А В ЗАБЕГАЕВ, А ГТАМРАЗЯН, доктора техн.наук, профессора, В.А.ЛЮБЛИНСКИЙ канд.техн. наук, Р.ГАРУТЮНЯН, инж. (МГСУ), Безопасность восстанавливаемых зданий с изменяющейся конструктивной схемой несущих систем и физической нелинейностью материала
В процессе эксплуатации зданий и сооружений происходит достаточно интенсивное старение конструкций и связей между ними за счет усталости, коррозионного износа, накоплении повреждений. Возможны повреждения отдельных конструкций и всей несущей системы вследствие террористических актов, землетрясений, аварий, осадок оснований и других не менее существенных причин. Часть зданий и сооружений достигает своего срока службы при появлении воздействий, непредусмотренных условиями нормальной эксплуатации. Важным вопросом становится определение допустимых сроков дальнейшей эксплуатации объекта в условиях приемлемого риска. Приостановка функционирования объекта или его дальнейшая эксплуатация зависит от значительного количества информации на всех стадиях проектирования, возведения, эксплуатации и реконструкции здания или сооружения.
Теоретически и практически широко освещены вопросы проектирования несущих систем зданий и сооружений, технологии монтажа, организации работ и т.д. Разборка получивших повреждение и физически непригодных к дальнейшей эксплуатации зданий и сооружений является сложной и актуальной задачей. Взрывные работы по уничтожению несущих систем носят ограниченный характер в силу плотности городской застройки, возможности дальнейшего использования отдельных элементов. Прямой демонтаж несущих систем, особенно многоэтажных зданий вызывает существенные трудности технологического, организационного характера, не проработаны вопросы обеспечения прочности, устойчивости здания, вопросы безопасности проведения работ.
Обычно в несущей системе здания при достаточно длительном сроке эксплуатации происходит распределение и перераспределение усилий в несущих элементах (принимая во внимание деформации ползучести, усадки, нелинейное деформирование конструкционных материалов и прочие факторы). Это является основанием для разборки конструкций восстанавливаемых зданий в обратном монтажу порядке - снятием плит покрытий и перекрытий, ограждающих конструкций, что на наш взгляд является недостаточно аргументированным.
Для обеспечения безопасности жизнедеятельности населения, снижения материального ущерба актуальным является разработка методики расчета, оценки и прогнозирования поведения и состояния зданий и сооружений при демонтаже.
В качестве примера можно привести вариант увеличения сейсмостойкости 9-ти этажных жилых зданий серии 111 путем демонтажа 3-х верхних этажей. Основные размеры в плане 18 х 18 м, шаг колонн- 6м в обоих направлениях. Каркас состоит из сборных железобетонных рам в поперечном направлении, связанными между собой продольными сборными железобетонными связями. Колонны - трехъярусные, с сечением 40 х 40см.
Рассмотрим возможность демонтажа двух секций девятиэтажнг,го жилого дома 125 серии. Конструктивная схема здания - поперечно-стеновая. Наружное стеновое ограждение - самонесущие стеновые панели. Общая длина здания 51,2 м, ширина - 12м, общая высота до верха парапетной плиты — 26,5м. Несущие вертикальные панели приняты толщиной 160мм из бетона класса В20.
Вследствие осадок основания обследуемое здание получило значительные перемещения вдоль продольной и поперечной осей до 30см.
Основой информационной модели здания служила дискретно - континуальная модель несущей системы [1]. Математически поведение здания описывается системой
Вводя исходные параметры по жесткости, нагрузкам, режимам загружения, учитывая крен фундаментов, дополнительные нагрузки от продольного изгиба элементов можно достаточно точно спрогнозировать поведение несущей системы при демонтаже той или иной конструкции.
Физическая нелинейность материала, обладающего упругостью, вязкими несовершенствами, а также элементами сухого трения, описывается моделью бетона
Переход из одной стадии деформирования в другую происходит путем включения в работу или выключения из работы элемента сухого трения как только напряжения в нем из-за накопления повреждений достигнет величины (±Су) предела текучести. При этом
Нелинейность вязкого элемента выражается в изменении параметра вязкости г| в зависимости от уровня напряжения, времени загружения и водоцементного отношения.
Физическая нелинейность на стадии деформирования ст (() > сту (при выходе из работы элемента сухого трения) происходит вследствие взаимодействия жидко-газовой фазы структуры бетона с образовавшимися трещинами и выражается в повышении внутренней относительной влажности, которая способствует адсорбированию влаги из капилляров на поверхность трещины. Наличие жидкой прослойки приводит к уменьшению параметра вязкости и соответственно в 5 раз увеличивает молекулярную составляющую расклинивающего давления в данном сечении [4].
В данном случае развивается подход с использованием кинетических уравнений накопления повреждений (5] на основе деформационного критерия поврежденности и структурно-реологической модели тела.
Для учета процесса накопления повреждений вводится критерий поврежденности в виде
Расчет пространственной несущей системы многоэтажного здания серии 125 выявил следующее:
- несущая система спроектирована таким образом, что распределение а затем и перераспределение происходит с поперечных элементов на единственную продольную несущую стену. Некоторые элементы этой стены загружаются нормальными усилиями, составляющими до 35 - 40% от исходной продольной нагрузки. Нормальные усилия возникают вследствие работы связей сдвига, объединяющих вертикальные элементы в единую пространственную систему;
- наличие широкого шага поперечных стен (6,4м) наряду с шагом 3,2м приводит к значительно большому уровню напряжений в близ лежащих вертикальных несущих элементов;
- центр жесткостей здания не совпадает с центром масс. Эксцентриситет составляет 1,54м, что приводит к появлению кручения, не смотря на отсутствие замкнутых контуров при горизонтальной нагрузке.
- Демонтаж наиболее напряженного вертикального элемен та здания приводит к перераспределению усилий в несущей системе здания для наиболее напряженного элемента. Последовательный поиск напряженных элементов, их удаление не приводит к последовательному снижению усилий в несущей системе. В ряде случаев происходит скачкообразное увеличение усилий до 46%, что может привести к потери прочности и устойчивости всей демонтируемой несущей системы.
Можно предположить, что локальная зона возможного разрушения здания при демонтаже находится именно в местах увеличения усилий. При полном или частичном обрушении конструкций может произойти прогрессирующее обрушение соседних элементов, как, например, это произошло в г. Ванадзоре. Спустя 7-8 месяцев после Спитакскогс землетрясения внезапно обрушились несколько 5-и этажных жилых домов серии А-451 и ряд построек и подпорных стенок. Эта возможность определяется дальнейшим расчетом путем исключения опасного элемента из расчетной системы и передачи части несущей нагрузки на соседние элементы.
При расчете в запредельном состоянии, когда при отказах меняется проектная конструкция здания, решающую роль будет играть конструктивная нелинейность, учитывающая видоизменение конструктивной схемы здания при разгружении: снижение жесткостей, увеличение податливости связей сдвига. А при реконструкции - замене поврежденных элементов связей, при различной степени поврежденное элементов конструкций - физическая нелинейность материала.
Такая схема совместного учета физической нелинейности материала и конструктавной схемы несущих систем позволяет повысить безопасность восстановления и надежность реконструируемых зданий и сооружений.
Численное моделирование поведения несущей системы здания с применением дискрета-континуальной модели позволило произвести анализ работы многоэтажного здания и отследить возникновение и развитие ситуаций, связанных с риском обрушения демонтируемого здания.
Бетон и железобетон, 2000 №1