Seismische Leistung von Stahl

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1322 (2023) Diesen Artikel zitieren

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In der tatsächlichen Technik entstehen aufgrund der unterschiedlichen Platzierung der Stützen ungleichmäßige Brandgrenzbedingungen, einschließlich einseitiger Brände, benachbarter oder verwandter zweiseitiger Brände und dreiseitiger Brände. In dieser Arbeit wurde die seismische Leistung von SRCFST-Mitgliedern, die ungleichmäßigem Feuer ausgesetzt waren, mit der Methode der Finite-Elemente-Simulation untersucht. Zunächst wurden die P-Δ-Kurve, der Duktilitätskoeffizient, die Steifigkeit und die Energiedissipation der Bauteile nach ungleichmäßigem Brand untersucht. Mit abnehmender Anzahl der Brandflächen nimmt die maximale Überbrandtemperatur in der Mitte des Abschnitts ab, der Schaden nimmt ab, die Steifigkeitsverschlechterung nimmt ab und die Energiedissipationskapazität steigt. Als nächstes wurde die Lastverteilung jeder Komponente im SRCFST-Teil am Beispiel eines dreiseitigen Brandes berechnet. Die Ergebnisse zeigen, dass Stahlrohre die dominanteste Rolle bei der seismischen Leistung nach einem Brand spielen, gefolgt von Stahlprofilen und Beton am wenigsten . Zuletzt wurde eine parametrische Untersuchung der Schlüsselvariablen durchgeführt, die den Duktilitätskoeffizienten beeinflussen.

Stahlbetongefüllte Stahlrohre (SRCFST) werden aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften mit hoher Wahrscheinlichkeit im Maschinenbau eingesetzt. Die typischen Querschnittsformen sind in Abb. 1 dargestellt. Um die Entwurfsmethode dieses Elementtyps zu verbessern und seine Anwendung zu fördern, haben Wissenschaftler umfangreiche Untersuchungen zu den mechanischen Eigenschaften von SRCFST-Säulen bei Raumtemperatur durchgeführt. Axial komprimierte SRCFST-Elemente waren Gegenstand einer experimentellen Untersuchung von Wang et al.1,2,3,4, die ergab, dass die Stahlknochen die Duktilität und Tragfähigkeit der Säulen deutlich erhöhen konnten. Xu et al.5 führten eine Finite-Elemente-Analyse an SRCFST-Kurzsäulen mit axialer Kompression durch. Basierend auf der ultimativen Gleichgewichtstheorie entwickelten Ding et al.6 eine Gleichung für die Tragfähigkeit beim axialen Drücken kurzer SRCFST-Säulen. Zhu et al.7,8 erstellten eine komprimierte Formel für das tatsächliche Verhältnis von Länge zu Schlankheit und die elastoplastische Tragfähigkeit von langen SRCFST-Säulen mit axialer Kompression auf der Grundlage des theoretischen Tangentialmodulansatzes. Beim unidirektionalen Bias-Drucktest an SRCFST-Säulen untersuchten Wang et al.9 den Kraftmechanismus und die Schadensmorphologie. Selbstverdichtender hochfester Beton mit innenliegenden Stahlprofilen war Gegenstand einer Exzentrizitätstestuntersuchung10, die ergab, dass die Exzentrizität das Element war, das die Tragfähigkeit dieser Komponenten beeinflusste. Ein Vorhersagemodell für die Fähigkeit, SRCFST-Lasten zu tragen, wurde vorgelegt11, nachdem numerische Berechnungen zum Management und der Nachhaltigkeit von SRCFST innerhalb von Offsetlasten durchgeführt wurden und festgestellt wurde, dass das Modell in Eurocode 4 die Fähigkeit, eine Last dieser Art zu tragen, deutlich unterschätzte des Mitglieds. Bei einer Finite-Elemente-Untersuchung des Biegeverhaltens des SRCFST stellten Wang et al.12 fest, dass der innenliegende Profilstahl die Migration der positiven Achse und die Entstehung von Biegerissen im Beton verhinderte. Zhao et al.13 haben eine Messmethode für stahlverstärkte, mit hochfestem Beton gefüllte Stahlrohre aus druckgeformten Bauteilen entwickelt. Anschließend wurden die mechanischen Eigenschaften von intern angepassten Stahl- und Stahlrohrbetonstützen, die Scherung14 und Torsion15 ausgesetzt waren, nacheinander untersucht. Wang et al.16,17 verwendeten Testverfahren und numerische Berechnungen, um die mechanischen Eigenschaften von SRCFST zu untersuchen, die zusätzlich zu den primären Belastungen der Elemente komplexen Belastungen aus Druck-Torsion und Druck-Biege-Scheren ausgesetzt sind. Xu et al.18 zeigten in ihrer Studie über die Hystereseleistung solcher Elemente, dass die Steifigkeit, Spitzenlast und Verformungsleistung von SRCFST-Elementen aufgrund der Zugabe von Profilstahl besser sind als die von herkömmlichen CFST-Säulen. Laut der Untersuchung von Xian et al.19,20 weist das Material eine hervorragende Schlagfestigkeit auf. Die dynamische Reaktion von SRCFST-Säulen unter horizontaler Stoßbelastung nach Abschnitt, Aufprallgeschwindigkeit und Aufprallrichtung weist eine hervorragende Schlagfestigkeit auf. In den letzten Jahren kam es auch zu einer Zunahme von Studienergebnissen zum Feuerwiderstand und zur feuerbeständigen Gestaltung solcher Bauteile. Eine Finite-Elemente-Studie zum Feuerwiderstand von SRCFST-Elementen bei ungleichmäßigem Feuer und während des gesamten Brandprozesses wurde von Han et al.21,22,23 durchgeführt. Meng et al.24,25 führten eine experimentelle Untersuchung zum Feuerwiderstand dieser Art von Bauteilen durch. Die Resttragfähigkeit von SRCFST wurde auch numerisch berechnet26 nach einem ISO-834-Standardbrand, und sie schlugen außerdem eine Formel zur Vorhersage des Restfestigkeitsindex von quadratischen Innenprofilstahl- und Stahlrohrbetonsäulen unter verschiedenen Feuereinwirkungstechniken vor. Die seismische Leistung von SRCFST nach einem Brand wurde von Han et al.27 untersucht und sie fanden heraus, dass die SRCFST-Mitglieder eine bessere seismische Leistung erbringen als normale CFST-Mitglieder, die einem Feuer ausgesetzt waren.

Querschnittsformen von SRCFST.

In der tatsächlichen Technik kommt es aufgrund der unterschiedlichen Platzierung der Säulen zu einseitigem Feuer, relativem oder nahegelegenem zweiseitigem Feuer und dreiseitigem Feuer sowie anderen ungleichmäßigen Brandgrenzbedingungen, wie in Abb. 2 dargestellt . Die Gebäudestruktur, die nach einem Brand nicht eingestürzt ist, muss verstärkt und repariert werden, und wenn sie einen Erdbebenschutz erfordert, sollte auch darauf geachtet werden, ob ihre seismische Leistung diese Kriterien erfüllt.

Schematische Darstellung ungleichmäßiger Brandbedingungen.

Daher ist es wichtig, die seismische Leistung von mit Stahlbeton gefüllten Stahlrohrsäulen nach unterschiedlichen Brandrandbedingungen zu untersuchen, da ungleichmäßiger Brand eine typische Brandart im Ingenieurwesen ist. In dieser Forschung wurde die Finite-Elemente-Simulationsmethode verwendet, um die seismische Leistung von SRCFST-Komponenten zu analysieren, die durch ABAQUS ungleichmäßigem Feuer ausgesetzt waren. Zunächst wurde das Temperaturfeld während des ungleichmäßigen Brandes analysiert. Zweitens werden die Hysteresekurven, Skelettlinien, Duktilitätskoeffizienten, Steifigkeit, Energiedissipation und andere seismische Indizes dieser Art von Bauteilen berechnet. Abschließend wurde am Beispiel eines dreiseitigen Brandes der Beitrag von Stahlrohr, Profilstahl und Beton zum seismischen Verhalten nach dem Brand untersucht und der Duktilitätskoeffizient parametrisch untersucht.

Die Analysemethode der sequentiellen thermischen Kopplung wird in dieser Forschung angewendet, um zunächst das Temperaturfeldmodell und dann das mechanische Feldmodell zu erstellen. Die thermischen Eigenschaften von Stahl und Beton haben einen erheblichen Einfluss auf die Genauigkeit der numerischen Berechnungsergebnisse im Temperaturfeldmodell. Nach einer gründlichen Durchsicht der Literatur verwenden die meisten Forscher Lie28, das durch die Simulation der thermischen Eigenschaften von Beton und Stahl vorgeschlagen wurde, um das Temperaturfeld zu bestimmen, das dem Test am nächsten kommt. Daher wird in diesem Artikel auch dasselbe thermische Modell angewendet. Der Beton erwärmt sich auf etwa 100 °C, wenn das Wasser verdunstet und Wärme absorbiert, was sich auf das Temperaturfeld auswirkt. Daher wird in dieser Untersuchung die Formel Han29 für die korrigierte Kapazität und spezifische Wärme von Beton bei 100 °C verwendet Es wird erwartet, dass der Wassergehalt im Beton 5 % beträgt und dass alles bei 100 °C verdunstet, wie in den Gleichungen gezeigt. (1) und (2):

wobei ρc' und cc' das Volumengewicht und die spezifische Wärme des Betons unter Berücksichtigung von Wasserdampf darstellen; ρc und cc stellen das Volumengewicht und die spezifische Wärme des Kernbetons dar, wenn Wasserdampf nicht berücksichtigt wird; ρw und cw stellen das Volumengewicht bzw. die spezifische Wärme von Wasser dar.

Eine Doppelfaltenlinie wird verwendet, um die Spannungs-Dehnungs-Beziehung von Stahl nach natürlicher Abkühlung bei hoher Temperatur zu simulieren, und der spezifische Ausdruck ist Gl. (3):

Zur Ermittlung der Fließgrenze nach der Hochtemperatur wird folgende Formel (4) verwendet:

wobei Tmax die höchste Temperatur in der Geschichte ist.

In der elastischen Phase beträgt der Elastizitätsmodul \(E_{{{\text{sp}}}} (\mathop T\nolimits_{\max } ){ = }E_{{\text{s}}} = 2,06 \times 10^{5}\) MPa, und in der Verstärkungsphase ist es \(E_{{{\text{sp}}}}^{^{\prime}} (\mathop T\nolimits_{\max } ){ = 0}{\text{.01}}E_{{\text{s}}} (\mathop T\nolimits_{\max } ) = 2,06 \times 10^{3}\) MPa.

Durch Modifizieren der Spitzenspannung und Spitzendehnung des Spannungs-Dehnungs-Beziehungsmodells des Stahlrohrkernbetons bei Umgebungstemperatur auf der Grundlage der von Lin30 in Form einer Gleichung dargestellten Gleichung wird die Spannungs-Dehnungs-Beziehung des Kernbetons nach hoher Temperatur erreicht (5).

wobei \(x{ = }\frac{\varepsilon }{{\varepsilon {}_{0}}},y = \frac{\sigma }{{\sigma_{0} }},\sigma_{0} = \frac{{f_{{\text{c}}}^{^{\prime}} }}{{1 + 2,4(T_{\max } - 20)^{6} \times 10^{ - 17} }},\varepsilon_{0} = (1300 + 12,5f_{{\text{c}}}^{^{\prime}} ) \times 10^{ - 6} \times [1 + (1500T_{\max } + 5T_{\max }^{2} ) \times 10^{ - 6} ],\)

\(f_{{\text{c}}}^{^{\prime}} \;\) ist die axiale Druckfestigkeit des Betonzylinders bei Umgebungstemperatur, Tmax ist die höchste jemals erlittene Temperatur, ξ ist der Zwangseffekt Koeffizient, \(\xi = \frac{{A_{{\text{s}}} f_{{\text{y}}} }}{{A_{{\text{c}}} f_{{{\ text{ck}}}} }}\).Die Steigung der Tangente der Spannungs-Dehnungs-Beziehungskurve hinter dem Ursprung wird zur Berechnung des Elastizitätsmoduls des Kernbetons nach hohen Temperaturen verwendet.

Bei den Wärmeübertragungsproblemen der SRCFST-Komponenten handelt es sich tatsächlich um instationäre Wärmeleitungsprobleme ohne interne Wärmequelle. Bei den in dieser Arbeit untersuchten Brandbedingungen handelt es sich um solche, bei denen Wärmestrahlung und Konvektion Wärme von der Außenseite der Struktur auf die Stützenelemente übertragen. Die dritte Kategorie von Randbedingungen, die ISO-834-Erwärmungskurve, die die Auswirkungen von Konvektion und Strahlung auf die Bauteilgrenzen berücksichtigt, regelt, wie sich die Temperatur während des Branderhitzungsprozesses ändert. Für die Brandfläche wird der Wärmedurchgangskoeffizient mit 25 W/(m∙ °C) und der integrierte Strahlungskoeffizient mit 0,5 angenommen; Für die nicht brennende Oberfläche wird der Wärmeübergangskoeffizient mit 9 W/(m∙ °C)31 angenommen und die Stefan-Boltzmann-Konstante wird mit 5,67×10–8 W/(m3∙K4) mit einem absoluten Nullpunkt angenommen von − 273 °C29. Im Temperaturfeld-Berechnungsmodell wird von einer Gesamtwärmeübertragung ausgegangen, ohne Berücksichtigung des Kontaktwärmewiderstands zwischen Stahl und Beton, und es werden „Verbindungsbeschränkungen“ zwischen Stahlrohr und Beton, Beton und Profilstahl angewendet. Im mechanischen Feldberechnungsmodell verwenden Stahlrohr und Beton, Profilstahl und Beton den „Fläche-zu-Fläche“-Kontakt, wobei die durchschnittliche Richtung unter Verwendung des harten Kontakts, des tangential arbeitenden Cullen-Reibungsmodells und des Reibungskoeffizienten 0,6 beträgt. Abbildung 3 zeigt die Belastungsstufen und Randbedingungen der Komponenten. Der Ladevorgang gliedert sich in drei Phasen: Erstens, Erhitzen der Feueroberfläche der Säulenelemente; zweite, schwenkbare Säulenenden mit konstanter axialer Belastung oben; und drittens die in der Spannweite aufgebrachte reziproke Verschiebungslast. Kraftgesteuerte Belastung, verschiebungsgesteuerte Belastung32 und hybride kraft-weggesteuerte Belastung sind die drei Hauptkategorien der vorgeschlagenen experimentellen Regeln für statische Belastungen, die derzeit verwendet werden. In dieser Arbeit wird eine verschiebungsgesteuerte Belastung ausgewählt, d. h. die Verschiebung während der Belastung wird als Steuergröße verwendet, und die zyklische Belastung wird entsprechend einem bestimmten Verschiebungsanstieg durchgeführt, und die Zielverschiebungsamplitude wird unter Bezugnahme auf JGJ/T 101– ermittelt. 201533 als 0,25Δy, 0,5Δy, 0,75Δy, 1Δy, 1,5Δy, 2,0Δy, 3,0Δy, 4,0Δy, 5,0Δy, 6,0Δy, 7,0Δy, 8,0Δy, Δy ist die Ertragsverschiebung der Säule und jede Stufe ist jeweils dreimal gefahren. Stahlrohre, Profilstahl, Beton sowie sowohl der mechanische als auch der thermische Bereich verwenden C3D8R-Einheiten. Temperatur und mechanische Felder greifen konsequent ineinander.

Belastungsprozess und Randbedingungen.

Numerische Berechnungen wurden für die in der Fachliteratur beschriebenen Tests des ungleichmäßigen Brandes von rechteckigen Stahlrohrsäulen aus Beton34 und für den Hysteresetest von mit Beton gefüllten quadratischen Stahlrohrsäulen nach dem Brand in der Literatur30 durchgeführt. Die Testparameter sind in den Tabellen 1 und 2 sowie in den Abbildungen aufgeführt. 4 und 5 zeigen die Vergleichskurven zwischen den beiden Tests.

Vergleich experimenteller und berechneter Kurven.

P-Δ-Hysteresekurven nach Brandeinwirkung.

Die Beziehungskurve zwischen Feuerfestzeit und axialer Verformung ist in Abb. 4 dargestellt. Es kann gezeigt werden, dass die numerischen Simulationsergebnisse der Feuerwiderstandsgrenze bei ungleichmäßigem Feuer dem Test nahe kommen.

Abbildung 5 zeigt die P-Δ-Hysteresekurve der CFST-Elemente nach einem Brand. Es ist ersichtlich, dass Form und Größe der Hystereseschleife nach einem Brand ebenfalls hervorragend mit dem Experiment übereinstimmen. Obwohl zwischen der Testkurve und der durch numerische Berechnung erhaltenen Kurve ein gewisser Unterschied besteht, liegt dies daran, dass die numerische Berechnung idealisiert ist und der Testprozess anfängliche Fehler usw. aufweist. Abbildung 6 zeigt den Vergleich zwischen den numerischen Berechnungsergebnissen von der Versagensmodus des S3-Elements und die Testergebnisse, aus denen hervorgeht, dass sich beide in integraler Biegung befinden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Modellierungsmethode ein gewisses Maß an Zuverlässigkeit aufweist.

Fehlermodi von S3-Experiment und numerischer Simulation.

Nachdem unterschiedliche Brandeinwirkungsmodi festgelegt wurden, wurden die in Tabelle 3 gezeigten Standardelemente unter Verwendung der oben genannten Modellierung unter Berücksichtigung der Anforderungen von GB50936-201435 und JGJ138-200136 sowie der gemeinsamen Abmessungen des tatsächlichen Projekts entworfen. Darauf folgte das seismische Leistungsanalysemodell der SRCFST-Mitglieder.

Die Temperaturwolken des Säulenquerschnitts zu verschiedenen Zeitpunkten nach unterschiedlichen Feuereinwirkungsmethoden sind in den Abbildungen dargestellt. 7, 8, 9 und 10. Wie beobachtet werden kann, wenn das Feuer gleichmäßig ist, ist die Temperaturfeldverteilung zweiachsig symmetrisch, drei Seiten des Feuers, ein einseitiges Feuer, das Temperaturfeld ist einachsig symmetrisch, die angrenzende Seite des Feuers Feuer ist das Temperaturfeld nicht symmetrisch.

Querschnittstemperaturwolken in verschiedenen Brandstadien auf allen vier Oberflächen.

Temperaturwolken im Querschnitt in verschiedenen Stadien des Brandes auf drei Oberflächen.

Querschnittstemperaturwolken in verschiedenen Brandstadien auf allen beiden Oberflächen.

Temperaturwolken im Querschnitt in verschiedenen Stadien des Brandes auf einer einzelnen Oberfläche.

Abbildung 11 zeigt die Breiten-Temperatur-Schwankungskurven entlang des Abschnitts zu verschiedenen Zeiten und unter verschiedenen Brandbedingungen. Drei Seiten des Feuers, eine größere Feuerfläche, eine heißere Feuerfläche auf der Rückseite und zwei Seiten des Feuers danach. Bei einseitiger Befeuerung ist die Temperatur auf der Rückseite am niedrigsten und erreicht nahezu Umgebungstemperatur. Die Temperatur der Rückzündungsfläche steigt mit zunehmender Heizperiode allmählich an, da die Wärme von der Brandfläche kontinuierlich auf die Rückzündungsfläche übertragen wird. Dies geschieht auch dann, wenn die Temperatur auf der Feuerseite sehr hoch und die Temperatur auf der Rückfeuerseite vergleichsweise niedrig ist. Die Temperaturfeldverteilung ist aufgrund der vergleichsweise hohen Temperatur auf der Feuerempfangsseite und der relativ niedrigen Temperatur auf der Rückzündungsseite ungleichmäßig. Dies hat zwei Konsequenzen für die mechanischen Eigenschaften des Teils, nämlich unterschiedliche Exzentrizität und zusätzliche Durchbiegung, was zu ungleichmäßigen Brandeigenschaften führt, die von einheitlichen Brandeigenschaften abweichen.

Temperatur-Tiefen-Kurven.

Die Eigenschaften der Tragfähigkeit, Duktilität und Energiedissipationskapazität von Bauwerken und Bauteilen fließen in die seismische Leistung ein. Diese Eigenschaften sind entscheidend für die Funktionsfähigkeit von Bauwerken bei großen Erdbeben und entscheidend für die Erdbebensicherheit. Die Ergebnisse der Berechnung, die in dieser Studie zur Bestimmung der seismischen Indizes für diese Art von Bauteilen nach einem Brand verwendet wurde, sind wie folgt.

Abbildung 12 zeigt den Versagensmodus des SRCFST-Elements unter gegenseitiger Belastung nach einem ungleichmäßigen Brand. Es ist ersichtlich, dass der Versagensmodus der Stütze unabhängig von der Brandrandbedingung derselbe ist. Zunächst kommt es zu einer Druckknickung in der Säule, dann wird bei Entlastung und umgekehrter Belastung der Wölbungsabschnitt wieder abgeflacht und es entsteht auf der anderen Seite eine Druckknickung. Mit zunehmender Belastungs- und Entlastungsverschiebung verstärken sich die Wölbungsphänomene, aber dieser Bauteiltyp weist immer noch eine gute Tragfähigkeit auf.

Versagensmodus von SRCFST-Mitgliedern nach gegenseitiger Belastung unter ungleichmäßigem Beschuss.

Abbildung 13 zeigt das Spannungswolkendiagramm des Spannweitenquerschnitts jeder Komponente im SRCFST-Element nach dem dreiseitigen Brand. Das Temperaturfeld auf der asymmetrischen Achse bildet eine Asymmetrie des Materialverlusts aufgrund der Temperaturasymmetrie und bildet so ein inhomogenes Materialfeld im Querschnitt des Elements, das dazu führt, dass sich der Mittelpunkt der Verbindungskraft des Querschnitts verschiebt und bildet zusätzlicher Exzenterabstand. Die Spannungen im inneren Profilstahl und im umlaufenden Stahlrohr sind unter dem kombinierten Einfluss von Temperatur und Wechsellast größer als die Spannungen im Beton, was zeigt, dass das Stahlrohr und das Profilstahl den Großteil der Last tragen.

Spannungswolke im Spannbereich der SRCFST-Säule nach einem Brand auf drei Oberflächen.

Die P-Δ-Hysteresekurven von SRCFST-Elementen nach gleichmäßigen und ungleichmäßigen Bränden sind in Abb. 14 dargestellt. Es ist klar, dass sich die Elemente zu diesem Zeitpunkt im elastischen Stadium befinden, da das P-Δ-Verhältnis der Säulen nahe bei a liegt Wenn die seitliche Verformung gering ist, bildet sich eine gerade Linie und es bildet sich keine erkennbare Hystereseschleife. Die von der Hystereseschleife umfasste Fläche wächst mit zunehmender seitlicher Verschiebung zunehmend, und alle Hysteresekurven sind ziemlich vollständig, ohne dass es zu merklichen Einklemmproblemen kommt. Da sich die Materialeigenschaften des Stahls nach der natürlichen Abkühlung erholten, erhöhte sich die Beitragsfähigkeit des äußeren Stahlrohrs und des inneren Profilstahls zur Tragfähigkeit und Duktilität nach einem Brand. Durch die zurückhaltende Wirkung des äußeren Stahlrohrs auf den Kernbeton kann eine Verbundschädigung des Betons verhindert werden, der Profilstahl kann die Entstehung von Diagonalrissen im Kernbeton verzögern oder teilweise verhindern, der Kernbeton verbessert die Stabilität des äußeren Stahlrohrs und der profilierte Stahl, der den Festigkeitsabfall, der durch das Knicken des Stahlrohrs und des profilierten Stahls verursacht wird, wirksam verhindern kann. Das Zusammenspiel von Stahlrohr, Profilstahl und Kernbeton verleiht diesen Teilen ihr erhebliches Potenzial zur Energieableitung. Wenn dagegen alle vier Seiten dem Feuer ausgesetzt sind, wird das Bauteil beschädigt, wenn die Verschiebungsamplitude 58,2 mm übersteigt, und die Größe der Hystereseschleife verringert sich aufgrund der erhöhten Anzahl von Brandflächen, der hohen Überbrandtemperatur und der starken Materialverschlechterung. Im Vergleich zu einem vierseitigen Brand wird die Brandfläche verringert, was sich auch auf die historische Maximaltemperatur, den Materialabbau, die Größe der Hystereseschleife des Elements und die Spitzenlast jeder Hystereseschleife auswirkt.

Hysteresekurven der P-Δ-Beziehungen.

Abbildung 15 zeigt die Moment-Krümmungs-Hysteresekurven der Spannweitenabschnitte der SRCFST-Säulen. Es ist ersichtlich, dass die Formen der M-φ-Hysteresekurven der SRCFST-Mitglieder nach dem Brand voller sind, mit Ausnahme der vier Seiten des Brandes. Die P-Δ-Hysteresekurve ist vergleichbar mit dem charakteristischen Gesetz von M-φ von SRCFST-Mitgliedern in verschiedenen Brandsituationen; Wenn die Anzahl der Brandflächen abnimmt, wächst die Fläche der Hystereseschleife, und wenn die Fläche der M-φ-Hystereseschleife auf eine Seite angewendet wird, ist sie am größten und vollsten. Aus der M-φ-Hysteresekurve kann außerdem geschlossen werden, dass SRCFST-Säulen eine hervorragende seismische Leistung bei Feuereinwirkung aufweisen.

Hysteresekurven der M-φ-Beziehungen.

Abbildung 16 zeigt die P-Δ-Skelettlinie eines typischen SRCFST-Mitglieds nach Berücksichtigung verschiedener Brandereignisse. Das Variationsgesetz der Stabskelettlinie ist in allen vier Betriebsfällen im Wesentlichen dasselbe. Die maximale Tragfähigkeit des Teils nimmt mit zunehmender Brandfläche ab. Die maximale Tragfähigkeit eines vierseitigen Feuers ist 13,54 % niedriger als die eines dreiseitigen Feuers, und die maximale Tragfähigkeit eines dreiseitigen Feuers ist 5,03 % niedriger als die eines zweiseitigen Feuers Die Tragfähigkeit eines zweiseitigen Feuers ist 7 % geringer als die eines einseitigen Feuers. Wie zu beobachten ist, wird die Skelettlinie weniger von Temperaturschwankungen beeinflusst, da die Anzahl der Brandflächen abnimmt und die seitliche Wechsellast als regulierender Faktor wichtiger wird. Darüber hinaus ist zu beobachten, dass ein ungleichmäßiger Beschuss dazu führt, dass die Skelettlinie in einem etwas höheren Winkel abfällt. Dies liegt daran, dass unter diesen drei Brandbedingungen der Schwerpunkt des Abschnitts der Probenstärke gegenüber der ungebrannten Oberfläche versetzt ist und die Linie der horizontalen Kraftwirkung nicht durch den Mittelpunkt der Abschnittsstärke verläuft, was zu einer Exzentrizität führt.

Skelettkurven der P-Δ-Beziehungen.

Zur Darstellung der Steifigkeit von Proben wird die Schnittliniensteifigkeit verwendet, die nach folgender Formel (6) ermittelt wird36:

Dabei ist Pj der positive und negative Spitzenpunktlastwert während des ersten Zyklus der Stufe j und Δj die entsprechende Verschiebung. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 17 dargestellt. Es ist offensichtlich, dass unabhängig von den Brandbedingungen die kombinierten Auswirkungen von Feuer und zyklischer Beanspruchung dazu führen, dass die Steifigkeit stetig abnimmt. Der Einfluss der Temperatur auf den Steifigkeitsabbau des Bauteils ist zu Beginn der Belastung empfindlicher. Im Vergleich zu vierseitigen Flammen stieg die Steifigkeit bei Δ = 2,2 mm um 2,84 %, 12,03 % und 41,51 % für dreiseitige, angrenzende und einseitige Flammen. Folglich nimmt die Steifigkeit mit abnehmender Anzahl der Brandflächen zu. Bei dreiseitigen, aneinander angrenzenden und einseitigen Flammen erhöht sich die Steifigkeit um 7,31 %, 18,92 % und 26,12 %, wenn Δ = 25 mm im Vergleich zu vierseitigen Bränden. Der Unterschied in der Steifigkeit der Elemente bei verschiedenen Brandarten nimmt schnell ab, wenn die hin- und hergehende Kraft zunimmt, der Einfluss der Temperatur auf die Steifigkeit der Säulen abnimmt und die seitliche Belastung die Kontrolle übernimmt.

Verschlechterung der Steifigkeit.

Die Verformungsfähigkeit eines Bauteils ist seine Duktilität, die oft durch den Duktilitätskoeffizienten dargestellt wird, der folgendermaßen beschrieben wird36,37,38,39:

wobei Δy die Fließverschiebung und Δu die endgültige Verschiebung bezeichnet. Die von Park et al.40 vorgeschlagene Technik wurde verwendet, um die Fließverschiebung zu berechnen, und die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 4 dargestellt. Wie ersichtlich ist, sind die Fließlast und die Spitzenlast der Elemente viel bedeutender, nachdem verschiedene nicht- gleichmäßiger Brandtechniken als nach gleichmäßigem Brand, und der erhöhte Wert steigt mit abnehmender Anzahl der Brandflächen der Proben. Die Streckgrenzen der Proben nach dreiseitigem Brand, benachbartem Brand und einseitigem Brand stiegen um 12,59 %, 21,62 % bzw. 28,71 %, während die Spitzenlasten um 14,84 %, 22,29 % bzw. 31,52 % anstiegen % bzw. im Vergleich zu den gleichmäßig verbrannten Teilen. Dies liegt vor allem daran, dass Brände, die hohe Temperaturen erreichen, die mechanischen Eigenschaften von Stahl und Beton drastisch verschlechtern. Darüber hinaus vergrößert sich mit zunehmender Anzahl der Brandflächen der Querschnitt des Überbrandtemperaturfelds der Komponenten, was zu schwerwiegenderen Schäden nach der Katastrophe führt. Der Duktilitätskoeffizient ist am signifikantesten, wenn das Feuer auf einer Seite angewendet wird, am niedrigsten, wenn es auf vier Seiten angewendet wird, und der Unterschied zwischen den Duktilitätskoeffizienten, wenn das Feuer auf benachbarten Seiten und auf drei Seiten angewendet wird, ist nicht sehr signifikant. Dreiseitiges Feuer, angrenzendes Feuer und einseitiges Feuer hatten alle höhere Duktilitätskoeffizienten als gleichmäßiges Feuer und stiegen um 43,4 %, 52,6 % bzw. 84,2 %. Im Falle eines ungleichmäßigen Brandes führt die Anzahl der Brandflächen zu einer Erhöhung der Fließverschiebung des Bauteils, einer relativ geringen Änderung der endgültigen Verschiebung und einem Abfall des Duktilitätskoeffizienten.

Ein Bauwerk ist einem Erdbeben ausgesetzt, das Energie in das Bauwerk einbringt und es dazu veranlasst, kontinuierlich Energie aufzunehmen und abzugeben. Die Fähigkeit der Mitglieder, Energie abzuleiten, bestimmt, wie gut sich das System seismisch verhält, wenn es in den elastisch-plastischen Zustand übergeht. Die Fähigkeit eines Strukturelements, Energie zu dissipieren, wird durch die Fläche bestimmt, die von seiner Last-Verformungs-Hysteresekurve umfasst wird, und die Akkumulation dieser Fläche gibt die elastisch-plastische Energiedissipation der Struktur hinsichtlich ihrer Größe an. Abbildung 18 zeigt die Kurve der Verlustenergie E gegenüber der seitlichen Verschiebung Δ. Es ist offensichtlich, dass mit zunehmender Anzahl der Brandflächen der kumulative Hystereseenergieverbrauch jeder Probe abnimmt. Der Hystereseenergieverbrauch wird jedoch minimiert, wenn das Feuer gleichmäßig ist, da dies dazu führt, dass der Säulenabschnitt hohen Überbrandtemperaturen, starker Materialverschlechterung und vorzeitiger Beschädigung der Elemente ausgesetzt ist. Darüber hinaus ist klar, dass sich das Element bei geringer seitlicher Verschiebung im Wesentlichen in einem elastischen Zustand befindet und dass der von der Hystereseschleife umschlossene Bereich winzig ist, was zu einem geringen Energieverbrauch führt. Das Bauteil tritt in die plastische Phase ein, wenn die seitliche Verschiebung zunimmt, sich die Fläche der Hystereseschleife ausdehnt und die Energiedissipation zunimmt.

Energiedissipation.

Die P-Δ-Hysteresekurven und Skelettlinien jeder Komponente wurden für drei dem Feuer ausgesetzte Seiten berechnet, um den Grad des Beitrags jedes Elements zur seismischen Leistung von SRCFST-Elementen nach einem Brand zu bewerten, wie in den Abbildungen 19 und 20 dargestellt. Wie kann Zu beachten ist, dass Stahlrohre die höchsten Hysteresekurven, die besten Spitzenlasten bei allen Belastungsniveaus, die steifsten elastischen Phasen und die besten Energiedissipationskapazitäten aufweisen. An zweiter Stelle steht Profilstahl, an letzter Stelle steht Beton. Dies liegt daran, dass nach dem Brand die Temperatur an der Peripherie des Stahlrohrs schnell anstieg und sich auf die Mitte des Abschnitts verlagerte. Durch die natürlichen Abkühlungsbedingungen haben sich die Materialeigenschaften des Stahls inzwischen erholt, so dass er den größten Teil der gegenseitigen Belastung tragen kann. Beton dient als natürlich vorkommende Schutzschicht für den Profilstahl, senkt die Abschnittstemperatur, verhindert ein frühes lokales Knicken und schützt die inneren Stahlabschnitte und das periphere Stahlrohr vor Schäden. Da das Stahlrohr darüber hinaus als Barriere gegen die Bildung schräger Risse im Beton fungiert, ist ein solches Bauteil aufgrund der synergetischen Wechselwirkung zwischen Stahlrohr, Profilstahl und Beton auch nach einem Brand weiterhin seismisch leistungsfähig.

Hysteresekurven der P-Δ-Beziehungen.

Skelettkurven der P-Δ-Beziehungen.

Der Duktilitätskoeffizient μ wird als seismischer Index für das Beispiel eines dreiseitigen Feuers verwendet, um die Auswirkungsgesetze jedes Parameters auf die seismische Leistung der Betonbauteile mit inneren Stahlprofilen nach dem ungleichmäßigen Feuer weiter zu untersuchen. Anschließend wird für jeden Parameter im Bereich der im Ingenieurwesen üblicherweise verwendeten Parameter eine parametrische Analyse durchgeführt; Die Hauptparameter sind Aufheizzeit, Axialdruckverhältnis, Schlankheitsverhältnis und Stahlgehalt. Tabelle 5 zeigt die genauen Werte.

Die Auswirkung des axialen Kompressionsverhältnisses auf den dreiseitigen Duktilitätskoeffizienten der SRCFST-Elemente nach einem Brand ist in Abb. 21a dargestellt. Es ist offensichtlich, dass das axiale Verdichtungsverhältnis insgesamt einen größeren Einfluss hat. Wenn das axiale Kompressionsverhältnis 0,3, 0,5 oder 0,8 beträgt, werden die Duktilitätskoeffizienten im Vergleich zum axialen Kompressionsverhältnis von 0,1 um 13,13 %, 44,15 % bzw. 61,15 % reduziert. Daher ist es wichtig, die Einschränkungen des axialen Druckverhältnisses der Elemente bei der Konstruktionskonstruktion zu regulieren.

Analyse der Parameter des Duktilitätskoeffizienten.

Wenn die Branddauer weniger als 90 Minuten beträgt, nimmt der Duktilitätskoeffizient der Probe typischerweise mit zunehmender Branddauer zu, wie in Abb. 21b dargestellt. Dies liegt daran, dass eine längere Brandzeit dazu führt, dass die ultimative Druckspannung der Säulen zunimmt, was dazu führt, dass der Beton verzögerte Quetschschäden erleidet und die Duktilität verbessert wird. Aufgrund der hohen historischen Maximaltemperatur des Bauteilabschnitts und der starken Verschlechterung der Materialeigenschaften sinkt der Duktilitätskoeffizient bei einer Branddauer von mehr als 90 Minuten.

Abbildung 21c zeigt, wie sich das Verhältnis von Länge zu Schlankheit auf den Duktilitätskoeffizienten von SRCFST-Komponenten nach einem Brand auf drei Seiten auswirkt. Mit zunehmendem Schlankheitsverhältnis sinkt der Duktilitätskoeffizient drastisch. Der Duktilitätskoeffizient verringert sich um 65,4 % für λ = 30 im Vergleich zu λ = 10, um 52,8 % für λ = 50 im Vergleich zu λ = 30 und um 38,2 % für λ = 70 im Vergleich zu λ = 50. Daher ist das Längenverhältnis der Säule Die Elemente sollten beim Entwurf der Struktur angemessen ausgewählt werden, um eine vorzeitige Beschädigung der Elemente aufgrund des übermäßigen Längenverhältnisses zu vermeiden.

Der Einfluss des Stahlgehalts auf den Duktilitätskoeffizienten ist minimal, wie Abb. 21d zeigt, wo der Duktilitätskoeffizient tendenziell abnimmt, wenn der Profilstahlanteil steigt.

Wenn der Anteil der Stahlrohre zunimmt, nimmt der Duktilitätskoeffizient tendenziell ab. Wenn αt 0,08, 0,15 bzw. 0,2 beträgt, steigt der Duktilitätskoeffizient um 7,86 %, 11,10 % und 21,43 %, wie in Abb. 21e dargestellt. Dies liegt daran, dass das Stahlrohr am meisten zur Steifigkeit und Tragfähigkeit nach einem Brand beiträgt, da mehr Stahl die Steifigkeit erhöht und gleichzeitig die Duktilität verringert.

Der Einfluss der Betondruckfestigkeit auf den Verschiebungsduktilitätsfaktor µ ist in Abb. 21f dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Entwicklung der Druckfestigkeit von Beton über den Duktilitätskoeffizienten tendenziell zunächst zunimmt und dann abnimmt. Der Duktilitätsfaktor nimmt mit steigender Druckfestigkeit des Betons allmählich zu, wenn fcu weniger als 60 MPa beträgt; Beispielsweise steigt er um 53,7 %, wenn fcu zwischen 20 und 40 MPa liegt, und um 13,8 %, wenn fcu zwischen 40 und 60 MPa liegt. Der Duktilitätskoeffizient nimmt ab, wenn fcu über 60 MPa liegt, und 80 MPa sind 15 % weniger duktil als 60 MPa. Der Gesamteinfluss der Betondruckfestigkeit auf den Verschiebungsduktilitätskoeffizienten ist jedoch unbedeutend.

Wie in Abb. 21g dargestellt, steigt der Duktilitätskoeffizient mit zunehmender Streckgrenze leicht an, wenn die Streckgrenze des Stahlrohrs unter 390 MPa liegt. Der Duktilitätskoeffizient beginnt zu sinken, wenn die Streckgrenze von Stahlrohren über 390 MPa steigt. Insgesamt hat der Duktilitätskoeffizient aufgrund der Streckgrenze des Stahlrohrs keinen großen Einfluss.

Der Zusammenhang zwischen der Streckgrenze und dem Duktilitätskoeffizienten von Profilstahl ist in Abb. 21h dargestellt. Die Duktilität verbesserte sich um 7,7 % für fys = 345 MPa im Vergleich zu fys = 235 MPa, um 2,1 % für fys = 390 MPa im Vergleich zu fys = 345 MPa und 1,4 % für fys = 420 MPa im Vergleich zu fys = 390 MPa. Es ist ersichtlich, dass der Duktilitätskoeffizient mit steigender Streckgrenze geringfügig, jedoch nur geringfügig, zunimmt.

Mit zunehmender Dicke der Schutzschicht steigt tendenziell der Duktilitätskoeffizient des Bauteils nach einem Brand. Abbildung 21i zeigt, dass die Duktilität des Bauteils mit a = 5 mm im Vergleich zur blanken Säule um 21,43 % erhöht ist, die des Bauteils mit a = 10 mm um 14,12 % im Vergleich zu der des Bauteils mit a = 5 mm, und das des Elements mit a = 15 mm ist um 3,4 % größer als das des Elements mit a = 10 mm. Das Wachstum wird zunehmend verlangsamt, wenn die Schutzschichtdicke erhöht wird, denn sobald sie a erreicht Bei einer bestimmten Dicke stabilisiert sich die Überbrandtemperatur des Querschnitts und die Materialeigenschaften verschlechtern sich durch den Brand nicht wesentlich. Um die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Komponenten im Projekt zu gewährleisten, ist der Einbau einer Brandschutzschicht die einfachste Methode.

In dieser Arbeit wurde die numerisch simulierte seismische Leistung von mit Stahlbeton gefüllten rechteckigen Stahlrohren nach Einwirkung von ungleichmäßigem Feuer vorgestellt. Die Schlussfolgerungen wurden wie folgt gezogen:

(1) Mit Stahlbeton gefüllte rechteckige Stahlrohrelemente der vier Seiten des gleichmäßigen Feuers, das Temperaturfeld ist zweiachsig symmetrisch, drei Seiten des Feuers, einseitiges Feuer, das Temperaturfeld ist einachsig symmetrisch, die angrenzende Seite Im Brandfall ist das Temperaturfeld nicht symmetrisch. Mit abnehmender Anzahl der Brandflächen sinkt die Überbrandtemperatur in der Mitte des Abschnitts. Aufgrund der Inhomogenität der Temperaturfeldverteilung hat der ungleichmäßige Brand zwei Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der Bauteile, nämlich eine erhöhte Durchbiegung und andere Exzentrizitäten. Dadurch weichen die mechanischen Eigenschaften nach dem Brand von denen des Flächenbrandes ab.

(2) Eine vergrößerte Brandoberfläche führt zu einer verringerten Tragfähigkeit der Elemente bei verschiedenen Brandbedingungen, zu einem erhöhten Steifigkeitsabbau, einem verringerten Duktilitätskoeffizienten und einer verringerten Fähigkeit zur Energieableitung.

(3) Nach einem ungleichmäßigen Brand unter Wechsellast trägt das Stahlrohr die größte Belastung, das Stahlprofil steht an zweiter Stelle und der Beton an dritter Stelle. Allerdings verbessert das Vorhandensein von Beton die Stabilität des Stahlrohres und des Profilstahls. Es verhindert ein vorzeitiges Knicken des Stahlrohrs und des Profilstahls, sodass die Komponenten zusammenwirken und diesem Bauteiltyp nach einem Brand eine bessere seismische Leistung verleihen.

(4) Der Duktilitätskoeffizient wird stark verringert, wenn das Axialdruckverhältnis und das Längen-Schlankheits-Verhältnis zunehmen. Daher sollte der Wert beim Bau der Struktur streng kontrolliert werden. Der wirksamste Weg, die Sicherheit von Bauelementen zu gewährleisten, ist der Brandschutz, da der Duktilitätskoeffizient der mit Schutzschichten bedeckten Teile nach einem Brand deutlich ansteigt.

Wir erklären hiermit, dass alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten in diesem veröffentlichten Artikel (und seinen ergänzenden Informationsdateien) enthalten sind.

Abschnittsfläche Beton (m2)

Querschnittsfläche aus Profilstahl (mm2)

Querschnittsfläche des Stahlrohrs (mm2)

Breite des Querschnitts (mm)

Länge des Querschnitts (mm)

Länge der Probe (mm)

Energieverlust (J)

Sekantensteifigkeit

Stahlrohrverhältnis

Profilstahlverhältnis

Aufheizzeit (min)

Dicke des Stahlrohrs (mm)

Streckgrenze von Stahlrohr (MPa)

Kubische Druckfestigkeit des Betons (MPa)

Streckgrenze von Profilstahl (MPa)

Axiales Kompressionsverhältnis der Säule

Schutzschichtdicke (mm)

Duktilitätskoeffizient der Säule

Fehlerverschiebung (mm)

Nachgiebigkeitsverschiebung (mm)

Endverdrängung (mm)

Verschiebung entsprechend Pj im ersten Zyklus der Ebene j (mm)

Streckgrenze (kN)

Endfestigkeit (kN)

Bruchlast (kN)

Spitzenlast im ersten Zyklus der Stufe j (kN)

Exzentrizität laden

Belastungen auf unter Feuer stehende Bauteile (kN)

Nach dem Brand auf die Säule ausgeübte Axialkraft (kN)

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Diese Forschung wurde von den Sonderfonds für den Forschungsgruppenbau des Wasserschutz- und Wasserkrafttechnik-Colleges der Gansu Agricultural University (Nr. Gaucwky-03), dem Youth Science and Technology Foundation Program der Provinz Gansu, China (Projekte Nr. 21JR7RA851), finanziert. der Science and Technology Innovation Fund der Gansu Agricultural University (GSAU-STS-2021-26).

Hochschule für Wasserschutz und Wasserkrafttechnik, Gansu Agricultural University, Lanzhou, 730070, China

Yi Han

Schlüssellabor für Katastrophenverhütung und -minderung im Bauingenieurwesen der Provinz Gansu, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, 730050, China

Yi Han

Fakultät für Bauingenieurwesen, Qinghai-Universität, Qinghai, 810016, China

Yan-Hong Bao

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Konzeptualisierung, YH; Methodik, YH und Y.-HB; Software, YH; Validierung, YH; Schreiben – ursprüngliche Entwurfsvorbereitung, YH; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, YH und Y.-HB; Aufsicht, YH und Y.-HB

Korrespondenz mit Yi Han.

Die Autoren erklären, dass ihnen keine konkurrierenden finanziellen Interessen oder persönlichen Beziehungen bekannt sind, die den Anschein erwecken könnten, dass sie die in diesem Artikel beschriebene Arbeit beeinflusst hätten.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Han, Y., Bao, YH. Seismische Leistung von mit Stahlbeton gefüllten rechteckigen Stahlrohren nach Einwirkung von ungleichmäßigem Feuer. Sci Rep 13, 1322 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28517-z

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Eingegangen: 01. August 2022

Angenommen: 19. Januar 2023

Veröffentlicht: 24. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28517-z

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