Железобетонных зданий против прогрессирующего обрушения

ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ЗДАНИЙ ПРОТИВ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ

Стефановский Д. В.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия

Редикульцев Е.А.

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», Екатеринбург, Россия effect-project[AT]yandex.ru Обеспечение надежности зданий и сооружений является главной задачей при проектировании, в котором должны учитываться все возможные нагрузки, в том числе и особые, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации.

Вследствие аварийных ситуаций (взрывов бытового газа, наездов автотранспорта, дефектов проектирования, строительства или реконструкции, терактов и т.п.) возможно повреждение несущих конструкций здания и полное или частичное выключение их из работы, а также наступление прогрессирующего обрушения, характеризуемого последовательным разрушением смежных несущих элементов. Защита зданий от прогрессирующего обрушения является неотъемлемой частью обеспечения надежности.

Оценку склонности зданий к прогрессирующему обрушению можно с практической точностью определить кинематическим методом предельного равновесия, который в нормативных документах представлен только в общем виде.

Актуальность развития данного метода заключается в отсутствии его подробных методик в нормативных документах и потребностью проектировщиков в доступных и простых методах расчета.

Основными документами, регламентирующими основные положения по расчету зданий на устойчивость против прогрессирующего обрушения, являются Рекомендации [1-4].

Расчет здания в случае локального разрушения несущих конструкций производится только по предельным состояниям первой группы. Развитие неупругих деформаций, перемещения конструкций и раскрытие в них трещин в рассматриваемой чрезвычайной ситуации не ограничиваются.

Устойчивость зданий против прогрессирующего обрушения следует обеспечивать наиболее экономичными средствами:

рациональным конструктивно-планировочным решением здания с учетом возможности возникновения рассматриваемой аварийной ситуации;

конструктивными мерами, обеспечивающими неразрезность конструкций;

применением материалов и конструктивных решений, обеспечивающих развитие в элементах конструкций и их соединениях пластических деформаций.

Расчет производят на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающее постоянные и длительные временные нагрузки, а также воздействие на конструкцию здания локальных гипотетических разрушений. Локальное разрушение может быть расположено в любом месте здания.

Постоянная и длительная временная нагрузки принимаются с коэффициентами сочетания нагрузок и коэффициентами надежности по нагрузкам, равными единице. Расчетные прочностные и деформационные характеристики материалов принимаются равными их нор мативным значениям согласно действующим нормам проектирования с учетом физической нелинейности.

В случае обеспечения пластичной работы конструктивной системы в предельном состоянии проверку устойчивости против прогрессирующего обрушения элементов, расположенных над локальными разрушениями, можно проводить кинематическим методом теории предельного равновесия, дающим наиболее экономичное решение.

В этом случае расчет здания при каждой выбранной схеме выполняется по следующей процедуре:

задаются наиболее вероятные механизмы прогрессирующего (вторичного) обрушения элементов здания, потерявших опору (задать механизм разрушения значит определить все разрушаемые связи, в том числе и образовавшиеся пластические шарниры, и найти возможные обобщенные перемещения по направлению усилий в этих связях);

для каждого из выбранных механизмов прогрессирующего обрушения определяются предельные усилия, которые могут быть восприняты сечениями всех пластично разрушаемых элементов и связей, в том числе и пластических шарниров; находятся равнодействующие внешних сил, приложенных к отдельным звеньям механизма, то есть к отдельным не разрушаемым элементам или их частям, и перемещения по направлению их действия;

определяются работы внутренних сил W и внешних нагрузок U на возможных перемещениях рассматриваемого механизма, и проверяется условие равновесия:

W U.

В работе предложен координатный способ определения работ внутренних и внешних сил в перекрытиях.

Пусть начало координат совпадает с центром тяжести разрушенной колонны (пилона), тогда близлежащие колонны (пилоны) приобретают соответствующие координаты.

Общие случаи излома перекрытия для расчета координатным способом представлены на рис. 1.

По принятым схемам излома определяются работы внутренних и внешних сил в перекрытии с помощью зависимостей метода предельного равновесия.

Работа внутренних сил перекрытия суммируется по всем пластическим шарнирам. Для расчетов необходимо определить изгибающие моменты, воспринимаемые сечением перекрытия вдоль рассматриваемого пластического шарнира и угол излома, который обратно пропорционален радиусу окружности, по которому может произойти поворот перекрытия.

Работа внешних сил на перемещениях перекрытия определяется в зависимости от об- рушаемой части перекрытия и ее перемещений.

Созданы и реализованы алгоритмы для компьютерного программирования на языке Pascal для координатного способа. Точность метода и вычисления программ подтверждается проведенным верификационным тестом, а также проверочным расчетом методом конечных элементов 12-этажного здания с регулярной сеткой колонн.

При условии внезапного удаления вертикальных несущих конструкций, характер работы перекрытия кардинально меняется, в связи с чем, очевидным является наличие больших деформаций (прогибов). Исследования показывают, что при больших прогибах, в перекрытиях, наряду с чисто изгибными напряжениями, появляются и так называемые цепные или мембранные напряжения (напряжения растяжения-сжатия), учет которых даст более точное решение.

Расчеты с учетом мембранных напряжений основаны на методе, предложенным А. Р. Ржаницыным [5]. Работа внутренних сил в перекрытии представляется как сумма работ внутренних изгибающих моментов на двугранных углах перелома и дополнительных работ, обусловленных наличием продольных растягивающих (мембранных) напряжений.

В итоге, работу внутренних сил в перекрытии можно найти по следующей зависимости:

V /

где m - несущая способность перекрытия относительно пластических шарниров, f - прогиб,

a - углы, образованные между пластическими шарнирами, h - толщина перекрытия.

Графики на рис. 2 построены для перекрытия с h = 200 мм. Из них видно, что учет мембранных напряжений уже дает увеличение работы внутренних сил в перекрытии при прогибах в 40-50 мм или 1/5-1/4 толщины перекрытия. Данный результат прекрасно согласуется с исследованиями, изложенными в [6].

Прогиб, мм

Рис. 2.

Зависимость работы внутренних сил от прогибов:

А - без учета мембранного эффекта; В - с учетом мембранного эффекта

Важной проблемой метода предельного равновесия является оценка деформаций (прогибов) перекрытий каркасов зданий и, соответственно, учета реальных мембранных напряжений в работе внутренних сил. Актуальной задачей является нахождение всех параметров, при которых наступает предельное равновесие конструкций.

Библиографический список

Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях / Правительство Москвы. М.: УПП Москомархитектуры, 2002. - 20 с.

Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения / Правительство Москвы. М.: УПП Москомархитектуры, М.: 2005. - 59 с.

Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения / Правительство Москвы. М.: ГУП МНИИТЭП, 2006. - 34 с.

Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий / Правительство Москвы. М.: УПП Москомархитектуры, 1999. - 55 с.

Ржаницын А.Р. Предельное равновесие пластинок и оболочек. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. - 288 с.

Вольмир А.С. Гибкие пластинки и оболочки. М.: Государственное издательство техникотеоретической литературы, 1956. - 420 с.

Количество показов: 1875