CC BY
99УДК 699.8
Лестюхина Ю.В.
Магистрант 2 курса Строительного факультета кафедры строительных конструкций Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
(Россия, г. Чебоксары)
МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЗАЩИТЕ ОТ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ КАРКАСНОГО ЗДАНИЯ.
РАСЧЕТ 25 ЭТАЖНОГО ВЫСОТНОГО ОФИСНОГО ЗДАНИЯ
Аннотация: в данной статье рассматриваются мероприятия по защите от прогрессирующего обрушения каркасного здания, анализируется возможность разрушения при поэтапном удалении некоторых конструктивных элементов на примере 25 этажного офисного здания.
Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, надежность, аварийное воздействие, связевый каркас, ЛИРА САПР.
Прогрессирующее (лавинообразное) обрушение - последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего здания или сооружения или его частей вследствие начального локального разрушения. [3]
В настоящее время актуальней становится тема прогрессирующего обрушения зданий и сооружений. Учащаются случаи возникновения террористических актов или утечки бытового газа, которые приводят к взрывам зданий, а это, как следствие их разрушение.
Чрезвычайные ситуации природного характера (стихийные бедствия) в последние годы имеют тенденцию к росту. Становятся более активными действия вулканов, учащаются случаи землетрясений, возрастает их разрушительная сила. Почти регулярными стали наводнения, нередки оползни
вдоль рек в горных районах. Снежные заносы, бури, ураганы ежегодно все чаще посещают Россию.
Здания должны быть защищены от прогрессирующего разрушения в случае локального разрушения несущих конструкций в результате возникновения чрезвычайных ситуаций. В связи с этим при проектировании необходимо предусматривать различные мероприятия по защите зданий от прогрессирующего обрушения.
Основное средство защиты зданий от прогрессирующего обрушения -обеспечение необходимой прочности несущих элементов, обеспечение необходимой несущей способности колонн, ригелей, диафрагм, дисков перекрытий и стыков конструкций. [2]
Здания необходимо возводить на ленточных, свайных фундаментах, либо на сплошной монолитной железобетонной плите. Столбчатые фундаменты с опиранием стен на рандбалки использовать не рекомендуется.
В каркасных зданиях следует отдавать предпочтение монолитным перекрытиям, особенно в зданиях, где имеются помещения с большими площадями (более 40 м2). [2]
Для высотных зданий (количество этажей более 20) при удалении одного из несущих элементов приводит к значительному увеличению изгибающих моментов в перекрытиях над ним. В этом случае эффективным является устройство связевых систем на каждом 10-м этаже.
Конструктивно связевой этаж можно организовать, создав либо монолитные сплошные или проемные диафрагмы, либо посредством установки стальных крестовых или портальных связей. [2]
Другим конструктивным способом повышения сопротивления или живучести высотных зданий прогрессирующему обрушению является создание конструктивной схемы для перекрытий, соответствующее «мембранному» покрытию. [2]
Конструктивная система здания должна обеспечивать его прочность и устойчивость в случае локального разрушения несущих конструкций, как минимум, на время, необходимое для эвакуации людей.
Для повышения устойчивости и предотвращения прогрессирующего обрушения можно провести следующие мероприятия [2]:
- установить контурные периферийные связи на расстоянии не более чем 1,2 м от края в каждом перекрытии или покрытии;
- установить горизонтальные связи по наружным колоннам или стенам в пределах перекрытий и покрытия;
- установить вертикальные связи, которые связывают колонны каркасного здания или сооружения на всю его высоту.
- обеспечить жесткое сопряжение балок с колоннами минимум одного направления.
Арматура связей и рабочая арматура должны не дополнять, а заменять друг друга. Это означает, что площадь арматуры связей входит в состав площади расчетной арматуры. Отличие заключается в том, что стержни связевой арматуры должны стыковаться так, чтобы они образовывали непрерывную арматурную цепь между крайними зонами анкеровки - зоны контурной связевой арматуры.
Добавочная прочность реализуется при помощи коэффициента надежности по ответственности (0,95..1,2). Все элементы конструкции проектируются с запасом до 120%. Все Российские нормы и рекомендации ставят этот метод основополагающим, так как он является наиболее надежным и универсальным. В результате расчетов на устойчивость к прогрессирующему обрушению при необходимости увеличивают площадь армирования за счет увеличения диаметров и количества стержней в сечении элемента.
В качестве способа, позволяющего защитить каркасные здания от обрушения без значительного увеличения расхода материалов, предлагается использование жестких блоков (аутригерных этажей) по высоте здания. Колонны каркаса при
этом следует рассчитывать не только на внецентренное сжатие при их нормальной работе, но и на растяжение, возникающее во время ЧС. Это возможно, так как при расчете на прогрессирующее обрушение не учитываются деформации элементов, а, следовательно, можно учитывать работу арматуры колонны вплоть до достижения в ней значений напряжений равных временному сопротивлению стали растяжению. В таком случае стены жесткого блока начинают работать как балки-стенки, воспринимая усилия от растянутой колонны, а перекрытия этажей оказываются подвешенными. Такой подход позволяет значительно снизить объём разрушаемых конструкций.
В своей работе для исследований было выбрано многоэтажное офисное здание. Конструктивные элементы приняты по серии 1.020. Каркас здания -железобетонный. Высота надземной части - 82,5м. Габариты здания в осях 18х18 м. Сетка колонн 6х6 м. Основные колонны в надземной части железобетонные сечением 40х40. Ригели выполнены из железобетона сечением 40х45. По всей высоте здания в торцах установлены диафрагмы жёсткости, также лифтовая шахта в центре здания, и диафрагмы жесткости на связевых этажах, выполненные из железобетона толщиной 140мм. Нагрузки и воздействия на здание определены согласно [5]
Объект представляет собой пространственную модель из набора стержневых элементов. Закрепление элементов в отметке фундамента - жесткое. Соединение ригелей с колоннами шарнирное. Здание относится к нормальному уровню ответственности. Первичная конструктивная система здания - система, принятая для условий нормальной эксплуатации здания.
Рис 1. Конечно-элементная модель офисного высотного здания.
В работе для обеспечения жесткости проектируемого здания предусмотрена установка диафрагм жесткости по всей высоте в углах здания шириной 2м с креплением на дополнительные колонны. Помимо того запроектированы 1, 14 и 25 этажи, как аутригерные (связевые).
В процессе исследования рассмотрены несколько вариантов исключения конструктивных элементов из расчетной схемы. Поэтапно были удалены: колонна в торце здания и конструктивные угловые элементы на 1, 10 и 20 этажах. Приведу наглядные примеры некоторых из них:
1 этаж удаление конструктивных элементов в углу здания.
Рис. 2 Мозаика перемещений по оси Z
10 этаж удаление колонны в торце здания.
-22
Z
Рис.3 Мозаика перемещений по оси Z
20 этаж удаление конструктивных элементов в углу здания.
Рис. 4 Мозаика перемещений по оси Z
Результат исследования показал, что благодаря проектированию всех примененных в работе элементов конструкций для обеспечения жесткости проектируемого здания даже при исключении отдельных элементов каркаса (что наглядно видно на рисунках) разрушение не происходит, то есть устойчивость каркаса сохраняется.
Для обеспечения устойчивости здания от прогрессирующего обрушения наиболее эффективной можно назвать комбинированную схему: полный каркас с балочным перекрытием и жесткими блоками по высоте здания. Постановка жестких блоков зависит от высоты/этажности здания, возможен вариант для
95
высотных зданий постановки блоков жесткости через некоторое количество этажей для большей эффективности (при этом этажи с жестким блоком могут исполнять роль технического этажа, т.к. не загромождают помещение). Жесткий блок будет работать на защиту крайних колонн, а балочное перекрытие перераспределять усилия в случае выхода из работы остальных колонн. [6]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2006.
Рекомендации по защите зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2011. СП 385.1325800.2018 Свод правил защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения.
СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 (с Изменениями N 1, 2, 3).
СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия (с приложениями и картами). Актуализированная редакция СНиП 2.01.07.-85*. - М.: ФГУП ЦПП, 2004. - 85 с. Егоров, П.И. Способы защиты зданий каркасного типа от прогрессирующего обрушения/ Егоров П.И., Милевская О.Ю // Ученые заметки ТОГУ. 2014. Т. 5. №2 2. С. 12-20.
