Расчет многоэтажных монолитных жилых зданий на аварийные воздействия нагрузок Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ГРНТИ 67.01.11

Апимгазинов Бахытжан Темирбекович

магистрант, кафедра «Промышленное, гражданское и транспортное строительство». Архитекту рно-строительный факультет.

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова. г. Павлодар. 140008. Респу блика Казахстан, e-mail: bj6(Winail.ru

Шагиева Роза Абдуллаевна

к.т.н.. профессор, кафедра «Промышленное, гражданское и транспортное строительство». Архитектурно-строительный факу льтет.

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова. г. Павлодар. 140008. Респу блика Казахстан, e-mail: shagieva2008ir/ mail.ru

РАСЧЕТ МНОГОЭТАЖНЫХ МОНОЛИТНЫХ ЖИЛЫХ ЗДАНИЙ НА АВАРИЙНЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАГРУЗОК

В статье рассматриваются вопросы проектирования конструкций, предупреждающих прогрессирующее обрушение за счет упрочнения, усиления и взаимосвязи элементов.

Предлагаются три способа проектирования здания. Описание методов даны на основе методов определения в расчетной программе в режиме моделирования поведения конструкций зданий и сооружений в случае аварийных воздействий, вы звавших локальные разрушения отдельных вертикальных несущих элементов.

Даны результаты конечно-элементной ¡х/счетной модели здания и результаты расчета в зоне обрушения.

Ключевые слова: проектирование, конструкция, усиление, аварийное воздействие, прогрессирующее обрушение, моделирование, метод конечных элементов, программа SCAD Office.

ВВЕДЕНИЕ

Аварийные воздействия могут быть вызваны деятельностью человека (взрывы газа, пожары, наезды транспорта, дефекты проектирования, неквалифицированная реконструкция с надстройкой, перепланировкой помещений, сопровождаемая ослаблением или перегрузкой несущих элементов и оснований, теракты) или природными явлениями (землетрясения, ураганы, оползни, неравномерные деформации оснований). Поскольку невозможно полностью исключить вероятность возникновения таких ситуаций, необходимо обеспечить определенную степень безопасности людей и сохранности их имущества за счет уменьшения вероятности прогрессирующего обрушения при локальных разрушениях несущих конструкций. Термин «прогрессирующее обрушение» относится к ситуации, когда разрушение или повреждение какой-либо малой части конструкции ведет к полному или почти полному разрушению всей конструкции.

Предлагается три способа проектирования зданий, предупреждающих прогрессирующее обрушение: общее упрочнение всего здания, местное усиление

и взаимосвязь элементов. В большинстве случаев предпочтение отдается первому способу, при котором разрушение одного из элементов здания не приводит к разрушению всего строения. Местное усиление, т.е. упрочнение наиболее чувствительных мест, трудно поддается стандартизации т.к. для этого нужно четко представлять характер возможных воздействий на здание. Конструктивная взаимосвязь элементов, или непрерывность конструкции, также является способом общего или местного упрочнения.

Одним из документов, определяющих правила проектирования для предотвращения прогрессирующего обрушения, являются Рекомендации, разработанные МНИИТЭП и НИИЖБ [1].

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

В настоящее время высотные здания все чаще применяются при застройке городов. Конструкции таких зданий - это каркас из монолитного железобетона, который в отличие от ранее применявшихся сборных каркасов (для которых был накоплен достаточный опыт расчета, проектирования и возведения) имеет ряд особенностей, к основным из которых можно отнести [2]:

- безбалочные перекрытия, имеющие сложную конфигурацию в плане, обусловленную наличием большого количества нерегулярно расположенных балконов, эркеров, лоджий, отверстий;

- нерегулярно расположенные вертикальные несущие элементы -диафрагмы, колонны, пилоны (как правило, происходит отказ от мощных колонн прямоугольною сечения в пользу часто расположенных пилонов и колонн сложного сечения - тавровые, крестовые, уголковые, которые естественно вписываются в планировку);

- ненесущие наружные стены, поэтажно опирающиеся на междуэтажные перекрытия;

- фундаментные конструкции, представляющие собой фундаментную плиту, опирающуюся на свайное основание или на грунтовое основание, усиленное сваями (реже только на грунтовое основание). Очень часто основание фундаментной плиты имеет ярко выраженную неравномерную жесткость, обусловленную наличием карстов, неравномерными свойствами грунтов, повышенной жесткостью грунта и свай в периферийных зонах плиты и др. факторами, существенно влияющими на напряженно-деформированное состояние фундаментной плиты и вышележащих конструкций здания.

В ПК SCAD Office включен режим, который предназначен для моделирования поведения конструкций зданий и сооружений в случае аварийных воздействий, вызвавших локальные разрушения отдельных вертикальных несущих элементов. Основные расчетные предпосылки приняты в соответствии с рекомендациями [3]:

1 Несущая система жилых зданий должна быть устойчива к прогрессирующему (цепному) обрушению в случае локального разрушения отдельных конструкций при аварийных воздействиях (взрыв бытового газа, пожар и т.п.).

2 Допускаются локальные разрушения отдельных несущих конструкций, но эти первичные разрушения не должны приводить к обрушению соседних конструкций, на которые передается нагрузка, воспринимавшаяся ранее элементами, поврежденными в результате аварийного воздействия.

3 Конструктивная система здания должна обеспечивать его прочность и устойчивость, как минимум на время, необходимое для эвакуации людей. Перемещения конструкций и раскрытие трещин в них не ограничиваются.

4 Устойчивость к прогрессирующему обрушению проверяется расчетом на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающее постоянные и временные длительные нагрузки, а также воздействие гипотетических локальных разрушений несущих конструкций. Коэффициенты надежности по нагрузкам следует принимать равными единице.

5 Расчетные характеристики материалов повышают за счет специальных коэффициентов надежности. Кроме того, расчетные сопротивления умножают на коэффициенты условий работы, учитывающие малую вероятность аварийных воздействий и рост прочности бетона после возведения здания, а также возможность работы арматуры за пределом текучести.

При каждом выбранном локальном разрушении необходимо рассмотреть все указанные механизмы прогрессирующего обрушения [3]:

- одновременное поступательное смещение вниз всех вертикальных конструкций (или отдельных частей), расположенных над локальным разрушением;

- одновременный поворот каждой конструктивной части здания, расположенной на локальном разрушении, вокруг своего центра вращения;

- условие необрушения только участка перекрытия, расположенного непосредственно над выбитой вертикальной конструкцией и первоначально на нее опертого;

- перемещение конструкции лишь одного этажа, расположенного непосредственно на выбитым вертикальным элементом.

В некоторых случаях целесообразно рассматривать работу перекрытий над удаленной колонной (пилоном, стеной) при больших прогибах как элементов висячей системы или с учетом мембранного эффекта [3].

Термин «прогрессирующее обрушение» прямолинейный, предлагается использовать термин «лавинообразное обрушение», который более точен и отражает существо вопроса [4].

В основу расчета на прогрессирующее обрушение положены следующие положения [5]:

- в качестве исходной модели конструкции здания для расчета на прогрессирующее обрушение принимается модель, полученная по результатам прочностного анализа и последующего подбора арматуры в элементах железобетонных конструкций и сечений элементов стальных конструкций;

- элементы расчетной схемы, моделирующие внезапно удаляемые элементы сооружения, объединяются в группы; количество элементов сооружения, одновременно вышедших из строя (обрушившихся), не ограничивается;

- расчет выполняется для комбинации загружений, включающей постоянные нагрузки и длительные части временных нагрузок с коэффициентом 1;

- для учета внезапности удаления элементов конструкции и эффекта падения обрушившихся конструкций вводятся коэффициенты динамичности;

- проверка элементов железобетонных и стальных конструкций, входящих в состав расчетной схемы после внезапного удаления элементов, выполняется только с учетом первого предельного состояния;

- расчетные прочностные и деформационные характеристики материалов принимаются равными их нормативным значениям;

- поскольку в результате расчета на прогрессирующее обрушение чаще всего возникают большие перемещения, рекомендуется выполнять расчет в геометрически нелинейной постановке.

Кроме того, полезно рассмотреть случай, когда инициализация прогрессирующего разрушения происходит после определенного, достаточно продолжительного периода эксплуатации, в течение которого могут реализоваться деформации ползучести. Тогда расчет в геометрически нелинейной постановке даст менее пессимистический прогноз.

Расчет конструкций и оснований по предельным состояниям первой и второй групп следует выполнять с учетом неблагоприятных сочетаний нагрузок или соответствующих им усилий. Эти сочетания устанавливаются из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок для рассматриваемой стадии работы конструкции или основания [6, 7].

Расчет на прогрессирующее обрушение выполняется в два этапа [8,9]. Первый этап включает следующие действия:

- статический и динамический расчеты с целью определения напряженно-деформированного состояния конструкции в нормальных условиях эксплуатации (рисунок 1);

- определение расчетных сочетаний усилий (РСУ);

- подбор арматуры в элементах железобетонных конструкций с учетом первого и второго предельных состояний;

- проверка и подбор прокатных сечений элементов стальных конструкций.

Для выполнения второго этапа необходимы дополнительные данные, которые

включают:

- список конечных элементов, входящих во внезапно удаляемый фрагмент конструкции;

- проверочную комбинацию загружений, в которую входят постоянные нагрузки и длительная часть временных нагрузок с коэффициентом 1;

- группу нагрузок, определяющую вес обрушившихся конструкций;

- коэффициент перегрузки (динамичности) - к! для корректировки реакции системы при внезапном удалении элемента конструкции;

- коэффициенты перегрузки - к для корректировки реакции системы на обрушение вышедших из строя конструкций (по умолчанию принимается к.= кг= 2);

- значение интервала неопределенности.

к

Рисунок 1 - Конечно-элементная расчетная модель здания

Если выполняется нелинейный расчет, то следует назначить метод расчета и задать соответствующие методу параметры (количество шагов, количество итераций).

В программе принят следующий порядок выполнения расчёта [8]:

-определяются реакции в узлах, вышедших из строя элементов, примыкающих к остальной части схемы, от проверочной комбинации нагрузок;

- полученные значения реакций добавляются в расчетную комбинацию с коэффициентом к л

- в проверочную комбинацию добавляется группа нагрузок от веса обрушившихся конструкций с коэффициентом к ;

- формируется новая расчетная схема, в которой разрушенные элементы будут неактивны;

- выполняется расчет полученной схемы на проверочную комбинацию, формируются расчетные сочетания усилий;

- выполняется экспертиза несущей способности элементов стальных и железобетонных конструкций.

Безопасность большепролетных сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения конструкций при аварийных воздействиях должна быть обеспечена правильным выбором и применением одного или нескольких перечисленных ниже мероприятий, в ряде случаев, соответствующих определенному аварийному воздействию [4]:

- значение необходимых запасов несущей способности основных(«ключевых») элементов конструкций;

- исключение или предупреждение опасности аварийных воздействий;

- выбор рациональных конструктивных решений и материалов;

- проектирование «ключевых» элементов с учетом возможности восприятия аварийных воздействий в дополнение к стандартным проектным нагрузкам и воздействиям;

- мониторинг состояния несущих конструкций и организация надлежащей эксплуатации сооружения.

Анализ результатов [8]:

- результаты расчета на прогрессирующее обрушение отображаются в графической форме в двух- и трехцветной цветовой шкале.

- в двухцветной шкале элементы разделяются по цвету на работающие, у которых значение максимального по величине коэффициента использования ограничений к меньше единицы, и вышедшие из строя (к =1).

- в трёхцветной шкале (рисунок 2) третий цвет используется для указания элементов, попавших в интервал неопределенности, т.е. таких, которые, по мнению расчетчика, с одинаковой вероятностью могут быть отнесены и к выбывшим из строя, и к работающим. Значение интервала неопределенности (в процентах от к ) назначается пользователем.

max'

Заметим, что найденные неработающие элементы - это те, которые отказали на первом же шаге процесса лавинообразного распространения обрушений. Если их включить в список конечных элементов, входящих во внезапно удаляемый элемент конструкции, и определить, куда передается нагрузка с этих элементов после их разрушения, то можно получить картину разрушений на втором шаге и т.д. Однако, чаще требуется выполнить усиление элементов (не всех), попавших в неработающие по результатам первого шага, и повторить расчет уже для усиленной конструкции. Усиливаемые элементы следует объединять в соответствующие группы армирования.

Рисунок 2 - Результаты расчета в зоне обрушившегося пилона по оси 2/В (красный цвет соответствует вышедшим из строя элементам)

Задание первоначального армирования [8]:

При подборе арматуры по результатам прочностного анализа в сечениях элементов преобладает арматура определенного положения. Так, например, в пролетах чаще всего необходима только нижняя арматура, а на опорах - верхняя. В результате разрушения части несущих конструкций характер напряженно-деформированного состояния элемента может измениться. Если при подборе арматуры окажется, что первоначального армирования недостаточно, то к нему будет добавлена необходимая арматура. В противном случае в сечении останется заданное первоначальное армирование.

Устанавливаемые в проектной документации требования к стадии эксплуатации должны включать [10]:

- пределы допустимого изменения параметров конструкции и ее элементов в процессе эксплуатации;

- требования к периодичности осмотров и оценки состояния конструкции;

-требования к условиям осуществления ремонтов ремонтируемых элементов

и замены неремонтируемых элементов конструкции, в том числе требования безопасности

В проектах оснований и фундаментов сооружений необходимо предусматривать проведение натурных наблюдений (мониторинг). Состав, объем и методы мониторинга устанавливают в зависимости от уровня ответственности сооружений и сложности инженерно- геологических условий [11].

Для обеспечения безопасности и качества строительства организуется геотехнический надзор и контроль [12].

ВЫВОДЫ

При реализации данного режима авторами принималась во внимание очевидная условность исходных предпосылок, заключающаяся в следующем:

- нет достоверной информации о месте и причине возникновения процесса и характере его протекания;

- реальные параметры разрушения могут далеко отстоять от условий прочности, приведенных в нормах, т.к. известно, что расчетные значения параметров прочности могут существенно отличаться от наблюдаемых в натуре.

Таким образом, в результате численного моделирования можно получить качественную оценку характеристик устойчивости конструкции по отношению к прогрессирующему обрушению, а также сопоставить несколько возможных сценариев обрушения с целью выявления слабых мест конструкции.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1 Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. - М., 2005.

2 Городецкий, А. С., Батрак, JI. Г., Городецкий, Д. А., Лазнюк, М. В., Юсипенко, С. В. Расчет и проектирование конструкций высотных зданий из монолитного железобетона. - Киев : «ФАКТ», 2004.

3 Шапиро, Г. И., Эйсман, Ю. А., Залесов, А. С. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. -М. : Москомархитектура, 2005.

4 МДС 20-2.2008. Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях. - М., 2008.

5 Карпиловский, В. С., Криксунов, Э. 3., Перельмутер, А. В., Маляренко, А. А., Микитаренко, М. А., Перельмутер, М. A. SCAD OFFICE. Вычислительный комплекс SCAD для пользователя. - М., 2006.

6 СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия. АГСК 1-2014

7 Акпанов, А. А. Применение стальных конструкций в малоэтажных зданиях // Наука и техника Казахстана. -2017. -№ 1-2. - С. 4-13.

8 Мосина, Н. А. Реализация расчета монолитных жилых зданий на прогрессирующее (лавинообразное) обрушение в среде вычислительного комплекса «SCAD Office». - М., 2009.

9 Колюнов, В. А., Алдунгарова, А. К., Менейлюк, А. И., Самат, К. М. Расчёт столбчатых фундаментов на нелинейно деформируемом основании по программе SCAD // Наука и техника Казахстана. -2016. - № 3-4. - С. 81-88.

10 СНиП РК 5.03-34-2005 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. - Астана, 2005.

11 МСП 5.01-102-2002 Проектирование и устройство оснований и фундаментов зданий и сооружений. - Астана, 2002.

12 СН РК 5.01-02-2013 Основания зданий и сооружений. - Астана, 2013.

Материал поступил в редакцию 05.12.18. Ллимгашнов Бахытжан Темирбекович

магистрант, «Онеркесттж, азаматтык жене келж курылысы» кафедрасы, Сеулет-курылыс факультет!, С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекегпк университет!, Павлодар к., 140008, К^закстан Республикасы, e-mail: bj6(a;mail.ru Шагнева Рта Аддуллаевпа

т.г.к., профессор, «Онеркестт1к, азаматтык жене келж курылысы» кафедрасы, Сеулет-курылыс факультету С. Торайгыров атындагы Павлодар мемлекегпк университет!, Павлодар к., 140008, Казакстан Республикасы, e-mail: [email protected] Материал баспага 05.12.18 тустк

Шектеул! жуктеуге арналган мультилелд1к монолитикалык тургын уй курылысын есептеу*!

Банта, элементтердщ Cepinmiei. орныгуы жоне взара байланысы есебтен удемелi кулауын ескерту конструкцияларды жобалау моселелер! царастырылады.

Римараттарды жобалаудыц уш тэст усынылады. ЭЫстерд'щ сипаттамасы жекелеген mi к котерг iut элементтердщ жергшкт/ бузылуын тугызган, аварияшц осе pi жагдайында, гимараттар мен курылыстар конструкцияларыныц эрекетш модельдеу mapmiöiHde ecenmix багдарламада аныкрпау odicmepi негЫнде 6epLtdi.

Римараттыц ацырлы-элементт/'к ecenmiK моделшщ нэтижелерi жоне кулау аймагындагы есептеу нэтижелерi бер/'лд/.

Ki.immi с ездер: жобалау, цурылыс, кушейту, авариялыц осер, нрогрессивтi кулау, модельдеу. ак;ырлы-)лементпик ecenmiK моделI, SC.ID Office багдарламасы.

Alimgaziiwv Bakhytzhan Teiiiirbekovich

undergraduate student, Department of «Industrial, Civil and Transport Construction», Faculty of Architecture and Construction, S Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan, e-mail: bj6(a:mail.ru Shagieva Rosa Abilullaeviia

Candidate of Engineering Sciences, professor, Department of «Industrial,

Civil and Transport Construction», Faculty of Architecture and Construction,

S. Toraighyrov Pavlodar State University,

Pavlodar, 140008, Republic of Kazakhstan,

e-mail: [email protected]

Material received on 05.12.18.

Calculation of multilevel monolithic residential buildings on emergency impacts of loads

The article deals with the design of structures that prevent progressive collapse through hardening, strengthening and interconnection of elements.

There are three ways to design a building. The description of the methods is given on the Ixisis of the determination methods in the calculation program in the mode of modeling the behavior of the structures of buildings and const met ions in case of accidental im/xicts that caused local destruction of individual vertical bearing elements.

The results of the finite element calculation model of the building and the results of the calculation in the collapse zone are given.

Keywords: design, construction, enhancement, emergency im/xtct, progressive collapse, modeling, finite element method. SCAD Office program.