CC BY
49АВТОМАТИЗАЦИЯ РАСЧЁТА НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ
ОБРУШЕНИЕ
AUTOMATION OF CALCULATION FOR PROGRESSIVE COLLAPSE
УДК 624
Евсин Роман Геннадьевич, студент Санкт-Петербургского государственного
архитектурно-строительного университета, Россия, г. Санкт-Петербург Научный руководитель: к. т. н. Кузнецов Алексей Юрьевич Evsin Roman Gennadievich, romanevsin@yandex.ru Scientific supervisor: Kuznetsov Alexey Yurievich PhD
Аннотация
В данной статье рассмотрена автоматизация расчёта на прогрессирующее обрушение с помощью открытого программного интерфейса инженерного комплекса SAP2000. Задача решается в квазистатической нелинейной постановке. Расчёт реализуется для случая удаления одного несущего конструктивного элемента. В результате работы получены методы частичной автоматизации расчётов на прогрессирующее обрушение, облегчающие задачу расчёта.
Annotation
This article discusses the automation of calculation for progressive collapse using the open software interface of the SAP2000 engineering complex. The problem is solved in a quasi-static nonlinear formulation. The calculation is implemented for the case of removing a single load-bearing structural element. As a result, methods of partial automation of calculations for progressive collapse are obtained, which facilitate the calculation task.
Ключевые слова: SAP2000 OAPI, прогрессирующее обрушение, автоматизация, алгоритм.
Keywords: SAP2000 OAPI, progressive collapse, automation, algorithm.
Введение. В 1968 году в 24-этажном жилом комплексе в районе Ronan Point в Глазго в одном из зданий на 18 этаже произошёл взрыв бытового газа. Он повлёк обрушения внешних стен угловой секции здания, повлекшие разрушение этой секции на всех вышерасположенных этажах. Эти обрушения в свою очередь спровоцировали обрушения угловой части дома на всех нижележащих этажах, кроме первого и второго, выполненных из
железобетона [1]. Это событие привело к гибели 28 человек и ранениям более двухсот.
Рисунок 1. Прогрессирующее обрушение Ronan Point, Автор фото: Derek Voller
Другими примерами трагических обрушений являются: • обрушение промышленного здания Sampoong в Корее в 1995 году, произошедшее из-за установки не предусмотренных в проекте тяжёлых кондиционеров (15 т) на крышу здания, а также из-за низкого качества работ и не соблюдения строительных норм (около 500 жертв);
Рисунок 2. Прогрессирующее обрушение Sampoong Department Store
• разрушение the Murrah Building в Оклахоме в апреле 1995 года, где в результате взрыва заминированного террористами автомобиля была разрушена одна из несущих колонн (168 погибших).
Рисунок 3. Обрушение the Murrah Building Автор фото: Staff Sergeant
Preston Chasteen
Рассмотренные процессы определены в Российских строительных нормах под термином прогрессирующее (лавинообразное) обрушение как «Последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие локального разрушения»[2].
Таким образом очевидно, что расчёт на прогрессирующее обрушение является действительно важным. Не удивительно, что расчёт на прогрессирующее обрушение является одним из обязательных расчётов при проектировании зданий относящихся к классам КС-2 и КС-3 [2], то есть зданиям нормального и повышенного уровня ответственности.
Однако выполнение расчёта в полном соответствии со сводом правил [2] является достаточно трудоёмкой задачей. Так как он не даёт чётких рекомендаций по количеству рассматриваемых случаев возможных обрушений, это может провоцировать проектировщиков выполнять данный расчёт в минимальном объёме. Чтобы облегчить эту работу и тем самым стимулировать проектировщиков рассматривать больше случаев возможных разрушений, является актуальной автоматизация рассчёта.
Объектом исследования рассматриваемой работы является расчётный (конечноэлементный) программный комплекс, предназначенный для строительной области. В данной работе в качестве инженерного расчётного комплекса выбран - SAP2000.
Предметом исследования для данной работы являются методики и алгоритмы автоматизированного расчёта конечноэлементной модели здания на противодействие прогрессирующему разрушению.
Целью рассматриваемой работы является исследование алгоритма расчёта зданий на прогрессирующее обрушение и получение методов его автоматизации.
Задача работы заключается в разработке алгоритма выполнения расчёта на прогрессирующее разрушение для произвольного конструктивного элемента в соответствии со сводом правил [2]
В качестве программного комплекса, используемого для расчётов, выступает SAP2000. Этот продукт сертифицирован на территории Российской Федерации в том числе и для расчётов на прогрессирующее обрушение. Также SAP2000 подходит для сформулированной задачи, так как имеет открытый программный интерфейс (OAPI), распространяемый в виде динамической библиотеки (DLL). Взаимодействие с этим интерфейсом в данной работе реализовано на языке C#, так как он имеет широкую поддержку указанного вида библиотек. Принципиально рассмотренные далее методы могут быть реализованы и с помощью другого программного обеспечения.
Описание исследования. Алгоритм основывается на своде правил по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения [2] c учётом необходимости его программной реализации.
Чтобы приступить к расчёту на прогрессирующее обрушение проектировщик должен иметь расчётную схему, в которой уже подобраны армирования железобетонных конструкций, сечения металлоконструкций и т. п. для условий нормальной эксплуатации. То есть работать необходимо с изначально устойчивой схемой.
Для начала расчёта необходимо иметь данные по напряжённо деформированному состоянию конструкции в нормальном состоянии. Как правило дополнительных расчётов для этого проводить не нужно так как данные получены в процессе подбора параметров элементов конструкции. Следует отметить, что для дальнейших расчётов необходимо чтобы первичный расчёт был выполнен в статической нелинейной постановке.
Далее необходимо определить удаляемые элементы. Выбор элементов в целом осуществляется на основе опыта и логических заключений проектировщика. Автоматизация выбора требует отдельных исследований. В общем случае при расчёте в конечноэлементном программном комплексе для задания локального разрушения необходимо сгруппировать конечные элементы. Однако в SAP2000 есть возможность работать не с конечными, а с
конструктивными элементами. Таким образом элемент для удаления может быть выбран как единое целое.
Для выбранного элемента необходимо получить оказываемые на него воздействия. В БЛР2000 эти данные сохранены в таблице внутренней базы данных проекта. Структура этой таблицы не является строго фиксированной и перед выполнением расчёта следует указать какие данные необходимо сохранить. Возможно сохранение каждого шага расчёта, сохранение значений локальных экстремумов и сохранение только последнего шага расчёта. В данном случае подходит последний вариант.
На этом подготовительная часть расчёта завершается и начинается основной процесс, в котором происходит итеративное исключение подверженных разрушению элементов конструкции.
Чтобы не создавать новую расчётную схему в 8ЛР2000 можно использовать стадийный расчёт, в котором указать, что будет использоваться та же расчётная схема, что и на подготовительном этапе, за исключением выбранного ранее элемента. Для моделирования быстрого удаления элемента, к существующим загружениям прибавляется ещё одно, основанное на силах, воздействующих на удаляемый элемент и полученное на предыдущем шаге. Нагрузка прикладывается к узлам, используемым удаляемым элементом и равна усилиям, приложенным к элементу умноженным на коэффициент динамичности.
Хотя этого не указано в правилах, иногда к загружениям прибавляется вес обрушившихся конструкций, который прикладывается к нижерасположенным элементам.
Затем проводится расчёт полученной вторичной расчётной схемы по первому предельному состоянию. На основе этих данных проверяется условие прочности для всех оставшихся элементов. Элементы, для которых условие не выполняется удаляются их расчёта и процесс повторяется.
Критериями завершения итерационного процесса являются:
• выход обрушения за установленную правилами локальную зону;
• сходимость итерационного процесса, когда конструкция приобретает устойчивое состояние и элементы больше не разрушаются.
Первый из указанных результатов является отрицательным. И означает, что расчётная схема требует доработки. Второй результат свидетельствует о устойчивости конструкции указанного случая. Но он не отменяет необходимости рассмотрения других случаев.
Схематично разработанный алгоритм показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема алгоритма расчёта на прогрессирующее обрушение.
Выводы. СП [2] указывает при расчёте учитывать элементы не являющиеся несущими в условиях нормальной эксплуатации. Так как учёт таких элементов сложно алгоритмизировать, а зачастую они совсем отсутствуют в расчётной схеме, эта задача возлагается на проектировщика.
Таким образом были определены границы автоматизируемости процесса расчёта на прогрессирующее обрушение. Автоматизированию поддаётся определение выполнения критериального условия прочности; итерационный процесс расчёта. Однако точность расчёта может зависеть от способа разбивки схемы на конечные элементы, который как правило выбирается проектировщиком. А при нарушении условий прочности в каких-либо
элементах схема может потребовать изменения расчётной сетки, что в принципе может быть сделано автоматически, но делает процесс расчёта менее предсказуемым.
Следует обратить внимание, что это идеализированный вычислительный процесс, в котором не учитывается такой эффект, как воздействие материала, разрушающегося на оставшуюся структуру.
Примечание. Если следовать алгоритму расчёта, указанному в своде правил [2], то следует оперировать всего двумя расчётными схемами: первичной (в условиях нормальной эксплуатации) и вторичной (подвергнутой удалению несущего конструктивного элемента). А в случае, если какой-либо элемент при расчёте вторичной схемы выйдет за условие прочности, удалять и этот элемент из схемы и производить расчёт заново. Но таким образом не учитывается неодновременность разрушения элементов.
Литература
1. В. В. Леденев. Аварии в строительстве Т.1. Причины аварий зданий и сооружений, Тамбов, 2014 - 210 с.
2. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения.
3. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения
4. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями N 1, 2)
5. Алмазов В.О., Плотников А.И., Расторгуев Б.С. Проблемы сопротивления зданий прогрессирующему разрушению// Вестник МГСУ. 2011. №2-1. С.16-20.
6. Ю.А. Иващенко. Лавинообразное разрушение конструктивных систем// Строительство и архитектура. 2013. №14. С. 2-27.
Literature
1. V. V. Ledenev. Accidents in construction Vol. 1. Causes of accidents of buildings and structures, Tambov, 2014-210 p.
2. SP 385.1325800.2018 Protection of buildings and structures from progressive collapse. The rules of design. Fundamentals.
3. GOST 27751-2014 Reliability of building structures and foundations. Fundamentals
4. SP 20.13330.2016 Loads and impacts. Updated version of SNiP 2.01.07-85* (with Changes N 1, 2)
5. Almazov V. O., Plotnikov A. I., Rastorguev B. S. Problems of building resistance to progressive destruction// MGSU Bulletin. 2011. №2-1. Pp. 16-20.
6. Yu. A. Ivashchenko. The explosive destruction of the structural systems// Construction and architecture. 2013. no. 14. Pp. 2-27.
