Рекомендации к разработке требований к живучести зданий и сооружений Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

2/2011 ВЕСТНИК 2/20L]_МГСУ

РЕКОМЕНДАЦИИ К РАЗРАБОТКЕ ТРЕБОВАНИИ К ЖИВУЧЕСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

RECOMMENDATIONS TO WORKING OUT OF REQUIREMENTS

TO ROBUSTNESS OF BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS

А.Г. Тамразян A.G. Tamrazyan

МГСУ

Использование сооружений с серьезными последствиями в случае отказа с одновременно повышенными требованиями к безопасности, сделали потребностью разработку требований к живучести.

Use of constructions with consequences in failure with simultaneously increased requirements to safety, have made needs working out of requirements to robustness.

Участившиеся случаи аварийных разрушений зданий и сооружений в связи с нерасчетными воздействиями и намеренным причинением вреда делают актуальной задачу оперативного и достаточно достоверного прогноза разрушения в аварийных режимах, необходимого для выработки мер по предотвращению последствий техногенных катастроф и террористической деятельности. Соответственно повышается значимость теоретических исследований для прогноза последствий, к которым приводят экстремальные воздействия на строительную конструкцию сооружений.

Широко распространенные высотные здания и большепролётные сооружения в случае отказа ключевых элементов могут быть причиной огромных последствий в виде человеческих жизней и материальных потерь, непропорциональных возможному инциденту и объему элемента, с которых начался отказ. Поэтому, целью требований к живучести является уменьшение чувствительности сооружений к непредвиденным (запроектным) нагрузкам и дефектам, которые не включены в нормы и расчётные требования.

Под живучестью конструкции (системы) понимается её способность частично выполнять свои функции при разрушении отдельных элементов.

При проектировании сооружений живучесть должна быть проверена для всех конструкций, где последствия отказа серьезны, и включает следующие процедуры:

1) обзор нагрузок и возможных способов отказа (сценариев) и определение приемлемой степени обрушения;

2) анализ конструктивных систем и идентификация основных (ключевых) элементов;

3) оценка чувствительности основных элементов сооружения к запроектным нагрузкам и дефектам;

4) проверка живучести анализом "отказ ключевого элемента";

5) регистрация живучести повышением прочности и жесткости ключевых элементов, если шаг 4) не возможен.

Живучесть связана со сценариями воздействий в виде непроектных нагрузок и дефектов, которые приводят к повреждению конструктивной системы, а затем к обрушению всего сооружения. В вероятностной формулировке это можно представить моделью (алгоритмом) анализа и оценки риска:

• Задается воздействие в виде непроектных нагрузок и дефектов Ei..

- например, случай изменения нагрузки; неправильное конструктивное моделирование; неправильная расчетная модель; ошибки, связанные с материалом;

- определяется вероятность воздействия: P (Е^.

• Рассчитывается ущерб № ]: Dj.

- например, потеря колонны, обрушение 15 % площади этажа;

- вероятность ущерба №| дается воздействием P(Dj|Ei ).

• Оцениваются последствия: С

- например, обрушение главной части конструктивной системы здания;

- вероятность обрушения дается воздействием Ж и повреждением №|:

P(C| Е п Ц);

- определяется полная вероятность обрушения:

P(C) = £ ^ (СЕ ПЦ> P(Dj|Ei ) ОД ), (1)

где суммирование производится по всем воздействиям и ущербам.

Из уравнения (1) видно, что вероятность обрушения может быть уменьшена (и живучесть увеличена):

• Уменьшением вероятности одного или более воздействий P (Е1), P(E2) ...

• Уменьшением вероятности одного или более ущербов P (01 |Е1), P (02|Е2), ... или уменьшением степени ущерба;

- например, усиление ключевых элементов (например, колонн) для уменьшения

P(Dj |Е );

- или усиление железобетонной плиты перекрытия для уменьшения степени повреждения этажа.

• Сокращением одного или более вероятностей P(C|E1ПD1), P (C|E2ПD2).

- например, увеличение избыточности (связей) конструкции.

Отмечено, что для ущербов относительно ключевых элементов P(C|EiПDj) = 1.

Увеличение живучести на стадии проектирования во многих случаях незначительно увеличивает стоимость конструктивной системы - основным здесь является использование разумной комбинации подходящей конструктивной системы и материалов с податливым поведением. В остальных случаях увеличение живучести значительно влияет на стоимость. Если рассматривать множество альтернатив повышения живучести, то с точки зрения теоретического решения оптимальной является альтернатива к, которая приводит к наименьшей ожидаемой общей стоимости:

Е[Ск] = С *( С| к )+СК,к , (2)

где Ср - стоимость обрушения, P(C| к) -вероятность обрушения при альтернативе к, Ся, к - стоимость альтернативы.

2/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

В расчёте для проверки достаточной безопасности в качестве нагрузки берутся "обычные" воздействия и комбинации нагрузок, включая случайные. Однако, могут произойти непроектные и непредвиденные нагрузки и дефекты, и живучесть должна ограничить последствия этих нагрузок.

Живучесть может быть продемонстрирована барьерной моделью (рис. 1).

По сравнению со случайными воздействиями первый барьер связан с неопределенными и неизвестными воздействиями и может состоять из общих мер, например, для детального и независимого контроля качества, связанного с проектированием, строительством, оценкой нагрузок, расчётных параметров и моделирования.

Рис.1. Барьерная модель живучести

Второй барьер более очевиден и до некоторой степени подобен мерам при случайных воздействиях: выбор и создание подходящих конструктивных систем (избыточность, податливость и т.д.).

Большинство аварий и несчастных случаев связаны с живучестью [3], поэтому:

- сооружения должны быть спроектированы таким образом, чтобы было достаточное сопротивление незапланированным, но и полностью не исключенным влияниям/инцидентам;

- вредные эффекты от влияний/инцидентов, которые не могут быть оценены, должны оставаться в рамках приемлемых пределов с разумными мерами;

- сооружения должны обладать возможностью остаточного сопротивления местным отказам, т.е. должны обладать достаточной безопасностью от прогрессирующего обрушения в случае, если эти непредвиденные влияния или дефекты вызвали местный отказ (локальное разрушение).

Основанный частично на вышеупомянутых рассуждениях, сооружение можно определить живучей:

• когда у частей сооружения, существенной для безопасности, есть малая чувствительность к непроектным нагрузкам и дефектам;

• если не произойдет прогрессирующего обрушения при локальных разрушениях сооружения.

Примеры непроектных нагрузок и дефектов:

• непредвиденные эффекты нагружения, геометрические недостатки, реконструкция и ухудшение условий эксплуатации;

• отклонения между фактической работой конструкции и расчетными моделями и т.д.

Отметим, что повышенная живучесть в некоторых случаях способствует сокращению последствий от возможных грубых ошибок, но документация живучести не должна рассматриваться как расчет против грубых ошибок.

Требования к живучести должны быть связаны с последствиями отказов [2]. Поэтому подтверждение живучести требуется для сооружений с высоким уровнем ответственности.

Живучесть сооружений может быть продекларирована соответствующим расчётом ключевых элементов. Ключевой элемент определяется как ограниченная часть(элемент) сооружения, возможный отказ которого приводит к отказу всего сооружения или значительной его части [1].

Живучесть может быть зарегистрирована/доказана техническим анализом, где, по крайней мере, выполняется один из следующих критериев:

a) элементы сооружения, существенные только для безопасности имеют малую чувствительность относительно непроектных нагрузок и дефектов,

b) в случае нагрузки типа "удаление ограниченной части (ключевого элемента) сооружения" прогрессирующего обрушения не произойдет,

c) достаточная безопасность ключевых элементов -структура с одним или более ключевыми элементами имеет такую же надежность, что и структура, где живучесть зарегистрирован критерием Ь).

Технический анализ должен включать:

1. Определение нагрузки для природно-климатических, техногенных и случайных на-гружений, включая возможные сценарии отказа; определение приемлемой степени обрушения при удалении ограниченной части структуры.

2. Конструктивный состав, включая идентификацию возможных основных элементов.

3. Оценку безопасности ключевых элементов сооружения относительно чувствительности к непроектным нагрузкам и дефектам.

4. Демонстрацию живучести случаем нагружения типа "удаление ограниченной части сооружения", если пункт 3 не документирует достаточную живучесть.

5. Расчёт ключевых элементов с дополнительным коэффициентом безопасности, если пункт 4 не документирует достаточную живучесть.

Если живучесть продемонстрирована случаем нагружения типа "удаление ограниченной части сооружения", можно использовать следующие руководящие принципы приемлемой степени обрушения:

• Для зданий выше 15 этажей: 15% площади одного этажа, максимально 240м2 в пределах смежных этажей, но всего не более 360 м2.

• Для других типов сооружений пределы определяются в каждом отдельном случае.

В частности, для повышения живучести монолитных каркасных зданий [1] предлагаются следующие методы:

- зонирование по вертикали на ярусы плитами жесткости или устройство пространственных блоков жесткости через каждые 5-10 этажей;

- идентификация, грамотное расположение и конструирование ключевых элементов;

- понижение чувствительности ключевых элементов к запроектным воздействиям и дефектам;

- локализация последствия разрушений ключевых элементов;

- повышение степени статической неопределимости конструктивной схемы здания с учетом упрогопластичной работы его элементов;

ВЕСТНИК

_2/2°1]_МГСУ

- использование упругоподатливых горизонтальных связей;

- применение жесткопластических стыков колонн и ярусов;

- резервирование в несущих конструкциях возможности их работы при знакопеременных динамических нагрузках;

- использование в конструкциях ключевых элементов материалов, демпфирующих (поглощающих) ударные и взрывные воздействия и повышающих их огнестойкость.

Живучесть нужно отличать от расчета на случайные воздействия, хотя некоторые из процедур расчёта и мероприятий подобны. Сооружения, прежде всего, должны быть живучими независимо от вероятности случайных воздействий.

Если живучесть продемонстрирована дополнительной безопасностью ключевых элементов, то используется дополнительный коэффициент безопасности по материалу 1.2. Однако, рекомендуется, чтобы живучесть была подтверждена не увеличением запаса прочности, а улучшенным сопротивление непроектным нагрузкам и дефектам.

В случае, если живучесть подтверждается увеличением запаса прочности ключевых элементов, то дополнительный коэффициент надёжности 1.2 по материалу должен использоваться для всех случаев нагружения, включая случайные нагрузки.

Коэффициент 1,2 определяется из условия одинаковой надежности двух систем:

• система с 2-мя или более параллельными элементами отказа (рис. 2а)

• система только с одним (ключевым) элементом (рис. 2Ь).

Рис.2. Модели систем с 2 и 3 параллельными элементами а), с одним (ключевым) элементом Ь)

Для модели конструктивной системы а) отказ одного элемента не приводит к обрушению всей конструкции, необходимо разрушение двух или более элементов. В системе Ь) отказ основного элемента приводит к обрушению конструкции.

Надежность системы а) регистрируется проверкой комбинации нагрузки удалением одного из элементов. У оставшихся элементов должна быть достаточная надежность.

Надежность системы Ь) регистрируется проверкой на "нормальные" комбинации нагрузки методом предельных состояний с повышающим коэффициентом т. Коэффициент х определяется из условия равнонадёжности двух систем а) и Ь).

Предполагается, что нагрузка на эти две системы одинаковая, на элементах системы а) равномерно распределенная, элементы ведут себя как хрупкие.

Надёжность каждого конструктивного элемента Н определяется из уравнения предельного равновесия:

Н = г Я - 1/п[(1-а)0 +ар>] , (3)

где а - коэффициент от 0 до 1, О - постоянная нагрузка, Q -временная нагрузка; Я -прочность элемента, г - расчетный параметр.

Для простоты Я, О и Q смоделированы стохастическими переменными (табл.1). Квантили используются для определения значений детерминированных характеристик.

Таблица 1

Стохастическая модель

Переменная Распределение Коэффициент вариации Квантиль

Я Логнормальное 0,15 5 %

О Нормальное 0,1 50 %

Q Гумбеля 0,2(приложенная нагрузка) / 0,4(средовая нагрузка) 98 %

Расчетное значение г получено из уравнения равновесия

г^-±[а-а)усСс + ау^с] = 0, (4)

Ут п

ГДе Ут, 7ви ¥(} - частные коэффициенты безопасности, Яс,Сс и Qc - характеристические значения.

Используются следующие комбинации нагрузок:

• ЬС1: количество элементов п

ут — 1-5 Ув — 1 и Ус = 1.3 / 1.5 (приложенная /средовая нагрузка)

• ЬС2: количество элементов п Ут = 1-5 Ус = 1,5 и уа = 1,0

• ЬС3: количество элементов п= 1

ут — 1.0 ус — 1,0 и уд = 1,0/0,5 (коэффициент сочетания нагрузок)

Комбинации ЬС1 и ЬС2 используются для проверки предельного состояния. Комбинация ЬС3 используется для проверки достаточной надежности. В случае, если элемент удален - соответствие проверке живучести "удалением ограниченной части структуры".

Индекс надежности (или характеристика безопасности) системы Р8 получается суммированием индекса надежности элемента и прочности независимых элементов.

Как альтернатива параллельной системе рассматривается единственный (простой) элемент, моделируемый ключевым элементом. Этот элемент рассчитывается с дополнительным коэффициентом безопасности материала т -у„, где т - коэффициент, определяется из условия равенства индексов надежности ключевого элемента Р; и параллельной системы р8.

Значение т зависит от отношения временных и постоянных нагрузок и комбинации нагружения. Величина т =1,2 подтверждается исследованиями с другим количеством элементов и коэффициентом вариации прочности.

2/2011 ВЕСТНИК _2/201J_МГСУ

Заключение

Живучесть должна быть введена в Свод Правил по безопасности зданий и сооружений как общее требование для уменьшения чувствительности конструкций к непредвиденным нагрузкам и дефектам, которые не включены в нормы и расчетные требования. Сооружения должны быть живучими независимо от вероятности случайных воздействий.

Литература

1.Тамразян А.Г. Оценка риска и надёжности несущих конструкций и ключевых элементов - необходимое условие безопасности зданий и сооружений. Вестник ЦНИИСК №1, стр.160-171. 2009г.

2.Alexander S. 2004. New approach to disproportionate collapse, Viewpoint in The Structural Engineer, 7 December, 2004.

3. Recommendation for Loading - and Safety Regulations for Structural Design. NKB-report No. 36, 1978.

References

1. Tamrazyan A.G. Estimation of risk and reliability of bearing designs and key elements - a necessary condition of safety of buildings and constructions. Bulletin TSNIISK №1, p. 160-171. 2009.

2.Alexander S. 2004. New approach to disproportionate collapse, Viewpoint in The Structural Engineer, 7 December, 2004.

3. Recommendation for Loading - and Safety Regulations for Structural Design. NKB-report No. 36, 1978.

Ключевые слова: живучесть, основные элементы, приемлемая степень разрушения, случайные воздействия, чувствительность, комбинация нагрузок, запроектные воздействия, дефекты, дополнительный коэффициент безопасности.

Keywords: Robustness, key elements, acceptable collapse extent, accidental actions, sensitivity, combination of loadings, unforeseen loads, defects, extra safety factor.

e-mail: tamrazian@mail.ru

Рецензент: Парфенов С.Г., к.т.н., проф. БГИТА г. Брянск