Моделирование напряженного состояния колонн и связей экспериментального здания от прогрессирующего обрушения расчетными методами

Подшивалов И.И. Моделирование напряженного состояния колонн и связей экспериментального здания от прогрессирующего обрушения расчетными методами // Вестник Томского государственного архитектурностроительного университета. 2025. Т. 27. № 4. С. 109–119. DOI: 10.31675/1607-1859-2025-27-4-109-119. EDN: IHTTVI

Сборно-монолитное исполнение каркаса позволяет максимально эффективно использовать преимущества монолитного и сборного домостроения [1]. Одним из главных достоинств монолитных конструкций является возможность строительства зданий практически любой формы. В свою очередь, основным преимуществом сборных конструкций выступает возможность устройства стен и перекрытий заводского изготовления. В сборно-монолитном домостроении наблюдается, с одной стороны, завышенная оценка эффективности конструктивных решений [2], а с другой – существует недостаточная экспериментальная база данных для объективного анализа несущей способности, жесткости и трещиностойкости конструкций [3].

Применение монолитного ребристого перекрытия по сравнению с плоским позволяет получить конструкцию с более высокой несущей способностью, жесткостью и трещиностойкостью, а также приводит к уменьшению расхода бетона и арматуры [4]. Однако в жилых зданиях, из-за малой высоты помещений, устройство ригелей нежелательно [5].

В исследовании [6] предложен сборно-монолитный каркас здания повышенной этажности, в котором пространственная устойчивость обеспечивается арматурным соединением и замоноличиванием сборных панелей-рам, монолитных участков ригелей и дисков сборных плит перекрытий. Для защиты от прогрессирующего обрушения предусмотрено расчленение каркаса на отдельные фрагменты с шарнирным соединением между собой.

Живучесть, по определению проф. В.Д. Райзера [7], – это свойство конструкций сохранять при аварийных воздействиях способность к выполнению основных функций, не допуская лавинообразного (каскадного) разрушения. Здание следует проектировать таким образом, чтобы в случае разрушения какого-либо элемента весь объект или его наиболее ответственная часть сохраняли работоспособность в течение времени, достаточного для принятия срочных мер [8].

В настоящее время для повышения безопасности зданий и сооружений, и тем самым сохранения жизни людей, стало необходимым учитывать запроектные нагрузки [9, 10, 11, 12]. Расширился перечень зданий, подлежащих расчету от прогрессирующего обрушения (1) до уровня ответственности КС-2. Устойчивость от прогрессирующего обрушения проверяется расчетом на особое сочетание нагрузок, включающее постоянные и временные длительные нагрузки [13]. В случае локального разрушения отдельных элементов, конструктивная система должна обладать способностью перераспределять усилия между сохранившимися конструкциями. Расчет от прогрессирующего обрушения выполняется при использовании пространственных расчетных моделей [14]. За расчетные характеристики материалов принимаются их нормативные значения. Устойчивость здания к прогрессирующему обрушению обеспечивается рассмотрением различных сценариев исключения несущих элементов. При необходимости проектируются дополнительные связевые элементы или повышается локальная несущая способность элементов конструкции.

1 СП 385.1325800.2018. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения.

Учет динамического эффекта при удалении колонны на заданный временной интервал может быть выполнен пошаговым способом путем увеличения силы РZ в узле конечно-элементной модели до значения, равного усилию в удаленной колонне при статическом нагружении [15]. Затем происходит мгновенное снятие этой силы, что вызывает появление собственных колебаний и динамический эффект [16].

Параметры прогрессирующего обрушения определяются путем учета нагрузки от выключенного из работы конструктивного элемента, реакция от которого может приниматься следующим образом: мгновенное удаление выключаемого конструктивного элемента в первичной расчетной схеме (ПРС) моделируется внутренними усилиями, прикладываемыми во вторичной расчетной схеме (ВРС) с обратным знаком – коэффициент моделирования усилий К = 1, что соответствует максимально невыгодному условию при динамическом коэффициенте Кд = 2 (например, продольная сила, возникающая в выключенной колонне, прикладывается в верхний узел и направлена сверху вниз). По этим параметрам выполняется расчет от прогрессирующего обрушения квазистатическим методом.

Как известно, в теории предельного равновесия отдельный элемент в конструкции не может разрушиться, может разрушиться вся конструкция. При расчете кинематическим методом теории предельного равновесия в ВРС рассматривается состояние конструктивной системы в момент удаления колонны, когда реакция (продольная сила и два изгибающих момента) прикладывается с противоположным знаком. При расчете стержневых элементов вводятся две опции – задание многомерных элементных шарниров и определение несущей способности конструктивных элементов по предельным поверхностям. Далее выполняется расчет по типу квазистатического.

При динамическом расчете в ВРС выключается какой-либо конструктивный элемент, реакция от выключенного элемента принимается с измененным знаком с коэффициентом моделирования усилий К = 1. Нагружение расчетной модели производится в три этапа (2).

1. Перед выключением из работы конструктивного элемента, для получения корректного квазистатического напряженно-деформированного состояния конструкции, приложение нагрузки от выключенной из работы колонны производится линейно от 0 до 100 % на протяжении 15 с (примерно два периода собственных колебаний).

2. Выключение конструктивного элемента из работы происходит за 0,01 с при основном периоде собственных колебаний колонны 0,1 с.

3. Расчет с удаленным конструктивным элементом в динамической постановке выполняется в течение следующих 25 с (общий интервал времени 40 с).

(2) Методическое пособие. Проектирование мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Москва, 2018. С. 156.

Результатом динамического расчета является определение максимумов динамического воздействия во временной области от выключенного из работы элемента, по типу воздействия являющегося особым, на которое выполняется конструктивный расчет элементов каркаса.

Рассматриваемое экспериментальное пятиэтажное двухподъездное здание с подвалом прямоугольной формы в плане имеет размеры по осям 43,34x12 м, запроектировано для строительства в Кемеровской области. Высота здания составляет 18,65 м. По уровню ответственности здание относится к классу КС-2 как экспериментальное, подлежит расчету от прогрессирующего обрушения.

Конструктивная схема здания представляет собой сборно-монолитный безригельный каркас, который состоит из сборных железобетонных колонн сечением 400x400 мм и жестких дисков перекрытий толщиной 160 мм. Объединение колонн в единую пространственную систему выполняется за счет жесткого соединения сборных панелей перекрытий с колоннами через сварку закладных деталей. Дополнительная жесткость обеспечивается за счет соединения сборных панелей перекрытий петлевыми арматурными выпусками по периметру панелей с последующим замоноличиванием всех стыковых соединений.

По заданной конструктивной схеме здания была разработана расчетная модель в программном комплексе Ing+2021 MicroFe. Плоскостные элементы моделировались конечным элементом типа «плоский прямоугольный элемент оболочки», колонны и связи – конечным элементом типа «стержень». Расчетная модель здания приведена на рис. 1.

Расчет каркаса здания от прогрессирующего обрушения в ВРС выполнялся тремя методами:

– квазистатическим методом;

– кинематическим методом теории предельного равновесия;

– динамическим методом.

При расчете от прогрессирующего обрушения квазистатическим методом при выключении средней колонны в подвале были получены изополя продольных усилий и предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса (рис. 2). Анализ данных показывает, что наибольшие продольные усилия возникли в оставшихся средних колоннах подвала, достигнув значения Nmax = –1403,6 кН. При заданном армировании максимальное значение коэффициента использования предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса составило Киспmax = 0,694 ˂ 1, что обозначает отсутствие пластических шарниров в рассматриваемых элементах.

Расчет от прогрессирующего обрушения выполнен кинематическим методом теории предельного равновесия при выключении средней колонны в подвале. Изополя продольных усилий и предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса приведены на рис. 3. Как видно из результатов, наибольшие продольные усилия, аналогично предыдущему случаю, возникли в оставшихся средних колоннах подвала и составили Nmax = –1432,7 кН. Максимальное значение коэффициента использования предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса равно Киспmax = 0,739 ˂ 1, что также указывает на отсутствие пластических шарниров в элементах конструкции.

При расчете от прогрессирующего обрушения динамическим методом при выключении средней колонны в подвале были получены изополя продольных усилий и предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса (рис. 4). Рисунок демонстрирует, что наибольшие продольные усилия в оставшихся средних колоннах подвала увеличились, по сравнению с предыдущими случаями, и составили Nmax = –1901,2 кН. Максимальное значение коэффициента использования предельной нагрузки в колоннах и связях каркаса также возросло и достигло Кисп max = 0,739 ˂ 1, что означает отсутствие пластических шарниров в этих элементах.

В качестве пояснений к динамическому расчету (рис. 5) показано задание коэффициентов динамических параметров от статической нагрузки и от реакции удаленной колонны в подвале. Коэффициент К = 1 обозначает принятие полной величины нагрузки. График изменения динамической реакции от удаленной колонны подвала приведен на рис. 6. Из данных графика следует, что наибольшее значение продольного усилия в колонне первого этажа, вызванного удалением колонны подвала, составляет Min = –1640 кН, что хорошо коррелируется со значениями продольного усилия в колонне первого этажа над удаленной колонной подвала (см. рис. 4, а).

Выводы

Полученные результаты показали невозможность прогрессирующего обрушения каркаса при удалении средней колонны в подвале экспериментального здания.

В заключение можно отметить, что при сравнении результатов расчета от прогрессирующего обрушения, выполненных квазистатическим методом, кинематическим методом теории предельного равновесия и динамическим методом, была получена сходимость результатов по предельной нагрузке в колоннах и связях в пределах 15 %. При этом квазистатический и кинематический методы дают нижнее значение по предельной нагрузке в колоннах и связях каркаса, а динамический метод демонстрирует верхнее значение.

Таким образом, неиспользование динамического метода расчета может привести к результату с заниженными значениями предельной нагрузки в колоннах и связях сборно-монолитного железобетонного каркаса экспериментального здания системы КУБ 2.5.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Унифицированная система сборно-монолитного каркаса КУБ 2.5. Выпуск 1-1. Москва : Стройиздат, 1990. 49 с.

2. Митасов В.М., Коянкин А.А. Работа диска сборно-монолитного перекрытия // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2014. № 3. С. 103–104.

3. Коянкин А.А., Митасов В.М. Каркас сборно-монолитного здания и особенности его работы на разных жизненных циклах // Вестник МГСУ. 2015. № 9. С. 28–35.

4. Маковский С.А., Новиков М.В., Маковская Т.А. Конечно-элементный анализ напряженнодеформированного состояния монолитного перекрестно-ребристого перекрытия // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2017. № 2. С. 91–96. DOI: 10.17213/0321-2653-2017-2-91-96. EDN: YTPOIJ

5. Яров В.А., Скрипальщиков К.В. Безригельные монолитные перекрытия многоэтажных зданий с колоннами крестового сечения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2009. № 2. С. 97–91.

6. Клюева Н.В., Колчунов В.И., Рыпаков Д.А., Бухтиярова А.С. Прочность и деформативность сборно-монолитных каркасов жилых зданий пониженной материалоемкости при запроектных воздействиях // Промышленное и гражданское строительство. 2015. № 1. С. 5–9.

7. Райзер В.Д. К проблеме живучести зданий и сооружений // Строительная механика и расчет сооружений. 2012. № 5. С. 77–78.

8. Краснощеков Ю.В., Мельникова С.О., Екимов А.А. Живучесть многоэтажного здания со связевым каркасом // Вестник СибАДИ. 2016. Вып. 2 (48). С. 100–104.

9. Травуш В.И., Колчунов В.И., Леонтьев Е.В. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения в рамках законодательных и нормативных требований // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 2. С. 46–54. DOI: 10.33622/0869-7019.2019. 02.46-54. EDN: YXLQNV

10. Кодыш Э.Н. Проектирование защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения с учетом возникновения особого предельного состояния // Промышленное и гражданское строительство. 2018. № 10. С. 95–101.

11. Алмазов В.О., Кхой Као Зуй. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов. Москва : Изд-во АСВ, 2013. 128 с.

12. Ведяков И.И., Ефремов П.Г., Одесский П.Д., Попов Н.А., Соловьев Д.В. Расчет строительных конструкций на прогрессирующее обрушение: нормативные требования // Промышленное и гражданское строительство. 2019. № 4. С. 16–24. DOI: 10.33622/08697019.2019.04.16-24. EDN: ZIJLAD

13. Кодыш Э.Н., Трекин Н.Н., Чесноков Д.А. Защита многоэтажных зданий от прогрессирующего обрушения // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 6. С. 9–13.

14. Кабанцев О.В., Тамразян А.Г. Учет изменений расчетной схемы при анализе работы конструкции // Инженерно-строительный журнал. 2014. № 5. С. 15–26. DOI: 10.5862/MCE. 49.2. EDN: SKHSAV

15. Кравченко Г.М., Труфанова Е.В., Цуриков С.Г., Лукьянов В.И. Расчет железобетонного каркаса здания с учетом аварийного воздействия во временной области // Инженерный вестник Дона. 2015. № 2.

16. Подшивалов И.И. Анализ результатов моделирования напряженного состояния колонн и связей экспериментального здания от прогрессирующего обрушения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2022. Т. 24. № 3. С. 180–190. DOI: 10.31675/1607-1859-2022-24-3-180-190. EDN: JQGQZE