И.Н. ТИХОНОВ, М.М.КОЗЕЛКОВ, кандидаты техн. наук, А.Р.ДЕМИДОВ, инж. (НИИЖБ), К проектированию зданий из железобетона с учетом защиты от прогрессирующего обрушения

Здания из монолитного и сборного железобетона должны быть защищены от прогрессирующего обрушения в случае локального разрушения несущих конструкций в результате возникновения аварийных чрезвычайных ситуаций [1].

Устойчивость здания против прогрессирующего обрушения должна проверяться расчетом и обеспечиваться конструктивными мерами, способствующими развитию в несущих конструкциях пластических деформаций при предельных нагрузках.

Расчет устойчивости здания необходимо производить на особое сочетание нагрузок, включающее постоянные и длительные нагрузки при наиболее опасной схеме локального разрушения. Таковой в каркасных зданиях является разрушение (удаление) колонн (пилонов) либо колонн (пилонов) с примыкающими к ним участками стен, расположенных на одном (любом) этаже на площади локального разрушения.

Постоянные и временные длительные нагрузки следует принимать с коэффициентами сочетаний нагрузок и коэффициентами надежности по нагрузкам, равными единице. Величины деформаций и ширина раскрытия трещин в конструкциях не регламентируются.

Расчётные прочностные и деформативные характеристики материалов принимаются равными их нормативным значениям согласно действующим нормам проектирования железобетонных конструкций.

Для расчета зданий при прогрессирующем обрушении следует использовать пространственную расчетную модель. В ней могут учитываться элементы, являющиеся ненесущими в обычных условиях (наружные стены, ограждения балконов и т.п.), которые в случае прогрессирующего обрушения могут воспринимать аварийные нагрузки и активно участвовать в перераспределении усилий в элементах конструктивной системы.

Расчет здания предпочтительно выполнять с использованием программных комплексов, допускающих возможность учета физической и геометрической нелинейности жесткостных характеристик элементов, что обеспечивает наибольшую достоверность расчета и снижение дополнительных материалозатрат.

Принимая во внимание перечисленные выше допущения к расчету зданий при прогрессирующем обрушении, следует предположить, что эти допущения могут при определенных обстоятельствах обеспечить положительные результаты расчета при отсутствии или минимальном увеличении расхода материалов (бетона и арматуры).

Для оценки критических величин габаритных размеров сетки колонн каркасных зданий из монолитного железобетона были выполнены статические расчеты и расчеты на прогрессирующее обрушение 3-, 10- и 17- этажных зданий с регулярной структурой сетки колонн и безригельным плитным перекрытием. Расчеты выполнялись с использованием возможностей программного комплекса “Лира 9.2.


Принятая очередность расчета:

-статический расчет здания в упругой постановке по расчетным нагрузкам и сопротивлениям материалов для 1 и 2 групп предельного состояния. Жесткостные характеристики материалов-условные, принятые одинаковыми отдельно для перекрытий и колонн;

-определение армирования перекрытий по стати- ческомурасчегу, корректировка пролетных и опорных зон армирования плиты перекрытия по максимальным пролетным моментам и принципу его непрерывности и симметричности в растянутых и сжатых зонах с сохранением расчетного армирования надопорных зон;

-внесение изменений в жесткостные характеристики материалов, учитывающих принятое армирование;

-изменение типа конечных элементов расчетной модели на геометрически и физически нелинейные;

-введение трехлинейных диаграмм деформирования для бетона и двухлинейной диаграммы для арматуры согласно СП 52-101-2003;

-введение откорректированных расчетных сопротивлений материалов с их увеличением путем умножения на коэффициенты динамического упрочнения (коэффициенты условий работы);

-снижение нагрузки на перекрытие до величин постоянной и длительной нагрузки с коэффициентами сочетания и надежности равными единице;

-удаление одной колонны нижнего этажа и перерасчет здания с новыми условиями итерационным методом;

-оценка результатов расчета.

Колонны были приняты сечением 400x400 мм, толщина перекрытия 200 мм, арматура класса прочности 500 МПа, класс бетона В25. Суммарная величина принятой при статических расчетах равномерно распределенной нагрузки составила 1100 кг/м2, дополнительной полосовой нагрузки 1300 кг/п.м.

Характерные схемы нагружения, принятые в выполненных расчетах, и его результаты частично приведены в таблице. Графическое отображение схем нагружения представлено на рис.1.

В результате выполненных расчетов получены данные, которые могут служить ориентиром для оценки эффективности и экономической целесообразности принятых на стадии предпроектных разработок объемно-планировочных решений каркасных зданий, проектируемых с учетом исключения прогрессирующего обрушения.

Превышение размеров сеток колонн, приведенных в таблице, может создать условия для потери устойчивости здания от прогрессирующего обрушения. При этом предотвращение обрушения потребует значительного увеличения расхода бетона и арматуры, а также усложнения проектных решений армирования конструкций и их узловых соединений.



3. Предполагается образование пластического шарнира на опоре с возможностью перераспределения части опорного момента в пролёт. Учитывая отсутствие ограничений по второму предельному состоянию (прогибам, трещинообразованию и раскрытию трещин), выравниваются опорный и пролётный моменты.

4. По полученной и h0 (см. п. 1), с использованием формулы (8), определяется армирование в зоне максимальных опорных моментов. Нижняя арматура принимается равной надопорной.

5. Вносятся изменения в жесткостные характеристики материалов расчётной модели, учитывающие армирование, принятое в п. 4.

6. Типы конечных элементов расчётной модели принимаются геометрически и физически нелинейными.

7. Вводятся трехлинейная диаграмма деформирования для бетона и двухлинейная диаграмма для арматуры, согласно СП 52-101-2003 при es2 = ?s2 = 0,05.

8. Производится перерасчёт здания итерационным методом со снижением нагрузки на перекрытие до величин постоянной и длительной нагрузки с коэффициентами сочетания и надежности, равными единице, и удалением одной колонны нижнего этажа.



9. Проверяется принятое армирование перекрытий по СП 52-101-2003 по двум группам предельных состояний с восстановлением удалённой колонны первого этажа и использованием нелинейной модели.

В результате расчёта зданий с увеличенными (относительно данных таблицы) размерами сеток колонн получены оптимальные высота и армирование перекрытия, обеспечивающие его устойчивость при разрушении средней колонны первого этажа. Предлагаемая методика расчёта позволяет обеспечить снижение расхода арматуры до 20 % относительно того, что получается по общепринятой в проектировании методике расчёта с учётом рекомендаций по защите зданий от прогрессирующего обрушения [1].

К главным конструктивным требованиям для защиты здания от прогрессирующего обрушения относится эффективная работа арматуры. Эта эффективность в монолитных зданиях обеспечивается пластичностью работы арматуры в предельном состоянии, большими абсолютными деформациями без разрыва при высокой прочности сцепления ее анкерующих участков. В сборных и сборно-монолитных зданиях особое внимание следует уделять анкеровке закладных деталей и сварным соединениям, которые рекомендуется рассчитывать на усилие, в 1,5 раза большее, чем несущая способность самой связи, выполняемой из пластичной листовой или арматурной стали и объединяющей отдельные несущие элементы здания в цепочку последовательно соединенных элементов — анкер закладной детали, закладная деталь, собственно связь, закладная деталь второго элемента и ее анкер.

Расчётом здания серии ПЗМ МНИИТЭП на устойчивость против прогрессирующего обрушения по кинематическому методу предельного равновесия показано, чтс хрупкое разрушение (вырыв анкеров закладных деталей из бетона) связей между конструктивными элементами (колоннами, перекрытиями, панелями внутренних и наружных стен),используемыми практически во всех типовых сериях панельных и каркаснопанельных зданий из железобетона для восприятия монтажных нагрузок и активно включающихся в работу при прогрессирующем обрушении, наступает при нагрузке в 1.7 раза меньше нагрузки, при которой разрушаются сварные швы и реализуется пластичность пластин связующих закладные детали конструктивных элементов [6]. Так как по СП 52-101-2003 расчётная длина анкеров закладных деталей увеличивается примерно на 26%, для обеспечения надёжности анкеров- ки при проектировании в расчётах следует учесть и этот фактор [7]. Если к сказанному прибавить то, что анкера закладных деталей зачастую изготовляют из высокоуглеродистой, плохо свариваемой арматурной стали класса А-ll (А-300) и А-Ill (А-400) марки Ст5 и 35ГС, то можно сделать вывод о высокой опасности этих узловых соединений.

Для выполнения указанных эксплуатационных требований более всего подходит для применения разработанная в НИИЖБе арматура класса А500СП с эффективным, так называемым четырехсторонним серповидным арматурным профилем [7]. Арматура этого вида имеет показатели прочности сцепления с бетоном более высокие, чем у других массово выпускаемых металлургической промышленностью видов - кольцевого, производимого по ГОСТ 5781, и двухстороннего серповидного (европейского) по СТО АСЧМ 7-93.

Производство арматуры класса А500СП освоено на Западно-Сибирском металлургическом комбинате по ТУ 14-1-5526-2006, ее применение в железобетонных конструкциях регламентируется СТО 36554501- 005-2006 [8]. Использование в ответственных зданиях арматуры класса А500СП позволит обеспечить их высокую эксплуатационную надежность при значительном экономическом эффекте.

Бетон и железобетон, 2006 №6