*112144*
Д.т.н. Кудерин
М.К., магистрант Жауханов Ф.Б.
Павлодарский
государственный университет им. С. Торайгырова, Казахстан
В данной статье рассматривается поведение
железобетонных конструкций при воздействии динамических нагрузок от
прогрессирующих обрушений.
Ключевые слова: прогрессирующие обрушения,
аварийные ситуации, ударные, взрывные и импульсивные нагрузки
Введение. В последние годы все
более возрастает интерес гражданских инженеров к проблеме сопротивления
железобетонных конструкций к высокоинтенсивным кратковременным динамическим
воздействиям от прогрессирующих обрушений. Рассматриваются варианты, когда
защита зданий в аварийных ситуациях в первую очередь должна быть ориентирована
не на недопущение разрушений, а на обеспечение безопасности людей и возможности
их эвакуации, на реализацию необходимого для этого запаса времени и.т.п.[1].
Чрезвычайные ситуации, вызванные запроектными источниками, в общем случае,
непредсказуемы и сводятся к локальным аварийным воздействиям на конструкции
здания. При этом в одних случаях ЧС этими первоначальными повреждениями
исчерпываются, а в других - несущие конструкции, сохранившиеся в первый момент
аварии, не выдерживают дополнительной нагрузки, ранее воспринимавшейся
поврежденными элементами, и тоже разрушаются. Начинается цепная реакция,
разрушающая здание целиком или непропорционально большой его части. Аварии
последнего типа получили в литературе наименование «прогрессирующее обрушение»[2].
В настоящее время отсутствует общепринятый
научно обоснованный подход или практика проектирования зданий и сооружений,
сохраняющих структурную целостность при различных вариантах расчетных нагрузок
и аварийных воздействий. Не разработаны аналитические методы определения
начальных повреждений и прогнозирования вероятности последующего
прогрессирующего обрушения сооружения из-за предполагаемых аварийных
воздействий. Невозможно использовать численные методы расчета МКЭ ввиду
отсутствия подробных знаний поведения конструкций при прогрессирующем
обрушении, а также достаточного опыта построения структурных комплексных
моделей и интерпретации результатов вычислений. Необходимы разработки по
развитию усовершенствованной методики оценки уязвимости конструктивных систем и
их совершенствования для смягчения прогрессирующего обрушения при различных
вариантах опасности [3]. Инженеры нуждаются в простых методах проектирования и
расчетов, способных предотвратить потенциальную опасность прогрессирующего
обрушения зданий. Большое внимание исследователи уделяют изучению поведения
бетона, арматуры и железобетона при быстрых нагружениях. Эта проблема является
общей при расчете как на ударные, так и на импульсивные воздействия, чем и
объясняется повышенный интерес к ней [4]. Основная цель проводимых
экспериментальных исследований – получение данных для разработки математических
моделей используемых затем в расчетах конструкций численными методами.
Взрывные и ударные нагрузки, характеризующиеся
большой интенсивностью и малой продолжительностью, относятся к кратковременным
динамическим нагрузкам. Для обычных гражданских и промышленных сооружений,
специально не предназначенных для их восприятия, эти нагрузки являются
случайными аварийными воздействиями, однократно действующими на конструкцию.
При действии этих нагрузок к конструкциям таких сооружений предъявляется только
одно требование: конструкции должны выдержать нагрузку, не вызвав обрушение
сооружения. Поэтому, в этих случаях в таких сооружениях могут быть допущены
значительные остаточные деформации несущих конструкций и даже локальные
разрушения одного или несколько из них, но не приводящие к обрушению сооружений
или части его [8]. Разрушение одной или нескольких элементов несущей системы
может привести к перегрузке других оставшихся элементов этой системы. Это может
стать причиной обрушения целого сооружения. В таких случаях для обеспечения
сохранности здания от обрушения требуется обеспечить несущую способность
оставшихся элементов несущей системы и сохранить его общую устойчивость даже
при выключенных отдельных элементах. К настоящему времени достаточно полно
разработаны методы динамического расчета отдельных несущих элементов зданий на
действие кратковременных нагрузок во всех стадиях работы [9,10,11].
Параллельно с экспериментальными исследованиями
проводятся теоретическое изучение вопроса в поиске математических зависимостей,
описывающих движения конструкций сооружений, испытывающих такого рода
периодические динамические воздействия. К этому же времени в результате
исследований, были получены зависимости для определения необходимых для расчета
параметров взрывных волн (интенсивность, продолжительность действия, скорость
распространения и т.д.). Это способствовало в значительной мере развитию теории
расчета конструкций сооружений на действие взрывных волн [8,14].
Прогрессирующее обрушение.
Большинство зарубежных стандартов строительного проектирования учитывают
возможность возникновения и потенциальные последствия прогрессирующего
обрушения от аварийных воздействий. Однако сегодня отсутствуют единые
общепринятые термины по этой проблеме. Наиболее четкое определение дано в
стандарте ASCE 7-02 как «распространение начального локального повреждения в
виде цепной реакции от элемента к элементу, которое, в конечном счете, приводит
к обрушению всего сооружения или непропорционально большой его части» [6].
Стандартом также определено, что сооружения должны быть разработаны так, «чтобы
конструктивная система в целом оставалась устойчивой и не поврежденной в
степени, непропорциональной первоначальному местному воздействию». Причиной
разрушения может быть любая из множества аварийных ситуаций, которые не
рассматриваются в обычном проектировании. В то же время землетрясения, пожары,
сильные ветры, на которые производятся расчёты зданий и сооружений в
соответствии со строительными нормами, также не должны приводить к
прогрессирующему обрушению.
В примечаниях к ASCE 7-02
указано, «что специально разработанные для всего сооружения защитные
мероприятия по предотвращению общего обрушения при аварийных воздействиях,
действующих непосредственно на часть сооружения, обычно не оптимальны. Однако
конструкции должны быть разработаны так, чтобы ограничивать эффект местного
разрушения и предотвращать или минимизировать прогрессирующее обрушение».
Сооружения должны проектироваться, возводиться и эксплуатироваться так, чтобы
ущерб, возникающий как следствие аварийных событий, не достигал размеров,
несоизмеримо больших, чем последствия изначального локального повреждения
[4,6].
Источники ЧС можно разделить на 2 группы:
природные и техногенные.
Природные источники ЧС включают в себя:
- сейсмические воздействия;
- опасные метеорологические явления;
- образование карстовых
воронок и провалов в основаниях
зданий.
- взрывы снаружи или внутри зданий (бытовой газ,
взрывоопасные газовые смеси и жидкости, бомбы и другие взрывные устройства);
- пожары;
- транспортные аварии (ДТП, авиакатастрофы,
падения кранов);
- локальный перегруз конструкций;
- ошибки в проектах;
- ошибки при изготовлении и монтаже;
- дефекты материалов;
- неправильная эксплуатация зданий (в том числе
их инженерного оборудования);
- накопление повреждений вследствие различных
факторов, таких как коррозия металла и бетона, химическое воздействие на бетон,
вибрации от транспортных потоков и. т. п;
- небрежность, некомпетентность, а иногда и
случаи вандализма жильцов здания (в частности, самовольная перепланировка квартир
с ослаблением несущих конструкций).
Указанные в приведенном перечне источники ЧС, по
аналогии с классификацией взрывов на производстве, можно разделить на проектные
и запроектные [10]. Защита зданий при ЧС, вызванных проектными источниками,
определяется соответствующими СНиП. Защита зданий при ЧС, вызванных
запроектными источниками, требует специального анализа.
Основные положения:
1. Конструктивная система здания должна быть
защищена от прогрессирующего обрушения в случае локального разрушения ее несущих
конструкций при аварийных воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной
эксплуатации здания (взрывы, пожары, ударные воздействия транспортных средств и
т.п.).
Это требование означает, что в случае аварийных
воздействий допускаются локальные разрушения несущих конструкций, но эти
первичные разрушения не должны приводить к обрушению или разрушению
конструкций, на которые передается нагрузка, ранее воспринимавшаяся элементами,
поврежденными аварийным воздействием.
Конструктивная система здания должна
обеспечивать его прочность и устойчивость в случае локального разрушения
несущих конструкций, как минимум, на время, необходимое для эвакуации людей.
Здания, имеющие несущие элементы, невозможно
защитить от прогрессирующего обрушения конструктивными мероприятиями. Это
ключевые элементы каркаса, в первую очередь колонны, и для повышения
устойчивости здания против прогрессирующего обрушения при ЧС следует
резервировать для этих элементов дополнительную прочность [4,7].
2. При проектировании (защите) зданий от прогрессирующего обрушения следует
выделять два типа неповрежденных конструктивных элементов:
- в элементах первого типа воздействия локальных
разрушений не вызывают качественного изменения напряженного состояния, а
приводят лишь к увеличению напряжений и усилий;
- в элементах второго типа (к ним относятся
конструкции, потерявшие первоначальные опоры -
расположенные над локальным разрушением) в рассматриваемом состоянии здания
качественно меняется напряженное состояние.
Обеспечение устойчивости этих конструкций,
которая зависит как от прочности самих «зависших» элементов, так и от прочности
их связей между собой и с неповрежденными конструкциями, - основная задача защиты зданий от
прогрессирующего обрушения.
3. Устойчивость здания против прогрессирующего
обрушения следует обеспечивать наиболее экономичными средствами, не требующими
значительного повышения материалоемкости элементов конструкции:
- рациональным конструктивно-планировочным
решением здания с учетом возможности возникновения рассматриваемой аварийной
ситуации;
- конструктивными мерами, обеспечивающими
неразрезность конструкций;
- применением материалов и конструктивных
решений, обеспечивающих развитие в элементах конструкций и их соединениях
пластических деформаций.
4. Реконструкция здания (в частности,
перепланировка квартир с устройством новых проемов), не должна снижать
устойчивость здания против прогрессирующего обрушения.
Заключение
Для конструкций различных систем зданий основные
рекомендации сводятся к следующему:
- не отказываясь в принципе от профилактических
мер, направленных на предупреждение локальных ЧС или возникающих при них
аварийных воздействий, самое серьезное внимание следует уделить предупреждению
прогрессирующего обрушения. Это вызвано, во-первых, тем, что никакими экономически
оправданными мерами невозможно полностью исключить возможность локальных
разрушений несущих конструкций зданий.
Во-вторых, тем, что прогрессирующее обрушение ведет к наиболее тяжелым
последствиям. В-третьих, тем, что при сравнительно небольших местных
разрушениях несущих конструкций зданий обеспечение их устойчивости против
прогрессирующего обрушения позволяет предотвратить эти последствия и защита
может быть достигнута простыми и не дорогостоящими техническими средствами;
- основной принцип предотвращения
прогрессирующего обрушения - повышение неразрезности конструктивной системы
здания посредством совершенствования стыков и связей между конструктивными
элементами;
- отмечается качественное сходство рекомендуемых
мер защиты от прогрессирующего обрушения с апробированными конструктивными
антисейсмическими мероприятиями. Приводятся многочисленные примеры
сейсмостойких зданий, локальные разрушения которых не привели к
прогрессирующему обрушению, благодаря соответствующей сейсмозащите.
1. Рекомендации по
предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий. М., 1999.
2. Рекомендации по
защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях. М., 2002.
3. Рекомендации по
защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2005.
4. Рекомендации по
защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М., 2006.
5. МДС 20-2.2008.
Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных сооружений
от лавинообразного обрушения. / ФГУП «НИЦ «Строительство». — М.: ОАО «ЦПП»,
2008. — 16 с.
6.
ASCE 7-02. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, 2002
edition. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 2002.
7.
СНиП II-7-81*. Строительство
в
сейсмических
районах. М.,
1990.
8. Гвоздев А.А. К расчету
конструкций на действие взрывной волны // Строительная промышленность, 1943, Ля
1-2. - С.18-21.
9. Расторгуев Б.С. Прочность железобетонных конструкций
зданий взрывоопасных производств и специальных сооружений, подверженных
кратковременным динамическим воздействиям: Дисс. докт. техн. наук. - М, 1987. -
360 с. 84. Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных
ситуациях. // Москомархитектура. -М: ГУП "НИАЦ " , 2002, 20с.
10. Лужин 0.В, Исследование работы купольных защитных
конструкций на действие динамических нагрузок, как в пределах упругости
деформации, так и за их пределами, - М.: ВИА, 1962.
11. Расторгуев Б.С. Динамика железобетонных плит при
взрывных нагрузках,// Аварии и Катастрофы. Предупреждение и ликвидация
последствии ,том 6. М: издательство Ассоциации строительных ВУзов, 2003, с.
343-365.