Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Анализ состояния проблемы и задачи исследования 13
1.1. Анализ конструктивных систем монолитных высотных зданий с переходными этажами 13
1.2 Анализ конструктивной безопасности зданий и сооружений при аварийных воздействиях с учетом огневого фактора 15
1.3. Анализ основных методов расчета на устойчивость от прогрессирующего обрушения 20
1.4. Анализ международных норм для проектирования здания и сооружений от прогрессирующего обрушения .27
1.5. Анализ экспериментальных исследований железобетонных конструкций при огневом воздействии 37
1.6. Выводы по главе I 48
ГЛАВА II. Проведение экспериментальных исследований изгибаемых железобетонных элементов в условиях высоких температур при динамических воздействиях 50
2.1. Методика экспериментальных исследований динамического поведения изгибаемых элементов железобетонных конструкций при огневых воздействиях 50
2.1.1. Программа проведения эксперимента 50
2.1.2. Цели и задачи экспериментального исследования 52
2.1.3. Методика проведения эксперимента 54
2.1.4. Описание опытных образцов. Механические свойства бетона и арматуры 55
2.2. Изменение прочностных и деформативных свойств бетона при огневых воздействиях 59
2.3. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 60
2.3.1. Результаты испытания кубиковой и призменной прочности бетона в обычных условиях и после огневых воздействий при разных температурах 60
2.3.2. Влияния огневых воздействий на прочностные и деформативные свойства арматуры 66
2.3.3. Анализ результатов экспериментальных исследований поведения железобетонных балок при статических нагружениях 68
2.3.4. Анализ результатов экспериментальных исследований железобетонных балок при однократных динамических нагружениях 75
2.4. Изменение коэффициента динамического упрочнения бетонных и железобетонных образцов при огневых воздействиях 84
2.5. Выводы по главе II .91
ГЛАВА III. Разработка методики расчета конструктивной безопасности монолитных высотных зданий с переходными этажами при аварийных воздействиях 92
3.1. Динамический расчет монолитных высотных зданий с переходными этажами в нелинейной постановке при выходе из строя колонны 92
3.1.1. Основные предпосылки и определения характеристик конструкций 93
3.1.1.1. Учет физической и геометрической нелинейности 93
3.1.1.2. Деформационные и прочностные характеристики железобетона 96
3.1.1.3 Нормирование предельных состояний конструкций 99
3.2. Аналитический нелинейный расчет многоэтажных каркасов на внезапно приложенную нагрузку 106
3.3. Влияние переходных этажей на общую устойчивость многоэтажных зданий 112
3.4. Выполнение нелинейных динамических расчетов в SAP 2000 версии 14.2 122
3.4.1. Достоверность расчетов, выполняемых в SAP 2000 131
3.5. Выводы по главе III 133
ГЛАВА IV. Численные примеры расчета конструктивной безопасности железобетонного многоэтажного каркасного здания при огневых воздействиях 134
4.1. Динамический расчет монолитных многоэтажных каркасов на устойчивость к прогрессирующему обрушению в нелинейной постановке 136
4.1.1. Динамический расчет монолитного 45-этажного каркаса с применением SAP 2000 версии 14.2. 136
4.1.2. Исследование динамических предельных моментов ригелей переходных этажей в 45-этажном здании 139
4.1.3. Расчет монолитных многоэтажных каркасов на устойчивость к прогрессирующему обрушению в нелинейной постановке с помощью программы SAP 2000 v14.2. с учетом огневых воздействий 150
4.1.4. Расчет многоэтажного каркасного здания с переходными этажами в нелинейной постановке 166
4.2. Определение шага переходных этажей по высоте здания в зависимости от риска прогрессирующего обрушения 169
4.3. Учет влияния времени локального повреждения при расчете зданий на прогрессирующее обрушение 175
Основные результаты и выводы 182
Список литературы
- Анализ основных методов расчета на устойчивость от прогрессирующего обрушения
- Изменение прочностных и деформативных свойств бетона при огневых воздействиях
- Основные предпосылки и определения характеристик конструкций
- Расчет монолитных многоэтажных каркасов на устойчивость к прогрессирующему обрушению в нелинейной постановке с помощью программы SAP 2000 v14.2. с учетом огневых воздействий
Анализ основных методов расчета на устойчивость от прогрессирующего обрушения
Актуальность темы диссертации. В настоящее время задача конструктивной безопасности многоэтажных каркасных зданий является актуальной, потому что необходимо обеспечить, в первую очередь, безопасность человека и уменьшить потенциальный ущерб при аварийных воздействиях.
Возникает объективная необходимость обеспечения конструктивной безопасности многоэтажных зданий и сооружений при аварийных воздействиях, в данном случае при огневых воздействиях. Воздействие на многоэтажное здание повышенной температуры значительно влияет на напряженно-деформированное состояние несущей системы и оказывает воздействие даже на далеко расположенные от очага воздействия участки. С изменением при огневом воздействии прочностных и деформативных свойств конструкций происходит перераспределение усилий во всех элементах несущей системы. Изменения прочностных и деформативных свойств бетона и арматуры даются не только для нагретого состояния при пожаре, но и после огневого воздействия, когда конструкции охладели до обычной температуры.
Конструктивная безопасность представляет собой устойчивость зданий при аварийных ситуациях, в том числе от прогрессирующего обрушения. Для защиты зданий в таких случаях необходимо предотвратить разрушение отдельных несущих строительных конструкций или их частей.
Одна из важнейших задач устойчивости зданий и сооружений является разработка методов расчета, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным воздействиям. Анализ возможных последствий (разрушение, изменение физико-механических характеристик) дает информацию для проектирования более стойких конструкций, нахождения экономичных решений, повышения их безопасности, усиления уже поврежденных зданий и сооружений. Вместе с тем реальные условия деформирования конструкций при аварийных воздействиях очень сложные. Аварийная нагрузка, помимо особенностей воздействия, зависит и от динамических характеристик зданий и сооружений.
Задача исследования динамического процесса в многоэтажных железобетонных каркасах при локальных повреждениях в условиях огневых воздействий имеет важное значение при проектировании экономичных и надежных зданий и сооружений.
Обеспечение конструктивной безопасности многоэтажных зданий проверяется при расчете конструкций на прогрессирующее обрушение. Под термином прогрессирующее разрушение (обрушение) понимается распространение начального локального разрушения, приводящее конструкцию к полному разрушению или разрушению ее большей части.
Такой тип обрушения зданий может сопровождаться серьезными экономическими последствиями, если вовремя не проведены мероприятия по своевременному предотвращению или минимизации разрушения несущих конструкций. В настоящее время вопросы предотвращения прогрессирующего обрушения многоэтажных гражданских зданий приобретают все большее значение, в первую очередь, чтобы обеспечить безопасность граждан.
Устойчивость здания к прогрессирующему обрушению проверяется расчетом последствий воздействия гипотетических локальных обрушений несущих конструкций.
Такой расчёт позволяет оценить стойкость к прогрессирующему обрушению при выходе из строя какой-либо несущей конструкции. Как правило, причиной локального обрушения являются непредвиденные обстоятельства, выходящие за рамки общепринятых условий эксплуатации сооружения и вызывающие сверхнормативные воздействия и нагрузки на конструкции. При этом динамическая составляющая нагрузок на конструктивные элементы зданий закладывается без учета огневых воздействий на железобетон, что не позволяет правильно учесть локальные обрушения, вызванные пожаром.
Основным опасным фактором пожара, который может явиться причиной обрушения, а также повреждения строительных конструкций и зданий в целом, является быстрое повышение температуры в очаге пожара. В этом случае и возникают условия, резко отличающиеся от условий обычной эксплуатации объекта.
Для традиционных строительных материалов и конструкций такое высокотемпературное воздействие является экстремальным, приводящим к быстрой утрате их несущей способности.
Конструктивная безопасность монолитных высотных зданий обеспечивается при наличии переходных этажей (установка жестких этажей по высоте здания), так как при этом уменьшаются усилия, возникающие в конструкции здания после потери какого-либо несущего элемента. Переходные этажи существенно уменьшают действие усилия, изгибающего момента и поперечных сил, возникающих при этом, сохраняя прочность и целостность каркаса здания и предотвращая аварийные воздействия при выходе из строя какой-либо конструкции.
Для уменьшения риска возникновения прогрессирующего обрушения обычно применяются следующие меры: увеличение прочности отдельных элементов здания (ключевых), общей структурной целостности, пластичности, неразрезности, а также усиление сооружения дополнительными связями. Меры, направленные на защиту сооружений, также рассматриваются, как вариант предотвращения прогрессирующего обрушения. Хорошие результаты дает проведение расчетов здания при гипотетическом удалении отдельных несущих элементов. В данном случае просчитываются все возможные локальные повреждения, представляющие опасность.
Изменение прочностных и деформативных свойств бетона при огневых воздействиях
Конструктивные системы высотных зданий Конструктивная система представляет собой взаимосвязанную совокупность вертикальных и горизонтальных несущих конструкций здания, которые совместно обеспечивают его прочность, жесткость и устойчивость.
Проектирование высотных зданий является сложной задачей из-за необходимости обеспечения их прочности и жесткости при действии различных аварийных и природных (сейсмических и ветровых) воздействий.
В смешанных конструктивных системах пространственная жесткость здания обеспечивается с помощью элементов переходных этажей (жестких этажей). Использованные переходных этажей дает большую жесткость и увеличивает сопротивляемость при горизонтальных и вертикальных нагрузках, потому такие конструкции рекомендуются при строительстве высотных зданий.
Здания с переходными этажами
Многоэтажные здания в вертикальном направлении разделяются на ряд функциональных частей. На нижних этажах обычно располагается холл, торговые и офисные помещения. Верхние этажи чаще используются как жилые помещения. При этом функциональные зоны должны быть связаны вертикальными коммуникациями. На рис. 1.1 показаны некоторые схемы зданий с переходными этажами.
Принято, что через каждые 15–20 этажей высотной системы здание разделяется одним переходным этажом в виде сплошной конструкции: ферма, крестовые связи (рис.1.1 а), решетчатая балка (рис.1.1 б) и т. д. Такие переходные этажи разграничивают жесткость здания по высоте, при этом каждая часть здания между этими этажами работает самостоятельно. Если внутри таких отсеков происходит локальное обрушение, то обрушения или деформации конструкций ниже и выше этого отсека не распространяются [140].
Переходные этажи в основном используются в виде технических этажей, занятых под оборудование.
Использование конструкций с переходными этажами позволяет сэкономить строительные материалы, а также придает зданию большую устойчивость при ЧС [142]. Элементы переходных (жестких) этажей
Основными элементами переходных этажей являются переходные балки, переходные конструкции с раскосами, раскосные фермы, безраскосные фермы, переходные конструкции с плоскими балками, сплошная балка, решетчатая балка с раскосами, решетчатая балка с вертикальными стойками и т.п.
Переходные балки часто применяются в различных проектах. Они воспринимают большие изгибающие моменты и поперечные силы. При использовании в качестве жестких элементов переходных балок изгибающие моменты и поперечные силы ограничиваются до уровня их установки.
Раскосы используют для более рационального способа передачи усилий на низлежащие колонны: переходные балки непосредственно передают нагрузки на колонны нижнего этажа.
При этом происходит уменьшение концентрации напряжений, что способствует повышению стойкости здании при динамических воздействиях.
При использовании переходных балок и раскосов в виде переходных этажей изгибающие моменты и поперечные силы, вызванные нагрузками верхних этажей, значительно уменьшаются.
Современные многоэтажные каркасные здания являются конструктивными системами, состоящими из большого количества элементов и узлов их сопряжений, на которые может воздействовать множество внешних и внутренних факторов.
В практике мирового строительства аварии в многоэтажных зданиях с железобетонным каркасом составляют от 10 до 20% общего количества аварий.
Многолетний опыт изучения аварий показывает, что их причиной, как правило, являются несколько дефектов или нарушений, каждое из которых в отдельности в большинстве случаев не вызвало бы аварии. Поэтому при анализе их причин приходится выявлять наиболее грубые нарушения требований нормативных документов при выполнении проектно-изыскательских и строительно-монтажных работ, производстве строительных материалов, конструкций и изделий. Нередко эти нарушения усугубляются несоблюдением норм и правил технической эксплуатации зданий и сооружений [1].
При проектировании зданий зачастую недостаточно учитываются расчетные схемы конструктивных систем, характеристики материалов, возможные нагрузки и перегрузки, а также другие факторы, возникающие на стадии, предшествующей началу работы конструкций.
Проведенный анализ позволил выявить непосредственные причины возможных аварий:
1. Непринятие в расчет отличия схем конструктивных систем в стадии монтажа от принимаемых схем для стадии эксплуатации. Кроме незамоноличенных узлов сопряжений (их обычно учитывают), часто отсутствует жесткий диск перекрытия, позволяющий перераспределять усилия. При порывах ветра происходит колебание отдельных конструкций, например, колонн и ригелей с плитами в начале нового монтажного яруса. Происходит также кручение ригелей с односторонним нагружением от плит, передающих, кроме нагрузки от собственного веса, еще и монтажную нагрузку.
2. Частое нарушение требования сразу после установки закреплять сборные железобетонные элементы. Они могут упасть из-за случайного зацепления краном, удара другой конструкцией при монтаже и т. д. Следует в проектах давать четкие указания о способах крепления (постоянного или временного), которое должно воспринимать возникающие нагрузки. Предусмотренное проектом работ временное или постоянное закрепление должно производиться немедленно.
Основные предпосылки и определения характеристик конструкций
Изучение поведения железобетонных конструкций при кратковременном высокотемпературном воздействии пожара проводится в нашей стране с 50-х годов прошлого столетия. Экспериментальными и теоретическими исследованиями занимались Бушев В.П. [6], Голованов В.И. [10,11], Гусев А.А. [17], Жуков В.В. [23], Ильин Н.И. [26,27], Милованов А.Ф. [47–49], Мурашев В.И. [50], Панюков Э.Ф. [52], Пчелинцев А.В. [60], Соломонов В.В. [75], Тамразян А.Г. [91–95] Федоров B.C. [100,101], Хасанов И.Р. [102], Яковлев А.И. [106,107], и др. Среди зарубежных источников известны работы Мальхотры Н. Л. (Великобритания) [128], Ли Т.Т. и Абрамса М.С. (США) [127] и др. Основные работы посвящены изучению огнестойкости строительных конструкций зданий и сооружений. За предел огнестойкости строительных конструкций по такому признаку, как потеря несущей способности, принимается время в минутах от начала их «стандартного» огневого испытания до возникновения предельного состояния (обрушения или прогиба, в зависимости от типа конструкции) при эксплуатационной нагрузке [59].
Пределы огнестойкости конструкций могут быть определены экспериментально и аналитически. Аналитический метод расчета огнестойкости железобетонных конструкций состоит из решения двух задач – статической и теплотехнической. Решение статической задачи сводится к определению несущей способности конструкции в условиях кратковременного нагрева от эксплуатационного усилия, при котором происходит разрушение конструкции. Разрушение железобетонной конструкции зависит не только от свойств бетона и арматуры, но и от вида конструкции. Так, например, колонны переармированные – их изгибаемые элементы имеют хрупкое разрушение по сжатому бетону, поэтому за потерю несущей способности этих железобетонных конструкций принимается полное разрушение в условиях пожара. Изгибаемые, растянутые, внецентренно нагруженные с большим эксцентриситетом железобетонные элементы характеризуются развитием больших необратимых деформаций арматуры и бетона, в результате которых конструкция выходит из строя по деформациям еще до того, как наступит ее полное обрушение.
Решение теплотехнической задачи позволяет определить время нагрева бетона и арматуры до критических температур, которые характеризуются наступлением предела огнестойкости. Следует отметить, что существующие строительные нормы определяют только предел огнестойкости железобетонной конструкции во время ее нагрева. Такой критерий оценки несущих конструкций дает возможность лишь обеспечить требуемый предел огнестойкости, установленный при проектировании зданий и сооружений. Несомненно, это является важным условием для повышения пожарной безопасности зданий, но не исчерпывающим. Для зданий и сооружений, относящихся к I и II степеням ответственности по назначению, необходимо и экономически целесообразно при проектировании предусмотреть не только обеспечение требуемого предела огнестойкости, но и сохранность основных несущих строительных конструкций (колонн, стен, перекрытий) после пожара. Кроме того, при низкой прочности или большой деформативности после пожара одного из элементов несущей конструкции замена его новым элементом может потребовать больших затрат на реконструкцию. Во многих случаях замена одного элемента конструкции может оказаться технически трудно осуществимой задачей, а иногда даже невозможной, т. к. потребует дополнительной разборки или замены целой секции. Это особенно актуально для подземных железобетонных сооружений (гаражей, торговых центров, тоннелей), а также для военных фортификационных сооружений, когда реконструкция объектов ведется в сложных стесненных условиях [48].
Следовательно, критерий предела огнестойкости, характеризующий время от начала огневого воздействия до полного разрушения конструкции, не позволяет обеспечить сохранность железобетонных конструкций после пожара. Для таких сооружений необходимы дополнительные указания о значении остаточной прочности и деформациях железобетонных конструкций после пожара. При выполнении поверочных расчетов следует выявить максимальную продолжительность нагрева, после которой значения необратимой потери прочности и остаточных деформаций остывшего элемента не превысят допустимых пределов. По предложению ученых Гвоздева А.А., Михайлова В.В. и Мурашева В.И. необратимое снижение прочности и развитие остаточных деформаций рекомендовано оценивать по следующим характеристикам: – необратимый прогиб (0,01 пролета) за вычетом начального прогиба от нагрузки и величины строительного подъема; – необратимая потеря 20%-й жесткости; – необратимая потеря 10%-й прочности.
Однако данное предложение не было должным образом оценено на практике и учтено в нормативных документах, так как эти критерии не были увязаны с категорией здания или сооружения, степенью ответственности несущей конструкций, а также с условиями эксплуатации и проведения ремонта или демонтажа конструкции.
Введение дополнительных критериев по остаточной прочности и деформациям конструкций после пожара имеет практическое значение при экспертизе зданий для оценки возможности дальнейшей их эксплуатации после ремонта или восстановления [75].
Накопленные данные по экспертизе зданий и сооружений после пожаров свидетельствует о том, что в большинстве случаев железобетонные конструкции можно эксплуатировать после пожара при выполнении соответствующего усиления или ремонта, а в некоторых случаях – при условии уменьшения эксплуатационных нагрузок после пожара. Каждый случай пожара характеризуется индивидуальными параметрами длительности и интенсивности огневого воздействия. В большинстве случаев длительность пожара в его наиболее интенсивной стадии не достигает предела огнестойкости конструкции, и они не обрушаются, а получают различные степени повреждения и дефекты вследствие воздействия на них высоких температур.
При кратковременном огневом воздействии происходит неравномерный прогрев сечений железобетонных элементов, при котором возникают температурные напряжения, изменяются физико-механические и упругопластические свойства бетона и арматуры, уменьшается работоспособное сечение железобетонного элемента вследствие прогрева поверхностных слоев бетона до критических температур и, следовательно, происходит снижение прочности рабочих сечений [48,49]. После охлаждения слои бетона, прогретые до высоких температур, не восстанавливают свои прочностные и деформационные свойства. Кроме того, железобетонные конструкции подвергаются значительным температурным деформациям (прогибы, перемещения, углы поворота).
Расчет монолитных многоэтажных каркасов на устойчивость к прогрессирующему обрушению в нелинейной постановке с помощью программы SAP 2000 v14.2. с учетом огневых воздействий
В результате пожаров конструкции в зданиях повреждаются вплоть до полного обрушения. Степень огневого воздействия на строительные конструкции зависит от материала и размеров последних, температуры и длительности пожара.
В железобетонных конструкциях наиболее сложным является учет степени огневого повреждения при пожаре. Материалы, являющиеся основой железобетона, при нагреве подвержены тепловым деформациям, при этом нарушается связь между цементным камнем, крупным и мелким заполнителем и арматурой. В результате в железобетонных элементах происходят необратимые изменения механических свойств, снижение прочности на сжатие и растяжение, дополнительные прогибы.
Изменения механических свойств бетона при его нагреве и последующем охлаждении в настоящее время оцениваются с большим приближением. Это затрудняет определение несущей способности железобетонных элементов, подвергшихся огневому воздействию при пожаре и последующему охлаждению, особенно для сжатых элементов. Обычно после пожара нет точных данных о его продолжительности и температуре нагрева конструкций. Приходится судить об этом по состоянию и цвету поверхности железобетонных конструкций после огневого воздействия на них. Это снижает точность определения остаточной прочности железобетонных элементов после пожара.
Статическое расчетное сопротивление бетона определяется путем умножения расчетного сопротивления неповрежденного бетона на понижающие коэффициенты, вычисляемые по таблицам и графикам [78], но точной и полной информации по изменению динамической прочности бетона после нагревания пока не имеется.
С целью выявления влияния огневых воздействий на прочностные и деформативные свойства бетона при статических и динамических нагружениях были испытаны бетонные кубики и призмы при различных температурных воздействиях с разным временем нагружения.
С целью определения фактической прочности бетона были подвергнуты сжатию бетонные кубики размером 0,10,10,1 м и бетонные призмы размером 0,10,10,4 м. Установка для испытания представлена на рис. 2.7.
Статическое нагружение бетонных кубиков продолжалось в ходе эксперимента до полного разрушения образца для определения значения максимальной статической прочности и последующего определения класса бетона. Статические разрушающие нагрузки были заданы в пределах от 348 кН до 354 кН. Динамические разрушающие нагрузки со временем нагружения 0,07 с были заданы в пределах от 417 кН до 430 кН, и со временем нагружения 0,1 с – в пределах 416 кН до 430 кН.
Результаты определения кубиковой и призменной прочности бетона представлены в табл. 2.1 и 2.2. Таблица 2.1 Результаты испытаний кубиковой прочности в нормальных условиях Статическое нагружение бетонных призм продолжалось по 5 мин до разрушения образца для определения призменной прочности и последующего определения класса бетона. Статические разрушающие нагрузки были применены в пределах от 271 кН до 276 кН. Динамические разрушающие нагрузки со временем нагружения 0,07 с были применены в пределах от 325 кН до 330 кН, и со временем нагружения 0,1 с – в пределах от 324 кН до 330 кН.
В результате испытаний кубиков были получены фактические значения прочности бетонных образцов (разрушающая нагрузка) и определен класс бетона – В30, а также расчетное сопротивление материала для бетона класса В30 – Rb = 19,3 МПа.
В качестве расчетной диаграммы состояния бетона, определяющей связь между напряжениями и относительными деформациями образцов, была принята двухлинейная диаграмма, представленная на рис. 2.10. Рисунок 2.10. Диаграмма состояния сжатого бетона
С целью выяснения влияния огневых воздействий были испытаны кубики и призмы при различных температурах.
Результаты испытаний кубиковой и призменной прочности при различных температурных воздействиях приведены в табл. 2.3 и 2.4.
С целью выявления влияния огневых воздействий на прочностные и деформативные свойства арматуры при статических и динамических нагружениях были испытаны арматурные стержни после различных температурных воздействий.
Для изучения влияния температурных воздействий на прочностные и деформативные свойства арматуры была использована лабораторная установка, показанная на рис. 2.11. после нагревания до 900С Как видно из графиков, деформация (величина относительного удлинения ) арматуры в нормальных условиях при напряжении до 700 МПа увеличивается до 9%. После нагревания до 500С напряжение уменьшается до 550 МПа. Деформация при этом уменьшается на 6,8 %. Также после нагревания до 900С напряжение уменьшается до 400 МПа, а деформация – на 5,5 %.
Это означает, что огневые воздействия уменьшают рост пластичности и арматура разрушается уже при меньшем нагружении.
Анализ результатов экспериментальных исследований поведения железобетонных балок при статических нагружениях
Результаты испытаний железобетонных балок при статических нагружениях в нормальных условиях
В обычных железобетонных конструкциях под действием статических или динамических нагрузок возникают напряженные состояния, определяемые решением уравнений равновесия с соблюдением начальных и граничных условий. Как правило, в теле железобетонной конструкции возникает сложное напряженное состояние, в соответствии с которым производится конструирование. Продольное и поперечное армирование оказывает существенное влияние на вид диаграммы деформирования бетона. Для определения прочности бетонных и железобетонных образцов были исследованы бетонные кубики и призмы, а также железобетонные балки при статических (по степени нагружения) и однократных динамических нагружениях с различным временем нагружения.
В ходе эксперимента проводились визуальные наблюдения за образованием и раскрытием трещин, а также были получены значения прогибов в зависимости от времени, изменения модуля упругости железобетонных балок и величин разрушающей нагрузки
