Исследование устойчивости и жесткости соединений несущих элементов новостроящихся и эксплуатируемых длительный срок зданий и сооружений при помощи комплексного метода динамических испытаний и теоретического расчета

Научно-технические разработки

УДК 614.8

В.В. Жовна, М.М. Жук Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ И ЖЕСТКОСТИ СОЕДИНЕНИЙ НЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НОВОСТРОЯЩИХСЯ И ЭКСПЛУАТИРУЕМЫХ ДЛИТЕЛЬНЫЙ СРОК ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ КОМПЛЕКСНОГО МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

Излагаются результаты динамических испытаний и численных расчетов устойчивости и жесткости соединений зданий и сооружений на примере наземного перехода на 12,7 км кольцевой дороги вокруг г. Минска. На основании анализа собранных и обработанных данных, а также изучения проектного решения выполнены расчеты частот собственных колебаний сооружения. Проводятся рекомендации по сохранению эксплуатационной пригодности сооружения

М.М. Жук

Сложившаяся обстановка в Республике Беларусь по техническому состоянию зданий и сооружений, а также статистика происшедших аварий, связанных с внезапным обрушением конструкций, свидетельствует о необходимости проведения инструментального изучения и принятия адекватных мер реагирования.

Благодаря проведённым натурным обследованиям строительных конструкций производственных зданий и сооружений ряда предприятий установлено, что физический износ протекает быстрее, чем это предусмотрено проектами и нормативами.

Анализ материалов натурных обследований показывает, что преждевременный износ строительных конструкций производственных зданий и сооружений является следствием недоработок на различных этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Это наиболее свойственно для производств с химическими реагентами, с повышенными тепло- и пылевыделениями.

Характерными причинами аварийности в зданиях промышленного комплекса являются дефекты в покрытиях и перекрытиях, снижение несущей способности вследствие коррозии арматуры и разрушения бетона, деформации конструкций каркаса, элементов стропильных ферм, отдельных участков стен, колонн и фундаментов.

Исследования свидетельствуют, что основными причинами аварийных состояний являются:

— значительный физический износ зданий вследствие ненадлежащего содержания и эксплуатации, нерегулярного проведения капитальных и текущих ремонтов;

— несоблюдение строительных норм и правил, требований промышленной безопасности при проектировании, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений;

— размещение жилой застройки на геологически-проблемных участках;

— большое разнообразие конструктивных систем и решений зданий и сооружений, принятых без должных испытаний;

— отсутствие финансовых средств на реконструкцию аварийных зданий;

— неудовлетворительный контроль и надзор за эксплуатацией зданий и сооружений службами технического надзора;

— несоблюдение правил технической эксплуатации зданий и сооружений;

— отсутствие химзащиты строительных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных средах, эффективной очистки воздуха от пылевидных выбросов;

— ошибка при расчете несущей способности конструкций при проектировании и капитальном ремонте.

Известно, что в процессе эксплуатации здания и сооружения изнашиваются и теряют свою несущую способность. Наибольший износ здания и сооружения получают при воздействии сейсмических и вибрационных нагрузок. Источниками сейсмических нагрузок могут быть не только землетрясения, но и промышленные взрывы.

Источниками вибрационных нагрузок являются крупные промышленные установки, наземные и подземные транспортные средства.

От постоянного и периодического воздействия таких нагрузок в зданиях и сооружениях могут накапливаться и в некоторый момент времени лавинообразно образовываться сильные, тяжелые и катастрофические разрушения конструктивных элементов.

Эксплуатация зданий с повреждёнными конструктивными элементами может привести к катастрофическим обрушениям. Зная, что люди большую часть времени проводят в помещениях, можно предположить, что риск нахождения в зданиях с развивающимися дефектами очень велик.

В практике эксплуатации зданий и сооружений часто не удаётся точно продиагностировать предка-тастрофное состояние зданий.

Анализ мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций свидетельствует, что необходимо проводить систематическое определение технического состояния строительных конструкций, инженерных систем и параметров эксплуатационной среды для назначения обоснованных мероприятий по эксплуатации. Для выполнения перечисленных мероприятий, с учетом экономической эффективности использования средств, на базе Научно-исследовательского института пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь создан отдел по обследованию зданий и сооружений. Отдел осуществляет диагностику зданий, проводит оценку устойчивости, несущей способности, выявление скрытых дефектов и повреждений строительных конструкций, зданий получивших повреждения. На данный вид деятельности институтом получена лицензия в Министерстве архитектуры и строительства Республики Беларусь. Большая техническая и методическая помощь в создании мобильного диагностического комплекса отдела была оказана нашими коллегами из Всероссийского научно-исследовательского института по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций МЧС России.

Комплекс (рис. 1), благодаря своей мобильности и укомплектованности уникальным оборудованием неразрушающего контроля, позволяет на порядок сократить время обследования здания, т.е. в течение суток получить конкретную информацию о текущем состоянии здания (сооружения). Определив места

разрушающего контроля, вычисляется остаточная прочность и несущая способность конструкций и указывается необходимость проведения работ по усилению, защите строительных конструкций и инженерных систем; разработке мероприятий по совершенствованию требований к эксплуатации зданий и сооружений.

В частности, Научно-исследовательскому институту пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Беларуси предстояло решить задачу по определению влияния динами -ческих воздействий от движущего транспорта на жесткость и устойчивость конструкций надземного пешеходного перехода (моста) на 12,7 км МКАД г. Минска. Ось перехода пересекает МКАД под углом 90°. На основании расчета, приведенная интенсивность на 2018 год на данном участке составит 40 237 автомобилей в сутки. Конструктивная схема объекта была принята с использованием сборных

железобетонных балок и колонн, соединенных между собой монолитными армированными бетонными вставками.

Для решения поставленной задачи были выполнены динамические испытания при помощи диагностического комплекса «Струна-2» и сопоставлены с результатами выполненного теоретического модульного анализа кинематических воздействий методом конечных элементов на программном комплексе «Лира-8». Чтобы получить более полную информацию о динамических параметрах каждого сборного элемента и соединительных бетонных вставок, было проведено 27 вибродинами-ческих испытаний, по 6 схемам установки трехкомпонентных сейсмовибрационных датчиков.

В ходе испытаний проводилась регистрация частот и амплитуд вынужденных колебаний элементов конструкций с приложением динамической нагрузки на строительные конструкции и без нее. Датчики установлены таким образом, что ось Х расположена в горизонтальной плоскости в продольной оси моста. Ось Y расположена в вертикальной плоскости под углом 90° к оси Х объекта.

Для проведения испытаний использовалось 4 пьезокерамических датчика. Датчики располагались таким образом, чтобы зафиксировать показатели собственных колебаний конструкций на смене сред, железобетонных элементов и монолитных участков. Схемы проведения динамических испытаний и места приложений динамических импульсов показаны на

дефектов и повреждений при помощи приборов не- рис. 2—3.

ТЕХНОЛОГИИ ГРАЖДАНСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Рис. 1. Мобильный диагностический комплекс по проведению обследований зданий и сооружений НИИПБиЧС МЧС Беларуси

Научно-технические разработки

Научно-технические разработки

Место приложения импульса

Рис. 2. Расположение датчиков и места ударного возбуждения на балках пролетного строения в опорной части

Место приложения импульса

Рис. 3. Расположение датчиков и места ударного возбуждения на балках пролетного строения в центральной части

Обработка результатов динамических испытаний (рис. 4) позволила найти следующие частоты собственных колебаний пешеходного перехода:

Ю1 = 1,3 Гц; Ю2 = 1,4 Гц; Юз = 1,5 Гц;

Ю4 = 2,3 Гц; Ю5 = 2,4 Гц; Юб = 2,5 Гц;

Ю7 = 3,8 Гц; Ю8 = 4,1 Гц; Ю9 = 4,6 Гц.

Эггора

Л’-"'

-10 -0$ -0.6 -0.4 -05 0.0 0.2 0.4 0,0 0£ 10

Рис. 4.

С целью сопоставления и проверки результатов динамических испытаний моста на диагностическом комплексе «Струна-2» был выполнен модульный анализ методом конечных элементов на программном комплексе «Лира-8». Конечно-элементная модель включала конечный элемент оболочки нулевой кривизны, пространственного рамного стержня и состояла из 2 246 КЭ и 2 416 узлов. Всего было задействовано 10 типов жесткости. Вес моста распределялся по узлам и конечным элементам расчетной схемы и составил 66,7 т.

Результаты модального анализа показали; что величины первых пяти частот собственных колебаний составляют в герцах:

Ю1 = 1,4527 Гц; Ю2 = 1,76 79 Гц; Юз = 2,8593 Гц; Ю4 = 3,3767 Гц; Ю5 = 3,9843 Гц.

В первых пяти собственных формах колебаний моста преобладают изгибно-крутильные в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Кинематическое возбуждение грунтового основания, явилось следствием несбалансированности колес автотранспорта. Приняв ориентировочную частоту вынужденных колебаний в предположении скорости грузового автомобиля — 72 км/ч или 20 м/сек с диаметром колеса с одним дефектом — 0,95 м, дефект на длине 20 м шесть раз соприкоснется с дорожным покрытием, что составит частоту вынужденных колебаний примерно 6 Гц, что лежит в диапазоне спектра собственных частот конструкции моста. Также необходимо учитывать неровности дорожного покрытия и горизонтальную импульсную нагрузку от уплотненной воздушной волны перед движущимися к пролетному строению моста автомобилями. Ее частота при скорости автомобилей 72 км/ч и расстоянии между ними 80 м составит 0.25 Гц. Эта величина может увеличится, т.к. дорожное покрытие включает три полосы движения. Оценить величину горизонтального импульса от движущегося высокого автомобиля можно по формуле:

Р = (ри2)/2,

где

р — плотность уплотненного воздуха;

и — скорость воздушной волны, равная скорости автомобиля;

Р — давление, равное в естественном состоянии для района г. Минска 27 кг/м2. Эта цифра, увеличивается с возрастанием плотности воздушного потока.

Однако наличие вертикальных трещин в местах стыка монолитных участков со сборными может снизить величины первых частот собственных колебаний.

В местах стыка монолитных участков со сборными элементами трещины возникают из-за усадки бетона (СНБ 5.03.01—02 «Бетонные и железобетонные конструкции» регламентирует ширину их раскрытия из условия 0,5 мм на 1 метр погонный монолита). Для исследуемого моста имеет место несколько большая величина раскрытия трещин на монолитных опорных участках, что вызвано динамическими нагрузками от движущегося транспорта. На центральном участке бетонирования в середине моста трещин на контакте сборного и монолитного бетонов не наблюдается из-за арочного эффекта. Трещин также не наблюдается по этой же причине в местах стыка наклонных колонн с балками.

Следует заметить, что при проектной интенсивности движения 40 237 автомобилей в сутки, частота возмущающей нагрузки составит:

40237

24-3600

Получается, что с интервалом ~2 сек, на мост действует вертикальная динамическая нагрузка импульсного или ударного характера.

В результате проведенной работы величины частот собственных колебаний пешеходного перехода, определенные с помощью диагностического комплекса «Струна-2» и величины частот собственных колебаний, вычисленные теоретическим методом с помощью программного комплекса «Лира-8» в предположении идеальной стыковки монолитных участков со сборными элементами сооружения дают примерно одинаковые величины. Это говорит о надежном соединении узлов перехода на момент проведения испытаний. Также в ходе исследований было выявлено негативное влияние изгибно-кру-тильных форм колебаний сооружения вследствие действия:

ударной воздушной волны от движущего автотранспорта;

кинематических колебаний из-за несбалансированности колес автотранспорта и неровности дорожного полотна;

увеличивает ширину раскрытия трещин на стыках сборного железобетона с монолитными элементами по сравнению с нормативными от усадки бетона.

Рис. 5.

В тоже время можно предположить, что ширина раскрытия трещин со временем будет увеличиваться и жесткость стыков будет падать, что в пределе может образоваться изменяемая или мгновенно изменяемая система в горизонтальной плоскости (рис. 5). Поэто-

му, для обеспечения безопасной эксплуатации данного сооружения, необходимо периодически проводить обследование технического состояния его строительных конструкций, чтобы предупредить проявления опасных аварийных тенденций.

Указанным методом Научно-исследовательский институт пожарной безопасности и проблем чрезвычайных ситуаций МЧС Республики Беларусь проводил обследования технического состояния строительных конструкций платформы и надстройки Западной трибуны стадиона «Динамо» на 40 тысяч зрителей в г. Минске, навесного козырька кинотеатра «Москва» в г. Минске. Проводилось техническое обследование остаточной устойчивости и жесткости сохранившихся элементов каркаса здания средней школы № 1 г.п. Краснополье Могилевской области, после обрушения конструкций покрытия спортзала 27 января 2004 года (рис. 6).

Рис. 6. Обрушение конструкций покрытия спортзала средней школы № 1 г.п. Краснополье Могилевской области

По результатам обследований выдаются рекомендации по повышению устойчивости и надежности строительных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений. Данным способом можно по фактическим данным динамических испытаний, при помощи программного моделирования обратного расчета, определить остаточную жесткость и прочность соединений сборных элементов различных сооружений.

Научно-технические разработки