Особенности проявления огневых воздействий при расчете конструкций на прогрессирующее разрушение зданий с переходными этажами Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

А. Г. ТАМРАЗЯН, д-р техн. наук, профессор, советник Российской академии архитектуры и строительных наук, действительный член Российской инженерной академии, Московский государственный строительный университет, г. Москва, Россия А. Б. МЕХРАПИЗАДЕХ, аспирант кафедры архитектурно-строительного проектирования, Московский государственный строительный университет, г. Москва, Россия

УДК 624.014.025

ОСОБЕННОСТИ ПРОЯВПЕНИЯ ОГНЕВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ КОНСТРУКЦИЙ НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ РАЗРУШЕНИЕ ЗДАНИЙ С ПЕРЕХОДНЫМИ ЭТАЖАМИ

Учет огневых воздействий при расчете зданий с переходными этажами повышает точность оценки стойкости к прогрессирующему разрушению. Рассмотрено поведение 45-этажного здания с переходными этажами с учетом внезапно приложенной нагрузки в результате удаления средней колонны первого этажа, а также огневых воздействий при пожаре. Показано, что при учете огневых воздействий прогибы конструкций, расположенных над удаленной колонной, повышаются на 35 %.

Ключевые слова: здание с переходными этажами, прогрессирующее разрушение, огневые воздействия, коэффициент динамической прочности.

Конструкции высотных зданий должны обладать необходимой жесткостью и прочностью, обеспечивающей безопасность здания на стадии строительства и эксплуатации согласно действующим нормам проектирования. С этой целью многоэтажные здания по вертикали разделяются на ряд функциональных частей. Такие здания относятся к типу несимметричных систем с переменной жесткостью. Конструктивная безопасность таких зданий и сооружений при разрушении отдельных элементов обеспечивается за счет ближайших смежных конструкций, которые могут препятствовать изменению конструктивной схемы, поддерживают способность каркаса воспринимать вертикальную нагрузку, предотвращая лавинообразное обрушение.

Для повышения конструктивной безопасности используются жесткие соединения между элементами через каждые 15-20 этажей. Элементы конструкции зданий с такими переходными этажами выполняют из балок, ферм, решетчатых балок с вертикальными стойками, сплошных конструкций, раскосов (рис. 1).

Использование конструкций с переходными этажами позволяет сэкономить строительные материалы, а также придает зданию большую устойчивость при ЧС [1].

Под термином прогрессирующее разрушение (обрушение) понимается распространение начального локального разрушения, приводящее конструкцию к полному разрушению или разрушению ее большей части по сравнению с начальным разрушением. Обычно причиной локального разрушения

© ТамразянА. Г., Мехрализадех А. Б., 2012

являются редкие события, вызывающие особые нагрузки на конструкции [2]. Особые нагрузки классифицируются следующим образом:

• резкое изменение давления воздуха за счет взрывов: системы обслуживания, внутри и снаружи здания;

• удары: автотранспорта, оборудования, самолета;

• дефекты: ошибки в проектировании, конструктивные дефекты, неправильное употребление технических средств или злоупотребления со стороны жителей;

• повреждение основания: непредвиденные осадки, разрушение фундаментов и т. п.

Кроме того, устойчивость здания к прогрессирующему обрушению проверяется расчетом на воздействие гипотетических локальных разрушений несущих конструкций.

Такой расчет позволяет определить, будет ли происходить прогрессирующее разрушение при выходе

11 1 а 1 1 б 1 11 в

Рис. 1. Конструкции элементов переходного этажа: а — сплошная конструкция; б — ферма; в — решетчатая балка

{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №12

41

из строя какой-либо несущей конструкции. При этом учитывается динамическая составляющая воздействия на конструкцию здания, но без учета влияния огневого воздействия на железобетон.

Основным опасным фактором пожара, приводящим к разрушению или повреждению строительных конструкций, элементов, частей зданий и зданий в целом, является быстрое повышение температуры в очаге пожара, т. е. температурный режим пожара, который резко отличается от условий обычной эксплуатации объекта. При возникновении пожара в зданиях температура среды в очаге пожара может достигать 900-1100 °С через 20-30 мин с момента его возникновения. Для обычных строительных материалов и конструкций такое высокотемпературное воздействие является экстремальным, приводящим к быстрой утрате их несущей, ограждающей и теплоизолирующей способности.

Прочность железобетонных элементов на огневое воздействие рассчитывают для нормальных и наклонных сечений. Сопротивление сжатию бетона, нагретого выше критической температуры, не учитывается. Оно принимается равномерно распределенным по сжатой зоне. В этом случае температура нагрева бетона будет ниже критической. Расчетные сопротивления бетона сжатию принимают равными Яы, расчетные сопротивления арматуры растяжению и сжатию после огневого воздействия — соответственно Я^ и Я^.

При расчете прочности нормальных сечений железобетонных элементов следует учитывать, что элементы, рассчитанные на работу до пожара при х <^кк0, после пожара могут работать при х > Ны (где х — высота сжатой зоны сечения; — граничная относительная высота сжатой зоны; Н0 и Н0( — рабочая высота сечения соответственно непрогре-того и прогретого бетона). Это обусловлено уменьшением сжатой зоны бетона после прогрева наружных слоев выше критической температуры.

Граничную высоту сжатой зоны бетона вычисляют по формуле

^ = =

0,8

h0 1 +S s, el/ S Ъ,

(1)

ult

где е^, еЬиц—относительная деформация соответственно растянутой арматуры и сжатого бетона. Относительная деформация растянутой арматуры при напряжениях, равных Я^, определяется:

(2)

где Е5 — модуль упругости арматуры.

Относительную деформацию сжатого бетона еь иН при напряжениях Яы принимают равной гы.

После полного разрушения бетона сжатой зоны элемента все сечение оказывается растянутым и

его сопротивление действию внешних воздействии обеспечивается нижней и верхней арматурой ригелей и плит. Тогда конструкции перекрытий работают как вантовые конструкции, деформирующиеся в пластической стадии. Расчет конструкций перекрытий в этой стадии основан на использовании полной прочности арматуры, которая еще не полностью использована в момент раздробления бетона их сжатых зон: в арматуре допускается развитие деформаций и напряжений, близких к предельным значениям — es u и <3s u (рис. 2), при которых обрывается арматура. Это допущение основано на том факте, что при ЧС, приводящих к разрушению колонны, к конструкциям предъявляется только условие отсутствия их обрушения.

При расчете на прочность железобетонных конструкций в условиях пожара усилия и деформации в нормальном к продольной оси элемента сечении на основе деформационной модели определяют с использованием диаграмм состояния бетона и арматуры в охлажденном состоянии после пожара, по расчетным сопротивлениям, с учетом коэффициентов условий

работы Ybtи Уst.

Бетон в конструкциях при прогрессирующем обрушении может испытывать однократное и многократное динамическое нагружение. Однократное динамическое нагружение бетона может происходить при любом случайном режиме, который в общем случае характеризуется возрастанием усилия и спадом его (рис. 3).

а, ж

Рис. 2. Диаграмма а-е для арматурной стали с большой площадкой текучести

А

Рис. 3. Режимы динамического нагружения бетона с возрастанием усилия (3, 4) и спадом его (1, 2), при которых он не разрушился (1, 2) и разрушился (3, 4)

Главным критерием, определяющим поведение бетона при динамическом нагружении, служит коэффициент динамического упрочнения кд, т. е. отношение прочности бетона при динамическом на-гружении к его статической прочности. Этот критерий зависит от скорости нагружения, структуры бетона и других факторов. Чем меньше время на-гружения бетонного образца заданной динамической нагрузкой (т. е. чем выше скорость роста напряжений), тем больше коэффициент динамической прочности бетона. Это явление объясняют энерго-поглощающей способностью бетона, работающего в течение краткого нагружения динамической нагрузкой только упруго [3].

Для оценки поведения бетона при других режимах динамического нагружения важно знать, как долго бетон способен сопротивляться перегрузке (по сравнению со статической прочностью), которая может возникнуть при быстром нагружении. Критерием поведения бетона в этом случае служит время задержки разрушения хз р, в течение которого бетон будет выдерживать перегрузку. Это время определяется испытаниями при динамически приложенной постоянной нагрузке. Время задержки разрушения будет зависеть также от степени перегрузки, структуры бетона и других факторов.

Таким образом, зная зависимость кд от парамет-

ров а или хм

. и X,

р, можно предсказать поведение

бетона при различных динамических режимах. При динамических испытаниях в обычных условиях происходит упрочнение бетона с кд = 1,2^2,0.

Результаты проведенного в этом направлении исследования показывают, что зависимость кд для бетонных конструкций, подверженных огневому воздействию, от температуры имеет вид, представленный на рис. 4. При температуре до 120 °С кд= 1,2, с ее повышением значение кд снижается до 1,0, а при температуре 900 °С достигает 0,60.

Рассматривается расчетная ситуация, возникающая в результате внезапного разрушения одной колонны в ячейке первого этажа здания. Такой случай является наиболее опасным, так как при этом будет приложено наибольшее динамическое воздействие на оставшиеся элементы несущей системы.

Изгибающие моменты и поперечные силы, возникающие в ригелях поврежденной ячейки каркаса, в несколько раз превышают усилия в ригелях, лежащих вне этой зоны. При этом наибольшие изгибающие моменты и поперечные силы возникают в нижних этажах ригелей поврежденной зоны каркаса, а в ригелях остальных этажей происходит незначительное повышение изгибающих моментов.

Для определения нагрузки, приходящейся на ригель над удаленной колонной, необходимо установить функцию динамичности кдин(?) по поперечным

100 200 300 400 500 600 700 800 900 Температура, °С

Рис. 4. Зависимость коэффициента динамичности бетона кд от температуры

силам, зависящую от отношения у = q *u / q0 (где q *u — средняя предельная нагрузка на систему ригелей над разрушенной колонной; qo — средняя погонная нагрузка, приложенная на эту систему ригелей):

1) при у> 2:

£дин(0= 1 -cos ®it;

2) при у <2 для ригелей над разрушенной колонной:

- в упругой стадии:

£дин(0= 1 -cos ®it;

- в пластической стадии:

&дин(0 = const = 0,25(1 + 3у),

где ю1 — частота колебаний ригелей над разрушенной колонной.

Динамический расчет ригелей после разрушения одной колонны проводится для элементов ячейки пространственного каркаса, которые испытывают наибольшую нагрузку при разрушении колонны. Поведение каркаса 45-этажного здания с переходными этажами под действием внезапно приложенной нагрузки получено в SAP 2000 v. 14.2 (рис. 5).

Рис. 5. Поведение каркаса здания под действием внезапно приложенной нагрузки: 1 — переходной этаж; 2 — пластическая стадия перед разрушением; 3 — стадия образования пластических шарниров (стадия разрушения)

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №12

43

ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рис. 6. Модель фрагмента пространственного каркаса при прогрессирующем разрушении с учетом огневых воздействий

При расчете здания дополнительно учитывались следующие факторы:

• увеличение нагрузки на ригель за счет динамических эффектов;

• уменьшение динамической прочности бетона конструкций поврежденной ячейки каркаса. Результаты расчета показывают, что учет этих

особенностей снижает несущую способность ригеля над удаленной колонной в 2-5,3 раза.

На рис. 6 показано поведение фрагмента каркаса 45-этажной пространственной рамы с переходными этажами при огневом воздействии.

На рис. 7 представлены прогибы ригелей первого и верхнего этажей 45-этажной рамы с переходными этажами при разрушающей нагрузке.

Динамический прогиб ригеля верхнего этажа

Динамический прогиб ригеля верхнего этажа с учетом огневых воздействий

Динамический прогиб ригеля первого этажа

Динамический прогиб ригеля первого этажа с учетом огневых воздействий

Рис. 7. Прогибы ригелей первого и верхнего этажей при разрушающей нагрузке для 45-этажной рамы с переходными этажами с учетом и без учета огневых воздействий

Выводы

1. Динамическая прочность бетона при огневом воздействии (коэффициент динамического упрочнения) ниже, чем для непрогретых бетонов, а в некоторых случаях меньше и статической прочности.

2. Для зданий и сооружений с переходными этажами расчет на прогрессирующее разрушение в условиях огневых воздействий следует вести с учетом уменьшения динамической прочности бетона.

3. Учет огневых воздействий приводит к увеличению прогибов ригелей поврежденной ячейки каркаса в среднем на 35 %.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Tamrazyan A. G., Mehralizadeh B. A. Study of Monolithic High-Rise Buildings with Transfer Floors under Progressive Destruction in the Nonlinear Formulation // 15th World Conference on Earthquake Engineering (WCEE), Lisbon, Portugal, 2012.

2. Тамразян A. Г. Особенности работы высотных зданий // Жилищное строительство. — 2004. — №3. —С. 19-20.

3. Баженов Ю. М. Бетон при динамическом нагружении. — М. : Стройиздат, 1970. — С. 270.

Материал поступил в редакцию 18 октября 2012 г. Электронные адреса авторов: [email protected]; [email protected].

Из пожарно-технического энциклопедического словаря

ФАКТИЧЕСКАЯ ОГНЕСТОЙКОСТЬ СТРОИТЕПЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ - время от возникновения пожара до наступления одного из нормируемых для данной конструкции предельных состояний по огнестойкости.