сравнительный анализ результатов расчетов зданий различной

ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТОВ ЗДАНИЙ
РАЗЛИЧНОЙ ЭТАЖНОСТИ НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ
И ВЕТРОВЫЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ И УСТОЙЧИВОСТЬ
К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ
ПОПОВ Н.А., канд. техн. наук, зав. лаб. надежности сооружений,
КИКОШ Е.А., ст. научный сотрудник лаб. надежности сооружений
ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство»
1. Введение
В действующей системе отечественных нормативных документов в строительстве
отсутствуют детальные требования и правила учета аварийных воздействий. Однако
в соответствии с требованиями п. 6 статьи 16 «Технического регламента о безопасности
зданий и сооружений» № 384-ФЗ от 30 декабря 2009 г. при проектировании здания или
сооружения повышенного уровня ответственности должна быть учтена аварийная расчетная ситуация, имеющая малую вероятность возникновения и небольшую продолжительность, но являющаяся важной с точки зрения последствий достижения предельных
состояний, которые могут возникнуть при этой ситуации (в том числе предельных состояний при ситуации, возникающей в связи со взрывом, столкновением, с аварией,
пожаром, а также непосредственно после отказа одной из несущих строительных конструкций). Кроме того, в соответствии с п. 5.2.6 ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» для зданий и сооружений
класса КС-3 (повышенный уровень ответственности), а также зданий и сооружений
класса КС-2 (нормальный уровень ответственности) с массовым нахождением людей
должен быть произведен расчет на устойчивость к прогрессирующему обрушению.
Под прогрессирующим (лавинообразным) обрушением понимается последовательное
(цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению
всего сооружения или его частей вследствие начального локального повреждения [1].
В свою очередь, локальное разрушение – потеря несущей способности отдельного конструктивного элемента.
В настоящее время ведется подготовка к разработке Свода правил «Аварийные воздействия», в ходе которой стал актуальным вопрос о целесообразности проведения расчетов на устойчивость к прогрессирующему обрушению, вызванному отказом несущего
элемента, для зданий, запроектированных для восприятия сейсмических воздействий.
2. Описание принятых расчетных моделей
В качестве исходной принята расчетная модель высотного офисного здания, запроектированного для строительства в условиях 2-ого ветрового района и сейсмичности
площадки строительства 6 баллов. Здание высотой 126 м имеет близкую к круглой
форму в плане с поперечным размером 46 м. Здание имеет 2 подземных этажа, фунда1
ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
мент запроектирован в виде сплошной железобетонной плиты. Несущие конструкции
здания – монолитные железобетонные. Конструктивная система представляет собой
связевой каркас, несущими элементами которого являются стены ядра жесткости, колонны и диски перекрытий, которые при совместной работе обеспечивают геометрическую неизменяемость, устойчивость и восприятие вертикальных и горизонтальных
нагрузок. Наружные стены подвала запроектированы толщиной 400 мм из бетона класса В25, внутренние несущие стены здания – толщиной 400 мм из бетона класса В30
и В25, стены диафрагм жесткости – толщиной 600 мм из бетона класса В30 и В25. Колонны диаметром 1000 мм из бетона класса В40, В30 и В25. Плиты перекрытия плоские толщиной 220 мм из бетона класса В30 и В25. Предусмотрено снижение класса
прочности бетона несущих вертикальных железобетонных элементов по высоте здания.
План типового этажа и характерный разрез здания представлены на рисунках 2.1 и 2.2
соответственно.
Рисунок 2.1 – План типового этажа
Рисунок 2.2 – Поперечный разрез
Путем редактирования из исходной получены 2 дополнительные расчетные модели
высотой 53 м и 230 м. Все три расчетные модели представлены на рис.2.3.
Для каждой расчетной модели заданы значения средней и пульсационной составляющих ветровой нагрузки для второго и седьмого ветровых районов в соответствии
2
ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
с рекомендациями по назначению расчетных ветровых нагрузок, действующих на
ограждающие конструкции зданий, выполненными в Лаборатории надежности сооружений (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко). Сейсмические воздействия учтены интенсивностью 6, 7, 8 и 9 баллов в соответствии с СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах». При проведении расчетов принята наиболее опасная ориентация
сейсмического воздействия, реализующая максимум динамической реакции и определенная по результатам специального расчета.
Рисунок 2.3 – Расчетные модели здания высотой 53 м, 126 м и 230 м
3. Методика расчета несущих конструкций здания
на устойчивость против прогрессирующего обрушения
Расчеты несущих конструкций здания на устойчивость против прогрессирующего
обрушения выполнены в соответствии с [5] или [6] в зависимости от высоты расчетной модели.
Конструктивная система здания в случае локального разрушения ее несущих конструкций при аварийных воздействиях, не предусмотренных условиями нормальной
эксплуатации зданий (взрывы, пожары, ударные воздействия транспортных средств
и т.п.), должна быть защищена от прогрессирующего обрушения и должна обеспечивать его прочность и устойчивость, как минимум, на время, необходимое для эвакуации
людей. Т.к. развитие неупругих деформаций, перемещения конструкций и раскрытие
в них трещин для рассматриваемой аварийной ситуации не ограничиваются, расчеты
моделей здания произведены только по предельным состояниям первой группы.
3
ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
Расчеты несущих конструкций здания против прогрессирующего обрушения выполнены на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающее постоянные и временные длительные нагрузки, а также одно из гипотетических аварийных воздействий
на несущие конструкции здания. Постоянная и временная длительная нагрузки приняты в соответствии с требованиями [2] с коэффициентами сочетания нагрузок и коэффициентами надежности по нагрузкам, равными единице. Расчетные прочностные и деформационные характеристики материалов приняты равными их нормативным
значениям в соответствии с [3]. В качестве гипотетического аварийного воздействия
рассмотрено несколько вариантов удаления в пределах одного этажа одной колонны
для расчетных моделей высотой 53 м и 126 м и удаление трех колонн для расчетной
модели высотой 230 м. Из просчитанных вариантов для каждой из трех расчетных моделей выбраны наихудшие, результаты которых и включены в данный доклад.
Все расчеты выполнены на основе метода конечных элементов с использованием
программного комплекса ПК STARK ES (разработчик – ООО «ЕВРОСОФТ»,
г. Москва, сертификат соответствия выдан ООО ЦСПС, РОСС RU.СП15.Н00676 от
28.02.2014).
4. Результаты расчетов
Для сопоставления результатов расчетов были выбраны колонны диаметром 1 м,
расположенные в верхней части здания (класс бетона В 25, класс арматуры А500), для
которых было определено требуемое армирование. На представленных рисунках 4.1–
4.3 изображены графики армирования колонн для трех типов расчета – на основное сочетание нагрузок, на особое сочетание нагрузок с учетом сейсмического воздействия
и на особое сочетание нагрузок с учетом аварийного воздействия.
Рисунок 4.1 – Требуемое армирование колонн для здания высотой 53 метра
4
ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
Рисунок 4.2 – Требуемое армирование колонн для здания высотой 126 метров
Рисунок 4.3 – Требуемое армирование колонн для здания высотой 230 м
5
ПРИМЕНЕНИЕ САПР, РАСЧЕТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЗДАНИЙ (СООРУЖЕНИЙ)
В результате проведенных исследований выявлено, что для зданий малой и средней
этажности аварийное воздействие ощутимо превышает не только максимальное ветровое воздействие (7-ой ветровой район), но и сейсмические воздействия интенсивностью
6, 7 и 8 баллов. С увеличением высоты здания до 100-120 м ветровое воздействие превышает аварийное, а сейсмическое воздействие интенсивностью 6 баллов и аварийное
воздействие приводят к возникновению близких по величине усилий в несущих элементах. Дальнейшее увеличение этажности здания приводит к тому, что даже минимальные из рассматриваемых ветровых (2-ой ветровой район) и сейсмических (интенсивность 6 баллов) воздействий существенно превышают аварийное воздействие. Это
объясняется тем, что с увеличением высоты здания возрастают действующие на него
ветровые нагрузки и генерируемые конструкцией здания при землетрясении сейсмические силы, в то время как аварийное воздействие, связанное с отказом несущего элемента, носит примерно одинаковый характер в соответствии с рекомендациями по расчету на устойчивость к прогрессирующему обрушению.
Обобщая полученные результаты, очевидно, что прописанное в некоторых рекомендациях по учету аварийных воздействий утверждение об отсутствии необходимости
расчета здания на устойчивость к прогрессирующему обрушению, если оно запроектировано на расчетную сейсмику 6 баллов, является спорным, и целесообразность такого
расчета напрямую зависит от конструктивного решения здания и, в особенности, от его
этажности. Т.о. данный вопрос требует более детальной проработки, в том числе с учетом нелинейной работы конструкции.
Список использованной литературы
1.
ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. М., 2014.
2.
СП 20.13330.2011 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.0785*. М., 2011.
3.
СП 63.13330.2012 Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003. М., 2012.
4.
СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция
СНиП II-7-81*. М., 2014.
5.
Рекомендации по защите жилых монолитных зданий от прогрессирующего обрушения. М.:
Правительство Москвы. Москомархитектура., 2005.
6.
Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М.: Правительство Москвы. Москомархитектура., 2006.
6