CC BY
368
2/2011 ВЕСТНИК 2/20L]_МГСУ
ПРОБЛЕМЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗДАНИИ
ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ РАЗРУШЕНИЮ
PROBLEMS OF BUILDING'S STRENGTH TO PROGRESSIVE COLLAPSE
В.О.Алмазов, А.И.Плотников, Б.С.Расторгуев
V.O. Almazov, A.I.Plotnikov, B.S.Rastorguev
МГСУ
Рассматриваются специальные вопросы, связанные с проектированием несущих конструкций зданий с учётом требования защиты от прогрессирующего разрушения, обсуждаются различные аспекты динамического и статического расчётов.
Ûtà
Special subjects deals with bearing structure design for buildings with accounting requirement of progressive collapse protection are
considered. Varions aspects of dynamic and static analysis are discussed.
Термин «прогрессирующее разрушение (обрушение)» является сравнительно новым: по-видимому, впервые он был использован в докладе комиссии, расследовавшей причины разрушения в 22-этажном панельном доме Ронан Пойнт в Лондоне, произошедшего в 1968г. вследствие внутреннего взрыва газа на кухне квартиры на 19-м этаже [1]. Появление этого термина в дополнение к основным свойствам несущих систем зданий - надёжности и безопасности - связано с особыми воздействиями природного и техногенного характера, возникающими в чрезвычайных ситуациях (ЧС). Данные воздействия учитываются в особых сочетаниях нагрузок [2], при этом достаточно удовлетворить только требованию безопасности конструкций, если к ним не предъявляются дополнительные требования по ограничению деформаций и раскрытию трещин. В подобных случаях безопасность обеспечивается на стадии проектирования расчётом по первой группе предельных состояний для исключения (с заданной надёжностью) любого вида разрушения.
Вместе с тем взрывные и ударные воздействия техногенного происхождения зачастую создают на отдельные конструкции динамические нагрузки, значительно превосходящие их несущую способность и неизбежно приводящие к разрушению, особенно опасному, если оно касается вертикальных несущих элементов (колонн, пилонов, стен). Такую ситуацию можно определить как запроектную, и при её рассмотрении основным требованием является сохранение жизни людей путём обеспечения достаточного времени для их эвакуации из здания после возникновения ЧС. В этих случаях понятие безопасности трактуется как такое состояние строительного объекта, при котором отсутствует недопустимый риск. При этом степень допустимого риска, т.е. вероятность смертельного исхода,
принимается 10-4 чел/год. При соответствующем обосновании возможно принятие более низких значений допустимого риска на уровне (10-5 .. .10-6 чел/год).
В результате разрушения отдельного элемента происходит перераспределение нагрузок на сохранившиеся конструкции. Если же они не выдерживают дополнительных нагрузок, то тоже разрушаются, и этот последовательный выход из строя (выключение) всё новых элементов имеет характер цепного, развивающегося во времени и в пространстве процесса разрушения части здания или всего здания в целом, что и принято обозначать термином «прогрессирующее разрушение» (ПР).
Наибольшие практические достижения в решении проблемы предотвращения ПР имеются в задачах проектирования многоэтажных каркасов зданий. Следует признать, что и в этом случае мы находимся в самом начале пути. В большинстве проектных организаций подобные задачи решают статическим расчётом в условно упругой стадии ослабленной несущей системы с использованием сертифицированных программных комплексов (Лира, SCAD, STARK ES и др.). Однако, расчёт с указанными ограничениями далеко не в полной мере отражает действительные условия деформирования конструкций, поскольку не учитывает динамические эффекты, возникающие при движении системы с удалённым элементом, а также развитие пластических деформаций в материалах, которые могут быть допущены в локальных зонах конструкции, но лишь при условии, что она не обрушится. Расчёт каркаса здания с учётом динамических эффектов и пластических деформаций является весьма сложной проблемой, для исчерпывающего решения которой возможностей современных программных комплексов (как перечисленных выше, так и более продвинутых, с более развитыми решателями, библиотеками КЭ, с реализацией некоторых вариантов теорий прочности бетона) недостаточно.
Для характеристики здания в целом при ЧС может быть использован термин «живучесть» (robustness), которым обозначается свойство конструкции сопротивляться особым воздействиям без возникновения повреждений, непропорциональных причине, их вызвавшей. Здания, обладающие этим свойством, должны быть устойчивыми против ПР, а также взрывоустойчивыми как при внутренних, так и при внешних взрывах.
Что касается сооружений иного типа, так называемых большепролетных сооружений -мостов, систем покрытий, работающих по плоской и пространственной схемам, то здесь положение менее определенное, и требуются углублённые исследования, направленные на изучение путей превращения разных вариантов локальных разрушений в глобальное, особенно при разработке новых конструктивных решений подобных сооружений.
Кафедра железобетонных конструкций МГСУ уделяет этим проблемам серьезное внимание, разрабатывая новые методы решения задач по обеспечению безопасности строительных объектов. Основной интерес - экономический - как с минимальными затратами обеспечить безопасность против ПР.
Существуют три направления по обеспечению нераспространения локального повреждения с превращением его в глобальное:
— ограничение уровня риска;
— повышение степени статической неопределимости системы;
— расчетно-конструктивные «ответы» на возможные повреждения.
Первое направление реализуется, как правило, властными структурами, которые в интересах безопасности и на основании неполной изученности новых конструктивных решений сооружений вводят повышенные значения коэффициентов безопасности. Недостаток такого подхода состоит в том, что аварийные воздействия изменяют статическую схему сооружения, и дополнительные расходы материалов зачастую оказываются неоправданными. Второе направление противоречит тенденциям современ-
ВЕСТНИК
_2/20ГТ_МГСУ
ной архитектурной моды - увеличенным пролётам в помещениях различного назначения. Реализация третьего направления позволяет всем заинтересованным структурам осуществлять дифференцированный подход к сооружениям различного уровня ответственности и обеспечивать их безопасность в соответствии со значимостью и вероятностью возникновения ЧС.
Возможны три уровня требований и, соответственно, три варианта решения проблемы:
- здание (сооружение) после аварийного воздействия не получает повреждений за пределами локального участка;
- здание после аварийного воздействия сохраняет несущую способность, но становится непригодным к дальнейшей нормальной эксплуатации;
- здание после аварийного воздействия не пригодно к эксплуатации, но сохраняет свою форму (связность основных конструктивных элементов) в такой степени, что люди могут безопасно его покинуть.
Как показали тестовые расчёты, первый уровень требований - наиболее затратный, и он, как правило, не требует разработки новых расчётных методов. Второй и, особенно, третий уровень требований связаны с необходимостью изучения динамики упруго-пластических систем и нормирования предельных состояний конструкций в стадиях развития больших пластических деформаций. Такой подход применительно к железобетонным конструкциям позволяет обеспечить безопасную эвакуацию людей при возникновении аварийной ситуации в здании.
Для зданий с несложной топологией несущих систем разработаны аналитические методы расчёта на ПР в динамической постановке, основанные на предположении, что максимальные усилия и деформации возникают в конструкциях перекрытия, расположенного непосредственно над удаляемой колонной (пилоном). Это допущение основано на анализе результатов численных расчётов каркасов зданий. Помимо этого принято, что усилия в колоннах, смежных с удаляемой на данном этаже, на работу рассматриваемого перекрытия практически не влияют. В данной постановке в работах [6,7] приведён динамический расчёт плоской рамы каркаса как модели с распределённой массой при внезапном разрушении одной из колонн.
Наиболее просто и эффективно динамический расчёт перекрытий различных конструктивных систем может быть выполнен с использованием динамической модели с сосредоточенными массами, расположенными в узлах сопряжения колонн с перекрытиями. Если внезапному разрушению подвергается одна из колонн нижнего яруса, другие колонны обеспечивают связь между массами. Метод упрощённого динамического расчёта ячейки монолитного железобетонного перекрытия, расположенной непосредственно над разрушенной колонной и представленной одномассовой моделью с одной неизвестной физической координатой 2(1), характеризующей поступательное движение узла перекрытия над удалённой колонной в упругой и пластической стадиях, рассмотрен в работе [9].
При выполнении статического расчёта учитывается нормативная статическая (постоянная и временная длительная) нагрузка д0, которая при внезапном устранении колонны действует на перекрытие как мгновенно приложенная динамическая нагрузка. Её эффект характеризуется коэффициентом динамичности по нагрузке:
к, = ^, (1) Яо
где да - предельная нагрузка, определяемая методом предельного равновесия.
Предельное состояние перекрытия по несущей способности оценивается коэффициентом пластичности кр1, значение которого для железобетонных конструкций изменяется в пределах 1...5. Из динамического расчёта перекрытия получена взаимозависимость коэффициентов динамичности и пластичности [7]:
кр, , .2 - к„ кр1
к, =-р-—, или к, = 1 +-. (2)
' кр, - 0,5' 2(кл -1) ^
При расчёте в упругой стадии (кр, =1) к^ = 2; при допущении в конструкции пластических деформаций (кр, =2.5) значение к^ изменяется в пределах к^ =1,15.1,33 и для обеспечения несущей способности перекрытия требуется в 2.3 раза увеличить площадь арматуры по сравнению с вариантом проекта без учёта ЧС (расчёт на основные сочетания нагрузок). Значение коэффициента пластичности кр, для непереарми-
рованных (^ < ¿К) железобетонных элементов может быть найдено из соотношения:
(3)
р' в
При ка < 1 происходит разрушение перекрытия вследствие неограниченного возрастания прогибов, на участках пластических шарниров происходит разрушение бетона сжатых зон, и сечения на всю высоту оказываются растянутыми. В таких случаях расчётная схема элемента представляется вантовой сеткой из арматурных стержней, деформирующихся в пластической стадии. При этом допускается развитие относительных деформаций арматуры до величины 0,6ех_м,,, где е,,?ии - предельная относительная деформация арматуры при разрыве, т.е. при смене статуса НДС (когда изгибаемый элемент с ростом перемещений начинает работать как вантовый) деформационные свойства арматуры используются наиболее полно. Анализ результатов выполненных расчётов даёт основание заключить, что при допущении работы ячейки перекрытия по схеме вантовой конструкции возможно предотвратить её обрушение даже без увеличения площади сечения арматуры, установленной из расчёта на основные сочетания нагрузок. Однако, при выполнении такого расчёта требуется занормировать предельный провис вантовой системы.
Теория динамического расчёта вантовых систем, образующихся после разрушения ячейки перекрытия, как изгибаемой конструкции, изложена в работах [6,7], в которых, в частности, получено, что эффект действия статической нагрузки на пластически деформирующиеся ванты характеризуется коэффициентом динамичности к^ =2 вследствие возрастания сопротивления вант пропорционально перемещениям. Это обстоятельство позволяет использовать для динамического расчёта рассматриваемых вантовых систем теорию статического расчёта висячих оболочек.
Существует и иной способ обеспечения несущей способности ячейки перекрытия, из-под которой в результате особого воздействия удалена колонна (пилон). Он заключается в создании для «зависших» колонн (пилонов), расположенных над разрушенной колонной (в одном вертикальном створе с ней), условий работы на растяжение. Это может быть достигнуто путём устройства в многоэтажном или высотном здании отдельных усиленных перекрытий, расположенных не реже, чем через пять этажей, и запроектированных так, чтобы при возникновении ЧС их деформирование происходило лишь в пределах условно упругой стадии (без возникновения пластических деформаций в растянутой продольной арматуре). Следует отметить, что метод динамического расчёта такой системы в настоящее время отсутствует.
2/2011
ВЕСТНИК
МГСУ
Б.С.Расторгуевым и его учеником Мутока К.Н. [6] с помощью динамического расчёта в пластической стадии получен ряд важных результатов для многоэтажных (до 10-ти этажей) рам, которые вполне удовлетворительно позволяют описать динамику необходимых при проектировании параметров напряжённо-деформированного состояния элементов конструкции при удалении одной из колонн.
В.О.Алмазовым выдвинуто предположение, подтверждённое результатами выполненных динамических расчётов [3], что в каркасах с числом этажей более 10 пластическая стадия деформирования ригелей реализуется не одинаково в разных ярусах, и чем больше этажность, тем в меньшей степени в ригелях верхних ярусов проявляется пластичность при удалении колонны первого этажа. В связи с этим возникла необходимость в решении динамической задачи для системы, часть элементов которой деформируется в пластической стадии, а остальные - в упругой. Для упрощённых расчётов монолитных железобетонных каркасов с этажностью п> 10, с частично реализованной пластичностью учеником В.О.Алмазова Као Зуй Кхоем на основе выражения (2) предложена уточняющая зависимость для коэффициента динамичности в виде [5]:
где /р1?1 - пластический прогиб ригеля 1-го этажа; /рц - то же, ригеля г - го этажа при разрушении ригеля первого этажа; п - общее число этажей каркаса, г =1 ...п.
Статика и динамика монолитных и сборных каркасов существенно различны в силу конструктивных особенностей. Если для монолитных каркасов появилась некоторая ясность в вопросах их сопротивления ПР, то в узлах сборных конструкций, как правило, деформации реализуются особенным образом. Это может приводить к «не- стандартному» поведению каркасов, заканчивающемуся преждевременным разрушением.
Исходя из сказанного выше можно сделать вывод, что в задачах проектирования несущих систем многоэтажных зданий с учётом проблемы ПР наметились достаточно понятные перспективы. Однако, при решении аналогичных задач для так называемых большепролетных сооружений пока что есть лишь набор частных решений для мостов, покрытий общественных, спортивных и тому подобных сооружений, направленных на минимизацию последствий аварийной ситуации.
Особый интерес вызывают задачи сопротивления прогрессирующему разрушению сложных систем, состоящих из нескольких конструкций. Сегодня можно лишь констатировать, что аварийные ситуации в таких системах возникают при отсутствии ясности в понимании взаимодействия составляющих систему конструкций и закономерностей работы каждой из них. Наглядным примером такого печального результата является авария аквапарка «Трансвааль» [4].
Описанные здесь динамические проблемы вызывают значительный интерес не только в России. За рубежом - в США, Великобритании, Китае, Японии, Германии и других странах также ведутся интенсивные исследования в этом направлении [10].
Литература
1. Повреждения зданий / Сокращённый пер. с англ. Г.А.Ивановой под ред. И.А.Петрова. - М.: Стройиздат, 1982. - 143с.
2. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: Госстрой России, ГУП ЦПП, 2003. - 43с.
3. Алмазов В.О. Сопротивление прогрессирующему разрушению: расчёты и конструктивные мероприятия // Вестник ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко «Исследования по теории сооружений» №1(ХХУ1), 2009. - С.179-194.
п
/ . р1,1 J р1 ,г ¿=1_
П ' /р!,1
(4)
4. Алмазов В.О. Аквапарк - анализ причин аварии // Наука и техника в промышленности. №2, 2004. - С.84-87.
5. Алмазов В.О., Као Зуй Кхой. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов // Журнал «Промышленное и гражданское строительство» №4, 2010. -С.52-56.
6. Расторгуев Б.С., Мутока К.Н. Деформирование конструкций перекрытий каркасных зданий после внезапного разрушения одной колонны // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений, 2006. - №1.
7. Расторгуев Б.С., Плотников А.И. Расчёт несущих конструкций монолитных железобетонных зданий на прогрессирующее разрушение с учётом динамических эффектов // Сборник научных трудов института строительства и архитектуры. - М.: МГСУ, 2008. - С.68-75.
8. Расторгуев Б.С., Плотников А.И., Хуснутдинов Д.З. Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействиях. - М.: Изд-во АСВ, 2007. - 152 с.
9. Расторгуев Б.С. Методы динамического расчёта зданий на устойчивость против прогрессирующего разрушения // Вестник отделения строительных наук РААСН, т.1, вып.13, 2009.
10. Design of buildings to resist progressive collapse // UFC 4-023-03 DoD, USA, 2003. - 175p.
References
1. Damages of buildings / The Reduced lane from English G.A. Ivanova under the editorship of I.A.Petrova. - M: Strojizdat, 1982. - 143p.
2. SNiP 2.01.07-85*. Loadings and influences. - M: Gosstroy of Russia, State Unitary Enterprise TSPP, 2003. - 43p.
3. Almazov V.O. Resistance to progressing destruction: calculations and constructive ac-tions//Bulletin TSNIISK of V.A. Kucherenko «Researches under the theory of constructions» №1 (XXVI), 2009. - p.179-194.
4. Almazov V.O. Akvapark's - the analysis of causes of accident//the Science and technics in the industry. №2, 2004. - p.84-87.
5. Almazov V.O., Kao Zuj Khoj. Dynamics of progressing destruction of monolithic multi-storeyed skeletons//Magazine «Industrial and civil building» №4, 2010. - p.52-56.
6. Rastorguev B. S, Mutoka K.N. Deformation of designs of overlappings of frame buildings after sudden destruction of one column//Aseismic building. Safety of constructions, 2006. - №1.
7. Rastorguev B. S, Plotnikov A.I. Calculation's of bearing designs of monolithic reinforced-concrete buildings on progressing destruction taking into account dynamic effects//the Collection of proceedings of institute of building and architecture. - M: MGSU, 2008. - p.68-75.
8. Rastorguev B. S, Plotnikov A.I., Husnutdinov D.Z. Designing of buildings and constructions at emergency explosive influences. - M: Publishing house ASV, 2007. - 152 p.
9. Rastorguev B. S. Methods of dynamic calculation of buildings on stability against progressive destructions//The Bulletin of branch of building sciences RAASN, V.1, release.13, 2009.
10. Design of buildings to resist progressive collapse//UFC 4-023-03 DoD, USA, 2003. - 175p.
Ключевые слова: особые воздействия, прогрессирующее разрушение, живучесть, риск, многоэтажные рамы, большепролётные сооружения, динамика, упругость, пластичность.
Keywords: accidental actions, progressive collapse, robustness, risk, many-storiedframes, long-span structures, dynamics, elasticity, plasticity.
E-mail авторов: v [email protected], [email protected] , [email protected]
Рецензент - Бирулин Юрий Фёдорович, канд. техн. наук, ст. научн. сотр., заведующий лабораторией сборного домостроения
