоянной нагрузки, испытания на огнестойкость определяется путем расчета прочности дизайн-членов в вопросе, и берет на себя часть отношение мертвых к жизни нагрузки (как правило, между 0.25:1 и 3:1), бэк-вычислительных услуг нагрузки. Осложнение, которое возникает при FRP пленку колонны значительная неопределенность относительно того, что проектная мощность нагрузки колонны должно быть, так различных рекомендаций, дизайн настоящее время доступны для FRP пленку столбцов.
Текущие рекомендации дизайн (ISIS 2001; ACI Комитет 440 2002) доходность существенно отличается сильные дизайн FRP пленку столбцов, а решение звонок должен быть внесены в качестве которой ряд рекомендаций для подражания. В настоящем исследовании, разработке силы рассчитан в соответствии с ISIS (2001), а также эксплуатационные нагрузки вернулись рассчитанных от этого значения считая мертвых к жизни нагрузки в соотношении 1:1, и используя нагрузки факторов 1,5 для живых нагрузки и 1,25 мертвым грузом (Канадская ассоциация стандартов 1994). Если ACI 440.2R-02 руководящих принципов дизайна были использованы в комбинации с грузом факторов 1,4 и 1,7 для мертвых и динамические нагрузки, соответственно, это приведет к полезной нагрузки в 3288 кН ..
В таблице 2 приводится сравнение результатов расчетов для нагрузки колонны по отношению к прогнозируемым разрушающая нагрузка, предел нагрузки дизайн и полезной нагрузки для FRP пленку и развернул случаях использование МСА и руководящих принципов ISIS дизайна.
Нагрузка была применена к столбцам примерно 45 минут до начала испытания огнестойкости, и сохранить при постоянном значении для первых 5 часов огонь воздействия. После 5 часов, нагрузку постепенно увеличилось до разрушения произошли в целях получения информации, которая может быть использована для проверки численных моделей, описанных в следующем.
Воздействия огня для столбцов моделировалась контроля средней температуры в печи, что он следовал, насколько это возможно, по стандартной кривой timetemperature огонь ULC S101 (Канадская ассоциация стандартов 1989), что эквивалентно ASTM E 119.
Численное МОДЕЛЬ
Потому что полномасштабные испытания огнем выносливость длительных и дорогих, численная модель была разработана авторов, таких, что после проверки относительно небольшое число лабораторных тестов, она может быть использована для проведения параметрических исследований и изучения влияния ряда параметров на огнестойкости ФРП пленку железобетонных колонн. Особенности численной модели были представлены в предыдущей работе (Бисби 2003), так что только общий обзор приводится в настоящем документе.
Эта модель была разработана на основе процедур и методологий аналогичные тем, которые использовались ранее исследователями NRCC для моделирования огнестойкости условно железобетонных колонн (Kodur Ли и 1997; Ли 1992; Ли и Celikkol 1991). Подход заключается в сочетании теплообмена / грузоподъемность анализа, который был запрограммирован на компьютере. Первая часть анализа использует явные тепла разностная передаче разработки, на основе элементарного энергетического баланса, для расчета температуры в радиальном дискретизации столбца, когда он подвергается стандартное время-температура. Теплообмена анализа счетов за изменения термических свойств материалов, используемых с температурой, и предполагается, что столбец бесконечно долго, и влияние внутреннего арматурной стали на теплоотдачу в члены можно пренебречь. Нынешняя модель не учитывает наличие выпуклое (EI) противопожарной защиты, поскольку последствия выпуклое покрытие было относительно недолгим во время огневых испытаний в настоящем докладе, и не считается существенным.
Численная модель уникальна тем, что на его долю приходится ограничивая влияние упаковка FRP для расчета несущей способности и удлинение железобетонная колонна во время пожара, с отказом, происходящих на изгиб или дробления бетона. Модель включает в себя измененную версию итерационные процедуры заключения FRP разработан Spoelstra и Монти (1999), где процедура была изменена для учета ухудшения механических свойств (и теплового расширения) из бетона, стали и FRP с ростом температуры . Модель в настоящее время не приходится ограничивая влияние внутренней спиральной стали. Вывод состоит в распределении температур в течение колонке сечения при воздействии огня, изменение несущей способности колонны, и осевой удлинение колонку под указанную пользователем длительной нагрузки. Более полное описание модели представлено Бисби (2003).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ FIRE
Обе колонки вели себя аналогичным образом в ходе испытаний огнестойкости, а также как добиться большей, чем 5-часовой рейтинг выносливость пожара в соответствии с ASTM E 119 руководящих принципов. Уникальный двухкомпонентный противопожарной изоляции хорошо проявили себя и осталась нетронутой в течение всего срока испытаний. Провал произошел неподалеку от колонны колонна midheight 5,5 часа после воздействия огня и отказа было внезапным и взрывчатых веществ. Отказ появились произойдет к комбинированной выпучивания / дробления провал сопровождался насильственным скалывания бетона и изоляции. Не удалось колонке показано на рис. 3. Важно признать, что отказ от колонны произошло после длительного воздействия огня, и только тогда, когда нагрузка на колонны была увеличена примерно до 180% от требуемой нагрузки службы. Увеличения нагрузки для определения предела прочности членов в конце испытания. Наблюдается провал нагрузки колонн после воздействия стандартного пожара на срок более 5 часов было чуть больше, чем предсказано сила развернула колонн рассчитываются с помощью метода МСА 318 (ACI Комитет 318 1995) или CAN / CSA A23.3-94 (CSA 1994) кодов без уменьшения факторов ..
Температуры
На рисунке 4 приведены температурные профили зарегистрированных в нескольких местах поучительным в графе 1 в условиях воздействия огня. Включено в рис. 4, термопрофиль указанием стандартной кривой пожара (температуры в печи), а также температуры на внешней поверхности изоляции В.Г., на внешней поверхности упаковки FRP и наружной поверхности бетона.
Температура на поверхности изоляции В. быстро увеличивалось в течение первых 30 минут огонь воздействием, профиля температуры в печи с некоторым запозданием, до температуры свыше 600 C. Интересно, считают, что незащищенный упаковка FRP будет ухудшаться полностью при этих температурах. В. Г. поверхности изоляции температуры начал выравниваться как наклон кривой стандартного пожара уменьшилась.
Изучение теплового профиля на поверхности упаковка FRP на рис. 4 и 5 показывает, что хорошая теплоизоляция для обеих колонок была представлена система изоляции пожара. Температура, зарегистрированная на этом месте увеличилась за первый час экспозиции, при температурах между 95 и 100 C. Температура поверхности FRP, однако, затем выровнялся около 100 C в течение примерно 3 часа, прежде чем повышать опять за 4 часа огонь воздействия. Это плато, недалеко от 100 C, который связан с уникальной термических свойств материалов, противопожарной изоляции и за счет высвобождения как свободные, так и химически связанной воды при температурах, близких к 100 C. В сочетании с очень низкой теплопроводностью промежуточной изоляции, это потери влаги ведет упаковка температуре около 100 ° С в течение примерно 3 часа, и приводит к изоляции системы, что является чрезвычайно эффективным на поддержание низких температурах в обертывание FRP.
Теплоизоляционные способности FRP упаковка может быть приблизительно установлено путем изучения температуры на поверхности бетона в сравнении с теми, на поверхности FRP. Хотя FRPS как правило, имеют низкий теплопроводности в поперечном направлении (Бисби, Грин, и Kodur 2001), они, как правило, очень тонкий, по сравнению с изоляцией или основных бетонная колонна. Данные, представленные на рис. 4 показывают, что температуры бетонной поверхности внимательно следит за температурой поверхности FRP к колонке 1. Величина температурного перепада FRP увеличилось в конце испытания огнестойкости и поведением, которое наблюдалось в обоих огневых испытаний и, как представляется, в связи с изменением теплофизических свойств упаковки при повышенной температуре, вероятно, в результате частичного горения полимерных FRP матрицы.
Температура, зарегистрированная в бетонных и на уровне внутренней арматуры наблюдались остаться менее 120 С в течение 5,5 часов полный огня воздействия к колонке 1. Следует отметить, что такие скромно повышение температуры не являются значимыми для бетона или обычной стальной арматуры, потому что нет существенной потери прочности этих материалов до температуры порядка 300 C. Таким образом, можно констатировать, что Колонка 1 скорее всего сохранить свою полную развернул силы в течение всего периода воздействия огня. Этот вывод подтверждается наблюдаемой предельной нагрузки провал колонны, рассматривается следующим образом.
5 показаны температурные профили зарегистрированных в различных местах в колонке 2 при воздействии огня. Опять же, температура на поверхности изоляции после стандартной кривой пожара, как и ожидалось, хотя и более тесно в этом случае, чем в колонке 1. Это может быть связано с неопределенностью в отношении точного местонахождения поверхность изоляции термопар, которые могут быть слабо дислоцированных во время установки системы изоляции. Термальный профиль зарегистрированных в FRP и бетонные поверхности были аналогичны тем, которые наблюдались в колонке 1, за исключением того, что температура 100 ° С плато было достигнуто ранее, и была значительно короче продолжительность колонке 2. Это может быть связано с тем, что колонка 2 был защищен примерно половина толщины противопожарной изоляции применяются в колонке 1. Хотя значительно более высоких температурах были опытными на уровне FRP к колонке 2, температура, зарегистрированная в бетонных и внутренней арматуры оставались на низком уровне (менее 200 C в данном случае), и таким образом колонна скорее всего сохранить свою полную развернул силы для всего времени воздействия пожара ..
Осевой деформации
На рисунке 6 показан осевой деформации обе колонки записаны во время пожара воздействия. Обе колонки проявили весьма незначительные растяжения под воздействием огня, как следствие очень мягкого теплового расширения. Величина расширения была больше к колонке 2, которая пережила несколько выше, чем температура внутренних Колонка 1 из-за меньшей толщины изоляции. Общий масштаб расширения колонны была мала по сравнению с их общей длины, с максимально наблюдается удлинение менее примерно 0,025% от первоначальной длины (3810 мм). Это может быть связано с полезной тепловой изоляции, предоставляемого пожарной защиты, в результате чего минимальная температура повышается в бетонных и внутренних арматурной стали.
За 5 часов огонь воздействия, как отображаемых столбцов внезапного и резкого сокращения, которые можно отнести к повышению нагрузку на 5 часов до отказа.
Fire выносливость
В таблице 3 приводится раз огнестойкости для обеих колонок на основе трех критериев потенциальных выносливость огонь отказа, изложенных ранее. Как отмечалось ранее, обе колонки достигнуто огонь выдержки более 5 часов на основе ASTM E 119 грузоподъемностью критерий (критерий 1).
Если огнестойкости колонн определяется в зависимости от времени для достижения матрицы T ^ югу г ^ (что составляет приблизительно 93 C для системы FRP обсуждали здесь), то столбцы 1 и 2 пожара выдержки из 182 и 82 минут, соответственно. Эти раз меньше, чем те, на основе структурных критериев выносливости огня (критерий 1), показывают, что это действительно слишком консервативно, чтобы определить огнестойкости в терминах матрицы T ^ ^ г к югу.
На основании критерия разрушения 3, превышающей температуру воспламенения полимерной матрицы FRP, как отображаемых столбцов огонь выдержки более 5 часов, и горения упаковка FRP-видимому, не будет серьезной проблемой для любого из столбцов испытания.
Проверки моделей
Численной модели, описанные очень кратко в предыдущем разделе, и подробно Бисби (2003), был проверен на данных, полученных от огневых испытаний на развернул и неизолированных круговых железобетонных колонн (Бисби 2003). В ходе последующего обсуждения, данные, полученные из двух испытаний огнестойкости описанных в данном документе используются для проверки модели FRP пленку и изолировано.
Температуры
Рисунок 4 и 5 показывают сопоставления экспериментальных данных и модельных прогнозов температуры в нескольких местах для столбцов 1 и 2, соответственно. На рисунке 4 и 5, прогнозируемые температуры на поверхности FRP и бетонные поверхности в основном совпадают. В обоих случаях модель предсказания относительно хорошо согласуются с экспериментальными данными, а модель точно отражает общие тенденции, наблюдаемые в экспериментальных данных. Модели нет, однако, именно захват 100 C температуры наблюдается плато в тестовых данных на поверхности FRP и бетона. Это можно объяснить, учитывая, что модель явно не приходится испарение влаги из изоляции при 100 C, не принимает в расчет влаги движение в изоляции (что обычно вызывает влаги двигаться по направлению к центру колонны , вдали от источника тепла). Модели составляет испарения влаги в изоляции искусственным увеличением удельной теплоемкости изоляции элементов при температурах вблизи 100 C, подход, который успешно применяется в прошлом.
Хотя съемки 100 C плато не является критическим для расчета структурных выносливость пожара FRP пленку колонны, она могла бы стать важным, если огнестойкости определяется в терминах матрицы T ^ ^ г к югу, поскольку T ^ ^ г югу близка до 100 С в течение многих имеющихся в настоящее время FRP пленку матричных материалов. Модель представляется overpredict температура на поверхности изоляции В. В начале огневых испытаний. Такое поведение можно объяснить тот факт, что температура на поверхности изоляции В. сокращаются под действием выпуклое покрытие Е.И. в течение первых 15 до 20 минут воздействия огня, поведение, которое не учитывается в модели, но относительно короткое время и не думал иметь важное значение для общей выносливости пожара колонны ..
Рисунок 5 также показывает, что численная модель underpredicts температуры на уровне упаковка FRP за 80 минут воздействия огня в колонке 2. Это расхождение, как полагают, связано с развитием трещины в изоляции, которые наблюдались постепенно появляются и расширяются при виде огня ресурсных испытаний прогрессировала, и которые позволили бы тепло проникает быстрее, до уровня FRP. Растрескивание изоляции не учитывается в модели.
Рисунок 7 показывает предсказан и наблюден температуры на уровне внутренней арматуры к колонке 1. Эта цифра включает кривые температуры, зарегистрированные на стальной спирали и на вертикальной арматуры на стороне панели ближе к огню (снаружи) и части панели далеки от пожара (внутри). Удовлетворительное согласие между тестовыми данными и прогнозами очевидно, особенно учитывая, что температура арматурной стали меньше, чем у 100 C в течение всего срока огонь воздействия. Кроме того, хорошее согласие между тестовыми данными и прогнозами было отмечено, к колонке 2 на уровне внутреннего арматурной стали.
Грузоподъемность
Способность численная модель для прогнозирования loadcarrying потенциала FRP пленку колонны во время пожара является важным фактором в ее проверки. Рисунок 8 показывает предсказал грузоподъемностью колонки 1 и 2 под воздействием огня, а также кривые нагрузку на обе колонки во время тестов. Важно признать, что, поскольку анализ грузоподъемность приблизительно критической нагрузки на государства-члены, для численной модели функционировать должным образом, начальный эксцентриситет требует в качестве входных данных. В развитии рис. 8, начальный эксцентриситет 27 мм был выбран в соответствии с разделом 10.12.3.2 МСА 318-95. Хотя анализ также способна предсказывать осевой прочность на раздавливание колонн во время пожара, bucklingtype провал регулирует дизайн для длин столбцов, которое обычно встречается на практике.
Как и ожидалось, модель предсказывает, что осевая нагрузка колонн при незначительном ухудшении в условиях воздействия огня. Это может быть связано с полезной тепловой защиты, предусмотренные в изоляции, в первую очередь к конкретному и арматурной стали. Остается неизвестным, в том, упаковка остается эффективным на более поздних этапах испытаний. Модель предсказания для разрушающая нагрузка, хорошо согласуются с проверкой замечания даже после 5,5 часов после контакта с ASTM E 119 стандартных огня. Таким образом, оказывается как бы модель может точно спрогнозировать нагрузку неудачи и структурной прочности пожара FRP пленку и изолированные колонны, хотя дальнейшие испытания должны подтвердить этот первоначальный вывод.
Осевой деформации
Рисунок 6 показывает, измерены и предсказал осевых деформаций Столбцы 1 и 2, как функции времени воздействия огня, считая, применяется осевой нагрузкой 2515 кН, как был применен во время огневых испытаний. Модель имеет тенденцию к overpredict расширение обеих колонн по всей длине пожара воздействия. Тем не менее, самый большой разницы между прогнозируемым и измеряется осевой деформации порядка 1,5 мм, что является небольшой по сравнению с общей длиной столбцов.
Для проектирования конструкций, противопожарной безопасности, модель консервативной, поскольку больше осевых деформаций в огонь приведет к развитию большего индуцированных отклонений в структуре. Есть подозрение, что расхождение между предсказан и наблюден столбец деформаций можно объяснить в первую очередь краткосрочных ползучести бетона при повышенных температурах, в сочетании с некоторыми незначительными эффектами для отдыха. С учетом крайне малой величины деформации, как предсказано и наблюдалось, трудно заявить окончательно ли модель является адекватной предиктор осевого удлинения FRP пленку и изолированные колонны.
ОБСУЖДЕНИЕ
Одним из интересных вопросов, который возникает при обсуждении огонь испытаний, описанных в данном документе, является ли упаковка FRP остается в силе в течение значительного периода времени во время пожара. К сожалению, это не представляется возможным, когда государство окончательно, или если упаковка FRP стали неэффективными в качестве удерживающего механизма для бетона. Известно, что FRP заключения только значительно активизировались при напряжении на уровне, близком к неограниченном предел прочности бетона. Постоянной нагрузки услуг применяются к столбцам в рамках нынешнего исследования (2515 кН) приведет к конкретным стресс лишь около 17 МПа при пожаре, значительно меньше, чем предел прочности неограниченном бетона. Таким образом, каких-либо заметных изменений в колонке поведение можно было бы ожидать в связи с потерей ограничивая действие упаковка FRP.
Важно признать, что поведение начальника пожара FRP пленку и изолированные колонны описанных в данном документе объясняется главным образом тем тепловой защиты при условии изоляции системы к конкретному и арматурной стали, и маловероятно, что упаковка остается эффективным к концу испытаний. Таким образом, можно утверждать, что развернул но изолированных колонке будет выполнять так же в огне эквивалент FRP завернуты и изолированные колонны. Тем не менее, колонны ограничивается с FRP увеличить их осевой нагрузкой в условиях окружающей среды, а не увеличить их структурной прочности огня. Таким образом, дополнительные изоляции огня требуется в таких случаях для того, чтобы общая колонка может безопасно выполнять повышенные нагрузки услуг в случае возникновения пожара. Это происходит потому, инженерных пожарной безопасности связана прежде всего с защитой от структурного распада и гибели людей во время пожара, и поэтому является общей грузоподъемностью от FRP пленку колонн, что важно, а не на содержание заключения FRP ..
Для иллюстрации вышеуказанных пунктов, на рис. 9 показано изменение несущей способности FRP пленку и изолированных столбец (2), как предсказывали численной модели, наряду с эквивалентной развернула колонну и FRPwrapped но неизолированных колонке. Кроме того, в рис. 9 горизонтальных линий, показывающих, рассчитанные нагрузки службы на этих столбцов в соответствии с МСА 318 и МСА 440 (при живых с мертвыми коэффициент нагрузки 1,0). Первоначальной численностью завернутый колонны лишь немного увеличился, так как колонны, как предполагается, закончится неудачей, потери устойчивости, которая является критической отказов во время пожара, и FRP заключения не следует ожидать значительного увеличения критической нагрузки колонн.
Развернул столбец предсказал огнестойкости около 245 минут, в то время, но завернутые неизолированных столбец, который имеет повышенную нагрузку службы, согласно прогнозам, терпят неудачу на 100 минут Это свидетельствует о необходимости дополнительных изоляции огня для достижения аналогичных выносливость огонь FRPwrapped колонке. Действительно, изоляционные колонки 32 мм изоляции системы, описанной ранее, увеличение огнестойкости, чтобы дольше, чем 6 часов. Таким образом, предсказал пожар выносливости FRP пленку и изолированных столбец становится больше, чем для развернул столбец, хотя упаковка скорее всего, становятся неэффективными, во время пожара воздействия.
ВЫВОДЫ
На основании результатов полномасштабных испытаний огнестойкости по круговой FRP пленку и изолированных железобетонных колонн, следующие выводы можно сделать:
1. Система изоляции описанные в настоящем документе, эффективную систему защиты, чтобы сохранить общую грузоподъемность ФРП пленку железобетонных колонн во время пожара. Изоляции сохранился в течение более 5 часов после контакта с ASTM E 119 пожаров;
2. Вполне возможно, с необходимой толщины противопожарной изоляции, чтобы поддерживать температуру упаковка FRP ниже 100 ° С до 4 часов при воздействии стандартного пожара;
3. Оба FRP пленку и защиты железобетонных колонн, описанные здесь достигнуты огнестойкости оценок более 5 часов в соответствии с ASTM E 119, с обслуживанием нагрузки рассчитывается ISIS Канада разработать руководящие принципы (ISIS 2001), а также
Предсказаний модели численного выносливость огня, разработанных ранее Бисби (2003), предсказать поведение переноса тепла и осевой грузоподъемностью FRP пленку и изолированных железобетонных колонн при воздействии огня, были сопоставлены с данными, полученными от огневых испытаний обсудили в настоящем документе. Можно сделать следующие выводы сделаны на основе этого сравнения:
4. Численная модель может адекватно предсказать температуры в круговом FRP пленку и изолированных железобетонных колонн при воздействии огня, и
5. Численные модели, как представляется, способна предсказывать грузоподъемность и выносливость структурных пожара FRP пленку и изолированных железобетонных колонн.
Оба пожара ресурсных испытаний и численных моделей, свидетельствуют о том, что огонь выносливости FRP пленку конкретных членов должна определяться с использованием комплексного подхода, с целями инженерных пожарной безопасности четко в виду. Таким образом, структурная прочность огонь должен быть определен на основе несущей способности, а не другие возможные критерии, такие как T ^ ^ г к югу от полимерной матрицы FRP / клей или эффективность упаковка FRP. FRP пленку колонны Обработанная таким образом способны достичь необходимых огнестойкости при условии, что изоляция наносится на внешней стороне упаковки FRP.
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 естествознания и техники Научно-исследовательского совета Канады. Авторы также хотели бы отметить Национального исследовательского совета Канады, Королевский университет, Кингстон, провинция Онтарио, Канада, и Файф-Ко ООО, Сан-Диего, Калифорния
Ссылки
ACI Комитет 440, 2002, "Руководство по проектированию и строительству внешней системы таможенного FRP для укрепления бетонных конструкций (ACI 440.2R-02)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 45 с.
ACI Комитет 318, 1995, "Строительный кодекс Требования Железобетона (ACI 318-95) и Комментарии (318R-95)," Американский институт бетона, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, 369 с.
ASTM E 119-00A, "Стандартные методы испытания на огнестойкость строительных конструкций и материалов", ASTM International, Запад Коншохокен, Пенсильвания, 2000, 21 с.
Бисби, Л., 2003, "Fire Поведение Fibre-Железобетонная полимера (FRP) Железобетонная или замкнутых Бетон", кандидатская диссертация, Департамент строительства, Королевский университет, Кингстон, Онтарио, Канада, 371 с.
Бисби, Л.; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР, 2001, "Fire Поведение FRP пленку железобетонных колонн," Структурные Неисправности и ремонт-2001, Лондон, июль. (CD-ROM)
Бисби, Л.; Уильямс, BK; Грин, М. Ф. и Kodur, ВКР, 2002, "Исследования по Fire Поведение FRP железобетона и / или укрепление бетонных Участники", Труды 2-й Международной конференции по долговечности композитов для строительства, Монреаль, Квебек, Канада, май, с. 405-417.
Blontrock, H.; Taerwe, L.; и Matthys, S., 1999, "Свойства армированных волокном пластмасс при повышенных температурах, учитывающих Огнестойкость железобетонных Участники" Четвертый Международный симпозиум по армированного волокном полимерные Арматура железобетонных конструкций , SP-188, CW Долан, SH Rizkalla, А. Нанни, ред. американские бетона институт, Фармингтон-Хиллз, штат Мичиган, с. 43-54.
Blontrock, H.; Taerwe, L.; и Вандевельде П., 2000, "Огненный Испытания бетонных балок, укрепляясь Fibre Композитный слоистый пластик," Третий кандидат симпозиума, Вена, 10 с.
Blontrock, H.; Taerwe, L.; и Вандевельде П., 2001, "Fire Испытание бетонных плит Укрепление с Fibre композитных ламинатов," Труды пятого ежегодного симпозиума по волоконно-металлопластиковых Арматура железобетонных конструкций (FRPRCS- 5), Томас Телфорд, Лондон, с. 547-556.
CAN / CSA G30.18, 1992, "Заготовка-стальные прутки для армирования бетона", Канадская ассоциация стандартов, Mississauga, Онтарио, Канада, 18 с.
CAN / ULC, 1989, "Standard Методы Fire ресурсных испытаний строительства Строительство и материалы", CAN/ULC-S101-M89, лаборатории андеррайтеров Канады, Скарборо, Онтарио, Канада, 49 с.
CSA, 1994, "Проектирование железобетонных конструкций (CAN / CSA A23.3-94)", Канадская ассоциация стандартов, Оттава, Онтарио, Канада, 220 с.
ISIS, 2001, Усиление железобетонных конструкций с внешней Таможенный армированного волокном полимеров, интеллектуальные зондирования для инновационных структур Канады, Виннипег, Манитоба, Канада, 193 с.
Kodur, ВКР, 1999, "Огнестойкость Требования к FRP конструкции," Труды ежегодной конференции Канадского общества по гражданскому строительству, Регина, Саскачеван, Канада, с. 83-95.
Kodur, ВКР и Baingo Д., 1998, "Огнестойкость FRP железобетонных плит", IRC Внутренний отчет № 758, Национальный исследовательский совет Канады, Оттава, Онтарио, Канада, 37 с.
Kodur, ВКР, и Ли, TT, 1997, "Оценка огнестойкости прямоугольных стальных колонн заполненной Fibre-железобетона," Canadian Journal гражданского строительства, V. 24, № 3, с. 339-349.
Ли, TT, 1980, "Новый фонд для определения огнестойкости колонн", Canadian Journal строительства, т. 7, с. 551-558.
Ли, TT, 1992, "Противопожарная защита в строительстве", руководства и отчеты по практике инженерной № 78 ASCE, Нью-Йорк, 241 с.
Ли, TT и Celikkol, B., 1991, "Метод для расчета огнестойкости круговых железобетонных колонн," ACI журнал Материалы, В. 88, № 1, январь-февраль, с. 84-91.
Манли Э., Долан, CW, 2001, "Что такое стоимость всего этого?" Труды пятого ежегодного симпозиума по волоконно-металлопластиковых Арматура железобетонных конструкций (FRPRCS-5), Томас Телфорд, Лондон, с. 585-592.
Sorathia, У.; Дапп, T.; и Бек, C., 1992, "Огненный Выполнение композиты", материаловедение, сентябрь, с. 10-12.
Spoelstra, MR, и Монти, Г., 1999, "FRP-замкнутых конкретной модели," Журнал композиты для строительства, V. 3, № 3, с. 143-150.
Входящие в состав МСА Луки А. Бисби является доцент кафедры гражданского строительства Королевского университета в Кингстоне, Онтарио, Канада. Он получил BEng в строительстве из Университета МакГилл, Монреаль, Квебек, Канада, в 1997 году и магистра (англ.) и кандидат в строительстве 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 акцентом на огонь поведения.
Входящие в состав МСА Venkatesh КР Kodur является профессором в Департаменте гражданской и экологической инженерии в Университете штата Мичиган, Ист-Лансинг, штат Мичиган Он является членом комитетов МСА 440, армированного волокном полимерные подкрепление, и 544, армированного волокном бетона. Он также является членом и секретарем совместных 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 степень доктора философии в Кембриджском университете, Великобритания, в 1991 году. Он является членом комитета ACI 440, армированных полимерных усиление. Его научные интересы включают усиление железобетонных конструкций с волоконно-армированные полимеры, напрягаемой бетонных балок с волоконно-армированные полимеры, и мост-динамических характеристик автомобиля.