Анализ параметров, влияющих на прогрессирующее разрушение многоэтажных зданий

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИЗ ПАРАМЕТРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОГРЕССИРУЮЩЕЕ РАЗРУШЕНИЕ МНОГОЭТАЖНЫХ ЗДАНИЙ

Сыродоева Л.В., Герц В.А., Слётина Е.В.

Оренбургский государственный университет

Проблема безопасности сегодня весьма актуальна в различных сферах человеческой жизнедеятельности. В том числе и в сфере эксплуатации строительных конструкций, зданий и сооружений.

В динамически развивающейся городской среде, характеризующейся ростом техногенных нагрузок на строительные объекты, достоверная информация о величине риска зданий и сооружений является необходимым условием устойчивого развития мегаполиса.

В последнее время актуальными стали вопросы стойкости многоэтажных зданий к так называемому прогрессирующему обрушению. Впервые термин «прогрессирующее обрушение» и формулировка проблемы защиты от него панельных зданий появился в 1968 году в докладе комиссии, расследовавшей причины известной аварии 22-этажного жилого дома Ronan-Point в Лондоне (рисунок 1а). Это драматическое событие началось со взрыва газа в одной из квартир на 18-ом этаже, вызванного утечкой в газовой плите. Наружные панели здания были запроектированы, чтобы выдержать только давление ветра, и после разрушения на одном этаже была потеряна возможность передачи вертикальной нагрузки от верхних этажей.

а - здание «Ronan-Point», б - здание в Оклахома-Сити

Рисунок 1 - Примеры прогрессирующего обрушения

Обломки из перекрытий с 18 до 22 этажа упали на перекрытие 17 этажа, что породило цепочку отказов перекрытий, поскольку нагрузка обломков превысила грузоподъёмность отдельного перекрытия. Результатом было то, что разрушился целый угол здания выше и ниже места взрыва. В здании Ronan Point были выполнены все строительные нормы и правила, и было установлено отсутствие производственных дефектов. Но прогрессирующее обрушение было неизбежным, поскольку схема конструкции была аналогична карточному домику, то есть она не имела никакой возможности перераспределить нагрузку на отдельные подсистемы и тем самым локализировать отказ [1].

Новую волну активности вызвали обрушения, вызванные террористическими атаками на высотное здание в Оклахома-Сити (рисунок 1б), на башни Центра мировой торговли в Нью- Йорке, а также разрушение покрытия над аквапарком в Москве. Перед инженерами был поставлен ряд вопрос связанных с обеспечением живучести конструкций и безопасности людей.

Поскольку невозможно полностью исключить вероятность возникновения аварийных воздействий или ситуаций, вызванных деятельностью человека (взрывы газа, теракты, пожары, наезды транспорта, дефекты проектирования, строительства и эксплуатации зданий, неквалифицированная их реконструкция с надстройкой, пристройкой, перепланировкой помещений, сопровождаемых ослаблением или перегрузкой несущих элементов и оснований) или природными явлениями (землетрясения, ураганы, оползни, неравномерные деформации оснований), необходимо обеспечить определенную степень безопасности людей, находящихся в зданиях, и сохранность их имущества за счет уменьшения риска прогрессирующего обрушения при локальных разрушениях конструкций [2].

В строительстве тематика безопасности привела к изучению свойств живучести, обеспечения стойкости зданий и сооружений к аварийным воздействиям или, как часто можно услышать, к прогрессирующему обрушению. Но в настоящее время вопреки прогрессу в области проектирования строительных конструкций, их возведения и эксплуатации в мировой практике и у нас в стране проблема живучести далека от ее эффективного решения. Причин тому несколько. Основная -- сегодня отечественные и зарубежные проектировщики даже при работе над обычными зданиями, не говоря уже об уникальных сооружениях, например, большепролетных конструкциях, не имеют единой и «адекватной» методики расчета на прогрессирующее обрушение. Как следствие, существует «сырая» нормативная база в этой области.

Одним из документов, определяющих правила проектирования для предотвращения прогрессирующего обрушения, являются Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения [2], разработанные МНИИТЭП и НИИЖБ, утвержденные и введенные в действие приказом Москомархитектуры в 2005 г.

Для оценки устойчивости здания против прогрессирующего обрушения разрешается рассматривать лишь наиболее опасные расчетные схемы разрушения. Для расчета монолитных жилых зданий рекомендуется использовать пространственную расчетную модель. Расчетная модель здания должна предусматривать возможность удаления (разрушения) отдельных вертикальных конструктивных элементов. Удаление одного или нескольких элементов изменяет конструктивную схему и характер работы элементов, примыкающих к месту разрушения либо зависших над ним, что необходимо учитывать при назначении жесткостных характеристик элементов и их связей. Расчет здания можно выполнять с использованием различных программных комплексов, в том числе основанных на методе конечного элемента.

Полученные на основании статического расчета усилия в отдельных конструктивных элементах должны сравниваться с предельными усилиями, которые могут быть восприняты этими элементами. Устойчивость здания против прогрессирующего обрушения обеспечена, если для любого элемента соблюдается условие

где F и S - соответственно усилие в конструктивном элементе, найденное из выполненного статического расчета, и его расчетная несущая способность.

В случае обеспечения пластичной работы конструктивной системы в предельном состоянии проверку устойчивости против прогрессирующего обрушения элементов, расположенных над локальными разрушениями, рекомендуется проводить кинематическим методом теории предельного равновесия, дающим наиболее экономичное решение. В этом случае расчет здания при каждой выбранной схеме выполняется по следующей процедуре:

- задаются наиболее вероятные механизмы прогрессирующего обрушения элементов здания, потерявших опору (задать механизм разрушения значит определить все разрушаемые связи и найти возможные обобщенные перемещения (w_i ) по направлению усилий в этих связях);

- для каждого из выбранных механизмов прогрессирующего обрушения определяются предельные усилия, которые могут быть восприняты сечениями всех пластично разрушаемых элементов и связей (S_i ), в том числе и пластических шарниров; находятся равнодействующие (G_i ) внешних сил, приложенных к отдельным звеньям механизма, то есть к отдельным не разрушаемым элементам или их частям, и перемещения по направлению их действия (и_i );

- определяются работы внутренних сил (W) и внешних нагрузок (U) на возможных перемещениях рассматриваемого механизма

W = У S_i w_i ; U = У G_i и_i (2)

и проверяется условие равновесия

При оценке возможности одновременного обрушения конструкций всех этажей условия равновесия (3) заменяются условием

где W_f и U_f - соответственно работа внутренних и внешних сил на перемещениях конструкций одного этажа; этажи разделяются нижней поверхностью перекрытия, которое относится к этажу, расположенному над перекрытием.

Указанная расчетная процедура применима лишь при обеспечении пластичной работы отдельных конструктивных элементов и связей между ними в предельном состоянии. Если пластичность какого-либо элемента или связи не обеспечена, их работа учитываться не должна (элемент или связь считаются отсутствующими). Если таких элементов и связей, которые могут разрушаться хрупко, слишком много, и их формальное исключение слишком сильно уменьшает оценку сопротивления здания прогрессирующему обрушению, следует или обеспечить пластичность связей, или использовать другую расчетную модель здания.

Предложенная методика расчета кинематическим методом теории предельного равновесия крайне трудоёмка в применении на практике. При рассмотрении сложных вариантов объёмно-планировочных решений, наиболее опасную форму разрушения надо устанавливать перебором всех возможных вариантов схем локального разрушения.

Известно, что одним из постулатов в проектировании железобетонных конструкций является требование пластического разрушения изгибаемых элементов, внецентренно сжатых с большими эксцентриситетами и внецентренно растянутых элементов. В расчетах узлов различного назначения при более сложных видах напряженного состояния это требование является преимущественным [6].

В связи с этим возникает проблема регламентирования этого постпредельного состояния. Попытаемся проанализировать результаты перехода в это состояние. Возможны три варианта:

A. После катастрофы сооружение в целом или его часть превращается в груду обломков. Очевидно, что такое постпредельное состояние не обеспечивает безопасности людей.

B. После катастрофы сооружение в целом или его часть могут потерять устойчивость положения: опрокинуться, сместиться с опор, хрупко разрушиться, потерять устойчивость формы при сжатии или плоской формы изгиба. Последствия такого рода разрушений локально или глобально крайне опасны для людей.

C. После катастрофы происходят большие деформации, включая такие, когда металл достигает предела текучести в наиболее нагруженных сечениях, бетон железобетонных сечений достигает на диаграмме «у-е» нисходящей ветви и даже частично раздробляется. Однако взаимное положение элементов конструкции не претерпевает разрывов. В этом случае возникает реальная возможность того, что люди при такой катастрофе не пострадают.

В расчетах, ограничиваемых нормируемыми предельными состояниями, вариант практического интереса не представляет, поэтому поведение железобетонной конструкции в стадии пластического деформирования, а также - в стадии упрочнения мягких сталей изучено не достаточно подробно. Между тем, в работах, посвященных исследованию сооружений гражданской обороны, ещё до Второй мировой войны были разработаны методы расчета безопасных сооружений, которые при мощном взрыве, действии цунами или ином катастрофическом воздействии не ставят цель сохранения эксплуатационных качеств сооружения, а на основе варианта С обеспечивают сохранение жизни людям, оказавшимся в непосредственной близости к очагу катастрофы.

Основы таких расчетов заложены в работах Н. Н. Попова и Б. С. Расторгуева [7],[8],[9]. Они опираются на анализ диаграмм «у-е» для бетона и арматуры фактических и расчетных.

прогрессирующий обрушение конструктивный расчет

а) мягкая сталь; б) твердая сталь; с) сжатый бетон

Рисунок 3 - Диаграммы «у-е» для бетона и арматуры:

Основная идея этих решений состоит в том, что проектирование железобетонной конструкции в зависимости от назначения, характера воздействия и допускаемых последствий может весть с использованием одной из трех точек диаграммы «у-е»: А, В, С (рис 3.1.) С помощью этих диаграмм и дополнительных расчетных требований необходимо установление остаточной несущей способности конструкций.

Таким образом, при невозможности или экономической нецелесообразности сохранить здание (сооружение) в состоянии пригодности к нормальной эксплуатации появляется перспектива за счет реализации остаточной несущей способности в постпредельном состоянии сохранить жизни людей.

Решение этой проблемы применительно к строящимся и существующим зданиям требует разработки системы специальных конструктивных мероприятий и соответствующих методов расчета, обеспечивающих пространственное перераспределение усилий в несущей системе от разрушенных элементов.

Анализ, проведенный в данном направлении, показал, что основными причинами этого являются:

ѓ отсутствие нормативно-технической базы анализа и оценки риска;

ѓ усложнение технических систем и, как следствие, увеличение количества отказов;

ѓ упрощенный подход к безопасности при проектировании, реконструкции, что не соответствует современным требованиям;

ѓ неэффективная методика реагирования на чрезвычайные ситуации, сводящаяся в основном к ликвидации последствий, а не к профилактике и предупреждению;

ѓ увеличение числа особых динамических воздействий и т. п.

Исключить возможность возникновения процесса прогрессирующего обрушения невозможно. В настоящее время в отечественной нормативной базе нет однозначных рекомендаций и методик расчета для реализации расчета на прогрессирующее обрушение. Но также нужно отметить, что игнорирование проведения такого расчета может привести к полному разрушению несущих конструкций, а также здания в целом.

Список литературы

1. Перельмутер А.В. Избранные проблемы надежности и безопасности строительных конструкций./Научное издание. - М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2007. - 256 с.

2. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. - М., 2005 г.

3. Кудишин Ю.П. Живучесть конструкций в аварийных ситуациях//Металлические здания, 2008-№4-с.20-22

4. ГОСТ 27751-88 (СТ СЭВ 384-97). Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету. - М: Издательство стандартов, 1988. - 10с.

5. ДБН В.2.2-24-2009. Проектирование высотных жилых и общественных зданий.

6. Алмазов В.О. Пути и методы противодействия прогрессирующему разрушению высотных зданий // Глобальная безопасность. 2006, июнь. С. 46-49.

7. Расторгуев Б.С. Оценка живучести зданий и сооружений при особых воздействиях аварийного характера. // Сборник докладов н-т. конференций факультета ПГС. МГСУ, М., 2004

8. Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Расчет конструкций специальных сооружений. М., 1990 г.

9. Расторгуев Б.С. Обеспечение живучести зданий при особых динамических воздействиях // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2004, №4.

Размещено на Allbest.ru