مهندسی سازه و ساخت

مهندسی سازه و ساخت

بررسی عملکرد و مشخصات مکانیکی بتن‌های معمولی و عملکرد بالا در برابر شعله مستقیم آتش

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان
1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
2 دانشیار دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
3 مربی دانشکده مهندسی عمران و محیط زیست، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
4 کارشناس مجموعه آزمایشگاه‌های دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
چکیده
‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬‬ بتن یک عایق حرارتی عالی و دارای ظرفیت حرارتی بالایی است. مقاومت بتن در برابر حرارت زیاد و انتشار حرارت در داخل نمونه‌های بتنی به خواص حرارتی و مکانیکی مواد تشکیل دهنده آن، میزان فشردگی ریزساختار و وجود یا عدم وجود الیاف مسلح کننده بستگی دارد. با توجه به احتمال وقوع آتش سوزی در طول عمر هر سازه و از طرف دیگر کاربرد سازه‌ای و غیرسازه‌ای بتن در محیط با درجه حرارت خیلی بالا، نشانگر ضرورت بررسی انواع بتن در دما‌های خیلی بالا است. در تحقیق حاضر عملکرد سه نوع بتن معمولی (NSC)، بتن با مقاومت بالا (HSC) و بتن فوق توانمند (UHPC) از لحاظ مقاومت فشاری و خمشی، مدول الاستسیته و ویژگی‌های ظاهری بعد از 3 ساعت قرار‌گیری در معرض درجه حرارت ℃20 ± 900 ناشی از شعله‌ها‌ی آتش سنجیده شده است. بر اساس نتایج افزودن kg/m^3 50 الیاف فولادی بازیافتی به ترتیب باعث افزایش 7 و 1 درصدی مقاومت فشاری باقیمانده در بتن‌های (NSC) و (UHPC) بعد از حرارت دیدگی گردید، ولی به کارگیری الیاف در بتن (HSC) موجب بهبود مقاومت فشاری نگردید. همچنین افزودن kg/m^3 50 الیاف فولادی بازیافتی در طرح اختلاط‌های HSC ,NSC و UHPC به ترتیب موجب افزایش 9، 4 و 18درصدی مدول الاستسیته باقیمانده بعد از حرارت دیدگی گردید. بکارگیری الیاف فولادی بازیافتی در NSC و HSC باعث کاهش طول، عمق و عرض ترک و همچنین محدود کردن آثار پوسته پوسته شدگی و حفظ انسجام ساختاری نمونه‌ها و در بتن UHPC باعث کاهش انتشار حرارت و حفظ انسجام ساختاری نمونه‌ها گردید. همچنین در تمامی بتن‌ها، الیاف موجب بهبود رفتار خمشی بعد از حرارت دیدگی و بتن مسلح شده UHPCبهترین عملکرد خمشی را داشته و در دوحالت قبل و بعد از حرارت، به ترتیب جذب انرژی07/59 و 63/7 ژول حاصل شد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Investigating the performance and mechanical properties of normal and high performance concretes against direct fire

نویسندگان English

meysam farahmandi 1
mohammadhossein Ahmadian Khameneh 1
Hassan Afshin 2
Gholamreza Qudsi Sharif 3
abu meysam mollaei 4
1 Master Student of Structural Engineering , faculty of Civil & Environmental Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz , Iran
2 Associate Professor of Structural Engineering , faculty of Civil & Environmental Engineering, Sahand University of Technology , Tabriz , Iran
3 Instructor of the Faculty of Civil Engineering , Sahand University of Technology, Tabriz , Iran
4 an expert in the laboratory complex of the Faculty of Civil Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz , Iran
چکیده English

Concrete is an excellent thermal insulator with a high heat capacity. heat transfer within concrete specimens depends on the thermal and mechanical properties of its constituent materials, the compactness of the microstructure, and the presence or absence of reinforcing fibers. In this research, the performance of three types of concrete: normal concrete (NSC), high-strength concrete (HSC), and ultra-high performance concrete (UHPC) in terms of compressive strength, elastic modulus, and appearance properties after exposure to a temperature of 900°C ± 20°C from flames for 3 hours was investigated. Based on the results, adding 50 kg/m³ of recycled steel fibers increased the residual compressive strength of NSC and UHPC after heat exposure by 7% and 1%, respectively, while the use of fibers in HSC did not improve compressive strength. Also, adding 50 kg/m³ of recycled steel fibers to the NSC, HSC, and UHPC mix designs increased the residual elastic modulus after heat exposure by 9%, 4%, and 18%, respectively. The addition of recycled steel fibers in NSC and HSC reduced the length, depth, and width of cracks and also limited the effects of spalling and preserved the structural integrity of the specimens, while in UHPC it reduced heat transfer and preserved the structural integrity of the specimens.Also, in all concretes, fibers improved the bending behavior after heating and UHPC reinforced concrete had the best bending performance and energy absorption was achieved in the two states before and after heating, respectively 59.07 and 7.63 Joules.

کلیدواژه‌ها English

Normal strength concrete
High strength concrete. ultra-high performance concrete
high-temperature
Elastic modulus
pore pressure
Concrete cracking
[1] Bird, M. I. (1995). Fire, prehistoric humanity, and the environment. Interdisciplinary Science Reviews, 20(2), 141–154. https://doi.org/10.1179/isr.1995.20.2.141
[2] Pierorazio, A., Cherolis, N.E., Lowak, M. et al. (2022). Assessment of Damage to Structures and Equipment Resulting from Explosion, Fire, and Heat Events. J Fail. Anal. and Preven. 22, 139–153. https://doi.org/10.1007/s11668-021-01330-4
[3] Anderson, A., Ezekoye, O.A. (2018). Quantifying Generalized Residential Fire Risk Using Ensemble Fire Models with Survey and Physical Data. Fire Technoly, 54, 715–747. https://doi.org/10.1007/s10694-018-0709-z
[4]  Manzoor, T., Bhat, J. A., & Shah, A. H. (2024). Performance of geopolymer concrete at elevated temperature− A critical review. Construction and Building Materials, 420, 135578.
[5] Dauji, S., Kulkarni, A. (2021). Fire Resistance and Elevated Temperature in Reinforced Concrete Members: Research Needs for India. J. Inst. Eng. India Ser. A 102, 315–333. https://doi.org/10.1007/s40030-021-00513-4
[6] Johnson, W. H., & Parsons, W. H. (1944). Thermal expansion of concrete aggregate materials. Washington, DC, USA: US Government Printing Office, (p. 32).
[7] Phan, L. T., & Carino, N. J. (2002). Effects of test conditions and mixture proportions on behavior of high-strength concrete exposed to high temperatures. ACI Materials Journal99(1), 54-66.
[8] Cheng, F. P., Kodur, V. K. R., & Wang, T. C. (2004). Stress-strain curves for high strength concrete at elevated temperatures. Journal of Materials in Civil Engineering16(1), 84-90.
[9] Lau, A., & Anson, M. (2006). Effect of high temperatures on high performance steel fibre reinforced concrete. Cement and concrete research36(9), 1698-1707.
[10] Ali, S. I. A., & Lublóy, E. (2022). Effect of elevated temperature on the magnetite and quartz concrete at different W/C ratios as nuclear shielding concretes. Nuclear Materials and Energy33, 101234.
 [11] Malik, M., Bhattacharyya, S. K., & Barai, S. V. (2021). Microstructural changes in concrete: Postfire scenario. Journal of Materials in Civil Engineering33(2), 04020462.
[12] Benjeddou, O., Katman, H. Y., Jedidi, M., & Mashaan, N. (2022). Experimental investigation of the high temperatures effects on self-compacting concrete properties. Buildings12(6), 729.
[13] Felicetti, R., Gambarova, P. G., & Bamonte, P. (2013). Thermal and mechanical properties of light‐weight concrete exposed to high temperature. Fire and Materials37(3), 200-216.
[14] Khan, M., Lao, J., Ahmad, M. R., & Dai, J. G. (2024). Influence of high temperatures on the mechanical and microstructural properties of hybrid steel-basalt fibers based ultra-high-performance concrete (UHPC). Construction and Building Materials411, 134387.
 [15] Wang, Y., Nejati, F., Edalatpanah, S. A., & Goudarzi Karim, R. (2024). Experimental study to compare the strength of concrete with different amounts of polypropylene fibers at high temperatures. Scientific Reports14(1), 8566.
[16] Wang, D., Luo, B., Deng, J., Feng, Q., Zhang, W., Deng, C., ... & Das, O. (2024). Optimized fire resistance of alkali-activated high-performance concrete by steel fiber. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 1-13.
 [17] Adamczak-Bugno, A., Lipiec, S., Koteš, P., Bahleda, F., & Adamczak, J. (2024). Detection of Destructive Processes and Assessment of Deformations in PP-Modified Concrete in an Air-Dry State and Exposed to Fire Temperatures Using the Acoustic Emission Method, Numerical Analysis and Digital Image Correlation. Polymers16(8), 1161.
[18] Ali, M., Elsayed, M., Tayeh, B. A., Maglad, A. M., & El‐Azim, A. A. (2024). Effect of hybrid steel, polypropylene, polyvinyl alcohol, and jute fibers on the properties of ultra‐high performance fiber reinforced concrete exposed to elevated temperature. Structural Concrete25(1), 492-505.
 [19] EN, B. S., (2011). 197-1, Cement-Part 1: Composition, specifications and conformity criteria for common cements. London: European Committee For Standardisation.
[20] Astm, A. S. T. M., (2014). Standard specification for silica fume used in cementitious mixtures. USA: West Conshohoken, PA, ASTM International.
[21] Standard, A. S. T. M., (2018). ASTM C33/C33M–18 Standard Specification for Concrete Aggregates. USA: West Conshohocken, PA.
[22] Afshin, H., Ahmadian, Mh. Kh., Emami, M., Alilo, Y., & Sharif, G. G. (2024). Evaluation of the use of micro recycled steel fibers in shotcrete used to stabilize surface and underground excavations. Civil & Project, 51-75.  10.22034/cpj.2024.453407.1273
[23] En, B. S. (2002). 12390-3, Testing hardened concrete-Part 3: Compressive strength of test specimens. London: British Standards Institution.
[24] Standard, A. S. T. M. (2010). Standard test method for static modulus of elasticity and poisson’s ratio of concrete in compressionASTM Stand. C469.
[25] Ghannam, M. (2019). Proposed models for concrete thermal expansion with different aggregate types and saturation conditions. SN Applied Sciences1(5), 425.
[26] Malik, M., Bhattacharyya, S. K., & Barai, S. V. (2021). Thermal and mechanical properties of concrete and its constituents at elevated temperatures: A review. Construction and Building Materials270, 121398.
[27] Crook, D. N., & Murray, M. J. (1970). Regain of strength after firing of concrete. Magazine of Concrete Research22(72), 149-154.

  • تاریخ دریافت 0-1443 فروردین 786
  • تاریخ بازنگری 0-1393 فروردین 786
  • تاریخ پذیرش 0-1374 فروردین 786