CC BY
37
УДК 624.191.044
О. Л. ТЮТЬК1Н (ДПТ)
ОСНОВИ РОЗРАХУНКУ ТУНЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦ1Й У ВИПАДКУ ПРОГРЕСУЮЧОГО ОБВАЛЕННЯ
В робот представлено результати розробки основ розрахунку та подальшого аналiзу його результата на 0CH0Bi енергетично! теори мщносл тунельних конструкцiй. Проведено практичний розрахунок станци мш-кого закладення колонного типу у випадку прогресуючого обвалення.
В работе представлены результаты разработки основ расчета и дальнейшего анализа его результатов на основе энергетической теории прочности тоннельных конструкций. Проведен практический расчет станции мелкого заложения колонного типа в случае прогрессирующего обрушения.
In the article the results of development of bases of calculation and further analysis of its results on the basis of energy durability theory of tunnel constructions are presented. The practical calculation of the shallow contour interval columnar station in the case of progressing cave-in is conducted.
Одшею з юнуючих тенденцш теоретичних дослщжень i практичных розрахунюв тдзем-них споруд е застосування комплексного шд-ходу при складанш програми дослщжень. Так, до статичних розрахунюв конструкцш шдзем-них споруд для одержання бшьш шформатив-них даних додають рiзнi види динамiчних роз-рахунюв (сейсмiчнi, iмпульснi, ударнi впливи) або враховують вплив технологiчних процесiв, що значно розширюе знання про напружено-деформований стан (НДС) пiдземноi споруди [1 - 4]. Безсумшвно, збшьшення об'емiв досл> джень при комплексному аналiзi повинне об-грунтовуватися об'ективними параметрами дп впливiв, якi не враховуються в статичних роз-рахунках, i важливiстю iхнього урахування, тому що розширення аналiтичних дослiджень вимагае бшьших витрат, нiж звичайний статич-ний аналiз.
Однак, останнiм часом у комплексний ана-лiз складних пiдземних споруд, таких як станци метрополiтенiв, крiм розрахункiв на динамiчнi навантаження й вирiшення задач технолопчно-го супроводу, стали вводити розрахунки на дда прогресуючого руйнування, хоча ш теоретичнi основи, нi практичш й методологiчнi принципи даних розрахунюв детально не розробленi.
Урахування локальних руйнувань й iхнiй вплив на виникнення й протiкання процесу прогресуючого руйнування досить розроблене й систематизоване для цившьних монолiтних i каркасних будiвель i принципи, викладеш в даних роботах, можна застосувати i для шдзем-них споруд iз урахуванням специфiки iхньоi роботи [5, 6]. Основною вщмшшстю роботи наземних i пiдземних споруд е iхня робота разом з навколишшм масивом, що мае в загаль-
ному випадку широкий спектр властивостей. Ця проблема не розглядаеться в данш роботi, однак урахування властивостей навколишнього масиву в подальших розрахунках проводиться.
До подальшого дослщження приймаеться станцiя метрополтену мiлкого закладання колонного типу iз взаемодiею навколишнього масиву [7].
Процес прогресуючого руйнування припус-кае причиною свого виникнення нагромаджен-ня локальних деформацiй у колош з и подаль-шим критичним деформуванням, частковим i повним руйнуванням. Пролiт, що збiльшився через руйнування, мiж колонами може привести до руйнування прогону, що з' еднуе систему колон, що надат може викликати перенапру-ження елементiв бiчного й середнього тунелю, пiдвищене трiщиноутворення й можливе руйнування. Деградацшним впливом на колону передбачаеться iмпульсний вплив, що приводить и не до повного руйнування, а лише до стану втрати стшкосп.
Станци метрополггену повинш бути захи-щенi вщ прогресуючого обвалення у випадку локального руйнування 1'хшх несучих конструкцш при аварiйних впливах, не передбачених умовами нормально!' експлуатаци станцiй мет-рополiтену (пожеж1, вибухи, ударнi впливи транспортних засобiв). Ця вимога означае, що у випадку аваршних впливiв допускаються лока-льнi руйнування окремих вертикальних несучих елементiв, але щ початковi руйнування не повинш привести до обвалення або руйнування конструкцш, на яю передаеться навантаження, що рашше сприймалася елементами, ушкодже-ними аварiйним впливом. Розрахунок станцш-но! конструкцii у випадку локального руйну-
© Тютькш О. Л., 2009
вання несучих елемешчв виконуеться т1льки по граничних станах першо! групи.
Для дослщження можливого прогресуючого руйнування створен дв1 модел1, в яких перед-бачений розвиток прогресуючого руйнування внаслщок поетапного руйнування колон (рис. 1).
а)
б)
в)
А
Рис. 1. Фрагмент моделей колонно! станци - оброб-ки (частина перекриття фрагментована): а) модель до руйнування (I етап); б) модель 1з одшею зруйно-ваною колоною (II етап); в) модель 1з двома зруйно-ваними колонами (III етап)
Оскшьки в станщях метрополитену колона е найбшьш напруженим елементом тунельно! конструкци, И руйнування може бути причиною можливого подальшого прогресуючого обвалення. Для дослщження можливосп утво-рення й розвитку цього процесу проведений числовий анал1з двох моделей, причому резуль-тати !хнього розрахунку пор1внюються з результатами розрахунку без руйнування колон, тобто моделлю, представленою на рис. 1,а.
З можливих сценарив первинного деграда-цшного впливу на колони станци метропол1те-ну обраний сценарш руйнування колон одного
ряду, як найбшьш ймов1рний. Тому в моделях вщображена як можливють анал1зу розвитку прогресуючого руйнування (поетапне руйнування колон { подальше руйнування перекриття), так { можливють дослщження випадку од-ночасного руйнування ряду колон як причини можливого одноразового руйнування станцш-но! конструкци.
Перед анал1зом напруженого стану елемен-т1в конструкци станци, що найбшьше змшю-еться в процес руйнування колон, слщ зазна-чити, що розвиток перемщень у процес прогресуючого руйнування також явно свщчить про значний вплив деградаци внутрштх конс-трукцш. Так, в шелиз1 середнього пасажирсько-го тунелю значення вертикальних перемщень наступш: на I етат - 37 мм, на II етат - 42 мм, на III етат - 49 мм. Горизонтальт перемщен-ня незначт (до 1 мм на III етат) { вщр1зняють-ся змшним характером: явно здобуваючи нерь вном1рний характер на II етат, вони знову ста-ють р1вном1рними на III етат, що обумовлено поверненням конструкци на цьому етат до си-метри. Також слщ зазначити, що на II етат характер деформування незруйновано! колони е нер1вном1рним { дае можливють зробити висно-вок про И локальт руйнування в мюцях крш-лення до перекриття й лотково! частини.
Складнють анал1зу результат дослщжува-них моделей полягае в тому, що на кожному етат напружений стан якюно значно змшюеть-ся, що вщбиваеться в зм1т мюця розташування концентратор1в. Так, концентратори вгор1 й внизу колони на I й II етат зникають через руйнування колон, незмшними залишаються концентратори в кутах станцшно! конструкци. Для того, щоб провести кшькюний анал1з, ско-ристаемося енергетичною теор1ею мщносп. Для подальшого розрахунку конструкци на м> цнють, який буде проводитися лише по бетону, тобто на трщиностшкють, застосовуеться формула четверто! теор1ю мщносп (енергетична), виразом для яко! е
де сх та сг - компоненти нормальних напру-жень по глобальних осях X та Z; тХ2 - дотична компонента в площит XZ; [с] - межа мщност матер1алу, для бетону В30 межа мщносп [с] =
= 21,0 МПа.
На рис. 2 { 3 наведет ¡золши й ¡зополя напруженого стану фрагмента моделей станцшно! конструкци в мющ руйнування колони або ряду колон.
Рис. 2. Напружений стан фрагмента станцшно! конструкци (горизонтальнi напруження):
а) I етап; б) II етап; в) III етап
Рис. 3. Напружений стан фрагмента станцшно! конструкци (вертикалью напруження):
а) I етап; б) II етап; в) III етап
Пошук е^валентних напружень по енерге-тичнш (четвертiй) Teopii' мiцностi проводився в точках, мюце розташування яких наведено на рис. 4.
"1 л л
2< Ъ5 6с > и > -'3 ¡,10 W о'
»1 И И И 1 [ 1 1 1 1 М 1 1< ' 11 и М IV
Рис. 4. Схема точок-концентраторiв напружень
Як видно з табл. 1, значення екв1валентних напружень у випадку власно! ваги в деяких точках досягають меж1 мщносп матер1алу на стиск (бетон класу В30 [с] = 21 МПа), а значення коефщ1ент1в запасу свщчить про те, що умова мщносп не виконусться.
Таблиця 1
Еквiвалентнi напруження (енергетична теорiя мiцностi) та запаси мщносп по бетону в точках концентраци
Номер точки Еквшалентт напруження, МПа ст^ / Коефщент запасу n = [ст]/ст^в
I етап II етап III етап
1 11,7/1,8 5,5/3,81 13,6/1,54
2 21,0/1,0 28,6/0,73 2,0/10,5
3 21,0/1,0 28,6/0,73 2,0/10,5
4 8,9/2,35 1,0/21 1,3/16,2
5 29,3/0,72 32,9/0,64 33,4/0,61
6 34,3/0,61 41,7/0,5 11,6/1,8
7 34,3/0,61 41,7/0,5 11,6/1,8
8 12,7/1,65 5,2/4,03 6,0/3,5
9 33,0/0,63 37,0/0,57 -
10 33,0/0,63 37,0/0,57 -
Значення коефiцieнтiв запасу, меншi одини-цi, для точок 5 - 7, 9 та 10 на I еташ роботи станцшно! конструкци (без руйнування) свщ-чить про можливе локальне трщиноутворення бетону. Однак, про руйнування затзобетонного елемента стверджувати не можна, тому що вiдшукання е^валентних напружень по енер-гетичнiй теори проводилося тiльки для бетону.
Загальне зниження запасу мiцностi в точках концентраци на II етапi роботи станцшно! конструкци (до 43...50 %) свщчить про негати-вний вплив руйнування одше! колони.
Декiлька парадоксальною виглядае картина еквiвалентних напружень i запасу мiцностi на III еташ роботи, тому що напруження значно зменшилися, а значення запасу мщносп (^м точки 4 - кут з'еднання стiни й лотково! части-ни) значно зросли. Така картина пояснюеться тим, що наявнiсть двох (I етап) або одше! (II етап) колон перетворюють конструкщю станци в статично невизначену зi значною перенапру-женням в системi колон. При руйнуванш ряду колон (прочерки в концентраторах 9 й 10 пока-зують !хню вiдсутнiсть) напружений стан час-тини конструкци мiж збереженими рядами пе-рерозподiлилося убiк зменшення, тому що самi навантаженi елементи зi статично невизначено! системи вилученi.
Для того, щоб бiльш детально розглянути дда прогресуючого руйнування, крiм розгляну-тих еквiвалентних напружень у фрагментi моделей, також проаналiзуемо розподiл компоне-нтiв напружень в системi колон (рис. 5).
Найбшьш негативний вплив на напружений стан деградаци колони проявляеться на II етапi, тому що ^м перенапруження в конструкци вщзначаеться явно нерiвномiрний розподiл напружень.
Розглядаючи концентратори 9 i 10 у крайнiх рядах колон, можна спостерпати змiну е^ва-лентних напружень у ходi прогресуючого обва-лення:
I етап - 33,4 МПа (коефщент запасу 0,63);
II етап - 46,3 МПа (коефщент запасу 0,45);
III етап - 50,6 МПа (коефщент запасу 0,42).
3i змши значень коефiцiента запасу в край-
нiх рядах колон видно, що руйнування одше! колони або ряду колон найбшьше впливае на напруження ближшх до мюця руйнування рядiв колон.
Пiсля руйнування в точках концентраци 9 та 10 значно! частини бетону одше! колони й по-дальшого руйнування !! арматури, можна про-гнозувати руйнування колони того ж ряду, причому рiвень напруженого стану стш, пере-криття й лотково! частини зменшуеться.
Однак, при видимому зменшенш напружень в станцшнш конструкци, вони значно збшь-шуються в сусiднiх рядах колон, причому значення коефiцiентiв запасу дуже мат, тобто ймовiрне подальше руйнування рядiв колон, а при розвитку критично! вщсташ в перекриттi, юнуе можливiсть подальшого росту напружень i повного обвалення конструкци станци.
1)
2)
3)
!з
н <ц
й
н <ц
й
н <ц
Рис. 5. Напружений стан системи колон: 1) горизонтальнi напруження; 2) вертикальнi напруження; 3) дотичт напруження
З проведеного анал1зу, який е частиною комплексного анатзу тунельних конструкцш, випкае, що вш е вельми актуальним в умовах сучасно! ситуацл зростаючого тероризму, { йо-го проведення, хай { в статуи перев1рочного, повинно бути вщображено в нормах { правилах для метропол1тешв. Причому, можливють про-гресуючого обвалення була визначена лише шсля детального анатзу напруженого стану поетапно! деградаци колон { не була явно ви-раженою.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Петренко, В. Д. Способ комплексной оценки физического состояния системы «крепление -массив» при сейсмических взаимодействиях [Текст] / В. Д. Петренко, А. П. Букань,
A. Л. Тютькин. // Геотехтчна мехашка. - Д.: 1ГТМ НАНУ iм. М. С. Полякова, 2003. -Вип. 42. - С. 204-208.
2. Петренко, В. Д. Комплексный анализ конструкции колонной станции метрополитена [Текст] /
B. Д. Петренко, А. Л. Тютькин, В. И. Петренко. // Науковий вюник Нац. прничого ун-ту. -№ 9. - Д.: НГУ, 2007. - С. 61-65.
3. Тютькин, А. Л. Концепция статусности в комплексном анализе прочности конструкций подземных сооружений [Текст] / А. Л. Тютькин // Вгсник Дншропетр. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм. акад. В. Лазаряна. - 2008. - Вип. 25. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2008. - С. 110-117.
4. Юркевич, П. Б. Подземное проектирование -комплексный подход [Текст] / П. Б. Юркевич // Метро и тоннели. - 2002. - № 5. - С. 24-29.
5. Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях [Текст]. - М.: Москомархитектура, 2002. - 11 с.
6. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения [Текст]. - М.: Москомархитектура, 2005. - 40 с.
7. Петренко, В. Д. Поэтапный анализ прогрессирующего разрушения конструкции станции метрополитена колонного типа [Текст] / В. Д. Петренко, А. Л. Тютькин, В. И. Петренко // Мате-рiали. м1жн. конф. «Форум прнишв - 2008», 13 - 15 жовтня 2008 р. - Д.: Нац. прничий ун-т, 2008. - С. 163-167.
Надшшла до редколегп 17.06.2009. Прийнята до друку 25.06.2009.
