Вопросы расчетного анализа и защиты крупнопанельных зданий от прогрессирующего обрушения

Научно-технический и производственный журнал

-------ЖИЛИЩНОЕ ---

СТРОИТЕЛЬСТВО

Large-panel housing construction

УДК 69.057

В.И. КОЛЧУНОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, С.Г. ЕМЕЛЬЯНОВ, д-р техн. наук, советник РААСН

Юго-Западный государственный университет

Вопросы расчетного анализа и защиты крупнопанельных зданий от прогрессирующего обрушения

Рассмотрены вопросы расчетного анализа живучести крупнопанельных зданий в запредельных состояниях, вызванных внезапным выключением из конструктивной системы здания одного из несущих элементов. Предложены трехуровневые расчетные схемы, позволяющие выполнять анализ деформирования и разрушения элементов конструктивной системы здания при рассматриваемых воздействиях. Дан анализ возможных подходов к оценке динамических догружений элементов конструктивной системы здания при внезапном разрушении одного из несущих элементов. Рассмотрены некоторые предложения по защите крупнопанельных зданий от прогрессирующего обрушения.

Ключевые слова: расчетный анализ, живучесть, крупнопанельное здание, динамическое догружение, прогрессирующее обрушение.

V.I. KOLCHUNOV, Doctor of Sciences

Problems of Design Analysis and Protection of Large-Panel Buildings against Progressive Collapse

Problems of the design analysis of large-panel buildings survivability under the out-of-limit states caused by exclusion of one of the bearing elements from the building structural system are considered. Three-level calculation schemes making it possible to make an analysis of deformation and destruction of elements of the building structural system under impacts are proposed. An analysis of possible approaches to the assessment of dynamic additional loadings of elements of the building structural system against the sudden destruction of one of the bearing elements is presented. Some proposals for protecting large-panel buildings against the progressive collapse are considered.

Keywords: design analysis, survivability, large-panel building, dynamic additional loading, progressive collapse.

Несмотря на существенно изменившуюся в последние два десятилетия структуру конструктивных систем жилых и общественных зданий, прирост объемов жилищного строительства происходит исключительно за счет индустриального, в первую очередь крупнопанельного домостроения [1]. Кардинально меняются подходы к проектированию панельных зданий, существенно увеличивается этажность таких зданий, изменяется структура и интенсивность воздействий, включая воздействия, ранее не предусмотренные нормативной документацией, но вызывающие обрушение отдельных конструкций, а иногда и прогрессирующее обрушение всего здания [2, 3]. В соответствии с актуализированной редакцией недавно введенного ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» для зданий массового строительства высотой более пяти этажей, в том числе крупнопанельных, требуется проведение их расчетного анализа на живучесть при возможных запро-ектных воздействиях.

В настоящее время нет государственных нормативных документов, в которых занормированы методы таких расчетов и соответственно методы защиты зданий от прогрессирующего обрушения. Применяемые в настоящее время сертифицированные программные комплексы для расчета крупнопанельных зданий также не содержат конкретных указаний к моделированию податливости стыков, выбору

10'2016 ^^^^^^^^^^^^^

возможных аварийных воздействий, критериальных оценок выключения из работы элементов конструктивной системы после внезапного отказа одного из ключевых элементов и ряда других важных параметров для анализа живучести конструкций. Тем не менее имеющиеся в настоящее время результаты выполненных научных исследований позволяют дать определенные рекомендации по проведению расчетного анализа и защите зданий от прогрессирующего обрушения.

Предложения к построению расчетных схем и назначению выключаемых элементов. Внезапное выключение одного из несущих элементов в конструктивной системе здания ведет не только к структурным изменениям в конструктивной системе здания, но и к динамическим догружениям оставшихся неразрушенными элементов конструктивной системы. При проведении расчетного анализа с использованием различных программных комплексов возможен прямой динамический расчет всей конструктивной системы здания.

Однако, как показали выполненные расчеты конкретных зданий, даже в статической постановке по первичной (до выключения несущего элемента) и вторичной расчетным схемам [4, 5] такой расчет достаточно трудоемкий и затратный по времени, но главное - его результаты трудно обозримы для последующего анализа. Особенно если учесть то, что конечным результатом расчета является оценка за- 17

Крупнопанельное домостроение

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 1. Схема здания со смешанной сборно-монолитной конструктивной системой из панель-но-рамных элементов индустриального изготовления: 1 — наружные самонесущие стены; 2 — плиты перекрытия; 3, 4 — несущие продольные и поперечные панели и панели-рамы; 5 — соединительные элементы; 6 —заполнение из мелкоштучных элементов

Рис. 2. Фрагмент расчетной схемы каркаса здания первого уровня

предельного состояния сечения или узла каждого конкретного конструктивного элемента в физически и конструктивно нелинейной постановке с учетом наличия трещин и других особенностей деформирования и разрушения этих элементов. Поэтому одним из эффективных алгоритмов расчетного анализа для оценки живучести конструктивной системы крупнопанельного здания (рис. 1) может стать расчет с использованием трехуровневых расчетных схем с дифференцированными требованиями к результатам на каждом уровне.

Результатами анализа с использованием расчетной схемы первого уровня (рис. 2, а) являются усилия и перемещения от заданных нагрузок во всех элементах конструктивной системы здания с разделением их на три группы. К первой группе относятся так называемые ключевые элементы, которые более чем на 80-90% обеспечивают геометрическую неизменяемость конструктивной системы здания: внезапное выключение этих элементов создает в оставшихся неразрушенными конструкциях каркаса здания наибольшие динамические догружения, которые могут привести к непропорциональным отказам и геометрической изменяемости всей конструктивной системы здания.

Ко второй группе несущих элементов конструктивной системы следует отнести все элементы здания, которые более чем на половину (более 50%) ответственны за геометрическую неизменяемость конструктивной системы здания: внезапное их выключение может привести к локальным разрушениям конструктивной системы здания и не вызывать в ней непропорциональных отказов.

К третьей группе несущих элементов конструктивной системы здания относятся все другие элементы, не включен-

ные в первую и вторую группу. Их внезапное выключение не приведет к разрушениям других элементов конструктивной системы здания.

Результатом анализа напряженно-деформированного состояния конструктивной системы при проектных нагрузках являются предложения к построению так называемых вторичных (СТО 008-02495342-2009 «Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий») расчетных схем для расчета живучести конструктивной системы здания при внезапном выключении одного из вертикальных или горизонтальных несущих элементов. При этом количество выключаемых элементов определяется, с одной стороны, базируясь на статическом анализе исходя из количества ключевых элементов в конструктивной системе рассматриваемого здания, а с другой - исходя из уровня ответственности и социальной и экономической значимости здания. Этим определяется не только целесообразность проведения таких расчетов, но и их объем.

Расчетный анализ с использованием расчетной схемы второго уровня (рис. 2, б) также проводится по первичной (три проектных) и вторичной (с выключенными элементами) расчетным схемам. Использование расчетной схемы второго уровня позволяет выполнить расчетный анализ напряженно-деформированного состояния вырезанного методом декомпозиции характерного фрагмента здания в зоне выключаемого элемента (рис. 2, а) с достаточно детализированной оценкой усилий и перемещений в конструкциях фрагмента до и после выключения одного из несущих элементов.

Расчетная схема третьего уровня представляет собой расчетную модель сопротивления железобетонного элемента по нормальному или наклонному сечению (СП 63.13330.2012. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения») или модель сопротивления узла соединения несущих элементов фрагмента каркаса здания [6]. Результатом расчетного анализа с использованием расчетных схем третьего уровня являются схемы и характер разрушения несущих элементов каркаса здания в запроектных состояниях.

Оценка характера разрушения конструктивных элементов в запроектных состояниях выполняется по сформулированным деформационным или силовым критериям. При этом учитывается не только характер разрушения сечения конструктивного элемента, но и дается оценка его геометрической изменяемости.

Одной из важнейших задач при проведении расчетного анализа живучести конструктивных систем крупнопанельных здания является задача определения динамических догружений в элементах конструктивной системы при

а

Научно-технический и производственный журнал

Large-panel housing construction

ljg2222z wzzzzzi

w

IT In-

At

... '"

"Ж л

<J в f

¿ц ! 1 1 9 1 ! ¿hl.

¿ll: J/'.f

Рйс. К определению коэффициента динамических догружений в элементах стержневой системы: а — упруго-деформируемая система; б — линейная (1) и нелинейная (2) диаграммы деформирования крайних стержней; в — нелинейно-деформируемая система

внезапном выключении из нее одного из несущих элементов. Используемый в некоторых публикациях и программных комплексах подход, связанный с введением коэффициента динамичности к нагрузке, приложенной к каждому конструктивному элементу конструктивной системы, не отражает физическую сущность решаемой задачи. Во-первых, терминологически в данной задаче речь должна идти не о коэффициенте динамичности, а о коэффициенте динамических догружений неразрушенных элементов в статически неопределимой конструктивной системе при внезапном выключении из нее одного из несущих элементов (сечений, связей) и соответственно изменении статической неопределимости конструктивной системы. Это можно продемонстрировать на простейшей один раз статически неопределимой стержневой конструктивной системе из трех элементов. В случае внезапного выключения наиболее нагруженного среднего стержня и изменения в статической неопределимости на единицу в оставшихся двух крайних стержнях возникнут динамические догружения. Полагая линейное деформирование элементов рассматриваемой п раз статической неопределимой системы (п=1), несложно определить усилия в исходной системе Ы^п (Щ1п и в системе с выключенным средним

стержнем (рис. 3, а). Используя линейную диаграм-

му деформирования для крайнего стержня (рис. 3, б, прямая 1) для случая внезапного хрупкого разрушения анке-ровки среднего стержня в бетоне (рис. 3, а) и при условии постоянства полной удельной энергии деформируемого крайнего стержня на площади прямоугольника Д/„сй?еД/^_1 и площади трапеции Ы\асЫп.х можно с помощью диаграммы «Ы-Д1» определить динамическое усилие в рассматриваемом стержне [7]:

Статическое усилие в этом же стержне, определенное методами строительной механики, в исходной один раз статически неопределимой системе определяется выражением:

ЛТ1С=С7

Если принять эксплуатационное значение нагрузки G, при которой произошло хрупкое разрушение анкерной связи и мгновенное выключение из системы среднего стержня, то можно вычислить соответствующее значение коэффициента динамического догружения в крайних стержнях (0 = в запредельной стадии по отношению к проектному решению:

Л1

0 = (l+cos3a)/cos2a.

.1=2 =

Значения коэффициента 0 в зависимости от угла а получаются следующими: при а=30о 0=2,55; при а=60о 0=9.

В случае нелинейного деформирования растянутых стержней рассматриваемой конструктивной системы и разрушения среднего стержня по металлу (рис. 3, б, кривая 2; рис. 3, в) несложно видеть, что ордината АВ существенно меньше ординаты DE. Следовательно, коэффициент динамического догружения 0 физически нелинейной конструктивной системы меньше, чем в упругодеформиру-емой системе.

По результатам расчетов в проектном и запроектном состояниях могут быть рекомендованы различные методы защиты крупнопанельного здания от прогрессирующего обрушения. Эти методы условно можно разделить на две группы: первая группа - методы, заключающиеся в наложении на конструкцию дополнительных связей с целью создания неразрезности несущих конструкций; вторая группа - методы, основанные на проектировании альтернативных траекторий перераспределения силовых потоков в случае удаления одного из ключевых несущих элементов.

Вывод. Предложенный алгоритм расчетного анализа живучести крупнопанельных зданий с использованием трехуровневых расчетных схем позволяет делать оценку деформирования и разрушения таких зданий в предельных и запредельных состояниях. Показано, что при оценке живучести рассматриваемых конструктивных систем особое внимание должно быть обращено на оценку динамических догружений в конструкциях здания, вызванных внезапным выключением одного из несущих элементов.

Список литературы

References

1. Николаев С.В. Архитектурно-градостроительная система панельно-каркасного домостроения // Жилищное строительство. 2016. № 3. С. 15-23.

2. Травуш В.И., Колчунов В.И., Клюева Н.В. Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений // Промышленное и граж-

данское строительство. 2015. № 3. С. 4-9.

2.

Nikolaev S.V. Arkhitetkurno-gradostroitelnaya system of panel and frame housing construction. Zhilishchnoe stroitefstvo [Housing construction]. 2016. No. 3, pp. 15-23. (In Russian).

Travush V.I., Kolchunov V.I., Klyueva N.V. Some directions of development of the theory of survivability of constructive systems of buildings and constructions. Promyshlennoe i

102016

19

1

Крупнопанельное домостроение

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

3. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Чесноков Д.А. Защита многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 6. С. 8-13.

4. Клюева Н.В., Колчунов В.И., Рыпаков Д.А., Бухтияро-ва А.С. Жилые и общественные здания из железобетонных панельно-рамных элементов индустриального производства // Жилищное строительство. 2015. № 5. С. 69-75.

5. Шапиро Г.И., Гасанов А.А. Численное решение задачи устойчивости панельного здания против прогрессирующего обрушения // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2016. Vol. 12. Issue 2. pp. 158-166.

6. Колчунов Вл.И., Бондаренко В.М. Расчетные модели силового сопротивления железобетона. М.: АСВ, 2004. 472 с.

7. Колчунов В.И., Клюева Н.В., Андросова Н.Б., Бухтияро-ва А.С. Живучесть зданий и сооружений при запроект-ных воздействиях. М.: АСВ, 2014. 208 с.

grazhdanskoe stroitel'stvo. 2015. No. 3, pp. 4-9. (In Russian).

3. Kodysh E.N., Trekin N.N., Chesnokov D.A. Protection of multi-storey buildings against the progressing collapse. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo. 2016. No. 6, pp. 8-13. (In Russian).

4. Klyueva N.V., Kolchunov V.I., Rypakov D.A., Bukhtiyaro-va A.S. Residential and public buildings from steel concrete panel and frame elements of industrial production. Zhilishchnoe stroitel'stvo [Housing construction]. 2015. No. 5, pp. 69-75. (In Russian).

5. Shapiro G.I., Gasanov A.A. The numerical solution of a task of stability of the panel built building against the progressing collapse. International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. 2016. Vol. 12. Issue 2. pp. 158-166.

6. Kolchunov V.I., Bondarenko V.M. Settlement models of power resistance of steel concrete. Moscow: ASV, 2004. 472 p. (In Russian).

7. Kolchunov Vl.I., Klyueva N.V., Androsov N.B., Bukhtiyaro-va A.S. Survivability of buildings and constructions in case of beyond design basis impacts. Moscow: ASV, 2014. 208 p. (In Russian).

Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I

Министерство транспорта РФ

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

22-25 ноября 2016 г.

Международная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию д.т.н. проф. О.В. Кунцевича

«Строительные материалы, конструкции и сооружения XXI века»

Основные направления работы конференции Секция 1. Актуальные проблемы материаловедения Секция 2. Современные строительные конструкции и сооружения: проблемы и перспективы Секция 3. Стандартизация и метрологическое обеспечение на транспорте и в строительстве Секция 4. Контроль качества строительных материалов, изделий, конструкций и сооружений

Ключевые даты: 01.07.16 прием заявок на участие и аннотаций докладов

22.09.16 прием полных версий статей 30.07.16 ранняя оплата организационного взноса

со скидкой 30% 30.10.16 оплата полной стоимости организационного взноса

Рабочие языки конференции - русский и английский Более подробная информация на сайте

http://www.pgups.ru/events

Информационный партнер конференции - журнал

Строительные Материалы*

Тел.: +7 (812) 310-99-44; Тел/факс +7 (812) 457-86-86; Тел. 8 (921) 774-00-60 E-mail: buildconf2016.pgups@gmail.com

Председатель орг. комитета Сорвачева Юлия Андреевна