СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ К АВАРИЙНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
METHOD OF INCREASING BUILDINGS STABILITY TO EMERGENCY EFFECTS

Изобретение относится к строительству, к способу повышения устойчивости зданий к аварийным воздействиям. Изобретение ориентировано, прежде всего, на уже построенные каркасные здания и сооружения гражданского и промышленного назначения из металлических, железобетонных, деревянных и комбинированных по материалу конструкций.
Для обеспечения безопасной эксплуатации зданий требуется соблюдение надежной силовой работы конструкций при воздействиях и нагрузках как штатной (нормальной), так и аварийной интенсивности. В последнем случае несущая способность здания должна быть обеспечена на период времени, достаточный как минимум для эвакуации людей, что отражено в известных из уровня техники рекомендациях и методиках по обеспечению устойчивости зданий к прогрессирующему обрушению: «Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях», Москва, 2002 г.
Востребованность и актуальность предлагаемого способа обоснована требованиями по учету аварийной расчетной ситуации (аварийного воздействия), указанными в следующих нормативных документах, действующих на момент подачи данной заявки на изобретение и предписываемых к применению на обязательной основе Распоряжением Правительства РФ от 01.07.2015 N 1047-р «Об утверждении перечня национальных стандартов и сводов правил, в результате применения которых на обязательной основе обеспечивается соблюдение требований Федерального закона "Технический регламент о безопасности зданий и сооружений"»:
- Федеральный закон от 30.12.2009 N 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений (с изменениями на 2 июля 2013 года)»;
- ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения». Аварийным является воздействие от повреждения или отказа в силовой работе несущего элемента (элементов) каркаса. Данное воздействие может быть вызвано антропогенными или природными причинами. Конкретными причинами аварийных воздействий могут быть: пожары; взрывы; удары транспортных средств; ошибки в проектировании, монтаже, реконструкции, эксплуатации; вандализм; превышение фактических нагрузок над проектными; отличие фактических свойств материалов от проектных; карстовые провалы; сверхнормативные деформации основания; сверхпроектные сейсмические воздействия; комбинации перечисленных факторов и др.
Предлагаемый способ направлен прежде всего на использование в уже построенных зданиях, проектом которых не предусмотрено восприятие аварийных воздействий требуемой интенсивности и характера действия.
Из области техники известны конструктивные требования, указанные в: «Рекомендациях по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях», Москва, 2002 г.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ организации узлов сопряжения стен с плитами перекрытий: рис. 16-21, стр. 44-49, «Пособие по проектированию жилых зданий» / ЦНИИЭП Жилища Госкомархитектуры. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). - М.: Стройиздат, 1989. - 304 С.
Недостатками известных технических решений являются:
- невозможность применения к уже построенным зданиям;
- неэффективность - недостаточная надежность и несущая способность - при увеличении интенсивности воздействий и нагрузок и/или изменении характера их действия в процессе эксплуатации здания, так как устройство известных решений предполагается в момент монтажа конструкций при строительстве здания;
- ограничение области применения сборными и сборно-монолитными железобетонными конструкциями: отсутствуют решения для конструкций из других материалов;
- низкая ремонтопригодность по причине необходимости значительного объема трудозатрат на реконструктивные работы при повреждениях, вызванных, например, деградацией материала, в том числе коррозией.
Предлагаемый способ свободен от описанных недостатков, обладает большей универсальностью, охватывает широкую область конструктивных систем зданий.
Согласно классификации «Пособия по проектированию жилых зданий» / ЦНИИЭП Жилища Госкомархитектуры. Вып. 3. Конструкции жилых зданий (к СНиП 2.08.01-85). - М.: Стройиздат, 1989. - 304 с., стр. 234, к первому типу относятся конструкции, в которых в результате аварийного воздействия не происходит качественное изменение напряженного состояния, а меняется лишь его интенсивность. Ко второму типу относят конструкции, в которых происходит качественное изменение напряженного состояния, как правило, это изгибаемые конструкции, ригели, балки, настилы, плиты перекрытия и покрытия.
Конструкциями, воспринимающими усилия распора при аварийных воздействиях, как правило, являются колонны, стойки, стены, диафрагмы жесткости, а также расположенные в одной плоскости с усилиями распора балки, ригели, плиты перекрытия и покрытия. Способность конструкций воспринимать усилия распора определяется соответствующими расчетами напряженно-деформированного состояния по методикам строительной механики.
Принципиальные конструктивные отличия предлагаемого способа от известных решений:
- устройство С-образных связей для соединения изгибаемых конструкций второго типа между собой как минимум в одном направлении и с конструкциями первого типа, воспринимающими усилия распора (т.е. определение конкретных соединяемых конструкций и обоснование необходимости устройства сообразных связей между этими конструкциями видом их напряженного состояния в момент аварийного воздействия, а не только типом конструкции: перекрытия, ригели, стены, колонны);
- возможность применения способа к уже смонтированным конструкциям, находящимся в процессе эксплуатации (т.е. под нагрузкой);
- балки/ригели здания в обязательном порядке соединяются С-образными связями между собой и с конструкциями, воспринимающими усилия распора;
- в узле сопряжения железобетонных плит перекрытия/покрытия с промежуточной балкой-ригелем (фиг. 4) отсутствует необходимость соединения балки/ригеля с плитами перекрытия/покрытия - С-образная связь проходит транзитом через балку/ригель, соединяя плиты перекрытия/покрытия между собой. Обоснование:
1) силовая работа конструкций при аварийном воздействии существенным образом не зависит от наличия данного соединения с балкой/ригелем;
2) отсутствует необходимость в устройстве закладных деталей в балке/ригеле;
3) минимизируется объем сварных работ;
- часть С-образной связи, обеспечивающая развитие пластических деформаций, прямолинейна и располагается на периферийных участках конструкций: верхняя, нижняя либо боковые грани соединяемых элементов, а располагаемые в толще соединяемых конструкций части С-образной связи обеспечивают (совместно с пластинами 5 на фиг. 2-4) ее анкеровку. Обоснование:
1) благодаря прямолинейности увеличиваются пластические деформации С-образной связи при аварийном воздействии, что повышает надежность и пластичность всего соединения и, таким образом, эффективность самой С-образной связи;
2) предлагаемое решение анкеровки С-образной связи представляет возможность ее устройства в уже построенных зданиях без значительного объема реконструктивных работ и без организации соответствующих закладных деталей.
Технический результат от применения предлагаемого способа заключается в повышении надежности и несущей способности здания, предотвращении его прогрессирующего (цепного) разрушения при аварийных воздействиях.
Отмеченный технический результат достигается за счет того, что в узлах сопряжения изгибаемых конструкций второго типа между собой как минимум в одном направлении и с конструкциями первого типа, воспринимающими усилия распора, устраивают С-образные связи из материала с выраженными пластическими свойствами, причем в узле сопряжения плит перекрытия/покрытия с промежуточной балкой/ригелем отсутствует необходимость соединения балки/ригеля с плитами перекрытия/покрытия: С-образная связь соединяет плиты перекрытия/покрытия между собой, а балки/ригели здания соединяются С-образными связями между собой и с конструкциями, воспринимающими усилия распора.
Обоснованием соединения изгибаемых конструкций второго типа между собой как минимум в одном направлении и с конструкциями первого типа, воспринимающими усилия распора, является то, что С-образные связи:
- обеспечивают работу изгибаемых элементов при аварийных воздействиях как элементов вантовой системы, подчиняющейся расчету по теории гибкой нити;
- увеличивают степень статической неопределимости конструкций;
- повышают конструкционное демпфирование и диссипацию напряжений при динамической составляющей аварийного воздействия.
При этом неповрежденные элементы первого типа, как правило, обладают достаточной несущей способностью. Данное обстоятельство обосновано различием величин коэффициентов надежности и условий работы при расчетах на эксплуатационные и аварийные воздействия.
Усиление конструкций первого и второго типа в промежутках между узлами их соединения не является задачей настоящего способа и производится, в случае необходимости, по известным из уровня техники методикам.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом:
- проводят прочностные расчеты здания на особое сочетание нагрузок и воздействий гипотетических локальных разрушений с определением элементов первого и второго типа;
- в узлах сопряжения конструкций второго типа между собой (как минимум в одном направлении) и с конструкциями первого типа (расположенными, например, по внешнему/периферийному контуру здания) устраивают С-образные связи из материала с выраженными пластическими свойствами. Перед установкой С-образных связей в проектное положение скрепляемые конструкции зачищаются до несущего материала, очищаются от грязи, масел, краски, обеспыливаются и обезжириваются. С-образные связи устанавливают в предварительно просверленные в конструкциях отверстия;
- после установки и анкеровки С-образных связей участки их устройства обрабатываются антикоррозионными составами, защищаются от огневого воздействия.
Таким образом, в большинстве случаев С-образные связи объединяют изгибаемые элементы между собой как минимум в одном направлении и с элементами, воспринимающими усилия распора, а также с колоннами/стойками/стенами, расположенными, например, по внешнему контуру здания и по участку деформационного шва. При этом в узле сопряжения плит перекрытия/покрытия с промежуточной балкой/ригелем отсутствует необходимость соединения балки/ригеля с плитами перекрытия/покрытия: С-образная связь соединяет плиты перекрытия/покрытия между собой. Объединенные описанными С-образными связями изгибаемые элементы в случае аварийного воздействия работают с мембранным эффектом (усилиями распора) по принципу вантовой системы. Балки/ригели здания в обязательном порядке соединяются С-образными связями между собой и с конструкциями, воспринимающими усилия распора.
Сечения С-образных связей, их количество и конкретный участок установки определяются расчетом по известным нормативным документам в соответствии с усилиями, найденными из расчета конструкций по деформированной схеме.
Монтажные работы по устройству С-образных связей при соответствующем обосновании возможно производить без остановки штатной эксплуатации здания и его инженерных систем, а также без эвакуации находящихся в нем людей и оборудования.
Предлагаемые в настоящем способе С-образные связи представляют собой гнутые стержневые элементы, выполненные, например, из конструкционной строительной стали с выраженной площадкой текучести, в частности из арматурной стали классов A240, A400 (C), A500C (СП).
Необходимость в пластических свойствах материала С-образных связей обоснована характером силовой работы конструкций второго типа при аварийных воздействиях по принципу вант-нитей, т.е. с образованием выраженного мембранного эффекта и усилий распора. Для анкеровки С-образных связей используют пластины из однородного с С-образными связями материала, клиновые анкера, а также заполнение зазора между конструкцией и С-образной связью составом, применяемым для химических анкеров. Возможно соединение С-образных связей с конструкциями, с арматурой элементов при помощи сварки. Параметры пластин определяются расчетами, а соединение пластин с С-образными связями выполняется клеевым, сварным либо резьбовым способом.
При увеличении интенсивности воздействий и нагрузок и/или изменении характера их действия в процессе эксплуатации здания (например, при смене назначения здания), а также при повреждениях, вызванных, например, деградацией материала, в том числе коррозией, увеличивают количество С-образных связей либо производят их замену на новые.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 - вид сбоку на характерный фрагмент многопролетной многоэтажной несущей рамы здания из колонн и балок/ригелей;
на фиг. 2 - сечение А-А на фиг. 1;
на фиг. 3 - поперечное сечение узла сопряжения железобетонной плиты перекрытия/покрытия с окаймляющей (контурной) балкой/ригелем;
на фиг. 4 - поперечное сечение узла сопряжения железобетонных плит перекрытия/покрытия с промежуточной балкой/ригелем;
на фиг. 5 - поперечное сечение узла сопряжения металлической балки с крайней колонной;
на фиг. 6 - поперечное сечение узла сопряжения металлических балок с промежуточной колонной;
на фиг. 7 - сечение Б-Б на фиг. 5;
на фиг. 8 - сечение Б-Б (вариант) на фиг. 5;
на фиг. 9 - расчетная схема к предлагаемой методике расчета.
На данных чертежах представлены: колонна 1; балка/ригель 2; С-образная связь 3; плита перекрытия/покрытия 4; пластины 5 для анкеровки С-образных связей 3; поперечная арматура 6 конструкции.
В отраслевых нормативных документах по проектированию несущих конструкций отсутствует порядок определения требуемого расстояния от С-образной связи 3 до торца конструкции в направлении растягивающего усилия С-образной связи 3. Для определения данного расстояния в железобетонных конструкциях предлагается следующая методика. Условные обозначения:
a - расстояние от расчетной грани конструкции (колонны 1, стойки, пилона, стены, балки/ригеля 2, плиты перекрытия 4 и/или покрытия) до точки передачи усилия от С-образной связи 3 - искомый параметр;
b - ширина конструкции;
F - усилие в С-образной связи 3;
b
Q - усилие, воспринимаемое бетоном конструкции;
sw
Q - усилие, воспринимаемое поперечной арматурой 6 в конструкции;
h′ - расстояние от расчетной грани конструкции до поперечной арматуры 6 в ней (до хомута);
btn
R - нормативное сопротивление бетона растяжению;
sw
A - площадь поперечного сечения поперечной арматуры 6 конструкции (для хомутов);
swn
R - нормативное сопротивление поперечной арматуры 6 конструкции (для хомутов);
sw
l - суммарная длина поперечной арматуры 6 (хомута) в конструкции, периметр - для замкнутого хомута.
Условие прочности:
b
sw
F≤Q+Q;
усилие, воспринимаемое бетоном конструкции, определяется зависимостью:
b
btn
Q=0,5·R·b·а;
Понижающий коэффициент 0,5 учитывает возможный статистический разброс физико-механических характеристик материала конструкции, наличие геометрических несовершенств формы, неоднородность материала, деградацию его свойств, вызванную временным фактором, коррозией, напряженным состоянием и другими условиями эксплуатации (радиационным воздействием, цикличностью нагружения, температурными климатическими воздействиями, внутренними напряжениями и т.п.), накопленные повреждения конструкции и др.
усилие, воспринимаемое поперечной арматурой 6 в конструкции, определяется зависимостью:
sw
sw
swn
Q=A·R;
при этом усилие, воспринимаемое поперечной арматурой 6 в конструкции, не должно превышать усилие, воспринимаемое бетоном конструкции:
sw
b
Q≤Q;
sw
b
в случае невыполнения данного условия в расчете принимается Q=Q; а также должно соблюдаться следующее ограничение:
sw
btn
sw
Q≤R·h′·l;
в случае невыполнения данного условия в расчете принимается:
sw
btn
sw
Q=R·h′·l;
искомое расстояние определяется следующей зависимостью:
sw
btn
a≥(F- Q)/(0.5-R·b).
Предлагаемая методика применима в том числе и к определению расстояния до торца железобетонных балок/ригелей 2 и плит перекрытия покрытия 4.