Устойчивость сжатых металлических элементов при комбинированных температурных и сейсмических воздействиях

Землетрясения вызывают горизонтальные и вертикальные ускорения земной поверхности, что может привести к повороту и изгибу конструкций. Колонны, как элементы строительных конструкций, подвержены воздействию сейсмических сил, что может вызывать их кручение. Также при землетрясениях одной из наиболее серьезных угроз для зданий и сооружений является возможность возникновения пожаров. Поэтому вопросы исследования устойчивости сжатых металлических элементов с кручением при температурном воздействии являются весьма важными для сейсмических районов. В работе получены методики аналитического и численного расчета для определения устойчивости сжатых металлических элементов с кручением при температурном воздействии.

Расчетный анализ проводится на основе методов численного моделирования в программном комплексе ANSYS Mechanical. В качестве испытуемой конструкции разработана модель стальной колонны из двутавра, выполненной из стали С355. Для проведения теплового расчета использовался модуль "Transient Thermal" посредством приложения к обогреваемым поверхностям температурного нагружения, изменяющегося по времени. Нагрев колонны производится по стандартной температурной кривой газовой среды в условиях пожара. Для выполнения аналитического расчета разработаны программы для расчетов в ПК Matlab. Алгоритм аналитического расчета потери устойчивости сжатого элемента при температурном воздействии основан на определении коэффициента снижения модуля упругости и температуры нагрева, соответствующие подобранному промежуточному значению температурного коэффициента снижения предела текучести.

Приведены сравнительные графики изменения критической температуры от действия нагрузки при численном и аналитическом расчете и диаграммы понижения критической силы при температурном воздействии.

Разработаны методики численного и аналитического расчета устойчивости сжатого элемента с кручением при огневом воздействии в ПК Ansys и Matlab.

1. Tamrazyan A. Reduce the impact of dynamic strength of concrete under fire conditions on bearing capacity of reinforced concrete columns // Applied Mechanics and Materials. – 2014. No. 475-476. Pp. 1563-1566.

2. Li L.-Z. et al. Experimental study on seismic performance of post-fire reinforced concrete frame // Engineering Structures. – 2019. No. 179. pp. 161-173. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.10.080

3. 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, No. 12 (10), 1662, DOI:10.3390/buildings12101662

4. Avetisyan L.A., Chapidze O.D. Estimation of reinforced concrete seismic resistance bearing systems exposed to fire // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2018. No.456. pp.1-6. DOI:10.1088/1757- 899X/456/1/012035

5. Mazza F., Imbrogno G. Effects of Fire Duration on the Seismic Retrofitting with Hysteretic Damped Braces of R.C. School Buildings // Front. Built Environ. – 2019. No. 5. pp. 1-15. DOI: 10.3389/fbuil.2019.00141

6. Shein A. I., Zaitsev M. B., Tamrazyan A. G. and Matseevich T. A. Damping of seismic vibrations of towers using a controlled reactive dampener//Journal of Structural Engineering. 2023. Vol. 50, No. 3. Pp. 177-183

7. Khachiyan E.Y. On determining of the ultimate strain of Earth crust rocks by the value of relative slips on the earth surface after a large earthquake // Earth Sci. 2016. V. 5, Iss.6. P. 111–118.

8. Каюмов Р. А. Закритическое поведение сжатых стержней в упругой среде // Известия РАН. Механика деформируемого твердого тела. – 2017. – №5. – С. 122–129.

9. Areiza-Hurtado M., Aristizábal-Ochoa J. D. Second-order analysis of a beam-column on elastic foundation partially restrained axially with initial deflections and semirigid connections // Structures. – 2019. – V. 20. – P. 134–146.

10. Carvajal-Munoz J. S., Vega-Posada C. A., Saldarriaga-Molina J. C. Analysis of beamcolumn elements on non-homogeneous soil using the differential transformation method. // Revista Facultad de Ingenieria. – 2022. – № 103. – Pp. 67–76.

11. Yayli M. Ö. Buckling analysis of Euler columns embedded in an elastic medium with general elastic boundary conditions // Mechanics Based Design of Structures and Machines. – 2018. – №46. – Pp. 110–122.

12. Кондель В. Н., Шевченко Ю.О., Лобода Д.А. Анализ коэффициентов продольного изгиба с учетом прочности стали // Вестник Харьковского национального автомобильно-дорожного университета. – 2016. – № 72. – С. 118–123.

13. Chen J., et al. Performance of Steel Structures under Compression: A Review of Recent Research // Structural Engineering Review. – 2020. – V. 32(1). – Pp. 45–58.

14. Li G., et al. Effect of Loading Rate on the Strength and Stability of Compressed Metal Structures // Journal of Construction Materials. 2017. 14(2). Pp. 87-100.

15. Wang Q., et al. Experimental and Numerical Study on the Strength and Stability of Twisted Compressed Metal Structures // Journal of Structural Engineering. 2020. 28(2). Pp. 134-147.

16. Zhang H., et al. Effects of Torsion on the Strength and Stability of Compressed Metal Structures under Various Loading Conditions // Structural Mechanics. 2018. 16(4). Pp. 275-289.

17. Chen Y., et al. Experimental Investigation of Buckling and Torsional Behavior in Compressed Metal Structures // Structural Stability Research. 2016. 8(1). Pp. 45-58.

18. Smith J., et al. Experimental investigation of the fire resistance of compressed steel structures with torsion // Journal of Fire Safety Engineering. 2020. 15(2). Pp. 87-99.

19. Brown A., et al. Numerical analysis of the stability of compressed metal structures under fire conditions // Fire Safety Journal. 2019. 25(4). Pp. 321-335.

20. White L., et al. Fire performance of steel structures subjected to combined axial compression and torsion // Structural Fire Engineering. 2018. 12(1). Pp. 56-68.

21. Johnson M., et al. Effects of torsion on the fire resistance of compressed steel structures // International Journal of Structural Engineering. 2017. 22(3). Pp. 189-202.

22. Saiyan S. G., Paushkin A. G. Development and verification of the two-layer thick-walled spherical shell’s finite element model under temperature and force exposure // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2020. 913. 032058. DOI 10.1088/1757-899X/913/3/032058.