ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
ИССЛЕДОВАНИЯ 8
1.1. МЕТОДЫ РАСЧЁТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ 9
1.1.1. МЕТОД РАСЧЕТА ПО ДОПУСКАЕМЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ ... 9
1.1.2. РАСЧЕТ СЕЧЕНИЙ ПО РАЗРУШАЮЩИМ НАГРУЗКАМ 9
1.1.3. НЕДОСТАТКИ ПЕРЕЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ 9
1.1.4. МЕТОД РАСЧЕТА ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ 10
1.1.5. УЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ 10
1.1.6. УЧЁТ ХАРАКТЕРА РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТА В ЗАПРЕДЕЛЬНОМ
СОСТОЯНИИ 11
1.1.7. УЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ
НОРМИРОВАНИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 12
1.1.8. НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ РАСЧЁТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ 14
1.2. МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА 16
1.2.1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ 'ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ 17
1.2.2. ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА
ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ 18
1.2.3. ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ 20
1.2.4. МЕТОДЫ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ НА ДЕЙСТВИЕ
КРАТКОВРЕМЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК 23
1.2.5. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ НЕСУЩИХ СИСТЕМ ЗДАНИЙ И
СООРУЖЕНИЙ 26
1.2.6. ЖИВУЧЕСТЬ СИСТЕМЫ 30
1.3. ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ ОБРУШЕНИЕ И АВАРИЙНАЯ
РАСЧЁТНАЯ СИТУАЦИЯ 31
1.4. НОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ЗДАНИЙ ОТ
ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ 31
1.4.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 33
1.4.2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА 34
1.4.3. КОНСТРУКТИВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ 37
2.. ОБЗОР САПР, ПРИМЕНЯЕМЫХ ДЛЯ РАСЧЕТОВ В
СТРОИТЕЛЬСТВЕ 39
2.1. РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЁТОВ НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ
ОБРУШЕНИЕ В ПК SCAD 41
2.2. РЕАЛИЗАЦИЯ РАСЧЁТОВ НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ
ОБРУШЕНИЕ В ПК ЛИРА 44
2.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ДИНАМИЧНОСТИ 45
2.4. ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.5. АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 50
2.5.1. АЛГОРИТМ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ 50
2.5.2. ОПИСАНИЕ МОДЕЛЕЙ ИССЛЕДОВАНИЯ 51
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 83
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 85
Развитие технологий позволяет в наши дни возводить монолитные железобетонные здания также быстро, как и панельные. Рост интереса к индивидуальным проектам вновь возводимых зданий обуславливает широкое применение монолитных зданий в крупных регионах страны, имеющих необходимую материально-техническую базу.
Под прогрессирующим (лавинообразным) обрушением понимается распространение начального локального повреждения в виде цепной реакции от элемента к элементу, которое, в конечном счете, приводит к обрушению всего сооружения или непропорционально большой его части. Причиной разрушения может быть любая из множества аварийных ситуаций, которые не рассматриваются в обычном проектировании. В то же время землетрясения, пожары, сильные ветры, на которые производятся расчёты зданий в соответствии со строительными нормами, также не должны приводить к прогрессирующему обрушению.
В то время как вопросы защиты от прогрессирующего обрушения крупнопанельных зданий изучены, разработаны методики расчёта и рекомендации по конструированию, а многочисленные примеры аварий подтверждают их эффективность, аналогичных решений для монолитных и сборно-монолитных зданий и сооружений в России практически отсутствуют.
Согласно п. 6.2.1. СП 52-103-2007 [7] c 15 июля 2007 г. для всех
железобетонных монолитных зданий при проектировании рекомендуется выполнять оценку сопротивляемости конструктивной системы прогрессирующему обрушению. Методик проведения оценки СП не приводит, однако предписывает производить расчет конструктивных систем методом конечных элементов с использованием специальных сертифицированных в России компьютерных программ, согласованных с НИИЖБ: Лира, Мономах, STARK-ES и других (п. 6.3.7. [7]).
Разработчики программных комплексов SCAD и Лира предлагают свои методики расчёта, однако достоверность получаемых результатов пока не подтверждена и требует проведения исследований в этом направлении.
Ранее были разработаны нормативные документы [1-6], содержащие методики и примеры расчёта с помощью кинематического метода теории предельного равновесия и рекомендации по защите от прогрессирующего обрушения следующих типов зданий:
- крупнопанельные здания [1];
- жилые здания с несущими кирпичными стенами [2];
- жилые здания каркасного типа [3];
- монолитные жилые здания [4];
- высотные здания [5];
- большепролетные сооружения [6].
Рекомендации [1-5] разработаны в период с 1999 г по 2006 г группой специалистов НИИЖБ (д.т.н. Залесов А.С.), МНИИТЭП (инженеры Шапиро Г.И., Эйсман Ю.А., к.т.н. Коровкин В.С.), РААСН (д.т.н. Травуш В.И.) и НИЦ СтаДиО (к.т.н. Стругацкий Ю.М.). Рекомендации имеют схожее содержание, отличаясь лишь незначительно в разделе конструктивных решений, где учитывается конкретная специфика каждого типа зданий. Предложенная методика расчёта кинематическим методом теории предельного равновесия крайне трудоёмка в применении на практике. При рассмотрении сложных вариантов объемно-планировочных решений, наиболее опасную форму разрушения надо устанавливать перебором всех возможных вариантов схем локального разрушения. В Рекомендациях нет методики оценки прогибов и перемещений плит.
Необходимость разработки рекомендаций [1-5] появилась после ужесточения противопожарных требований [11]. Пожары являются частным случаем ЧС. Мероприятия по выполнению требований противопожарных норм защищают отдельные элементы здания только от воздействия пожара, а в случае других ЧС могут оказаться бесполезными. Поэтому в московских нормах [12] было принято положение о необходимости защиты здания в целом от прогрессирующего обрушения (п. 3.6) при ЧС любого типа, а требования по огнестойкости отдельных конструктивных элементов (п. 3.24) трактуются с учетом защищенности здания от прогрессирующего обрушения.
Наиболее общие положения рекомендаций представлены в разделе 1.4 настоящей работы.
Специалисты разных стран сходятся во мнении, что устойчивость здания против прогрессирующего обрушения следует обеспечивать комплексом средств:
- превентивными мерами безопасности [22-24];
- рациональными конструктивно-планировочными решениями здания с учетом возможности возникновения аварийной ситуации;
- мерами, обеспечивающими неразрезность конструктивной системы здания;
- применением материалов и конструктивных решений, обеспечивающих развитие в элементах конструкций и их соединениях пластических деформаций;
- мероприятиями, аналогичными защите зданий от сейсмических воздействий.
В рекомендациях [1-6] вопрос конструктивно-планировочных решений не рассмотрен. Нет единого алгоритма по проектированию зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения. Нет единой методики расчета в программных комплексах. Практически отсутствуют опубликованные за последнее время в РФ статьи на тему живучести зданий. Практика проектирования свидетельствует об острой необходимости простых инженерных решений, не требующих детального анализа каждой конкретной конструкции. Необходимость в исследованиях по этой теме подтверждается словами главного научного сотрудника УкрНИИ ПСК, д.т.н., А.В. Перельмутера в статье [18].
Задачи исследования
Разработать алгоритм проектирования зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения (ПО). Определить возможность применения программных комплексов (ПК) для расчётов зданий на ПО. Определить конструктивно-планировочные решения, способные снизить вероятность развития ПО, и проверить их эффективность расчётами на моделях в различных ПК. Сравнить полученные результаты.
Наиболее существенные научные результаты, полученные лично соискателем
Разработан алгоритм проектирования зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения. Эффективность применения жёстких блоков подтверждена расчётами на моделях.
Оценка достоверности и обоснованности научных результатов и выводов
Достоверность научных результатов и основных выводов подтверждается применением апробированных методов динамики сооружений и теории железобетона, а также использованием в расчётах специальных сертифицированных в России компьютерных программ расчета конструктивных систем методом конечных элементов, согласованных с НИИЖБ и рекомендованных нормами.
Значение полученных результатов для теории
Разработанный алгоритм может быть использован для дальнейших исследований в области защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения.
Значение полученных результатов для практики
Предложенные конструктивно-планировочные решения имеют практическую значимость для защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения и могут быть использованы проектными организациями.
Рекомендации об использовании результатов диссертационного исследования
Результаты исследования рекомендуется применять как элемент общей научно-исследовательской работы при исследовании защиты зданий от прогрессирующего обрушения, они опубликованы в различных изданиях, в т.ч. в интернете, и находятся в свободном доступе для других исследователей этого направления.
Решения вопросов защиты от прогрессирующего обрушения монолитных и сборно-монолитных зданий и сооружений в России практически отсутствуют. Согласно СП 52-103-2007 [7] рекомендуется выполнять оценку сопротивляемости конструктивной системы прогрессирующему обрушению. Методик проведения оценки СП не приводит, однако предписывает производить расчет конструктивных систем методом конечных элементов с использованием специальных сертифицированных в России компьютерных программ, согласованных с НИИЖБ.
Ранее были разработаны нормативные документы [1-6], содержащие методики и примеры расчёта с помощью кинематического метода теории предельного равновесия и рекомендации по защите от прогрессирующего обрушения. Предложенная методика расчёта кинематическим методом теории предельного равновесия крайне трудоёмка в применении на практике. При рассмотрении сложных вариантов объемно-планировочных решений, наиболее опасную форму разрушения надо устанавливать перебором всех возможных вариантов схем локального разрушения. В Рекомендациях нет методики оценки прогибов и перемещений плит. В рекомендациях не рассмотрен вопрос конструктивно-планировочных решений.
В настоящий момент в практике строительного проектирования нет единого алгоритма по проектированию зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения. Нет единой методики расчета в программных комплексах. Практически отсутствуют опубликованные за последнее время в РФ статьи на тему живучести зданий.
Предложен следующий алгоритм проектирования зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения:
- на начальных стадиях проектирования конструкций выбираются рациональные конструктивно-планировочные решения, позволяющие снизить вероятность развития прогрессирующего обрушения;
- производится расчёт конструкции согласно всех требований норм, при этом независимо от сейсмического района производится расчёт на сейсмичность 6 баллов; если результаты соответствуют требованиям норм по прочности и деформативности, производится подбор арматуры и выполняется конструирование всех элементов конструкции;
- строится уточнённая модель сооружения с учётом физической и геометрической нелинейности работы материала; при назначении жесткостей учитывается принятое армирование конструкций; производятся несколько расчётов на прогрессирующее обрушение, каждый из которых рассматривает одну из гипотетическим схем разрушения несущих конструкций.
Если по результатам расчёта не возникает прогрессирующего обрушения, а объемы разрушаемых конструкций не велики, принятые решения переносятся в проектную документацию.
Такой подход к проектированию применим при использовании ПК Лира. В ПК SCAD нет возможности учесть физическую нелинейность работы материала, однако в нем присутствует модуль расчёта на прогрессирующее обрушение.
Разработчики программных комплексов SCAD и Лира предлагают свои методики расчёта, однако достоверность получаемых результатов пока не подтверждена и требует проведения исследований в этом направлении.
Методика расчета конструкций на прогрессирующее обрушение, реализованная в ПК SCAD, требует дальнейшего развития и дополнения, так как не позволяет учитывать физическую нелинейность работы материалов железобетонных конструкций, не учитывает мембранный эффект работы арматуры, не позволяет оценить перемещения. ПК отображает только те элементы, которые отказали на первом же шаге процесса распространения обрушения. Для определения элементов, выходящих из строя на втором и последующих шагах, требуются дополнительные действия расчётчика.
Согласно методике, реализованной в ПК SCAD:
- определяются реакции в узлах вышедших из строя элементов, которые примыкают к остальной части схемы, от проверочной комбинации нагрузок;
- полученные значения реакций добавляются в расчетную комбинацию с коэффициентом Kf.
Аналогичные решения предложены в методике ПК Лира. В таком случае, большая часть нагрузки передаётся на плиту, расположенную над разрушенным элементом. Для многоэтажных зданий это не отражает действительные процессы, протекающие в конструкции. Вероятно, необходимо распределять усилие по высоте здания, то есть добавлять часть усилия в уровне каждого перекрытия.
Расчёт производится в квазистатике - для учёта мгновенности приложения нагрузки от расчётчика требуется указать коэффициенты динамичности, вычисление которых без использования ПК трудоемко и может оказаться не точным.
Методика по определению коэффициента динамичности, описанная в пособии по проектированию И.Н.Тихонова «Армирование элементов монолитных железобетонных зданий» [97], вызывает большие сомнения, так как имеет большое количество эмпирических коэффициентов. Условием её применимости является симметричное равномерное армирование плит. Не учитываются конструктивно-планировочные решения и различные динамические характеристики, такие как распределения масс элементов конструкции, скорость распространения ударной волны и прочие.
Расчёты с коэффициентом динамичности у = 2,0 показывают значительно больший объём разрушений по сравнению с расчётами при у = 1,0.
Определению коэффициента динамичности с высокой точностью должно уделяться большое внимание в рамках расчётов на ПО. Таким образом, целесообразно рассмотреть возможность перехода от квазистатических расчётов к динамическим расчетам с использованием вместо сосредоточенных усилий - равномерно распределенных масс. В настоящий момент требуется разработка новой методики определения динамической составляющей усилий и напряжений в элементах конструкции.
Разработан алгоритм проектирования зданий и сооружений, защищенных от прогрессирующего обрушения.
Построены модели в нескольких программных комплексах, как учитывающие конструктивно-планировочные решения, так и не учитывающие.
Установлена возможность применения программных комплексов для расчётов зданий и сооружений на прогрессирующее обрушение, однако достоверность результатов расчётов пока не подтверждена на практике.
Установлена эффективность применения жестких блоков по высоте здания с целью защиты от прогрессирующего обрушения без значительного увеличения расхода материалов на возведение конструкции.
Результаты, полученные разными методами, показывают защищенность рассматриваемых в работе зданий от прогрессирующего обрушения.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
