Определение последствий воздействия землетрясения на устойчивость железобетонных конструкций и разработка предложений по их усилению

БЕЗОПАСНОСТЬ В ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ

УДК 539.4.620.2

Шакарян Л.С., Макурин А.Н.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСЛЕДСТВИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ И РАЗРАБОТКА

ПРЕДЛОЖЕНИЙ ПО ИХ УСИЛЕНИЮ

В статье приведена последовательность разработки методики и решение её частных задач, на основе математического аппарата (регрессионный анализ, линейное и динамическое программирование).

Ключевые слова: железобетонная рама, стойки, ригели, эксперт,изо, технического состояния, методы неразрушающего контроля, степень повреждения, трещины, сколы бет,она, контрольный обмер несущих конструкций, проверочный расчет, определение изгибающих моментов, поперечных и нормальных сил.

Shakaryan L.S., Makurin A.N.

DETERMINING THE IMPACT OF EARTHQUAKES ON THE STABILITY OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES AND DEVELOPMENT OF PROPOSALS FOR STRENGTHENING THEM

The article describes the sequence of working methods and its decision based on the specific problems of the mathematical apparatus (regression analysis, linear and dynamic programming).

Keywords: armed conflict, striking factor of conventional weapons, protection of the population, a comprehensive assessment of the building, regression analysis, linear programming, dynamic programming.

Анализ исследований по усилению рамных железобетонных конструкций (ЖБК), пострадавших в результате ЧС, показал, что существующие в настоящее время методы усиления стоек и ригелей рам, осуществляемые с помощью устройства стальных или железобетонных обойм, являются недостаточно эффективными, т.к. они позволяют увеличивать их прочность и несущую способность в среднем до 70% [1, 2, 3, 4], что в ряде случаев является совершенно недостаточно, особенно для конструкций, подвергнутых сильному действию природных и техногенных катаклизмов и террактов и находящихся в аварийном состоянии. Назрела необходимость разработки новых методов усиления рамных железобетонных конструкций, позволяющих многократно увеличивать их прочность и несущую способность.

Основанием для выполнения поставленной задачи явилось предложение заинтересованной организации по разработке метода усиления железобетонных рам производственного цеха, пострадавшего в результате воздействия девяти-

бального землетрясения.

Для достижения поставленной цели поэтапно решались следующие задачи:

проведение экспертизы технического состояния поврежденных рам с использованием склерометрических и ультразвуковых методов неразрушающего контроля и натурный обмер несущих конструкций цеха;

определение степени повреждения стоек и ригелей рам, выявление трещин, сколов бетона, вида, ширины и глубины раскрытия трещин и т.д.;

проведение проверочного расчета поврежденной рамы по результатам экспертизы с определением внутренних усилий, изгибающих моментов, поперечных и нормальных сил;

разработка технологии усиления рамных ЖБК, пострадавших в результате ЧС, позволяющей многократно увеличить их прочность и несущую способность.

Основными несущими конструкциями производственного цеха являются одноэтажные двухпролетные монолитные железобетонные

рамы с правым консольным выпуском ригеля, на конце которого был подвешен тельфер. Стойки рам замонсличены в монолитные железобетонные башмаки стаканного тина. Рамы в цеху установлены с шагом 6000 мм. Левая наружная стена, выполненная из легких трехслойных панелей без оконных проемов, подвешивалась к стойкам рам. Правая наружная стена выполнена из слабоармированных панелей марки В20 на туфовом заполнителе и уложена на бутобе-тонный фундамент на расстоянии 1300 мм от торца консоли. На нервом пролете ригелей рам располагался цех готовой продукции.

Расположение арматуры в бетоне, ее диаметр, расстояние между стержнями арматуры и величина защитного стоя бетона определялись с помощью прибора ИЗС-2, а также частичным вскрытием защитного слоя бетона и непосредственным измерением. Ширина раскрытия трещин определилась с помощью переносного микроскопа МИР-2.

Было установлено, что после землетрясения стойки рамы получили значительные повреждения: сколы бетона защитного слоя с оголением рабочей арматуры, многочисленные продольные и наклонные трещины бетона с шириной раскрытия до 3 мм, сквозные трещины

вблизи заделок стоек в башмак с выпучиванием арматуры.

По результатам проведенного обследования был выполнен проверочный расчет по определению внутренних усилий с построением эпюр изгибающих моментов, поперечных и продольных сил. Расчет проводился одним из точных методов расчета статически неопределимых рам методом сил, а проверочный расчет прочности по нормальным сечениям стоек и ригелей рамы по максимальным усилиям проводился по СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции» [4|.

Анализ результатов проверочных расчетов позволил определить реальную прочность и несущую способность стоек и ригелей, установить причины сильного повреждения стоек и необходимость их усиления.

На рисунке 1 приведена заданная система рамы.

Исходные расчетные данные: суммарная вертикальная распределенная нагрузка на первом пролете ригелей рам с учетом веса перекрытия складского помещения и нагрузки от готовой продукции; распределенная горизонтальная нагрузка на стойку рамы и грузоподъемности на конце консоли второго пролета.

Рисунок 1 Заданная система рамы

Рама состоит из двух замкнутых контуров, легчения расчета был выбран метод групповых т.е. 6 раз статически неопределима. Для об- неизвестных, который позволил разделить си-

стсму шести уровней с шестью неизвестными на две группы канонических уравнений. В первую группу вошли: симметричные лишние неизвестные, а во вторую группу обратносимметричные.

Основная расчетная система изображена на рисунке 2.

Система канонических уравнений примет вид:

Симметричные лишние неизвестные Xi ¿11 + Хэ^1з + Х5 ¿15 + Aip = 0 Х\ ¿13 + Х3633 + Х5 ¿35 + A зр = 0 Х1 ¿51 + ^¿53 + Х5 ¿55 + A 5Р = 0

Обратиосимметричные лишние неизвестные Х2&22 + ^¿24 + ^¿26 + △ 2Р = 0 ^¿42 + Х4§44 + ^¿46 + А4Р = 0 ^¿62 + Х4864 + ^¿66 + △ 6Р = 0

Хб-XS-

х+-

Хэ-

-Хе

-Хе

-х*

-Хз

Xi Xi

Хб-

*Хе

xs—> С-Х5

Х-><

X:i -

Г щ

1* 1 *1

Г -

-Х4

Ш

TT 1 "

Рисунок 2 Основная система метода сил

Определив все коэффициенты при лишних неизвестных и свободные (грузовые) члены системы канонических уравнений, решаем уравнения и определяем величину лишних неизвестных Х\: Х2, Хз, Х4, Х5 и Х6] строим окончательную эпюру изгибающих моментов но фор-

муле М = М1Х1 + М2Х2 + М3Х3 + М4Х4 + ~ЩХ5 + Мр, где М[,М~2,Ж3,М1,М5 ж ~М~6 —

эпюры изгибающих моментов от единичных сил Хг = 1, а Мр — грузовая эпюра от заданных сил (рисунок 3).

Рисунок 3 Окончательная эпюра от заданной системы сил

По окончательной эпюре М строится эпюра нормальных сил (рисунок 5). поперечных сил (рисунок 4), а но ней эпюра

Рисунок 4 Эпюра поперечных сил в элементах рамы

Рисунок 5 Эпюра нормальных сил

Составим таблицу максимальных усилий в ригелях рамы и стойках (таблица 1).

Таблица 1 Максимальные усилия в элементах рамы

Элемент рамы Максимальные усилия в раме

М, кН-м Q та,Х1 кН Nтах, кН

Ригель 103,9 68,2 28,1

Стойка 133,7 51,8 68,2

Оценим прочность и несущую способность ригеля рамы но результатам инетрументально-IX) обследования технического состояния. Результат визуального обследования и натурного обмера его геометрических характеристик показал, что размеры поперечного сечения ригеля рамы: по высоте /г равны 600 мм, а по ширине Ъ 400 мм.

Внешне состояние ригеля рамы было хоро-

шим: отсутствие трещин в пролете, отсутствие сколов бетона и оголения арматуры. Лишь в углах сопряжения ригеля со стойкой в некоторой части рам цеха были обнаружены незначительные волосяные трещины.

Инструментальные обследования с помощью прибора ИЗС-2, склерометра УКБ-1 и молотка Кашкарова показали (рисунок 6):

Рисунок 6 Поперечное сечение ригеля

1. Ригель рамы армирован двойной арматурой класса А-П, состоящей из пяти стержней диаметром 25 мм, уложенных симметрично относительно поперечного сечения ригеля (1).

2. Монтажная арматура (2), состояла из стержней класса А-П диаметром 15 мм.

3. Каркас вязанный (3). Хомуты были из гладкой арматуры класса А-1 диаметром 10 мм. Толщина защитного слоя бетона

25 мм.

Бетон марки В20 тяжелый.

Расчетная прочность арматуры =

270 Мпа, действительная расчетная прочность бетона Къ = 11,5 Мпа или 117 кг/см2. Площадь сечения рабочей арматуры 5025, А^ = 24,54 см2.

Коэффициент условий работы бетона согласно СНиПа ть = 0,85

а = 25 + 25 = 37,5 мм.

Принимаем а=4 см. Рабочая высота сечения

Ъо = Ъ — а = 60 — 4 = 56 см. Высота сжатой зоны бетона

^ К3А3 270  25,54

X =-- =- = 16,9 см.

тЩЬ 0,85  11,5  40 '

Определим характеристику сжатой зоны бе-

тона

{о = а — 0,008Ка

Для тяжелого бетона а = 0,85

£ = 0,85 — 0,008  11,5 = 0,76.

Определим значение граничной относительной высоты сжатой зоны бетона

=

Со

1 + ^ и — щ

500 — 1,1

0,76

270 / 0,76

+ 500 V — ТУТ

= 0,65.

Проверим условие

X < Ы  Ъо ^ 16,9 < 0,65  56 = 36,4.

Условие соблюдается.

Проверим несущую способность сечения

Мтах < КяАв(Ъо — 0,5ж) = = 270  24,54(56 — 0,5  16,9) = = 315056(Мпа/см3) = 315(кН  м).

Согласно таблице 1, Мтах = 103,9(кНм), отсюда

Мтах = 103,9(кН  м) < 315(кН  м).

Коэффициент запаса прочности 315

т

103,9

= 3,03.

Проведем так же расчет по упрощенной форме.

Определим величину 2а = Ъо — а = 56 — 4 = = 52 см.

Вычислим минимальное сечение рабочей арматуры

Ая =

М

Кг +

1039000 2700•52

= 7,4 2.

Что соответствует расчетной армировке балки двумя стержнями класса А-П диаметром 22 мм с = 7,6 см2.

В нашем случае армировка фактически была произведена пятью стержнями диаметром 25 мм

Л, = 25,54 см2.

Перерасход арматуры равен

^фа

24,54

= 3,2.

^расч. 7,6

Следовательно, мы имеем тройной перерасход арматуры, что в свою очередь приведет к тройному запасу прочности и несущей способности ригеля.

Как показали результаты обследования, ригель рамы, рассчитанный на сейсмическую нагрузку силой в 8 баллов, хорошо перенес двукратное увеличение инерционных сил, выдержав девятибальную сейсмическую нагрузку, благодаря трехкратному запасу прочности сечения.

Вывод: ригель рамы не нуждается в усилении.

Проведем проверочный расчет прочности стоек рисунок 7.

Стойки рамы производственного цеха работают на внецентральное сжатие.

Расчетные данные:

Мтах = 133,7 кНм, Хтах = 68,1 кН, высота стойки Н = 10 м= 1000 см, сечение стойки прямоугольное Ъ = 400 мм= 40 см, Ь = 300 мм= 30

метричной рабочей арматурой (1), состоящей из 3020 масса = 9,41 см2.

Рисунок 7 Поперечное сечение стойки до усиления

Монтажная арматура (2) была запроектирована диаметром 14 мм класса А-П.

Рабочая и монтажная арматуры связыва-

0

в пространственный каркас.

Шаг хомутов был принят но всей высоте стойки равным 20 мм 20 см.

Модуль упругости бетона Еь = 2,5  104 МПа. Модуль упругости арматуры Е^ = 2,1  105 МПа.

А = 20 + 0,5  20 = 30 мм или 30 см.

= Ъ - 2а = 40 - 2  3 = 34 см. Расчетная длина стойки Ьо = Н - 0,5Ъриг = 1000 - 0,5  60 = 970 см.

= 24.

1о = 970

Ъ = 10

Отношения модулей упругости арматуры и бетона

п

2,1  106

= 9,75.

2,15  104

Определим случайный эксцентриситет

1 40

еСл = — Ъ = — = 1,3 см 30 30

или

1 , 970

есл =-10 =-= 1,6 см.

600

600

Принимаем наибольшее значение е = 1,6 см.

Вычислим расчетный эксцентриситет

М 13370000

е0 = — + есл =--+ 1,6 = 218 см.

0 N сл 68100 '

Относительный эксцентриситет

Т = ^^ = 5,45.

Ъ 40 '

Следовательно, эксцентриситет, более чем в пять раз, превышает высоту сечения стойки и находится за пределами стойки на расстоянии

Ъ

е = ео + - = 218 + 20 = 238 см.

Вывод: стойка работает на изгиб, и к ней можно применить формулу расчета сечений с двойной симметричной рабочей арматурой.

13370000 2

А^ =-= 14,56 см.2

й 2700  34

Размеры поперечного сечения стойки примем равным Ъ = 500 мм, Ь = 400 мм.

Расчетные данные для определения необходимых условий:

а = 25 + 25 = 37,5 мм = 3,75 см;

га = 50 - 2  3,75 = 42,5 см;

Ав = 4025 = 19,63 см;2

Суммарный изгибающий момент усиленной стойки будет

2

Кв = 270 МПа = 2700 кг/см.

Максимальный изгибающий момент усиленной стойки

Мп

СКЯ  Аз  га = 2700  19,63  42,5) =

= 2252542,5 кг/см = 225,2 кН  м.

Максимальный изгибающий момент стойки до усиления

М™ХК8  ^  = 2700  9,41  34) = = 863838 кг/см = 86,4 кН • м.

Мсум = 225,2+86,4 = 311,6 кНм > 133,7 кНм.

Коэффициент запаса прочности

311,6 о«

т =-= 3,6

86,4

Вывод: несущая способность стойки рамы увеличилась в 3,6 раз но сравнению с запланированной. Усиленная рама может устоять при воздействии землетрясения в девять баллов.

На рисунке 8 приведена схема усиления стойки рамы.

Рисунок 8 Метод усиления стойки рамы

Где: 1 полосы металлические; 2 каркас К-1; 3 каркас К-2; 4 усиливаемая колонна; 5 торкретбетон 50 мм

Усиление стоек рамы необходимо произвести в следующей последовательности:

стоек. Удалить грунт и очистить поверхность башмака в месте заделки стойки в башмак.

1. До начала усиления стоек рам необходимо

удалить все слои пола цеха но периметру 2. Поверхность стойки сделать шероховатой

с помощью зубила или болгарки. Оголить рабочую арматуру стоек до глубины, равной половине ее диаметра.

3. Обработать поверхность стойки пескоструйным аппаратом, а затем тщательно ее промыть.

4. Все трещины поврежденного бетона стойки заделать эпоксидно-цементной замазкой.

5. Приварить к рабочей арматуре с обеих сторон стойки стальные полосы П-1 толщиной 4 мм, шириной 40 мм и длиной 360 мм с шагом 400 мм по всей высоте стойки.

6. К стальным полосам приварить сварной арматурный каркас К-1 с рабочей арматурой класса A-II, состоящей из 4025 = 19,63 см и поперечной арматурой класса A-II 014 мм = 1,539 см2 с шагом 200 мм по всей длине стойки от заделки в башмаке до ригеля.

7. Со стороны косвенной арматуры к обоим торцам стойки установить арматурные каркасы К-2, состоящие из двух продольных монтажных стержней класса A-II.

8. Обетонирование стойки произвести торкретбетоном марки В20 последовательно двумя слоями толщиной по 25 мм с общей суммарной толщиной 50 мм.

9. Отверстие от башмака до уровня пола по периметру стойки заполнить тяжелым бетоном В15. Общие размеры поперечного

Ъ=

500 = 400

Заключение

Усиление рам, поврежденных в результате воздействия природных и техногенных катаклизмов, не только увеличивает их прочность, устойчивость и долговечность, но также значительно увеличивает их жесткость, что особенно важно при воздействии природных катаклизмов и в первую очередь при сильных землетрясениях балльностью от 9 до 10 баллов.

Согласно СНиП все инженерные сооружения в России рассчитываются только на воздействия землетрясений балльностью не более 9, поэтому каркасные сооружения с несущими рамами проектировались в виде гибких систем; считается, что чем гибче система, тем меньше инерционные силы, способные разрушить сооружения. Однако при воздействии землетрясений свыше 9 баллов они, как правило, очень сильно повреждаются. Поэтому в абсолютном большинстве стран, где происходят сильные землетрясения, в частности, в Японии, на Филиппинах, в США, здания проектируются с учетом воздействия землетрясений в 10 баллов. Это влечет за собой перерасход материалов до 10%, но зато сохраняет как само сооружение, так и жизни людей. Следовательно, увеличение жесткости инженерных сооружений, расположенных в районах с сейсмичностью 96 и 9в баллов с высокой частотой гармонических колебаний, является положительным фактором, должно всячески поощряться и наконец войти в СНиП, учитывая интенсивный рост в мире количества землетрясений и их балльности.

Литература

1. Гироян А.Г. Восстановление и усиление зданий и сооружений 2006 г. — 217 с.

2. Макурин А.Н., Шакарян Л.С. Основы строительного черчения, расчета конструкций, обследования и усиления сооружений. Учебное пособие. Новогорск, 2000 г. — 186 с.

3. Шакарян Л.С., Ляшенко С.М., Федотов С.Б. Разработка предложений по усилению рамных железобетонных конструкций, пострадавших в результате ЧС. Отчет о НИР. Химки 2014 г, 47 с.

4. СНиП 52-01-2003 «Бетонные и железобетонные конструкции».

Рецензент: кандидат военных наук Тарабаев К).II.