CC BY
15
/26 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 2 (56) УДК 699.84
Современные подходы к оценке опасности обрушения сооружений
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2018
Г.М. Нигметов, А.В. Рыбаков, А.М. Савинов, Т.Г. Нигметов
Аннотация
Развито применение метода динамических испытаний сооружений. Осуществлён научный поиск надежного критерия, позволяющего определить границу наступления катастрофического состояния сооружения, его разрушения. Получены критерии, с использованием которых по измерению собственных колебаний можно сделать вывод о возможном обрушении.
Ключевые слова: здания; сооружения; оценка технического состояния; метод динамических испытаний; измерение собственных колебаний; вероятность обрушения.
Modern Approaches to Assessing the Risk of Structural Collapse
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2018
G. Nigmetov, A. Rybakov, A. Savinov, T. Nigmetov
Abstract
An application of the method of dynamic tests of structures was developed. A scientific enquiry was performed to find a reliable criterion for determining the threshold of catastrophic state and destruction of the structure. Criteria were obtained for predicting possible collapse based on natural oscillations of the structure.
Key words: buildings; structures; assessment of technical condition; dynamic test method; measurement of natural oscillations; probability of collapse.
Статья поступила 14.02.2018.
В статье [1] был рассмотрен интегральный метод динамико-геофизических испытаний для оценки категории технического состояния сооружений. Однако из предлагаемых в статье критериев не ясно, при каком снижении частоты собственных колебаний может произойти обрушение сооружения. Необходимо определить, при каком снижении частоты может произойти обрушение сооружения.
Оценка опасности обрушения
В статье [1] по известным методикам выполнена оценка риска обрушения сооружений в зависимости от нагрузки и возможности сооружения противостоять нагрузке. По [2, 3].
При определении устойчивости конструктивных элементов типа колонн можно воспользоваться формулой [8]:
2 Е1
Рр=*х
(1)
где
Ь — длина стержня (колонны), м; Е1 — жесткость стержня, Н>м2.
Для определения жесткости через частоту собственных колебаний стержня воспользуемся формулой, известной из строительной механики [7]:
-2 [Ё1
„ п
р=т ■
где т — погонная масса стержня, кг/м.
(2)
Видно, что зависимости (1) и (2) имеют схожий вид.
Тогда, подставив в формулу (1) жесткость, выраженную через частоту, можно установить, как связана частота собственных колебаний с критической силой:
р,г = ^2 - ^
п
(3)
Следует воспользоваться выражением, связывающим частоту [7] с величиной, выражающей отношение текущего значения силы к критической:
Ъ = F0 к,/(1 -Р /Ркр),
(4)
где
Б — нормативное значение частоты собственных колебаний конструкции;
Б. — значение частоты собственных колебаний при 1-м состоянии;
Р./Р — отношение текущей нагрузки к критической.
Квадрат критической частоты связывается с квадратом нормативной частоты следующей зависимостью:
л р
Г,2 - Р02 X (1 ),
V2 - V2
г° п -Х100.
■ 2
(5)
Таким образом, РТР отношение текущей нагрузки к критической нагрузке можно выразить через частное разности квадрата нормативной частоты и текущего значения частоты к квадрату нормативной частоты. Чтобы установить связь между категорией технического состояния и Р/Р , нужно воспользоваться статистическими данными, полученными в таблице на основе данных [3] для различных типов сооружений. Величину категории технического состояния необходимо выразить через относительный параметр, представляющий собой отношение избыточного давления соответствующего состояния к избыточному давлению, вызывающему полные разрушения (табл. 1).
Таблица 1
Состояние сооружений в зависимости от превышения действующего давления, давления, вызывающего
слабые разрушения
Тип сооружения Отношение избыточных давлений, вызывающих определенную степень разрушения сооружений
слабое среднее сильное полное
Рсл /Рпол* Рсред /Рпол* Рсил/Рпол* Рпол/Рпол*
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием 60-100 т 0,25-0,5 0,5-0,625 0,625-0,75 -
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием до 50 т 0,286-0,43 0,43-0,57 0,57-0,714 0,714-1
Производственные сооружения с тяжелым каркасом (металлическим или железобетонным) 0,286-0,43 0,43-0,57 0,57-0,714 0,714-1
Производственные сооружения с легким металлическим каркасом 0,167-0,33 0,33-0,5 0,5-0,67 0,67-1
Производственное сооружение кирпичное бескаркасное 0,167-0,33 0,33-0,5 0,5-0,67 0,67-1
Кирпичное малоэтажное здание (один, два этажа) 0,22-0,33 0,33-0,55 0,55-0,78 0,78-1
Кирпичное многоэтажное здание (три этажа и более) 0,2-0,3 0,3-0,5 0,5-0,75 0,75-1
Деревянные дома 0,2-0,27 0,27-0,4 0,4-0,67 0,67-1
* Рсл — избыточное давление, вызывающее слабые разрушения сооружения; Рсред — избыточное давление, вызывающее средние разрушения сооружения; Рсил — избыточное давление, вызывающее сильные разрушения сооружения; Рполн — избыточное давление, вызывающее полные разрушения сооружения.
/28 См! SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, N0. 2 (56)
Для оценки процента снижения жесткости при определенной категории технического состояния для различных типов сооружений воспользуемся выражением (5) (табл. 2).
Таким образом, полные разрушения сооружений могут наступить при снижении квадрата собственной частоты на 67% и более процентов, при этом нагрузка может превышать нагрузку, вызывающую слабые разрушения более чем в 3 раза.
Предложения
Предлагается выполнить работу по статистическому анализу данных для оценки возможного снижения
жесткости сооружений при различных степенях их повреждения, полученных при воздействии динамических и статических нагрузок и износе при эксплуатации. На основе полученных данных необходимо выполнить уточнение критериев по оценке категории технического состояния сооружений [4].
На основе анализа данных по повреждению сооружений предлагается следующая таблица (табл. 3).
Следует рассмотреть пример оценки категории технического состояния двух зданий одного конструктивного исполнения и одних размеров, получивших различную степень повреждения от сейсмического воздействия (табл. 4) [9]. Схема сейсмического воздействия приведена на рис. 1.
Таблица 2
Процент снижения жесткости (квадрата частоты собственных колебаний сооружения) в зависимости от
категории технического состояния
Тип сооружения Процент относительного снижения жесткости сооружения при его различных состояниях
слабое среднее сильное полное
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием 60-100т 25-50 50-62,5 62,5-75 75-100
Производственные сооружения с тяжелым каркасом и крановым оборудованием до 50 т 28,6-43 43-57 57-71,4 71,4-100
Производственные сооружения с тяжелым каркасом (металлическим или железобетонным) 28,6-43 43-57 57-71,4 71,4-100
Производственные сооружения с легким металлическим каркасом 16,7-33 33-50 50-67 67-100
Производственное сооружение кирпичное бескаркасное 16,7-33 33-50 50-67 67-100
Кирпичное малоэтажное здание (один, два этажа) 22-33 33-55 55-78 78-100
Кирпичное многоэтажное здание (три этажа и более) 20-30 30-50 50-75 75-100
Деревянные дома 20-27 27-40 40-67 67-100
Таблица 3
Процент снижения жесткости (квадрата частоты собственных колебаний сооружения) в зависимости
от категории технического состояния
Тип сооружения Процент относительного снижения жесткости сооружения при его различных состояниях
Проектное Работоспособное Ограниченно работоспособное Тяжелое повреждение Катастрофическое повреждение
С железобетонным каркасом 0-25 25-43 43-57 57-71,4 71,4-100
С металлическим каркасом 0-16,7 16,7-33 33-50 50-67 67-100
Кирпичное 0-16,7 16,7-33 33-50 50-75 75-100
Деревянное 0-20 20-27 27-40 40-67 67-100
Таблица 4
Результаты сравнения динамико-геофизических испытаний зданий Медиа-ТВ центра
№ здания Т , с*
Т, с*
у
Категория технического состояния по методике [4]
Категория технического состояния по предлагаемой методике
Вывод
1 0,64 0,71 2 категория (удовлетворительное). Износ по оси Х, 16%. Износ по оси У, 0% 2 категория (работоспособное). Износ по оси Х, 25,6%. Износ по оси У, 0% Здание №1 получило легкие повреждения
2 1 1 4 категория (ветхое) Износ по оси Х, 27%. Износ по оси У, 81% 4 категория. Тяжелые повреждения Износ по оси Х, 38%. Износ по оси У, 69,5% Здание 2 получило аварийные повреждения в виде сдвиговых трещин колонн с оголением и деформацией арматурных стержней на уровне верха 2-го этажа (рис. 2)
* Тх, Ту — преобладающие периоды собственных колебаний по осям Х, У.
Рис. 1. Схема воздействия сейсмической волны на два многоэтажных однотипных здания. 1 — здание № 1;
2 — здание № 2; 3 — линия фронта сейсмической волны;
4 — река
Приведенный пример показывает, что по предложенным критериям катастрофического обрушения здания № 2 не должно произойти.
Таким образом, в отличие от методик, дающих критерии по категорированию технического состояния сооружений, авторами получены критерии для различных конструктивных типов сооружений. Используя метод динамических испытаний, показывается возможность прямого (инструментального) измерения категории технического состояния
Рис. 2. Катастрофические повреждения железобетонных колон на уровне 2-го этажа здания № 2 Медиа — ТВ центра «Кантепур» в г. Катманду в Республике Непал (катастрофическое землетрясение в апреле 2015 г.)
сооружений и опасности их обрушения. Новые критерии по категорированию технического состояния сооружений предлагается использовать для уточнения методики [4].
Литература
Нигметов Г.М., Сошенко М.В., Шмырев В.И. Подход к оценке нагрузок на сооружение после взрыва бытового газа // Технологии гражданской безопасности. 2018. Т. 15. № 1 (55). С. 28-32.
Синицын А. П. Расчет конструкций на основе теории риска. М.: Стройиздат, 1985.
Шульгин В. Н., Овсяник А. И. Инженерная защита населения // Под общ. ред. Ю. Л. Воробьева. М.: Типография № 2, 2006. Методика оценки и сертификации инженерной безопасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС, 2003.
Вероятностные оценки сейсмических нагрузок на сооружения. М.: Наука, 1987.
Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. Снитко Н. К. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1980. Гордон Дж. Конструкции, или почему не лопаются вещи. М.: Мир, 1980.
Нигметов Г. М., Акатьев В. А., Савинов А. М., Нигметов Т. Г. Оценка сейсмостойкости зданий динамико-геофизиче-ским методом с учетом особенности взаимодействия сейсмической волны с системой «грунт-сооружение» // Строительная механика и расчет сооружений. 2018. Вып. 1. С. 24-30.
Сведения об авторах
Information about the authors
Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н, доц., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с. науч.-исслед. центра. 121352, Москва, Давыдковская ул., 7. e-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-код — 8578-2278.
Рыбаков Анатолий Валерьевич: д. т. н., доц., нач. лаб., НИЦ ФГБВОУ ВО «АГЗ МЧС России». 141435, Соколовская ул., 1, Химки, Московская обл. e-mail: anatoll_rubakov@mail.ru SPIN-код — 8654-3788.
Савинов Андрей Максимович: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ),
м. н. с. науч.-исслед. центра.
121352, Москва, Давыдковская ул., 7.
E-mail: allarnatar@gmail.com
SPIN-код — 3843-4637.
Нигметов Темир Геннадьевич: Российский ственный социальный ун-т, студент. 129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр. 1. E-mail: t.nigmetov@yandex.ru
государ-
Nigmetov, Gennady M.: Cand.Sci. (Engineering), Associate Professor, Leading Researcher of Research Center, FC VNII GOChS.
7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia.
E-mail:tagirmaks@mail.ru
SPIN-code — 8578-2278.
Rybakov, Anatoly V.: Dr. Sci. (Engineering), Associate Professor, Head of Laboratory, Civil Defense Academy of EMERCOM of Russia,
1 Sokolovskaya, Khimki, Moscow Region, 141435, Russia. SPIN-code — 8654-3788.
Savinov, Andrey M.: Junior Researcher, FC VNII GOChS. 7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. E-mail: allarnatar@gmail.com SPIN-code — 3843-4637.
Nigmetov, Temir G.: student, Russian State Social University. 1 Wilhelm Peak, Moscow, 129226, Russia. E-mail: t.nigmetov@yandex.ru
9
