Обоснование конструктивных решений аутригерных этажей высотного здания при прогрессирующем разрушении

Обоснование конструктивных решений аутригерных этажей высотного здания при прогрессирующем разрушении

Г.М. Кравченко, Е.В. Труфанова, Д.С. Заритовский, А.С. Небоженко Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону

Аннотация: В статье исследовано влияние введения в конструктивную схему аутригерных этажей на несущую способность основных конструктивных элементов высотного здания при прогрессирующем разрушении. Разработаны два варианта конечно-элементной модели каркаса здания в программном комплексе «Лира-САПР». Выполнено сравнение вариантов конструктивных решений, даны рекомендации по рациональному проектированию.

Ключевые слова: конечно-элементная модель, каркас здания, аутригерный этаж, конструктивный элемент, несущая способность, прогрессирующее разрушение.

Под прогрессирующим обрушением понимают полное или частичное обрушение сооружения в результате поэтапного (цепного) разрушения и выключения из работы элементов каркаса при чрезвычайной ситуации.

Основная цель расчета - защита сооружений от данного вида разрушения или приведение к локальным разрушениям. Здание должно быть прочным и устойчивым, как минимум на время, требуемое для эвакуации людей из опасной зоны [1,2]. Перемещения конструкций и другие деформации соответствующие второй группе предельных состояний не нормируются.

Нормами предусматривают расчет с использованием сертифицированных на территории РФ систем автоматизированного проектирования: Лира, SCAD, Мономах и др.

Расчет зданий и сооружений производят по пространственной расчетной модели с учетом физической и геометрической, если того требует задача, нелинейности элементов и материалов, что обеспечивает наибольшую достоверность расчетов и приближенность к реальным условиям работы каркаса [3]. Устойчивость к прогрессирующему обрушению проверяют расчетом на особое сочетание нагрузок, включающих

постоянные и временные длительные нагрузки, и на воздействия возможных локальных разрушений несущих конструкций [2].

Основные рекомендации защиты зданий от прогрессирующего обрушения предполагают общее упрочнение всего здания, местное упрочнение отдельных конструктивных элементов и улучшения их конструктивной взаимосвязи [1].

Объектом исследования является здание со сложным архитектурно-планировочным решением, с радиальным расположением осей основных конструктивных элементов. Здание общей высотой 115,5 метра, размеры в плане 68,1x19,8 метров.

Конструктивная схема здания - монолитный железобетонный каркас, класс бетона несущих конструкций В30, класс продольной рабочей арматуры А400 [4].

Жесткость и устойчивость элементов каркаса обеспечивается совместной работой лестнично-лифтовых узлов, колонн, плит перекрытий и фундаментной плиты, объединенных в пространственную систему.

Представлено два конструктивных решения высотного здания: без устройства и с устройством аутригерных этажей. Во втором варианте аутригерные этажи располагают через каждые пять этажей здания, включая последний технический этаж.

Конструктивное решение аутригерного этажа представляет собой пространственные рамно-ферменные конструкции, расположенные как по контуру здания, так и вдоль осевых линий.

Конечно-элементная модели разработаны в ПК «Лира САПР» методом импортирования поэтажных планов, разработанных в AutoCAD.

Расчетная схема высотного здания по первой модели представляет собой пространственный плитно-стержневой каркас. Дискретизация

выполнена треугольными конечными элементами с 18-ю степенями свободы и пространственными стержнями с 12-ю степенями свободы [5].

Вторая модель разработана на базе первой конечно-элементной модели и отличается наличием аутригерных этажей (рис.1). Использованы конечные элементы: универсальный нелинейный стержневой элемент КЭ 210, универсальный нелинейный треугольный КЭ 242.

Рис. 1. - Пространственная конечно-элементная модель здания с

аутригерными этажами

Введение в расчетную схему аутригерных этажей (рис.2), повышает общую жесткость, обеспечивает местное усиление по контуру силовой плиты и плит перекрытий, а также улучшает конструктивную взаимосвязь элементов.

Рис. 2. - Аутригерный этаж

Целесообразность введения и правильность конструирования этажей повышенной жесткости обоснована сравнением усилий и перемещений в элементах, расположенных в непосредственной близости от разрушаемой колонны.

На первом этапе выполнен статический линейный расчет для определения напряженно-деформированного состояния конструкции в нормальных условиях эксплуатации. В расчетной схеме учтены постоянные и временные длительные нагрузки.

Исследовано напряженно-деформированное состояние колонны крайнего ряда первого этажа [6]. Продольная сила N составила для первой модели 162,379 т; для второй модели 164,508 т.

На втором этапе выполнен нелинейный расчет на прогрессирующее обрушение. Физическая нелинейность задается с учетом закона деформирования бетона (рис.3) и армирующего материала - продольной и поперечной арматуры (рис.4). Колонна крайнего ряда первого этажа является разрушаемым элементом и выводится из расчетной схемы.

По методике расчета в ПК Лира при расчете на прогрессирующее обрушение в первое загружение входят постоянные и временные длительные нагрузки, во втором загружении в верхнем узле демонтируемого элемента

вводится сила, принимаемая равной 10% от сжимающей силы N в данном элементе, полученной при первичном расчете. Данная сила N принята равной 16т.

Рис. 3. - Закон деформирования основного материала

Рис. 4. - Закон деформирования армирующего материала

Нелинейный расчет в ПК Лира выполняется итерационным методом с определением напряженно-деформированного состояния на каждом шаге [7]. Количество итераций равно 10.

Выполнен анализ полученных усилий и перемещений конструктивных элементов каркаса [9]. Вертикальные перемещения элементов, расположенных в непосредственной близости с разрушаемой колонной, по первой модели представлены на рисунках 5-6 и составляют 114,5 мм.

Рис. 5. - Вертикальные перемещения в плите перекрытия первой модели

Рис. 6. - Вертикальные перемещения фрагмента первой модели

При расчете второй модели максимальные вертикальные перемещения плиты перекрытия, расположенной вблизи разрушаемой колонны (рис. 8,9), составили 75,2 мм.

Устройство аутригерных этажей позволяет в значительной мере снизить вертикальные перемещения при отказе одного из конструктивных элементов.

Применение аутригерных этажей во второй модели способствует перераспределению нагрузок и энергии, а также локализации разрушений.

Разработанные модели каркаса здания в расчете на прогрессирующее разрушение методом конечных элементов позволяет исследовать поведение конструкции в аварийной ситуации [10].

Рис.7. - Вертикальные перемещения в плите перекрытия второй модели

Рис. 8. - Вертикальные перемещения фрагмента второй модели

В зданиях без аутригерных этажей при разрушении колонны нагрузки перераспределяются на ближайшие колонны пропорционально их новым грузовым площадям, а, следовательно, необходимо выполнять расчет и усиление колонн, расположенных рядом с разрушенной. Однако, данное решение проблемы является малоэффективным и экономически невыгодным. Наличие аутригерных этажей позволяет значительно снизить перемещения плит перекрытий в зоне над разрушенной колонной и сократить

значительные раскрытия трещин, оголения арматуры железобетонных конструкций.

Литература

1. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2005. - 40 с.

2. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2006. - 34 с.

3. Панасюк Л.Н., Кравченко Г.М., Труфанова Е.В. О точности определения напряженно-деформированного состояния и конструктивных параметров в областях с особенностями. Интернет-журнал «Науковедение». 2013. № 3 (16). С. 101.

4. Г.М. Кравченко, Е.В. Труфанова, С.Г. Цуриков, В.И. Лукьянов. Расчет железобетонного каркаса здания с учетом аварийного воздействия во временной области // Инженерный вестник Дона, 2015, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2886.

5. Перельмутер А.В., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. Киев, 2002. - 213 с.

6. Б.С. Расторгуев, К.Н. Мутока. Деформирование конструкций перекрытий каркасных зданий после внезапного разрушения одной колонны // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2006. № 1. С. 12-15.

7. В.О. Алмазов, Кхой Као Зуй. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов. - М.: АСВ, 2013. - 128 с.

8. Г.М. Кравченко, Е.В. Труфанова, С.В. Борисов, С.С. Костенко. Динамический расчёт и анализ полусферической оболочки покрытия объекта «Зимний сад» Технопарка Ростовского государственного строительного университета (РГСУ) // Инженерный вестник Дона, 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3493.

9. Daigoro Isobe. Progressive Collapse Analysis of Structures. ButterworthHeinemann, 2017. - 24 p.

10.Ellingwood BR and Dusenberry BO (2005) Building design for abnormal loads and progressive collapse. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 20(3): pp.194-205.

References

1. Rekomendacii po zashhite monolitnyh zhilyh zdanij ot progressirujushhego obrushenija [Recommendations for the protection of reinforced concrete structures against progressive collapse] M., 2005. 40 p.

2. Rekomendacii po zashhite vysotnyh zdanij ot progressirujushhego obrushenija [Recommendations for the protection of reinforced concrete structures against progressive collapse] M., 2006. 34 p.

3. Panasjuk L.N., Kravchenko G.M., Trufanova E.V. «Naukovedenie». 2013. № 3 (16). p. 101.

4. G.M. Kravchenko, E.V. Trufanova, S.G. Curikov, V.I. Luk'janov Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2015, №2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2015/2886.

5. Perel'muter A.V., Slivker V.I. Raschetnye modeli sooruzhenij i vozmozhnost' ih analiza [Models of structures and the possibility of their analysis] Kiev, 2002. 213 p.

6. B.S. Rastorguev, K.N. Mutoka. Deformirovanie konstrukcij perekrytij karkasnyh zdanij posle vnezapnogo razrushenija odnoj kolonny Sejsmostojkoe stroitel'stvo. Bezopasnost' sooruzhenij [Structural deformation of frame buildings after the sudden destruction of one column] 2006. № 1. pp. 12-15.

7. V.O. Almazov, Khoj Kao Zuj. Dinamika progressirujushhego razrushenija monolitnyh mnogojetazhnyh karkasov [Dynamics of progressive destruction of reinforced concrete high-rise buildings]. M.: ASV, 2013. 128 p.

8. G.M. Kravchenko, E.V. Trufanova, S.V. Borisov, S.S. Kostenko. Inzenernyj vestnik Dona (Rus), 2016, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2016/3493.

9. Daigoro Isobe. Progressive Collapse Analysis of Structures. ButterworthHeinemann, 2017. 24 p.

10.Ellingwood BR and Dusenberry BO (2005) Building design for abnormal loads and progressive collapse. Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering 20(3): pp.194-205.