ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫЕ КАРКАСЫБЕЗ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО

РАЗРУШЕНИЯ

Доктор техн. наук профессор Алмазов В. О.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Приводимый ниже материал знакомит с путями решения актуальной задачи – противодействия прогрессирующему разрушению несущих каркасов многоэтажных зданий, в первую очередь выполняемых из монолитного железобетона.

Необходимость решения этой задачи в процессе проектирования здания является важнейшей составляющей в обеспечении безопасности здания при воздействии эксплуатационных и аварийных нагрузок. Эта общая задача в виде нормативного требования содержится в ГОСТ 7751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований».

Прогрессирующее разрушение здесь трактуется как глобальный результат, сопровождающийся утратой всего каркаса или существенной его части, что может вызвать и человеческие жертвы, инициированный локальными повреждениями, в том числе – повреждениями одного элемента каркаса или нарушения узла сопряжения элементов каркаса.

Здесь приводятся различные пути и методы решения этой задачи.На основе приводимых здесь соображений на стадии «проект» и стадии

«рабочей документации» можно обеспечить экономичное и надежное конструктивное решение каркаса и его элементов, гарантирующее, что местные повреждения не станут источником катастрофы.

Утвержденные в конце 2005 года Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов (МГСН 4.19-2005) сформулировали и четко обозначили требования к проектированию и строительству зданий высотой 25 этажей и более. Одновременно с этим нормы определили и целый ряд задач, требующих решения в интересах обеспечения безопасного возведения объектов, новых для московских строителей. Среди них важное место занимают задачи сопротивления аварийным воздействиям, включая задачу противодействия прогрессирующему разрушению.

В МГСУ решением проблемы сопротивления аварийным воздействиям заняты несколько научных коллективов. Результаты этих исследований обладают новизной и актуальны при решении вопросов проектирования и строительства высотных зданий в Москве.

СОДЕРЖАНИЕТИТУЛВЫХОДНЫЕ ДАННЫЕПРЕДИСЛОВИЕ1. АКТУАЛЬНОСТЬ ВОПРОСА 2. ИСТОРИЯ ВОПРОСА 3. СОДЕРЖАНИЕ ПРОБЛЕМЫ 4. НОРМАТИВНАЯ БАЗА 5. ЦЕЛЬ 6. МЕТОДЫ 7. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ РИСКА 8. УВЕЛИЧЕНИЕ «ЖИВУЧЕСТИ» 9. ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ НАДЕЖНОСТЬ10. СХЕМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ 11. ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ12. РАЗМЕР УЩЕРБА13. БАЛАНС РАСХОДОВ14. ПРЕДЛОЖЕНИЕ15. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ16. ДИНАМИКА ПРОЦЕССА17. КАРКАС18. РОСТ НАГРУЗКИ19. РОЛЬ СВЯЗЕВЫХ ЭТАЖЕЙ20. ГАМАК21. ОБЪЕМНЫЙ ВЗРЫВ22. УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЛОЖЕНИЯ23. СХЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ СВЯЗЕЙ24. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИ УТРАТЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ КОЛОННЫ25. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРИ УТРАТЕ УГЛОВОЙ КОЛОННЫ26. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ (СЕМЕНОВСКАЯ, ПРЕОБРАЖЕНКА, РОСТОКИНСКАЯ)27. МОДЕЛЬ КАРКАСА.28. ЛИТЕРАТУРА РЕКЛАМА.

1. АКТУАЛЬНОСТЬ ВОПРОСА

• -террористическая деятельность,• - отсутствие акцентированных

требований и рекомендаций в старойнормативной литературе: СНиП’ы иГОСТ’ы.

• - широкое использование компьютерныхкомплексов без пониманиявзаимоотношения между расчетной иконструктивной схемой.

• - слабый контроль за исполнением работ– проектных и строительных.

После ряда трагедий природного и техногенного происхождения человечество, а вместе с ним власти ряда стран, осознали необходимость осуществления организации-онных мероприятий и финансовых расходов для активного и пассивного противодействия разрушениям, последствия которых существенно превосходят затраты на их инициацию. МГСН 4.19-2006 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональ-ных высотных зданий и зданий комплексов в г. Москве» содержит рекомендации по расчету и проектированию указанных зданий с учетом сопротивления прогрессирующему обрушению. Этот и другие нормативные документы (например, проект СП «Железобетонные несущие конструкции каркасных и бескаркасных монолитных зданий») обязывают при проектировании делать проверочные расчеты, гарантирующие отсутствие глобальных разрушений при локальном повреждении какого-либо элемента здания или сооружения.

Новизна вопроса, конечно, требует углубленных исследований для уточнения расчетных методик, накопления опытных и теоретических обоснований.

2. ИСТОРИЯ ВОПРОСА

• Строительные конструкции и основания должны быть запроектированытаким образом, чтобы они обладали достаточной надежностью привозведении и эксплуатации с учетом, при необходимости, особыхвоздействий (например, в результате землетрясения, наводнения, пожара, взрыва).

•ГОСТ 7751-88 НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ОСНОВАНИЙ.

• Основные положения по расчету.

• Арматура, требуемая для сопротивления возможным положительныммоментам (смещение опоры, взрыв и т. п.), должна определяться вконтрактных документах.

• Еврокод2 (2003) п. 9.2.1.5(3)

• (1)P Конструкции, которые специально не проектируются на случайныевоздействия, должны иметь соответствующую систему связей, чтобыобеспечить защиту (безопасность) при альтернативных путяхнагружения после локального повреждения.

• Еврокод2 (2003) п. 9.10.1(1)

Различают аварийные воздействия природного и техногенного характера в зависимости от источников их возникновения. Природные воздействия возникают вследствие землетрясений, ураганов, смерчей и иных стихийных бедствий. Техногенные воздействия являются следствием технической деятельности человека. Это взрывы бытового газа в жилых зданиях, действие ВВ при террористических актах, наезды транспортных средств на вертикальные несущие конструкции и т. п.

Мировой и европейский опыт свидетельствует о реальности угрозы и об эффективности расчетных и конструктивных мер противодействия прогрессирующему разрушению. Минимизация дополнительных расходов при гарантии сохранения жизни и здоровья людей являются обязательными условиями решения задачи.Национальные нормы ряда стран и международные нормы содержат рекомендации по учету подобных воздействий при проектировании.

3. СУЩЕСТВО ПРОБЛЕМЫ «ЖИВУЧЕСТЬ»

–– ЛокальныеЛокальные поврежденияповреждения нене должныдолжныприводитьприводить кк общемуобщемукатастрофическомукатастрофическому обрушениюобрушениюнесущегонесущего каркасакаркаса..

РасчетнымРасчетным, , конструктивнымконструктивным путемпутем обеспечитьобеспечитьповышенноеповышенное сопротивлениесопротивление деформациямдеформациям вв узлахузлах. . ССпомощьюпомощью приборногоприборного контроляконтроля, , включаявключая мониторингмониторингНДСНДС ии улучшенияулучшения свойствсвойств материаловматериалов конструкцииконструкции, , застраховатьсязастраховаться отот выбросоввыбросов нагрузокнагрузок, , включаявключаярезультатырезультаты терактовтерактов..

ПовыситьПовысить надежностьнадежность всехвсех элементовэлементов каркасакаркаса, , укрепитьукрепить связисвязи, , узлыузлы ии тт. . пп. . ОценкуОценку такоготакого подходаподходадаетдает «« теориятеория рискариска»» ..

-- ВыявитьВыявить реальныереальные опасностиопасности. . РассмотретьРассмотреть сценариисценариивероятныхвероятных аварийныхаварийных воздействийвоздействий, , нене претендуяпретендуя нанаколичественнуюколичественную оценкуоценку каждогокаждого изиз нихних. . НаНа этойэтой базебазе–– создатьсоздать экономичныеэкономичные методыметоды противодействияпротиводействия..

Люди достаточно давно пользуются термином «живучесть судна» как его способностью сопротивляться действию волн и ветра, и проверяют ее расчетами на плавучесть и остойчивость. При повреждениях судна живучестью называют его способность сохранять и восстанавливать мореходность. К современному применению этого термина можно отнести использование «живучести» как антонима «риска». Применительно к несущим системам в строительстве расчет конструкции на основе теории риска суть расчет повышения ее живучести (надежности) путем снижения риска разрушения от различных воздействий. Не отрицая важности и конкретности этого термина во многих его проявлениях, придание новым задачам того же названия способно привести к недоразумениям. Тем более, что эти новые задачи нередко оказываются достаточно специфичными, чтобы не получить собственного наименования.

4. НОРМАТИВНАЯ БАЗА

ВВ старыхстарых нормахнормах предусмотреныпредусмотрены принципыпринципыпроектированияпроектирования, , обеспечивающиеобеспечивающие«« затуханиезатухание»» процессовпроцессов обрушенияобрушения: : размещениеразмещение объектовобъектов, , узлыузлы опиранияопиранияконструктивныхконструктивных элементовэлементов, , обеспечениеобеспечениеобщейобщей жесткостижесткости конструкцииконструкции ии тт. . пп..

ВВ МосквеМоскве разработаныразработаны ии продолжаютпродолжаютразрабатыватьсяразрабатываться МСГНМСГН ии другиедругие нормативынормативы, , ввкоторыхкоторых однимодним изиз вопросоввопросов являетсяявляется«« прогрессирующеепрогрессирующее обрушениеобрушение»» ..

РасчетноРасчетно--конструктивнаяконструктивная частьчасть проблемыпроблемы длядлязданийзданий стеновогостенового типатипа, , включаявключая панельныепанельные, , разработанаразработана ранееранее. . СегодняСегодня тете жеже авторыавторынапомнилинапомнили оо себесебе вв новыхновых нормахнормах ии сснекоторыминекоторыми ожесточениямиожесточениями внесливнесли своисвоиметодыметоды вв решениерешение современнойсовременной проблемыпроблемы..

НовыеНовые нормынормы требуюттребуют анализаанализа, , обоснованияобоснования ииконкретныхконкретных рекомендацийрекомендаций длядляпроектировщиковпроектировщиков ии строителейстроителей..

Термин «прогрессирующее разрушение» - ПР появился относительно недавно. Он заменил менее удачный термин «прогрессирующее обрушение». В МГСН 4.19-2005 снова употреблен этот термин. Американские специалисты считают, что и термин «прогрессирующее разрушение» недостаточно удачен. Они – за «непропорциональное разрушение», подчеркивая, по всей вероятности, то обстоятельство, что разрушение непропорционально велико по сравнению с воздействием. Не исключаем, что термин «цепное разрушение» также приемлем, если речь идет только о том случае, когда утеря одного несущего элемента может привести к утрате всей системы. Бытовая аналогия в этом случае лучше всего отражается термином «эффектом домино».

5. ЦЕЛЬ

ЦельЦель -- проектированиепроектирование сооруженийсооруженийразличногоразличного назначенияназначения, , которыекоторые

помимопомимо безаварийногобезаварийного выполнениявыполненияфункцийфункций вв течениетечение заданногозаданного срокасрокаэксплуатацииэксплуатации, , вв случаеслучае аварииаварии изиз--зазаприродныхприродных ии техногенныхтехногенных явленийявлений

((дефектовдефектов вв технологиитехнологиипроизводствапроизводства, , взрывоввзрывов, , ударовударов), ), аа

такжетакже другихдругих причинпричин, , ненепредусмотренныхпредусмотренных условиямиусловияминормальнойнормальной эксплуатацииэксплуатации, ,

причинялипричиняли быбы минимальныйминимальный ущербущерблюдямлюдям, , окружающейокружающей средесреде ии

народномународному хозяйствухозяйству..

Практика анализа катастроф свидетельствует о том, что они часто происходят со зданиями и сооружениями, которые добротно спроектированы и построены, их основные конструкции рассчитаны на нагрузки, соответствующие чрезмерному воздействию. Катастрофическое воздействие может вызывать принципиальное изменение расчетной схемы сооружения и. одновременно с этим – работу конструктивных элементов в постпредельном состоянии, не предусмотренном действующими нормативами. В связи с этим возникает проблема регламентирования этого постпредельного состояния. Попытаемся проанализировать результаты перехода в это состояние.

6. МЕТОДЫ

А - снижение уровня «риска»А - снижение уровня «риска»

Б – увеличение «лишних»неизвестных в каркасе

Б – увеличение «лишних»неизвестных в каркасе

В – расчетно-конструктивные«ответы» на возможныеповреждения

В – расчетно-конструктивные«ответы» на возможныеповреждения

Прямой расчет «риска»Прямой расчет «риска»

Коэффициенты обеспеченности > 1Коэффициенты обеспеченности > 1

Дифференцированная надежностьДифференцированная надежность

Применение более надежных конструктивных схем – «дублирование»Применение более надежных конструктивных схем – «дублирование»

противодействия прогрессирующему разрушениюпротиводействия прогрессирующему разрушению

Возможны три варианта последствий катастрофы:

1. После катастрофы сооружение в целом или его часть превращается в груду обломков. Очевидно, что такое предельное состояние не обеспечивает безопасности людей.

2. После катастрофы сооружение в целом или его часть могут потерять устойчивость положения: опрокинуться, сместиться с опор, хрупко разрушиться, потерять устойчивость формы при сжатии или плоской формы изгиба. Последствия такого рода разрушений локально или глобально небезопасны для людей.

3. После катастрофы происходят большие деформации, включая такие, что металл достигает предела текучести в наиболее нагруженных сечениях, бетон железобетонных сечений достигает нисходящей ветви. Однако взаимное положение элементов конструкции не претерпевает разрывов. В этом случае возникает гарантия того, что люди при такой катастрофе не пострадают.

ОЧЕВИДНО, ЧТО ПРИЕМЛЕМ ТОЛЬКО ТРЕТИЙ ВАРИАНТ.

Его можно обеспечить разными методами: А, Б, В.

7. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ РИСКА

ЭлементыЭлементы теориитеории рискариска

РискРиск разрушенияразрушения стрежнястрежня отот сжатиясжатия --mm, , котороекоторое возникаетвозникает припри терактетеракте. . ВнешняяВнешняя силасила SS, , припри которойкоторой должнодолжнопроизойтипроизойти разрушениеразрушение стержнястержня, , иисиласила RR, , определяемаяопределяемая путемпутемразрушенияразрушения образцовобразцов

РазрушениеРазрушение стержнястержня произойдетпроизойдет, , еслиесли RR < < SS илиили RR -- SS < 0. < 0. mm = = RR -- SS..

22;ˆˆˆ SRmSRm

Известно, что прямым путем увеличения надежности конструкции является понижение степени риска. В систему дифференцированных коэффициентов безопасности входит коэффициент надежности по назначению, который иногда называют коэффициентом обеспеченности. Применяя значения этого коэффициента равными 1,11,2, как это рекомендовано нормами проектирования высотных зданий, мы увеличиваем сопротивление узлов и сечений каркаса, но это почти не влияет на его способность сопротивляться ПР. Тем не менее, надежность конструкции при эксплуатационных воздействиях заметно возрастает. Пользуясь аппаратом теории риска, можно прогнозировать надежность неразрушимости при наперед задаваемом относительном запасе несущей способности.В результате при снижении относительной нагрузки с 1 до 0,65 получаем уменьшение степени риска с 0,5 до 3.10-7.

8. УВЕЛИЧЕНИЕ «ЖИВУЧЕСТИ»

ВероятностьВероятность РР((хх) ) припри сменесмене переменнойпеременной хх нана uu=(=(xx--)/)/::

dueuФu

u

2/2

)2/1()(

Фm

Фm

m m

( ) ( ).0

risk = P{(R - S)>0 } = P{m>0}= 1-P(m>0)=

При вероятностной оценке живучести целесообразно воспользоваться законом статистического распределения экстремаль-ных значений параметра трещины. Вероятность того, что J-й параметр (ширина, высота или глубина) трещины становится критическим, при нормальном законе распределения:

.

Здесь Ф[] – табулированная функция нормированного нормального распределения, Ey, EY, 2 y , 2 Y- средние значения и дисперсии распределения параметра у и его критической величины Y.Вероятностный показатель живучести конструкции:

,

где к - количество типов элементов в конструкции, m – число видов трещин, n – число трещин одного вида.

9. ДИФФЕРЕНЦИРОВАННАЯ НАДЕЖНОСТЬ

*** *** *** *** *** *** *** *** ****** *** ***

ПотеряПотеря устойчивостиустойчивости нана опрокидываниеопрокидывание

*** ****** ***РазрушениеРазрушение стеновойстеновой панелипанели верхнеговерхнего этажаэтажа

******РазрушениеРазрушение стеновойстеновой панелипанели нижнегонижнего этажаэтажа

*** *** **** *** *РазрушениеРазрушение колонныколонны верхнеговерхнего этажаэтажа

*** *** ***** *** **РазрушениеРазрушение колонныколонны нижнегонижнего этажаэтажа

*** ****** ***РазрушениеРазрушение ригеляригеля верхнеговерхнего этажаэтажа

*** ***** **РазрушениеРазрушение балкибалки перекрытияперекрытия верхнеговерхнего этажаэтажа

********РазрушениеРазрушение балкибалки перекрытияперекрытия нижнегонижнего этажаэтажа

******РазрушениеРазрушение панелипанели перекрытияперекрытия верхнеговерхнего этажаэтажа

****РазрушениеРазрушение панелипанели перекрытияперекрытия нижнегонижнего этажаэтажа

**ПотеряПотеря устойчивостиустойчивости ((сдвигсдвиг))

БаллБаллКонструкцияКонструкция ии видвид разрушенияразрушения

Прямой путь повышения надежности за счет увеличения размеров сечений несущих конструкций неэффективен и неубедителен при попытке обеспечения сопротивления ПР. Недостаток такого подхода обусловлен действующим принципом равнонадежности. Отказ от этого принципа позволяет решить задачу снижения степени риска с меньшими затратами. Здесь содержится идея дифференцированной надежности – придание большего или меньшего уровня надежности конструктивным элементам или всему каркасу, позволяющей получить существенную экономию при достижении одинакового результата.

На принципе дублирования основано реальное повышение надежности каркаса за счет использования расчетных схем с избыточным числом лишних неизвестных. Такой подход реален при взаимопонимании архитектора и конструктора

10. СХЕМА РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ

Расчет не требуется Расчет требуется

Минимальныеконструктивные мероприятия

I II III

Конструктивныемероприятия, не менее

минимальных

Дополнительные требования к расчетно-•пояснительной записке на стадии «Проект» и к

•исполнительной рабочей документации

Схема решения задачи противодействияпрогрессирующему разрушению

Целенаправленным и «прозрачным» является метод В – расчетно-конструктивные ответы на возможную аварийную ситуацию.Обеспечение противодействия ПР необходимо для всех зданий и сооружений. Условно, для зданий высотой менее 25-этажей до настоящего времени не требуется расчет сопротивления ПР. Это означает, что в этих зданиях должны быть предусмотрены конструктивные мероприятия, гарантирую-щие минимальное сопротивление ПР. При количестве этажей 25 и более достаточность этих мероприятий должна быть подтверждена соответствующими расчетами, и при необходимости эти конструкции должны быть усилены в соответствии с результатами расчетов. При выполнении таких расчетов необходимо руководствоваться требованиями норм и условиями контракта.

11. ПОСЛЕДСТВИЯ АВАРИИ

Без ограничений ПРВариант II

Вариант IIIВариант I

Без последствий

Полноеразрушение

Полная разборказдания, жертв

нет.

Восстановлениепригодности к

нормальнойэксплуатации

Выбор инвестора должен опираться на вероятные последствия аварийной ситуации. Очевидно, что игнорирование требований по обеспечению сопротивления ПР может привести к полному разрушению несущих конструкций и здания в целом.

Повышение прочности и жесткости конструкций, основанное на требовании сохранения несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации (Вариант I) после любого аварийного воздействия, требует максимальных капитальных вложений.

Более экономичным является компромиссный подход, когда после аварийного воздействия сохраняется несущая способность, а пригодность к нормальной эксплуатации не обеспечивается (Вариант II).

Минимальные расходы инвестор несет при реализации варианта III. В этом случае конструкции проектируются и выполняются так, чтобы в аварийной ситуации гарантировалось сохранение жизни обитателей здания.

12. РАЗМЕР УЩЕРБА

89,5

350

40

50

55

100

Размер, %

Затраты правового характера

Компенсации жертвам аварии

Потери деловой активности

Компенсация ущерба, нанесенного стоимости

Затраты на демонтаж

Стоимость конструкции

Виды ущерба

7

6

5

4

3

2

1

№

По данным зарубежных исследователей среднестатистический размер ущерба от разрушения здания оценивается в 684,5% при его 100% стоимости.Эта статистика позволяет ориентировочно оценить размеры ущерба при реализации любой из четырех стратегий, описанных выше.

13. БАЛАНС РАСХОДОВ

Ориентировочные расходыпри различных вариантах

защиты от прогрессирующего разрушения

399153100684,5Расходы страховых компаний, %

104108120100Стоимость здания, %

110120150100Стоимость каркаса, %

15151515Стоимость ограждающихконструкций и коммуникаций, млн. руб

11121510Стоимость каркаса,

млн. руб

26273025Полная стоимость здания,

млн. руб

IIIIIIБез ограниченияпрогрессирующего

разрушения

Вариант

Наименования

Баланс расходов для вариантов ВI, ВII и ВIII предварительно оценивается увеличением стоимости каркаса здания. С учетом принятых мер по обеспечению безопасности против прогрессирующего разрушения они составляют:

Для способа I - 50 %. Для способа II - 20% Для способа III – 10%. При отсутствии мероприятий – 0%. При отсутствии мероприятий, препятствую-

щих прогрессирующему обрушению, дополнительные расходы, возникающие вследствие проявления аварийных ситуаций - Д3 (6 строк Таблицы 1) = 684,5%.Последние две строки соответственно обозначают капитальные затраты инвестора и расходы страховой компании в случае аварии.

14. ПРЕДЛОЖЕНИЕ

ВВ каркасахкаркасах рамногорамного ((смешанногосмешанного) ) типатипа нана основеоснове анализаанализаожидаемыхожидаемых поврежденийповреждений ((утратаутрата колоннколонн) )

ДопуститьДопустить согласованныесогласованные поврежденияповреждения..

ПроизвестиПроизвести расчетырасчеты нана нагрузкинагрузки длядля основногоосновного, , дополнительногодополнительного сочетанийсочетаний, , строительногостроительного ии аварийногоаварийногопериодапериода..

ПроверитьПроверить расчетомрасчетом способностьспособность каркасакаркаса вв аварийномаварийном периодепериодесохранятьсохранять устойчивостьустойчивость вв постпредельномпостпредельном состояниисостоянии ((послепослереализацииреализации 22--йй ии 11--йй группгрупп) ) послепосле утратыутраты колонныколонны вв такойтакойстепенистепени, , чтобычтобы гарантироватьгарантировать спасениеспасение людейлюдей. .

ПоПо согласованиюсогласованию сс заказчикомзаказчиком ии страховойстраховой компаниейкомпанией приприпроектированиипроектировании

назначитьназначить уровеньуровень допустимыхдопустимых поврежденийповреждений: : 1. 1. ЖесткоЖестко--пластическаяпластическая модельмодель разрушенияразрушения..2. 2. ВисячаяВисячая системасистема..

НазначитьНазначить армированиеармирование ии соединениясоединения арматурыарматуры вв перекрытияхперекрытияхии вертикальныхвертикальных элементахэлементах такимтаким образомобразом, , чтобычтобы каркаскаркассохранилсохранил заданныезаданные свойствасвойства каккак припри эксплуатацииэксплуатации, , тактак ии вваварийнойаварийной стадиистадии..

Современное состояние статики и динамики сооружений позволяет с успехом реализовать любой из трех возможных вариантов расчета. При расчете на ЧС производится проверка сопротивления здания возможности ПР при особом сочетании воздействий, в которое включаются:

- постоянные нагрузки, - временная длительная нагрузка, - одно из гипотетических воздействий: - карстовая воронка диаметром 6 м (для

карстоопасных площадок), - повреждение перекрытия площадью 80

м2, - неравномерная осадка основания, - горизонтальная нагрузка на верти-

кальные несущие элементы 3,5 т для стержневых и 1 т/м2 – для пластин-

чатых элементов.Для варианта ВI необходимо

использование упругой модели, для варианта ВII разработана жестко-пластическая модель разрушения, вариант ВIII допускает превращение перекрытий в плоские или пространственные висячие системы, не допускающие аварийного обрушения конструкций.

15. ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

т

т

вр

0,0020,0035

а) Мягкая сталь

у,т

вр

б) Твердая сталь

т

вр

в) Сжатый бетон

0,00350,0020,0035

0,002

В

АС

Sql f

lmax ( ) 2 2

281 16

qf A R

l f

fA R

l l fs s ult s s ult

64

16

8 1

16

2 2 2

2 2 2 2

. ., ,

Железобетонные конструкции и, в особенности, монолитные конструкции в силу многих причин обладают избыточным запасом «живучести».

Одной из причин этого является значительный запас остаточной несущей способности за пределом несущей способности, предельных прогибов и углов поворотов.

Фундаментальные представления о резервах несущих конструкций, в частности, железобетонных, содержатся в нормативах гражданской обороны.

Суть этих представлений состоит в том, что после воздействия ударного, взрывного и любого иного чрезмерного по отношению к воздействиям, предусмотренным СНиП 2.01.07-85*,

состояние конструкции должно быть таким, чтобы с любого его яруса можно было эвакуировать людей, не подвергая их опасности быть погребенными под упавшими конструкциями.

16. ДИНАМИКА ПРОЦЕССА

Коэффициентдинамичности приупругих деформациях

còóä f

hê

211,

Коэффициент динамичности при пластических деформациях:жестко-пластическая модель, висячая нить за пределом упругости

còðïä f

hê

415,05,0..,

Задачи аварийного воздействия, как правило, – динамические. При внезапном удалении колонны или участка стены каркаса известны асимптотические решения, позволяющие учесть возрастание нагрузки из-за ее динамического характера.При рассмотрении упругой модели нагрузка удваивается. Пластическое поведение железобетона, а в постпредельном состоянии вант и сетей снижает коэффициент динамичности до 1.В настоящее время на кафедре железобетонных конструкций МГСУ ведутся интенсивные работы с целью получения более точных решений для одно- и многоэтажных плоских и пространственных рам, утративших одну из колонн.

17. КАРКАС

Осевые усилия в стойках и моменты в перекрытии пространственной7- и этажной рамы после удаления промежуточной колонны :

а – осевые усилия, б – моменты в перекрытии над удаленной стойкой.

При удалении средней колонны распределение нагрузки между оставшимися колоннами меняется таким образом, что наиболее перегруженной (на 25%) оказывается крайняя колонна на контуре ячейки. При удалении крайней колонны перегруженной (на 50%) оказывается угловая колонна. При удалении угловой колонны перегруженной (на 25%) является крайняя колонна. При рассмотрении 7-и этажного каркаса видно, что при удалении промежуточной колонны на среднее сечение ригелей всех ярусов помимо нагрузки на самом ригеле оказывает действие только вес колонны. Из этого следует, что все ригели работают в примерно одинаковых условиях.

18. РОСТ НАГРУЗКИ

Дальнейший анализ показал, что такое положение сохраняется только для каркаса высотой 9 - 11 этажей. Рост этажности меняет характер перераспределения усилий и, соответственно, нагрузку на перекрытия.Исследование моделей каркасов высотой от 1-го до 45-и этажей показало, что вертикальные перемещения перекрытия над удаленной колонной, опорный момент в ригеле над боковой колонной, максимальный момент в пролете ригеля над удаленной колонной и дополнительная нагрузка на перекрытие над удаленной колонной имеют один и тот же характер. До 9-и 11-и этажного каркаса происходит практически полное перераспределение без участия ригелей, а в более высоких каркасах ригели принимают на себя все большую часть нагрузки. Здесь приводим только два графика, отражающих это явление.

19. РОЛЬ СВЯЗЕВЫХ ЭТАЖЕЙ

Вертикальное перемещение над удаленной и смежной колоннами в каркасе без связевых этажей: серия 1 - перемещение над удаленной колонной; серия 2 - перемещение над смежной

колонной

0

50

100

150

200

250

300

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45

Этажи

Пер

емещ

ени

я, м

м

Series1 Series2

При большом количестве этажей (20 и более) удаление одного из несущих элементов приводит к значительному увеличению момента в перекрытии над ним. Это увеличение при 50 этажах может достигать 3-х кратного значения момента по сравнению с 1 – 10 этажным каркасом.

Устройство связевых систем на каждом 10-м этаже позволяет избежать перерасхода арматуры и бетона на усиление перекрытий. Связевый этаж должен иметь монолитные сплошные или проемные диафрагмы. Возможно также устройство стальных крестовых или портальных связей.

Из графика видно, сколь эффективной является связевая система. На рисунке, расположенном ниже графика демонстрируется эффективность различных конструктивных решений связевых стен.

Инвестору предоставляется возмож-ность выбора экономичного решения.

20. ГАМАК

Преодоление железобетонной плитой или балкой предельного состояния по расчетной несущей способности не всегда соответствует физическому разрушению. Растянутая арматура достигает предела текучести. Но для мягкой стали предел текучести на 30% меньше временного сопротивления, и она продолжает воспринимать нагрузку. Сжатый бетон дробится на куски, и железобетонная конструкция прекращает свое существование. Наличие верхней арматуры по всей длине балки или по всей площади плиты перекрытия создает новую конструкцию: висячую систему. Для балки это – нить. Для плиты – гамак.Висячая конструкция – геометрически нелинейная. Под действием нагрузки висячая система имеет на порядок большие прогибы, чем

железобетонная. В аварийной ситуации это приемлемо. Здесь при высоте этажа 3 м прогибы в 1-2 м позволят людям покинуть помещение без ущерба для здоровья. Железобетонные балки и безбалочные перекрытия после преодоления предельного состояния по несущей способности работают как нити или сети по одной из демонстрируемых схем:

Для нити или сети с b 2a: ;

Для сети при b a b:

; .

21. ОБЪЕМНЫЙ ВЗРЫВ

В результате взрыва газовоздушной смеси в помещении возникает ударная волна, направленная во все стороны (объемный взрыв).

По данным английских специалистов давление при этом может достигать 34 кН/м2.

Такая нагрузка в 2-3 раза превышает полную нагрузку на перекрытие жилого или общественного здания. Отметим, что именно такой объемный взрыв вызвал глобальное разрушение секции 22-и этажного жилого дома в Лондоне в 1968 году. В расчетном смысле предотвращение прогрессирующего разрушения такой взрыв требует расчета верхнего и нижнего перекрытий в очаге взрыва. Верхнее перекрытие

выгибается вверх. Результирующее воздействие вызовет НДС, не свойственное перекрытию, если оно не будет дополнительно рассчитано и сконструировано для восприятия этой нагрузки. Нижнее перекрытие под нагрузкой 34 кН/м2 + собственный вес также должно сохранить свою несущую способность. В противном случае «эффект домино» обеспечен.

В проекте СП допускается падение перекрытия, находящегося в очаге взрыва. Следующее же перекрытие для гарантии предотвращения ПР должно выдержать вес упавшего перекрытия с коэффициентом динамичности 1,5 к его собственному весу. Полагаем, что для решения этого вопроса требуются серьезные исследования.

22. УСТОЙЧИВОСТЬ ПРИ ЧС

Среди требований, призванных обеспечить противодействие ПР, имеется такое. Из круга диаметром 10 м (~ 80 м2) следует удалить все вертикальные несущие элементы. Оставшаяся часть вертикальных несущих конструкций должна обеспечить устойчивость здания против опрокидывания. При этом здание рассматривается как недеформируемое тело, а основание – как скальное. Такой подход является достаточно условным. Он не учитывает ряд существенных факторов и требует уточнения.

23. СХЕМА РАЗМЕЩЕНИЯ СВЯЗЕЙ

Для обеспечения сопротивления прогрессирующему разрушению во всех несущих каркасах должны быть предусмотрены: связи по наружным колоннам и стенам, контурные связи, внутренние связи и вертикальные связи.

Арматура связей и рабочая арматура должны не дополнять, а заменять друг друга. Это означает, что площадь арматуры связей входит в состав площади расчетной арматуры. Отличие заключается в том, что стержни связевой арматуры должны стыковаться так, чтобы они образовывали непрерывную арматурную цепь между крайними зонами анкеровки – зоны контурной связевой арматуры.

При отсутствии расчетной арматуры в зоне расположения арматуры связей, она ставится дополнительно.Необходимая площадь сечения связей определяется расчетом, минимальное сечение – требованиями норм.

24. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ПРИ УТРАТЕ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ КОЛОННЫ

На левой схеме представлено армирование безбалочного перекрытия: а) при традиционном армировании; б) при противодействии прогрессирующему разрушению.

На средней схеме - армирование: а) при расчете в эксплуатационных условиях; б) при противодействии прогрессирующему разрушению в) для обеспечения сохранности расчетной схемы при противодействии прогрессирующему разрушению.

На правой схеме представлены варианты схем армирования узлов.

25. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРИ УТРАТЕ УГЛОВОЙ КОЛОННЫ

Предотвращение прогрессирующего разрушения угловой колонны

При разрушении угловой колонны пространственного каркаса решение задачи

расчетным путем по модели «нить» или «сеть» нереально ни в плоской, ни в пространственной постановке. Выходом являются конструктивные изменения или дополнения к рамному каркасу: - устройство глухой или проемной железобетонной диафрагмы, примыкающей к угловой зоне, - система крестовых или портальных связей, - конструирование и расчет рам, примыкающих к углу, как балок Виренделя.

26. УСТРОЙСТВО СВЯЗЕЙ В КОЛОННАХ

Расчеты многоэтажных каркасов на противодействие прогрессирующему разрушению в некоторых случаях вызывают необходимость при утрате колонны «поддержать» перекрытие над ней. Это означает, что в колоннах должна быть предусмотрена вертикальная связевая арматура. Один из вариантов такого решения представлен на рисунке.

22. ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗАЦИИ МОДЕЛЬ ЭТАЖА ЗДАНИЯ НА РОСТОКИНСКОЙ УЛИЦЕ

СеменовскийСеменовский перпер, , влвл. 21.. 21.СеменовскийСеменовский перпер, , влвл. 21.. 21.

ПЛАН ЭТАЖА ЗДАНИЯ НА ПРЕОБРАЖЕНСКОЙ

ПЛОЩАДИ

По требованию Мосгосэкспертизы на основе изложенных теоретических и конструктивных соображений на стадии «Проект» и далее при выполнении исполнительной документации произведены расчеты здания при разрушении одной из колонн: внутренней, крайней и угловой. Для простоты рассмотрено одно - наиболее нагруженное - перекрытие. При упругом расчете в таком перекрытии усилия возрастают в несколько раз из-за динамики процесса и нагрузки от вышележащих перекрытий, движущихся вниз, рассмотрена работа конструкции за пределами упругости и с учетом геометрической изменяемости. Для этого по усилиям, полученным при упругом расчете, подбираем армирование плиты и затем рассчитываем перекрытие с учетом принятого армирования, вводя геометрически и физически нелинейные элементы. На основе описанных выше соображений произведены расчеты сопротивления прогрессирующему разрушению 33- этажного здания на Семеновской площади, 36- этажного здания на Преображенской площади, 44-х этажного здания на Ростокинской улице.

23. МОДЕЛЬ КАРКАСА.

МодельМоделькаркасакаркаса

3333--хх этажногоэтажного

зданияздания

Первый этап решения задачи начат с увеличения армирования всех перекрытий для возможности создания зон непрерывного армирования и обеспечения прочности; сечения колонн

несколько увеличены с таким расчетом, чтобы при выходе из строя одной из них оставшиеся были в состоянии воспринять вертикальную нагрузку.Второй этап решения задачи – конечно-элементный проект, выполненный с помощью программного комплекса «Лира 9.2.», Третий этап. Проверка работы несущей системы «левого» крыла здания (м.о.IV – VII/ Г1-К1) в предположении выхода из строя одной из колонн – средней на осях V/Ж1 и контурной на осях IV/Ж1. Расчеты подтвердили работоспособность каркасной системы в постпредельной стадии. Висячая система перекрытия из вант-стержней класса А500 (20х20мм в виде двойной сетки) приходит в равновесное состояние при удалении средней колонны при провисе 1м. (высота помещений «в чистоте» - 3м.) и полном удлинении стали ~1%; относительный провес составляет ~1/16 пролета. При удалении контурной колонны ванты–стержни располагаются в контурной балке по оси IV и обеспечивают аналогичную величину провиса.

МГСУ, Кафедра железобетонных конструкций

Прогрессирующее разрушениемонолитных каркасов

1. Предварительный анализ опасностипрогрессирующего разрушения монолитного

железобетонного каркаса.

1. Предварительный анализ опасностипрогрессирующего разрушения монолитного

железобетонного каркаса.

2. Определение стоимости дополнительного анализа.2. Определение стоимости дополнительного анализа.

3. Определение стоимости мероприятий по обеспечениюбезопасности от прогрессирующего разрушения.

3. Определение стоимости мероприятий по обеспечениюбезопасности от прогрессирующего разрушения.

4. Расчет каркаса на нагрузки строительного периода, эксплуатационного периода, аварийного воздействия.

4. Расчет каркаса на нагрузки строительного периода, эксплуатационного периода, аварийного воздействия.

5. Рекомендации по конструированию вертикальных несущихконструкций (колонн, пилонов, стен, ядер жесткости).

5. Рекомендации по конструированию вертикальных несущихконструкций (колонн, пилонов, стен, ядер жесткости).

6. Рекомендации по армированию и конструированиюмонолитных железобетонных перекрытий.

6. Рекомендации по армированию и конструированиюмонолитных железобетонных перекрытий.

7. Заключение о достаточности мерпротив прогрессирующего разрушения.

7. Заключение о достаточности мерпротив прогрессирующего разрушения.

8. Дублирующие расчеты каркасов. 8. Дублирующие расчеты каркасов.

Выполнение расчетных и консультационных работ по реальным объектам

специалистами вуза и проектных организаций. Контактный тел. 205-01-34.