Анализ работы железобетонных конструкций в запредельных состояниях



Статья посвящена анализу железобетонных конструкций в запредельных состояниях. Строительные конструкции часто подвергаются неожиданному экстремальному воздействию, которое может привести их к так называемому прогрессирующему обрушению. На сегодняшний день сформированы определенные подходы и методы оценки возможного прогрессирующего обрушения, способы защиты зданий и сооружений. Одним из методов повышения безопасности эксплуатации объекта может быть его обеспечение таким качеством, как живучесть. Расчет живучести железобетонных конструкций и конструктивных систем полностью вписывается в положения метода предельных состояний. В статье перечислены базовые стратегии снижения риска прогрессирующего обрушения, повышение живучести и снижение структурной уязвимости конструкции железобетонных зданий.

Ключевые слова: железобетонные конструкции, живучесть здания, структурная уязвимость, прогрессирующее обрушение, запредельные воздействия.

The article is devoted to the analysis of reinforced concrete structures in transcendent states. Building structures are often subjected to unexpected extreme impacts, which can lead to the so-called progressive collapse. To date, certain approaches and methods for assessing a possible progressive collapse, methods for protecting buildings and structures have been formed. One of the methods for improving the safety of the operation of an object can be its provision with such quality as survivability. The calculation of the survivability of reinforced concrete structures and structural systems is fully consistent with the provisions of the method of limit states. The article lists the basic strategies to reduce the risk of progressive collapse, increase the survivability and reduce the structural vulnerability of the design of reinforced concrete buildings.

Keywords: reinforced concrete structures, building vitality, structural vulnerability, progressive collapse, beyond design impacts.

Строительные конструкции часто подвергаются воздействию неожиданных экстремальных явлений, таких как взрыв газа, авария транспортного средства, теракт, пожар, случайная перегрузка, неправильное хранение опасных материалов, ошибки проектирования и строительства, обрушение фундамента [1]. Такие экстремальные нагрузки обычно вызывают локальные повреждения строительных конструкций, что может привести к непропорциональному обрушению или прогрессирующему обрушению конструкции. Поскольку прогрессирующее обрушение является событием с большими последствиями, необходимо оценить устойчивость к прогрессирующему обрушению и защитные характеристики основных зданий и инфраструктур.

Оценка неупругой реакции железобетонных (ЖБ) конструкций необходима для оценки прочности и повреждения конструкции при экстремальных нагрузках, таких как землетрясение, удар и взрыв. В последние годы прогнозирование больших деформаций железобетонных конструкций стало более практичным благодаря развитию современных численных алгоритмов и вычислительной мощности. В последние десятилетия осуществимость численных методов для прогнозирования нелинейного поведения железобетонных конструкций оценивалась с помощью многих тестовых кампаний, проведенных на стенах, колоннах и зданиях из железобетона

К настоящему времени сформированы определенные подходы и методы оценки возможного прогрессирующего обрушения, способы защиты зданий и сооружений [5]. Сформулирована общая методология снижения рисков прогрессирующих разрушений зданий и сооружений [4], основные положения которой следующие:

— предупреждение или полное исключение организационными методами возможности аварийного воздействия;

— уменьшение объёма разрушения объекта конструктивными методами;

— предотвращение прогрессирующего обрушения.

Одним из методов повышения безопасности эксплуатации объекта может быть его обеспечение таким качеством, как живучесть. В соответствии с действующими нормами расчет конструктивной безопасности и живучести железобетонных конструкций базируется на методе предельных состояний. Особенно важным при расчете живучести является учет возможных воздействий, не предусмотренных проектом.

Наиболее полным является определение понятия «живучесть» как свойства статически неопределимой конструктивной системы сопротивляться разрушению при отказе одного из ее наиболее нагруженных элементов, связанным с внезапным запроектным воздействием [2]. Уровень живучести железобетонных конструкций характеризуется количеством локальных разрушений конструктивной системы. В соответствии с действующими нормами расчет конструктивной безопасности и живучести железобетонных конструкций базируется на методе предельных состояний. Особенно важным при расчете живучести является учет возможных воздействий, не предусмотренных проектом.

Причинами отказа могут выступать как воздействия, не предусмотренные условиями нормальной эксплуатации конструкций (в том числе возникающие при чрезвычайных ситуациях), так и грубые человеческие ошибки. С введением в хозяйственный оборот новых технологических решений и увеличением объемом реконструкции неизбежен рост отмеченных и других видов запроектных воздействий. Поэтому для обеспечения снижения ущерба при возникновении запроектных воздействий важной задачей является разработка таких подходов к прогнозированию состояния эксплуатируемых железобетонных конструкций и зданий в целом, которые максимально обеспечат их безопасность.

При оценке живучести рассматривается возможность мгновенного удаления одного несущего элемента конструктивной системы здания. Эта ситуация возможна в результате аварийных взрывов, терактов, аварийных ударов, транспортных аварий. При рассмотрении данной расчетной ситуации необходимо отметить, что первоочередным в обеспечении живучести являются не технические и конструктивные мероприятия, а организационные, направленные на предотвращение указанных аварийных воздействий. Рассматривается выключение элемента, поврежденного коррозией. Такое предположение представляется маловероятным.

Так как коррозионные повреждения железобетонных конструкций развиваются во времени и легко диагностируются, а обязательным условием эксплуатации зданий и сооружений является установленная система технического обслуживания и ремонта. Это подтверждается опытом обследования железобетонных конструкций зданий и сооружений [6]. Уменьшить объемы прогрессирующего разрушения возможно за счет их локализации.

Каркас здания «разбивается» на отдельные объемы, выход разрушения за пределы которых исключен: в горизонтальном направлении здание разбивается деформационными швами, в вертикальном направлении устраиваются связевые этажи или мощные ригели междуэтажных перекрытий. Другим направлением уменьшения объема разрушения является введение в конструктивную схему дополнительных связей, так [7] рекомендует в несущих каркасах выполнять связи по наружным колоннам, вертикальные связи, контурные связи, внутренние связи.

Схема железобетонного каркаса многоэтажного здания (а) и фрагмента в окрестности выключенной колонны А-2 (б) представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема железобетонного каркаса многоэтажного здания (а) и фрагмента в окрестности выключенной колонны А-2 (б)

Живучесть здания возможно обеспечить, если для предотвращения прогрессирующего разрушения несущая способность всех элементов системы будет достаточной для восприятия начальных аварийных воздействий. Такое решение значительно увеличивает материалоёмкость конструктивного решения. Как показано в [3] армирование, требуемое для восприятия аварийного воздействия и приложенных нагрузок, превышает в 3…3,5 раза количество арматуры, требуемое для обеспечения несущей способности конструкций при проектных нагрузках. Таким образом, живучесть железобетонной конструкции следует рассматривать как свойство противостоять хрупкому разрушению.

Живучесть конструктивных систем можно определить, как способность системы противостоять прогрессирующему обрушению при аварийных нагрузках и воздействиях. Расчет живучести железобетонных конструкций и конструктивных систем полностью вписывается в положения метода предельных состояний. Расчет по первой группе предельных состояний должен обеспечить конструкцию от разрушения любого характера и с учетом в необходимых случаях деформированного состояния конструкции, а конструктивную систему — от локального и прогрессирующего обрушения. Схема нагружения фрагмента конструктивной системы представлена на рисунке 2 (а — расчетная схема; б, в — сечения ригеля; 6 — выключаемая стойка).

Рис. 2. Схема нагружения фрагмента конструктивной системы

а — расчетная схема; б, в — сечения ригеля; 6 — выключаемая стойка

Сопротивляемость конструктивной системы такому воздействию характеризует её живучесть и определяется особым предельным состоянием, превышение которого может приводить к дальнейшей структурной перестройке или разрушению конструктивной системы [8]. Исследования живучести стрежневых конструктивных систем с элементами, работающими при простейших напряженных состояниях, были рассмотрены в работах Г.А Гениева, В. И. Колчуновой и Н. В. Фёдоровой [6].

При проектировании здания, способного противостоять прогрессирующему обрушению, могут потребоваться аналитические подходы, которые не используются в обычном дизайне. Большинство строительных конструкций в той или иной степени подвержены прогрессирующему обрушению, развивающемуся из-за локальных повреждений. Подсчитано, что примерно 15–20 % обрушений зданий происходит именно в этом месте. Хотя все здания подвержены риску, некоторые свойства могут сделать здание особенно уязвимым для прогрессирующего разрушения. Некоторые из этих атрибутов присущи структурной системе здания. Другие определяются характером использования здания или наличием здания в совокупности с другими постройками.

Уязвимость определяется для зданий как степень потерь в результате опасности определенного уровня серьезности и зависит от снижения сопротивления и степени разрушения конструкций в результате постоянного воздействия факторов окружающей среды (например, сейсмических воздействий).

Возможно, наиболее важным фактором, способствующим структурной уязвимости, является отсутствие преемственности внутри системы и отсутствие пластичности в конструкционных материалах, элементах и соединениях. Во время землетрясения, например, верхняя и нижняя части колонны наиболее уязвимы для сдвигающих сил. Если эти силы велики, колонна может потерять большую часть своей прочности и наклониться под действием сейсмических и вертикальных нагрузок.

С другой стороны, избыточность (большое количество несущих стен и более короткие пролеты) в таких системах может до некоторой степени компенсировать снижение пластичности. Плоские плиты и плоские конструкции могут быть уязвимы для соединений колонны/плиты, которые можно решить путем тщательного проектирования. Несущие неармированные каменные стены плохо противостоят конструктивным воздействиям, не подвергающимся сжатию.

Подводя итог вышесказанному, можно резюмировать следующее: инженеры и другие члены проектной группы должны определить, какие опасные события и повреждения сценарии для рассмотрения и каковы приемлемые вероятности и последствия.

Базовые стратегии снижения риска прогрессирующего обрушения должны быть нацелены на три основных уровня:

— предотвращение возникновение преднамеренных аномальных нагрузок социальными или политическими средствами;

— для предотвращения возникновения локального значительного структурного повреждения, которое может привести к прогрессирующему обрушению;

— предотвратить разрушение структурной системы и гибель людей из-за структурного проектирования, разделения, развития альтернативных путей загрузки, альтернативных выходов и других активных и пассивных мер.

Литература:

1. Ветрова О. А. Экспериментальные исследования деформативности бетонных балок, армированных композитной арматурой //Известия Юго-Западного государственного университета. — 2020. — Т. 24. — №. 1. — С. 103–114.
2. Меркулов С. И. О развитии теории конструктивной безопасности эксплуатируемых зданий и сооружений // РААСН. Вестник отделения строительных наук. 2014. № 18. С. 43–46.
3. Feng F. F. et al. Multilinear model for progressive collapse response of reinforced concrete frames under penultimate column removal scenario //Journal of Building Engineering. — 2022. — Т. 47. — С. 103850.
4. Lim, H.-K.; Kang, J.W.; Pak, H.; Chi, H.-S.; Lee, Y.-G.; Kim, J. Seismic Response of a Three-Dimensional Asymmetric Multi-Storey Reinforced Concrete Structure. Appl. Sci. 2018, 8, 479. https://doi.org/10.3390/app8040479
5. Клюева Н. В., Кореньков П. А. Методика экспериментального определения параметров живучести железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 2. С. 44–48.
6. Федорова Н. В., Кореньков П. А., Ву Н. Т. Методика экспериментальных исследований деформирования монолитных железобетонных каркасов зданий при аварийных воздействиях. // Строительство и реконструкция. 2018. № 4 (78). С. 42–52
7. Колчунов В. И., Осовских Е. В., Филатова С. А. Способ экспериментального определения динамических догружений в рамно-стержневых конструктивных системах и устройстве, реализующее его. экспериментальное определение динамической дополнительной нагрузки в каркасно-стержневых конструктивных системах и устройство, реализующее это]. Патент на изобретение RU 2622496 С от 15.06.2017. Заявка № 2016128903 от 15.07.2016.
8. Алкади С. А., Осовских О. Е., Федорова Н. В. Расчет деформирования железобетонных пространственных каркасов с элементами составных сечений // В сборнике: Серия конференций ИОП: Материаловедение и инженерия. Новосибирск, 2018. С. 012033.