Ударные воздействия на здания и сооружения

Под ударом понимают динамическое контактное взаимодействие различных тел. Аварийные ударные нагрузки на здания и сооружения, так же как сейсмические и аварийные взрывные, относят к особым воздействиям, так как они характеризуются высокой интенсивностью и редкой повторяемостью. По различным оценкам потери от аварийных ударов составляют от десятков до сотен миллионов долларов в год, кроме того, они нередко сопровождаются гибелью людей.

Аварийные удары могут иметь место в различных областях техники, в том числе в промышленном, гражданском, энергетическом, транспортном и других отраслях строительства. Практика показывает, что рост числа и разнообразия видов аварийных ударных воздействий составляет 10−30% в год.

Удар может возникнуть, например, при возведении многоэтажного здания или многоярусного либо высокого сооружения при аварийном обрыве стропа, при небрежном закреплении груза, неосторожном повороте стрелы крана и т. д.

Аварийным воздействиям подвергаются конструкции встроенных этажерок однои многоэтажных промышленных зданий с вертикальным технологическим процессом при падении грузов, переносимых мостовыми или подвесными кранами, которыми обычно оборудуются такие здания.

Горизонтальным ударам подвергаются колонны гаражей, опоры промышленных и транспортных эстакад, стойки уличных фонарей при наездах транспортных средств, опоры мостов и причальных конструкций при навале судов и др.

С учетом тяжести последствий особую группу сооружений, подвергающихся целому набору аварийных ударных воздействий, составляют уникальные и дорогостоящие объекты типа АЭС и морских нефтегазопромысловых сооружений (платформ).

Защитные оболочки АЭС — наиболее ответственные элементы этих сооружений — рассчитываются на падение самолета при авиакатастрофе, удары объектами, переносимыми ураганами, а также на внутренние ударные воздействия, возникающие при авариях в системах обеспечения реактора и при загрузке ядерного горючего.

Морские платформы нефтедобычи подвергаются ударам судов, льдин, айсбергов, а также падающих элементов бурового и эксплуатационного оборудования.

Существуют еще две обширные группы аварийных ударов: первую составляют удары, вызванные разлетом элементов оборудования и конструкций при внутренних промышленных взрывах, вторую — удары, вызванные обрушением конструкций или оборудования при землетрясениях или внешних взрывах.

Наконец, постоянным источником аварийных ударов является строительство из сборных элементов, превалировавшее в течение многих лет в нашей стране и становящееся все более популярным за рубежом. Вертикальные удары монтируемыми элементами, возникающие вследствие неисправностей монтажного оборудования, обычно ведут к прогрессирующему обрушению возводимого здания или его части. Весьма распространены также горизонтальные удары сборными элементами по возведенной части, обусловленные неудачным маневрированием монтажного крана.

Большинство аварийных ударов наносится телами (ударниками) значительной массы (до нескольких тонн) с относительно малыми скоростями (м/с, десятки м/с). С позиций реакции конструкции это отличает аварийные удары от хорошо изученных военными инженерами высокоскоростных ударов бомб и снарядов по защитным сооружениям, поскольку позволяет использовать для расчета методы, базирующиеся на представлениях классической динамики. Вместе с тем требования к сохранности конструкций и сооружений, испытывающих аварийные удары, близки к требованиям для воздействий на конструкции, где могут быть допущены значительные пластические деформации. Основным отличием здесь является то, что в случае ударов необходимо учитывать не только общие, но и местные (локальные) деформации и повреждения, которые могут стать причиной отказа конструкции. Под отказом в последнем случае понимается пробивание конструкции (рис. 3.2, а) или откол ее части (рис. 3.2, б), который имеет место в железобетонных плитах и оболочках в результате возникновения отраженной от нижней поверхности волны растяжения. Откалываемый бетонный фрагмент может выполнять роль вторичного ударника и представлять опасность для находящихся под конструкцией людей и оборудования.

Рис. 3.2. Схема локальных предельных состояний при ударе по плите: а — пробивание; б — откол части конструкции Граница безопасности при общем действии удара определяется соотношением согласно неравенству (3.2); при этом максимальное перемещение определяется из динамического расчета. При местном действии удара по железобетонной плите или оболочке соответствующее условие выглядит следующим образом.

(3.3).

где b - толщина конструкции; bмин — минимальная (пороговая) толщина конструкции, при которой еще не происходит откола. Величину bмин находят из соотношений:

(3.4).

(3.5).

где ; R — кубиковая прочность бетона; d — диаметр зоны контакта (ударника); Ms — масса ударника; V0 — скорость ударника в момент соприкосновения с конструкцией; N — коэффициент, зависящий от формы носовой части ударника.

Допустимая толщина конструкции принимается большей из определенных по условиям (3.4) и (3.5).

Особый случай представляет определение границы безопасности железобетонных колонн, подвергающихся ударам в нижней части (от транспортных средств):

(3.6).

где Fм.д (t) — максимальное динамическое осевое усилие в сжатой наклонной полосе между трещинами (рис. 3.3); Fпред — предельное усилие, отвечающее началу разрушения бетона сжатой зоны.

Рис. 3.3. Схема трещинообразования железобетонной колонны при ударе в нижней ее части Определение границы безопасного состояния может также осуществляться на основе анализа риска. Риск отказа конструкции или сооружения обычно определяют по формуле.

(3.7).

где Р1 - вероятность возникновения аварийной ударной нагрузки, определяемая по закону Пуассона; Р2 - вероятность поражения рассматриваемой конструкции; Р3 - вероятность достижения в данной конструкции хотя бы одного предельного состояния (общего, локального), которая может быть принята равной единице, если предельное состояние наступило, и нулю, если нет.

Защита от аварийных ударов, как и других особых динамических воздействий, может быть пассивной и активной.

Пассивная ударозащита сводится к усилению элементов для восприятия дополнительных усилий, вызванных ударной динамической нагрузкой. Конструктивные схемы элементов и зданий в целом принципиально не меняются.

Если усиление является экономически неэффективным (учитывая малую вероятность аварийных ударов) или невозможным по иным причинам, целесообразно использовать методы активной ударозащиты, направленные на погашение энергии удара. При этом в конструктивную схему элемента или сооружения могут быть введены дополнительные элементы или она может быть изменена. На рис. 3.4, а приведен пример активной ударозащиты опор транспортной эстакады в виде тонкостенных металлических цилиндров (бочек), усиленных по основаниям перекрещивающимися металлическими тяжами. На рис. 3.4, б предложен вариант, в котором роль уловителя падающего груза, пробивающего полку железобетонной плиты перекрытия, играет металлическая мембрана. Крепящие мембрану к перекрытию тяжи из мягкой стали играют роль элементов, поглощающих энергию удара.

Рис. 3.4. Примеры активной ударозащиты конструкций:

1 — защищающий элемент; 2 — опора; 3 — монолитный бетон; 4 — сборная железобетонная панель перекрытия; 5- тяж; 6 — металлическая мембрана Решение о выборе типа защиты осуществляется на основе технико-экономического обоснования в каждом конкретном случае.