Защита каркасных зданий от прогрессирующего обрушения

АННОТАЦИЯ

УДК 624.012.45 Конструкции из армированного бетона (монолитного). Железобетонные конструкции УДК 624.046 Несущая способность. Устойчивость

УДК 624.048 Статический расчет на моделях УДК 624.07 Конструктивные элементы. Несущие конструкции УДК 69.059.2 Повреждения, разрушения и ремонт зданий и сооружений Работа содержит 91 страницу, 37 рисунков, 5 таблиц.

Ключевые слова: строительство, строительные конструкции, железобетонные конструкции, железобетонные каркасы, каркасные здания и сооружения, проектирование, устойчивость, динамика сооружений, расчет на динамические воздействия, расчет на ударные воздействия, прогрессирующее обрушение, живучесть зданий, конструирование, армирование, метод предельных состояний, метод конечных элементов.

Keywords: Construction, building construction, concrete structures, reinforced concrete frames, frame buildings, designing, stability, structural dynamics, account for dynamic effects, account for shock effects, progressive collapse, resilience building, reinforcement, the method of limit states, finite element method.

В работе рассмотрены существующие в настоящий момент методики расчёта строительных конструкций на статические и динамические воздействия. Сформулирована методика учета последствий разрушения при нормировании предельных состояний железобетонных конструкций. Рассмотрен вопрос нормирования защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения (ПО). Представлен обзор современных САПР для расчёта строительных конструкций. Отмечены программы, реализующие расчёты на ПО, указаны недостатки методик и пути дальнейшего развития программных комплексов.

Разработан алгоритм проектирования конструкций, защищенных от ПО. Рассмотрен метод защиты зданий и сооружений каркасного типа от ПО с помощью применения рациональных конструктивно-планировочных решений. Предложено рассчитывать колонны каркаса не только на внецентренное сжатие при их нормальной работе, но и на растяжение, возникающее во время чрезвычайной ситуации. Представлены результаты статических и динамических расчётов на моделях с учётом физической и геометрической нелинейности работы материала. Представлены результаты расчётов кинематическим методом теории предельного равновесия. Произведено сравнение результатов, полученных в двух программных комплексах и с помощью расчёта кинематическим методом теории предельного равновесия. Представлены примеры конструктивной реализации жёстких блоков.

Актуальность работы

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 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.

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. 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 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.

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.

Научная новизна

Предложенные решения разработаны лично автором. Они не встречаются в нормах проектирования, действующих на территории РФ, а также в литературе на русском языке.

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.

Апробация работы

Результаты работы были представлены на:

1. XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов — в декабре 2008 г.

2. Конференция «Современные программные средства и методики расчета для проектирования зданий и сооружений», Санкт-Петербург, СПбГПУ — в марте 2009 г.

3. Семинар «Устойчивость и долговечность железобетонных конструкций», Санкт-Петербург, СПбГПУ — в апреле 2009 г.

4. Политехнический симпозиум — молодые учёные — промышленности Северо-Западного региона. Стендовый доклад в мае 2009 г.

Результаты опубликованы в печатных изданиях:

1. Руденко Д. В., Кузнецов В. Д. Защита железобетонных зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. // XXXVII Неделя науки СПбГПУ: Материалы Всероссийской межвузовской научной конференции студентов и аспирантов. Ч.1. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2008. — с.164−165.

2. Руденко Д. В. Защита каркасных зданий от прогрессирующего обрушения. // «Инженерно-строительный журнал», № 3, 2009. -с.38−41.

3. Руденко Д. В., Ватин Н. И. Защита каркасных зданий от прогрессирующего обрушения. // Молодые учёные — промышленности Северо-Западного региона: Материалы конференций политехнического симпозиума. — СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.

Внедрение

Предложенные конструктивно-планировочные решения и алгоритм проектирования зданий, защищенных от прогрессирующего обрушения, внедрены в практику проектирования ООО «Фордевинд», ООО «ИРВИ-ЕВРОСТРОЙ», ПНИПКУ «Венчур», ООО «АСБ «Автор» .

Внедрено на Инженерно-строительном факультете СПбГПУ как элемент общей научно-исследовательской работы при исследовании защиты зданий от прогрессирующего обрушения. Результаты проделанной работы опубликованы в различных изданиях, в т. ч. в интернете, и находятся в свободном доступе для других исследователей этого направления.

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

В последние годы в зарубежные строительные нормы введено понятие риска, предложены подходы для определения уровня риска/последствия, оценки проектных мер предотвращения прогрессирующего обрушения, которые учитывают ценность и уязвимость сооружения. Отмечено, что никакими экономически оправданными мерами нельзя полностью исключить риск отказа любого несущего элемента. Каждое сооружение имеет некоторую вероятность разрушения. Попытка приблизить эту вероятность к нулю сопровождается стремительным ростом стоимости сооружения. Кроме того, сооружения не могут быть совершенно свободными от риска обрушения из-за неопределенностей требований к системе, разброса технических свойств строительных материалов, трудностей адекватного моделирования поведения системы даже с использованием современных программных комплексов. Рассматриваются варианты, когда защита зданий в аварийных ситуациях в первую очередь должна быть ориентирована не на недопущение разрушений, а на обеспечение безопасности людей и возможности их эвакуации, на реализацию необходимого для этого запаса времени и т. п.

В настоящее время отсутствует общепринятый научно обоснованный подход или практика проектирования зданий и сооружений, сохраняющих структурную целостность при различных вариантах расчетных нагрузок и аварийных воздействий. Отмечена трудность теоретического определения возможности прогрессирующего обрушения здания ввиду отсутствия четких определений, начиная от вероятности возникновения и величины предполагаемой опасности. В большинстве случаев аварийные воздействия не могут быть определены количественно и неизвестна степень возможных начальных повреждений. Не разработаны аналитические методы определения начальных повреждений и прогнозирования вероятности последующего прогрессирующего обрушения сооружения из-за предполагаемых аварийных воздействий. Невозможно использовать численные методы расчета МКЭ ввиду отсутствия подробных знаний поведения конструкций при прогрессирующем обрушении, а также достаточного опыта построения структурных комплексных моделей и интерпретации результатов вычислений. Необходимы разработки по развитию усовершенствованной методики оценки уязвимости конструктивных систем и их совершенствования для смягчения прогрессирующего обрушения при различных вариантах опасности. Инженеры нуждаются в простых методах проектирования и расчетов, способных предотвратить потенциальную опасность прогрессирующего обрушения зданий. [6]

В данной главе рассмотрена история развития принципов проектирования: расчёты по допускаемым напряжениям, по разрушающим усилиям, по предельным состояниям. Описаны недостатки, то есть область нерешенных задач, определяющих перспективу дальнейшего развития и совершенствования теории и метода предельных состояний как основы нормативной оптимизации проектирования конструкций зданий и сооружений. Дан анализ существующих методов расчета железобетонных конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок. Представлены существующие на момент написания диссертации нормы проектирования и рекомендации по защите зданий различного типа от прогрессирующего обрушения. Приведен перечень и описание наиболее известных программных комплексов, реализующих расчеты конструктивных систем методом конечных элементов. Отмечены комплексы, реализующие расчёты конструкций на ПО с указанием принятой разработчиками методики. Произведен критический анализ рассмотренного материала, сформулированы направления дальнейшего развития норм и поставлены задачи диссертационного исследования.

1.1 МЕТОДЫ РАСЧЁТА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1.1.1 МЕТОД РАСЧЕТА ПО ДОПУСКАЕМЫМ НАПРЯЖЕНИЯМ

Применялся в нашей стране до 1938 г. Согласно этому методу бетон рассматривался как упругий материал. В основу расчетных зависимостей были положены закон Гука, гипотеза плоских сечений. Вместо действительного железобетонного сечения в расчет вводилось приведенное бетонное сечение, в котором арматура заменялась эквивалентным по прочности количеством бетона. Сопротивлением бетона растянутой зоны пренебрегали. В результате расчета определялись напряжения в бетоне и арматуре от эксплуатационных нагрузок, которые не должны были превосходить допускаемые.

Однако рамки методики допускаемых напряжений сдерживали развитие строительных конструкций прежде всего в силу целого ряда неопределенностей, из которых можно выделить следующие:

— при расчете принимались нагрузки, отвечающие нормальным условиям эксплуатации, без учета вероятности их превышения;

— не учитывалась возможность использования в конструкциях материала с пониженными по сравнению с техническими условиями характеристиками;

— предполагалось, что действительные условия работы конструкции будут соответствовать принимаемым при расчете идеализированным условиям;

— коэффициент запаса, который должен был учитывать эти факторы, для всех конструкций из данного материала оставался неизменным, независимо от конкретных условий работы конструкций и степени их ответственности. В результате такого подхода разные конструкции имели разную надежность. Кроме того, работа конструкций рассматривалась лишь в упругой стадии, без учета пластических свойств материала, что снижало их экономичность.

1.1.2 РАСЧЕТ СЕЧЕНИЙ ПО РАЗРУШАЮЩИМ НАГРУЗКАМ

В результате обширных исследований, проведенных советскими учеными (А. Ф. Лолейт, А. А. Гвоздев и др.), в начале 30-х годов был разработан метод, учитывающий упругопластические свойства железобетона, который был включен в нормы проектирования железобетонных конструкции в 1938 г.

В основу метода расчета сечений по разрушающим нагрузкам была положена работа конструкции в III стадии напряженно-деформированного состояния, при этом предполагалось, что напряжения в бетоне и арматуре достигают предельных значений. В отличие от метода расчета по допускаемым напряжениям, где напряжения в бетоне и арматуре определялись по действующему в сечении внешнему усилию, в рассматриваемом методе по принятым напряжениям в сечении, установленным на основания экспериментов, определялось значение разрушающего усилия. Метод позволял назначать общий для всего сечения коэффициент запаса. Допускаемая нагрузка находилась путем деления разрушающей нагрузки на этот коэффициент. Метод более правильно отражал действительную работу сечений, подтверждался экспериментально.

1.1.3 НЕДОСТАТКИ ПЕРЕЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ

Общим недостатком обоих рассмотренных выше методов являлось использование единого коэффициента запаса, лишь весьма приближенно учитывающего многообразие факторов, влияющих на работу конструкции. Кроме того, метод расчета по разрушающим нагрузкам, позволяя достоверно определять прочность конструкции, не давал возможности оценить ее работу на стадиях, предшествующих разрушению, в частности при эксплуатационных нагрузках. Впрочем, до определенного периода практика и не ставила перед исследователями такой задачи. Это объясняется тем, что применялись сталь и бетон относительно низкой прочности, конструкции имели развитые сечения, прогибы и трещины в бетоне от эксплуатационных нагрузок были невелики и не препятствовали нормальной работе конструкций. С появлением бетона и арматуры более высокой прочности сечения уменьшались, снижалась и их жесткость, в результате чего прогибы конструкций от фактических нагрузок оказывались значительными, создавая в ряде случаев препятствия нормальной эксплуатации. Кроме того, более существенную роль стал играть фактор раскрытия трещин, вызывающий коррозию стали, к которой высокопрочная арматура особенно чувствительна. Последние два обстоятельства наряду с отмеченными выше недостатками существовавших методов потребовали дальнейшего совершенствования методики расчета железобетонных конструкций.

1.1.4 МЕТОД РАСЧЕТА ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ

Проектирование конструкций зданий и сооружений по предельным состояниям было введено в нормативные документы с 1955 года по инициативе группы ученых и инженеров, возглавляемой проф. Н. С. Стрелецким.

Под предельным понимают такое состояние конструкции, после достижения которого дальнейшая эксплуатация становится невозможной вследствие потери способности сопротивляться внешним нагрузкам или получения недопустимых перемещений или местных повреждений.

В соответствии с этим установлены две группы предельных состояний: первая — по несущей способности; вторая — по пригодности к нормальной эксплуатации.

Расчет по первой группе предельных состояний выполняется с целью предотвращения разрушения конструкций (расчет по прочности), потери устойчивости формы конструкции (расчет на продольный изгиб) или ее положения (расчет на опрокидывание или скольжение), усталостного разрушения (расчет на выносливость).

Расчет по второй группе предельных состояний имеет цель не допустить развитие чрезмерных деформаций (прогибов), исключить возможность образования трещин в бетоне или ограничить ширину их раскрытия, а также обеспечить в необходимых случаях закрытие трещин после снятия части нагрузки.

Основные положения теории и метода предельных состояний применительно к железобетонным конструкциям были сформулированы в работах А. А. Гвоздева [25], В. М. Келдыша, И. И. Гольденблата [26], А. Р. Ржаницына и других исследователей.

Прогрессивность теории и метода предельных состояний в настоящее время является очевидной, так как практические инженерные выводы получили убедительные подтверждения. Но выявлены и недостатки, то есть область нерешенных задач, определяющих перспективу дальнейшего развития и совершенствования теории и метода предельных состояний. Обширный комплекс нерешенных научно-технических задач, выдвинутых в последние десятилетия в развитии теории предельных состояний, сформулирован в.

1.1.5 УЧЕТ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО РЕСУРСА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

В теории предельных состояний и нормах проектирования отсутствует параметр времени, что с формализованной точки зрения означает постоянство механических свойств конструкций во времени, то есть наступление расчетных предельных состояний определяется только экстремальным значением нагрузок и воздействий.

В действительности экстремальное значение потенциальной энергии конструкций к моменту разрушения определяется их возрастом и убывает во времени, что является следствием процессов старения и накопления повреждений. Прогнозировать этот процесс в каждом конкретном случае весьма сложно, так как для этого необходимы не только аппарат теории, но и обширные исходные данные, которые могут быть получены только путем постановки и проведения экспериментальных исследований работы конструкций зданий и сооружений в период их эксплуатации.

Методика расчета эксплуатационного ресурса в нормах отсутствует. Продолжительность эксплуатации конструкций зданий и сооружений должна быть одним из основных параметров расчета, игнорирование которого является одним из основных пробелов современных норм.

Расчетный аппарат методики проектирования конструкций по предельным состояниям используют комплекс коэффициентов, которые до настоящего времени остаются эмпирическими. Фактически эти коэффициенты обеспечивают на стадии проектирования конструкций их эксплуатационный ресурс.

В современных условиях не представляется возможным согласиться с таким уровнем эмпирической неопределенности указанных выше коэффициентов. Как действующие, так и новые коэффициенты, вводимые в нормы, должны быть обоснованы и с теоретической, и с экспериментальной точек зрения и учитывать их статически-вероятностную природу.

Игнорирование продолжительности эксплуатации конструкций зданий и сооружений является одним из основных пробелов современных норм. В связи с совершенствованием технологии производства и применением новых конструкционных материалов, актуальность дальнейшего теоретического и экспериментального развития этой области теории предельных состояний постоянно возрастает. Задача сводится к исследованию процессов деформирования и разрушения материалов в конструкциях зданий и сооружений. 9]

1.1.6 УЧЁТ ХАРАКТЕРА РАБОТЫ ЭЛЕМЕНТА В ЗАПРЕДЕЛЬНОМ СОСТОЯНИИ

В зависимости от характера работы элемента конструкции, после достижения им предельного состояния, возможны следующие ситуации:

— после развития значительных пластических деформаций, обусловленных достижением напряжений в арматуре, соответствующих площадке текучести, присутствует некоторый запас по несущей способности. Характерно для изгибаемые элементов, действующие моменты в которых превысили допустимые;

— развитие пластических деформаций с последующим разрушением элемента;

— хрупкое разрушение элемента. Характерно для внецентренно сжатых элементов с малыми эксцентриситетами и при разрушении от действия поперечной силы.

Для вышеназванных состояний можно сформулировать следующую классификацию элементов по сопротивляемости разрушению при достижении предельного состояния (см. рис. 1.1):

— элементы положительной сопротивляемости разрушению;

— элементы нулевой сопротивляемости разрушению;

— элементы отрицательной сопротивляемости разрушению.

Рис. 1.1. Запредельные состояния элемента конструкции где: 1 — элементы положительной сопротивляемости разрушению; 2 — элементы нулевой сопротивляемости разрушению; 3 — элементы отрицательной сопротивляемости разрушению.

Учёт характера работы элемента в запредельном состоянии позволит наиболее полно использовать запасы несущей способности конструкции при возникновении ЧС. Немаловажной задачей является учёт последствий разрушения при нормировании параметров предельных состояний.

1.1.7 УЧЕТ ПОСЛЕДСТВИЙ РАЗРУШЕНИЯ ПРИ НОРМИРОВАНИИ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Риск или опасность, связанная с использованием каждой отдельной конструкции в сооружении, зависит от частоты и интенсивности аварии, происходящей в результате ее разрушения. Интенсивность аварии может измеряться денежным эквивалентом ущерба, причиненного аварией, либо другим показателем (например, потерей площади).

Риск можно определить в виде показателя опасности I, выраженного как произведение вероятности аварии p_a на среднюю интенсивность c_m для данной конструкции [28]:

I = p_a c_m

Вероятность возникновения аварии можно определить по методике, изложенной в. Обобщенную внешнюю нагрузку S и обобщенное сопротивление R конструкции будем рассматривать как случайные величины. При этом S и R должны быть выражены в одинаковых единицах измерения.

Предельное состояние конструкции характеризуется условием R < S или R _ S < 0. Случайная величина m = R — S может рассматриваться как область, характеризующая вероятность аварии. Для R, S, m принимают обычно нормальные распределения, имеющие средние значения R_m, S_m, m_m, и дисперсии у_R, у_S и у_m, которые связаны между собой зависимостями:

где и — коэффициенты вариации.

Для вычисления вероятности разрушения используется формула нормированной функции для нормального распределения:

и формула для вероятности при нормальном распределении:

Таким образом:

Значение Ф (u) приведены в табл. 2.6.

Обобщенные значения параметров внешней нагрузки S и у_S вводят в расчет на основании действующих норм. Величину R вычисляют с использованием методов строительной механики и теории сопротивления железобетона для каждого предельного состояния.

Последствия разрушения конструкций должны иметь первостепенное значение при нормировании предельных состояний. Учитывая сложившийся подход к нормированию параметров предельных состояний, концепция расчета конструкций должна включать кроме двух групп коэффициентов надежности, учитывающих изменчивость материалов и нагрузок, группу коэффициентов, учитывающих последствия разрушения. Эти коэффициенты обосновываются для каждой конструкции с учетом характера ее разрушения (пластическое или хрупкое), ремонтопригодности, а также связи этой конструкции с другими конструкциями в сооружении (приводит или нет к разрушению других конструкций).

Значения коэффициентов, учитывающих последствия разрушения, должны определяться на основе принципа сбалансированного риска [29], предполагающего постоянство показателя опасности для всех элементов, входящих в состав проектируемой конструкции.

Концепция проектирования по методу предельного состояния с учетом коэффициентов, учитывающих последствия разрушения, полученных на основе анализа риска, позволяет изменить задачу, т. е. перейти от обеспечения конструкции от разрушения к более фундаментальной концепции защиты от потери зданий и сооружений и гибели людей. Заложенные запасы по несущей способности значительно снижают вероятность развития прогрессирующего обрушения.

1.1.8 НЕОПРЕДЕЛЕННОСТЬ РАСЧЁТНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. НАДЕЖНОСТЬ КОНСТРУКЦИИ

В действующих нормах остается неразрешенным противоречие между детерминизмом (закономерная и необходимая зависимость явлений от порождающих их факторов) расчетного аппарата и статически-вероятностной природой расчетных параметров конструкций зданий и сооружений. Реализованные в действующих нормах решения используют аппарат теории надежности в весьма ограниченных пределах, применяя его только в тех случаях, когда статически-вероятностные решения оказываются единственно возможными. Следствием указанного выше противоречия является эмпирическая неопределенность между расчетными и физическими значениями параметров конструкций, а также параметрами, определяющими их предельное состояние.

Интегральные расчетные параметры предельного неравенства обладают свойствами изменчивости, так как являются функциями нагрузок, воздействий, физико-механических и геометрических характеристик конструкций. Для получения их расчетных значений необходим статически-вероятностный анализ предельного неравенства, в котором левая и правая части представляют собой системы случайных изменчивых величин. [9]

Статическое распределение усилий и распределение несущей способности могут пересекаться (рис. 1.2). В методе предельных состояний коэффициентами надежности по нагрузке распределение усилий смещается вправо, а коэффициентами надежности по материалу распределение несущей способности смещается влево. В результате, надежность строительной конструкции оценивается вероятностью безотказной работы и обеспечена, если вероятность пересечения распределений не превышать 0,1.

При этом надежность (англ. reliability) понимается, как свойство сооружения выполнять свое функциональное назначение с необходимым качеством в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Рис. 1.2. Графики статистического распределения усилий (1) и несущей способности конструкции (2)

При традиционном проектировании выполняется поэлементный расчет, т. е. обеспечивается требуемая надежность каждого отдельного элемента. При этом надежность понимается, как свойство сооружения выполнять свое функциональное назначение с необходимым качеством в течение предусмотренного срока эксплуатации. Такая поэлементная проверка называется методом наислабейшего элемента и присваивает всей конструкции топологию последовательного соединения элементов, что в действительности не всегда так и может свидетельствовать об имеющихся запасах несущей способности. Поскольку определить надежность всей конструкции не представляется возможным в виду значительной трудоемкости, то надежность всего сооружения трактуется через надежность ее отдельных элементов. В результате нельзя дать ответ о фактической надежности запроектированного сооружения. [30]

С распространением программных комплексов на основе метода конечных элементов у рядовых инженеров появился мощный и доступный инструмент для исследования и детального анализа работы конструкции. Есть возможность быстро и без значительных затрат времени сравнить несколько конструктивных схем и выбрать наиболее рациональную. Сегодня необходим пересмотр методологии проектирования с учетом новых возможностей систем автоматизированного проектирования для создания новой единой и четкой концепции нормативной базы.

1.2 МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЁТА

Материалы настоящего раздела заимствованы из работы.

Взрывные и ударные нагрузки, характеризующиеся большой интенсивностью и малой продолжительностью, относятся к кратковременным динамическим нагрузкам. Для обычных гражданских и промышленных сооружений, специально не предназначенных для их восприятия, эти нагрузки являются случайными аварийными воздействиями, однократно действующими на конструкцию. При действии этих нагрузок к конструкциям таких сооружений предъявляется только одно требование: конструкции должны выдержать нагрузку, не вызвав обрушение сооружения. Поэтому, в этих случаях в таких сооружениях могут быть допущены значительные остаточные деформации несущих конструкций и даже локальные разрушения одного или несколько из них, но не приводящие к обрушению сооружений или части его.

Разрушение одной или нескольких элементов несущей системы может привести к перегрузке других оставшихся элементов этой системы. Это может стать причиной обрушения целого сооружения. В таких случаях для обеспечения сохранности здания от обрушения требуется обеспечить несущую способность оставшихся элементов несущей системы и сохранить его общую устойчивость даже при выключенных отдельных элементах. Колонны являются одними из основных несущих конструкций зданий и в диссертации будут рассматриваться вопросы, связанные с обеспечением прочности отдельных конструкций здания после разрушения одной колонны.

К настоящему времени достаточно полно разработаны методы динамического расчета отдельных несущих элементов зданий на действие кратковременных нагрузок во всех стадиях работы.

Динамическими называются такие нагрузки, которые во время действия сообщают массами конструкций ускорения, вызывая инерционные силы, сравнимые с действующими нагрузками. Динамические нагрузки изменяются во времени и, поэтому вызывают в конструкциях изменяющиеся во времени усилия, деформации и перемещения. По своей природе динамические нагрузки бывают: периодические, кратковременные, ударные, сейсмические.

Теоретические методы расчета строительных конструкций на действие динамических воздействий начинали развиваться с начала ХХ века. Исследования в этой области в основном были посвящены методам расчета конструкций на действие периодических динамических нагрузок, вызывающих колебательные процессы в этих конструкциях. Такие нагрузки создаются двигателями, генераторами, станками, вентиляторами, кранами и т. п., опирающимися или движущимися по этим конструкциям. Эти нагрузки наиболее часто встречались в практике проектирования транспортных, промышленных и гражданских сооружений. Из динамических воздействий непериодического характера был рассмотрен только расчет конструкций на действие удара. Однако эти методы не применялись к решению практических задач, связанных с расчетом сооружений на кратковременные динамические нагрузки большой интенсивности. Развитие строительства промышленных зданий с взрывоопасными технологическими процессами, ракетной техники, появление взрывчатых веществ, ядерного оружия и т. п. привело к необходимости расчета строительных конструкций на действие взрывных воздействий. В середине 40-х годов ХХ века появились первые глубокие исследования по расчету строительных конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок. Экспериментальные исследования этой проблемы испытали большие трудности, которые были вызваны ее сложностью, отсутствием данных о взрывных волнах, о закономерностях их взаимодействия с сооружениями, а также отсутствием теоретических основ динамического расчета сооружений.

Параллельно с экспериментальными исследованиями проводилось теоретическое изучение вопроса в поиске математических зависимостей, описывающих движения конструкций сооружений, испытывающих периодические динамические воздействия. Методы решения уравнений колебаний упругих систем, разработанные выдающимися математиками XVIII—XX вв.еков послужили основой для этой цели. К этому же времени в результате исследований в области газодинамики, были получены зависимости для определения необходимых для расчета параметров взрывных волн (интенсивность, продолжительность действия, скорость распространения и т. д.). Это способствовало в значительной мере развитию теории расчета конструкций сооружений на действие взрывных волн.

1.2.1 ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Под предельным состоянием конструкции понимается состояние, за пределом которого конструкция перестает удовлетворять предъявляемые к ней требования эксплуатации. Конкретная формулировка расчетных предельных состояний и их нормирование устанавливается исходя из эксплуатационных требований, предъявляемых к сооружениям с учетом видов конструкций и свойств материалов, из которых они сделаны. Расчет железобетонных конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок ведется по первой группе метода предельных состояний — по обеспечению несущей способности конструкций [32,33,34].

При расчете конструкций по первой группе рассматриваются три случая достижения предельного состояния: 1а, 1б, 1 В. Случай 1а предельного состояния применяется для конструкций, в которых эксплуатационные требования не допускают развитие остаточных деформаций, вызывающих необходимость восстановительного ремонта. Состояние характеризуется достижением предела текучести (физического или условного) в растянутой арматуре. Сдучай 1б предельного состояния устанавливается для конструкций, в которых эксплуатационные требования допускают развитие в конструкции значительных остаточных деформаций, вызывающих необходимость восстановительного ремонта или частичной замены конструкций. Состояние характеризуется работой арматуры в пластической стадии и началом разрушения бетона сжатой зоны в наиболее напряженных сечениях. Случай 1 В устанавливается для конструкций, у которых полное или частичное разрушение не приводит к обрушению всего сооружения, например ограждающих и некоторых несущих конструкций. Это случай предельного состояния применяется также в тех случаях, когда из-за большой интенсивности динамической нагрузки разрушение конструкций неизбежно и конструкции требуют полной замены.

Нормирующие величины (или критерии, определяющие достижение конструкциями расчетных предельных состояний) при динамическом нагружении выбираются таким образом, чтобы их можно было найти существующими методами динамического расчета и чтобы они были удобны для экспериментального определения. Существующие методы динамического расчета позволяют определять изгибающие моменты, прогибы, углы раскрытия в шарнирах пластичности и, поэтому значения этих величин, позволяющие конструкциям работать до предъявляемых эксплуатационных требований, принимаются в качестве нормирующих [32,33,35]. Случай 1а нормируется отсутствием пластических деформаций в растянутой арматуре, состояние которой будет обеспечено при условии: absM(x,t_m)<M_ud(x), где absM(x,t_m) — абсолютное значение изгибающего момента от внешних воздействий в сечении x элемента, t_m — время достижения изгибающим моментом максимального значений, M_ud(x) - момент внутренних сил, при котором напряжения в растянутой арматуре достигнут динамического предела текучести в сечении x элемента.

Для железобетонных изгибаемых и внецентренно сжатых с большим эксцентриситетом элементов предельное состояние 1б принято нормировать по пластическим углам раскрытия в шарнире пластичности, при котором деформации бетона сжатой зоны достигают предельных значений и начинает разрушаться бетон. А. А. Гвоздев предложил этот способ нормирования в 1943 году. В результате анализа большого количества экспериметов с железобетонными балками А. А. Гвоздев предложил принимать предельное значение угла раскрытия равное ш_u=0,04 — 0,08. Значение угла ш_u зависит от процента армирования, причем оно уменьшается с увеличением процента армирования.

Более современная методика определения величины пластического угла раскрытия для различных конструкций, исходя из предельных деформаций бетона и длины пластической зоны изложена в работах [32,33,37]:

ш_u=x_pll_pl (1.01)

где x_pl = (х_u-х_el) — кривизна пластической зоны;

х_u — предельная кривизна при начале раздробления сжатого бетона;

х_el — кривизна элемента в конце упругой стадии работы;

l_pl — длина пластической зоны.

В работе предельный угол раскрытия представлен в виде:

ш_u=0,004/о (1.02)

где о — относительная высота сжатой зоны бетона.

Условие прочности конструкции, в которой образуется n пластических шарниров имеет вид:

Ш_i? ш_u,I, (i=1,2,3…, n)

где Ш_i — пластический угол раскрытия в i-ом шарнире пластическом, ш_u,I — предельный пластический угол раскрытия.

1.2.2 ВЛИЯНИЕ ВЫСОКИХ СКОРОСТЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

В настоящее время в конструкциях, подверженных действию кратковременных динамических нагрузок, применяются малоуглеродистые арматурные стали с ярко выраженной площадкой текучести (стали классов А-I, A-II, A-III) и высокопрочные арматурные стали, не имеющие площадки текучести (стали классов A-IV, Ат-IV, А-V, Ат-V) [32,33,34]. Высокопрочные арматурные стали обладают малой деформативностью и, следовательно, создают риск хрупкого обрушения конструкций. Вследствие этого предпочтение дают малоуглеродистым арматурным сталям при проектировании сооружений, подверженных действию кратковременных динамических нагрузок.

В 80-х годах XX века проводились экспериментально-теоретические исследования, направленные на изучение возможности и целесообразности применения высокопрочной арматуры в динамически нагруженных конструкциях. В работах [39,40] результаты проведенных экспериментальных и теоретических исследований показали возможность и выявили условия целесообразного применения высокопрочной продольной арматуры в центрально и внецентренно сжатых колоннах со сварными сетками косвенного армирования при действии кратковременных динамических нагрузок большой интенсивности. Сочетание в этих конструкциях высокопрочной продольной арматуры с поперечными сварными сетками косвенного армирования обеспечивает использование прочностных свойств продольных стержней и значительное повышение деформативности бетона.

Исследования показали, что повышение скорости деформирования (порядка 0,01 — 0,01 с^-1) оказывают влияние на повышение физического и условного предела текучести стали и временного сопротивления бетона по сравнению со значениями этих величин при их статическом нагружении (порядка 10^-5 с^-1). Вопросу поведения арматурной стали и бетона при скоростных нагружениях посвящены работы [41−45]. В наибольшей степени скорость деформации влияет на мягкие (малоуглеродистые) стали: повышается физический предел текучести и длина площадки текучести [43,44]. Предел прочности изменяется в наименьшей степени. При скоростях Э? 100 с^-1 динамический предел текучести становится равным пределу прочности у_s,u и диаграмма у_s-е_s переходит в диаграмму Прандтля. При Э? 100 с^-1 диаграмма у_s-е_s представляется ломанными линиями, подобными статической.

Влияние скорости деформирования на прочностные свойства арматуры и бетона учитывается двумя способами. Первый способ основан на применении в расчетах динамических сопротивлений этих материалов, значения которых получаются умножением статических сопротивлений на коэффициенты динамического упрочнения [32,34,46]. Так, по работе [32], динамический предел текучести арматурной стали определяется по зависимостям:

R_sd=г_svR_s, г_su=1+k ln (1.03)

где г_su — коэффициент упрочнения стали;

R_s — статический предел текучести стали;

— скорость деформации при динамическом нагружении;

— скорость деформации при статическом нагружении (?5.10^-5);

k — экспериментальный коэффициент, подбирается так, чтобы значения R_sd были близки к экспериментальным — k=0,017.0,024 при ?0,5с^-1.

По работе динамический предел текучести арматурной стали определяются по зависимости:

R_sd=R_s(1+aЭ_sⁿ) (1.04)

где, а = 0,3384, n = 4 для стали А-III.

Обычно при расчетах на кратковременные динамические нагрузки коэффициент динамического упрочнения мягких сталей принимается равным 1,2…1,4. В наименьшей степени скорость деформирования влияет на высокопрочные стали и стали, упрочненные вытяжкой. Для стержневой высокопрочной арматуры классов А-IV, A-V коэффициент динамического упрочнения принимается равным k_sv? 1,1.

Высокая скорость деформирования бетона влияет на изменение диаграммы деформаций и на повышение предела прочности (временное сопротивление R_b) и модуль упругости E_b бетона. Скорость деформации не оказывает значительное влияние на предельные относительные деформации бетона е_bu и е_bm [32], где е_bu — среднее значение предельной деформации сжатого бетона, е_bm — предельные деформации бетона при начале раздробления бетона сжатой зоны. По работе динамическое расчетное сопротивление бетона определяется по зависимостям:

R_bd = г_buR_b, R_br,d = г_btvR_bt (1.05)

где г_bu, г_btv — коэффициенты упрочнения бетона при сжатии и растяжении соответственно;

R_b, R_bt — статическое расчетное сопротивление бетона при сжатии и растяжении соответственно.

При расчетах на кратковременные динамические нагрузки коэффициент упрочнения бетона обычно принимается равным 1,2−1,3.

Коэффициент упрочнения бетона можно определить по формуле [32,49]:

г_bu=1+0.49Э_b^0.25 (1.06)

где Э_b — скорость деформации бетона, Э_b=е_b(t)/t.

Второй способ учета влияния скорости деформации на прочностные свойства арматуры и бетона в значительной мере соответствует физической действительности явлений. Значения расчетных динамических величин определяются применением аналитических зависимостей, связывающих механические характеристики материалов со скоростью деформирования [41,42,43,50,51].

1.2.3 ДИАГРАММЫ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

Железобетонные элементы испытывают различные напряженно-деформированные состояния — изгиб, сжатие, внецентренное сжатие, растяжение и т. п. Сопротивление конструкций действию внешних нагрузок оказывают внутренние силы, возникающие вследствие деформаций, а также силы внутреннего трения (диссипативные силы). Современные методы расчета железобетонных конструкций основаны на применении диаграмм деформирования этих конструкций, характеризующих их сопротивляемость внешним нагрузкам при их деформировании. Для изгибаемых и внецентренно-сжатых с большим эксцентриситетом элементов диаграммой деформирования является зависимость изгибающего момента от кривизны (прогиба) [32,33,35]. Для центрально-сжатых и растянутых элементов диаграммой деформирования является зависимость продольной силы от относительного сжатия или удлинения [33,52].

На характер диаграмм влияют различные факторы: класс арматуры, процент армирования, физико-механические свойства бетона и арматуры и др. Такие диаграммы могут быть получены экспериментально или теоретически. Теоретические методы получения диаграмм деформирования используют диаграммы у-е бетона и арматуры. При кратковременных динамических воздействиях возникают большие скорости деформаций, вследствие чего происходят изменения прочностных характеристик бетона, арматурной стали и их диаграмм у-е.

Зависимости для динамических диаграмм у-е арматурной стали принимают упрощенными, аналогичные статическим. Для арматуры с физическим пределом текучести зависимость у-е представляется в виде диаграммы Прандтля (рис. 1.3_а).

у_s=E_sе_s, при е_s<�е_y

у_s=у_y, при е_s?е_y (1.07)

Рис. 1.3. Диаграммы у-е арматурной стали для:

а — малоуглеродистых сталей без упрочнения; б — высокоуглеродистых сталей.

Зависимость у-е для арматуры с условным пределом текучести, полученная в работе [53], представлена в виде:

у_s=v_sE_sе_s

1 при е_s?е_se

v_s=

з + при е_se? е_s (1.08)

где е_se=у_se/E_s; у_se=ву_0.2; з= е_se/е_s

з, в — числовые параметры.

Более удобной для расчета является кусочно-линейная зависимость у-е для арматуры с условным пределом текучести (рис 1.3-б):

у_s=E_sе_s; при е_s?е_se

у_s=у_se+E_s2 (е_s-е_se); при е_se<�е_se?е_{s, 0.2}

у_s=у_0.2 + E_s3(е_s-е_{s, 0.2}); при е_{s, 0.2}<�е_s?е_su (1.09)

где:

е_{s, 0.2} = +0.002

E_s2 =; E_s3 =

Зависимости для диаграмм у-е бетона также принимают упрощенными, аналогичными статическим. В расчетах используются различные аналитические зависимости у-е бетона. В работе зависимость у-е бетона представлена в виде дробно-рациональных функций:

=; з=, k= (1.10)

где е_bc — максимальная деформация бетона при осевом сжатии.

В работе зависимость у-е сжатого бетона принята дробно-линейной для восходящей ветви и линейной для нисходящей:

у_b=v_bE_bе_b

v_b= при е_b?е_bR

v_b=-г₂ при е_bR<�е_b?е_bu

б_b=; г₁=