Содержание к диссертации
Введение
CLASS CLASS ГЛАВА 1. Состояние вопроса. постановка задачи 9
1.1. Параметры воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва 9
1.2. Действие ВУВ на наземное здание 12
1.3. Обрушение наземных конструкций здания при взрыве 15
1.4. Действие ВУВ на защитные сооружения убежищ гражданской обороны (ГО) 21
1.5. Методы расчета железобетонных конструкций убежищ ГО и конструкции убежищ ГО 24
1.6. Защитные сооружения ГО 27
1.7. Действие аварийных ударных нагрузок на железобетонные конструкции.. 32
1.8. Состояние вопроса расчета конструкций встроенных убежищ ГО на
действие обрушаемых конструкций. Постановка задачи 33
ГЛАВА 2. Нагрузки на покрытия убежищ го от обрушаемых конструкций 39
2.1. Определение нагрузок с учетом неравномерного распределения массы по высоте здания 39
2.1.1 .Постановка задачи и расчетная модель 39
2.1.2.0сновные уравнения 41
2.1.3 .Результаты расчетов 45
2.1.4. Вероятностная оценка 45
2.2.Определение нагрузок с учетом влияния формы завала 47
2.3.Совместное влияние неравномерного распределения массы по высоте и
формы завала в виде обелиска 55
2.4.Анализ результатов 57
ГЛАВА 3. Расчет железобетонных конструкций убежищ го на совместное действие воздушной ударной волны и обрушаемых конструкций здания 60
3.1. Расчетные уравнения движения железобетонных балочных конструкций 60
3.2.Расчетные нагрузки 63
3.3.Расчет шарнирно опертой балки 65
ЗАРасчет защемленной балки 66
3.5.Анализ результатов 68
ГЛАВА 4. Натурное определение параметров завалов 85
4.1 .Методика 85
4.2.3авалы от обрушения кирпичных зданий 85
4.3. 3авалы от обрушения сборных железобетонных крупнопанельных зданий.. 93
4.4.3авалы от обрушения других зданий (монолитных, крупноблочных, мелкоблочных и т.д.) 98
ГЛАВА 5. Практические рекомендации по расчету конструкций защитных сооружений убежищ 104
5.1. Расчетные нагрузки на покрытие 104
5.1.1 .Учет податливости завала 104
5.1.2.Практические рекомендации 108
5.2.Расчетные нагрузки на другие заглубленные элементы 109
45,3.Определение пластических деформаций элементов покрытия и соответствующих им динамических нагрузок 112
5.4.0пределение предельной этажности зданий, возводимых на существующих отдельно стоящих убежищах ГО 115
5,5. Определение степени защиты вновь возводимых встроенных убежищ ГО
при заданной этажности наземных зданий 116
Основные выводы 117
Литература
- Параметры воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва
- Определение нагрузок с учетом неравномерного распределения массы по высоте здания
- Расчетные уравнения движения железобетонных балочных конструкций
- 3авалы от обрушения сборных железобетонных крупнопанельных зданий..
Введение к работе
Созданию системы гражданской обороны уделяется большое внимание во многих странах, в том числе и в России [26,66]. Система гражданской обороны обеспечивает, прежде всего, защиту населения в условиях возможной ядерной войны. При этом должна предусматриваться защита населения от воздушной ударной волны, теплового (светового) излучения и радиоактивного излучения ядерного взрыва, а также от химического и бактериологического оружия. Используются два пути защиты населения
Заблаговременная эвакуация большей части населения ( менее, чем за 10 часов на расстояние до 80 км)
Укрытие оставшейся в городах части населения в специальных защитных сооружениях - убежищах (заполнение за 15 минут, радиус сбора до 1 км).
В качестве убежищ ГО используются метрополитены и специальные возведенные сооружения ГО. Вопросы их проектирования в России регламентируются СНиП [61].
Согласно этому документу убежища ГО должны, как правило, возводиться под наземными зданиями и служить их подвальными частями. Это вызвано необходимостью снижения стоимости строительства убежищ. Кроме того, следует предусматривать использование убежищ в мирное время (подземные гаражи, склады и т. д.)
Действие ядерного оружия приводит к массовым разрушениям городской застройки воздушной ударной волной. Это сопровождается падением на убежища обрушаемых конструкций зданий.
Если методы расчета конструкций убежищ на действие ядерного взрыва разработаны достаточно подробно, то сведения о действии обрушаемых конструкций в литературе очень скудны, и в СНиП II-11-77* требования к таким расчетам отсутствуют. Это, видимо, вызвано большой сложностью задачи и присутствием в ней ряда неопределенных факторов.
Гражданская оборона стран НАТО является составной частью системы общегосударственных оборонных мероприятий, проводимых в мирное и военное время для защиты населения от оружия массового поражения и других средств нападения. Вопросам строительства убежищ ГО уделяет внимание в Англии, Германии и других странах НАТО. На гражданскую оборону расходы в этих странах невелики и составляет 1% - 4,5% общих военных расходов [26].
В изданном для слушателей штабного колледжа управления ГО США учебном пособии гражданского оборона определяется как все действия и меры, предназначенные и предпринимаемые в целях сведения к минимуму последствий нападения на США, преодоления чрезвычайных условий и восстановления жизненно важных предприятий коммунального обслуживания объектов, уничтоженных или разрушенных в результате этого нападения.
По мнению отца «водородной бомбы США» Э. Теллера для создания эффективной системы гражданской обороны расходы на нее должны находиться в течение ряда лет на уровне не менее 10% всех военных расходов США.
Целью настоящей работы является развитие методов расчета железобетонных конструкций защитных сооружений убежищ гражданской обороны на совместное действие воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций наземных зданий. Актуальность темы.
В диссертации рассматривается совместное действие на конструкции убежищ ГО воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций. При этом из условия равнозащищенности конструкций решаются две задачи:
1. При проектировании здания заданной этажности со встроенным убежищем ГО определяется расчетное избыточное давление Арф на фронте
воздушной ударной волны взрыва, соответствующее нагрузке от обрушаемых конструкций.
2. При возведении многоэтажного здания на существующем убежище ГО с расчетным давлением Дрф определяется предельная этажность этого здания.
Методы расчета на действие обрушаемых конструкций не разработаны. Диссертационная работа на эту тему является актуальной.
Научную новизну работы составляют
1. Определение нагрузок от обрушаемых конструкций с учетом:
а) неравномерного распределения плотности массы по высоте
обрушаемого здания;
б) формы завала в виде прямоугольного параллелепипеда и обелиска;
в) податливости завала при распространении волны сжатия.
Методика расчета железобетонных конструкций в упругой и пластической стадиях на совместное действие ВУВ взрыва и обрушаемых конструкций наземного здания без и с учетом затухания и присоединенной нарастающей массы завала.
Результаты натурных измерений некоторых параметров завала, используемых в расчетах.
Практическая ценность работы.
Разработана методика расчета всех несущих ограждающих конструкций, образующих раму защитного сооружения ГО, на совместное действие ВУВ взрыва и обрушаемых ею конструкций.
Решаются две задачи проектирования: расчет прочности вновь возводимого убежища, встроенного в здание заданной этажности; определение этажности наземного здания, возводимого на существующем убежище.
Определены некоторые расчетные параметры завала по результатам натурных наблюдений.
Достоверность результатов обеспечивается использованием классических законов механики, апробированных методов динамики сооружений и теории железобетона, результатами натурных измерений параметров завалов и использованием литературных данных по ним. На защиту выносятся:
методика определения нагрузок от обрушаемых конструкций;
методика расчета конструкций с учетом затухания и нарастающей присоединенной массы завала;
натурное определение некоторых параметров завала (на сносимых объектах различной конструкции);
практические рекомендации по расчету нагрузок и железобетонных конструкций убежищ ГО.
Апробация работы.
Основные положения и результаты доложены на конференции молодых
ученых, аспирантов и докторантов МГСУ (май 2005г.) [36] и заседаниях
кафедры железобетонных и каменных конструкций МГСУ (апрель 2005г. и
апрель 2006г.).
Публикация.
Результаты опубликованы в четырех статьях [21,35,36,37].
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав,
основных выводов, списка литературы из 73 наименований. Общий объем
диссертации составляет 125 стр. в том числе 80 стр. машинописного текста,
64 рисунка, 14 таблиц.
Работа выполнена на кафедре железобетонных и каменных конструкций Московского государственного строительного университета под руководством профессора, д.т.н. Жарницкого В. И.
Параметры воздушной ударной волны (ВУВ) взрыва
Убежища ГО возводятся с целью защиты населения в крупных населенных пунктах. Согласно СНиП И-11-77 защитные сооружения гражданской обороны, как правило, возводят встроенные, на которых располагают наземные здания. Убежища ГО должны иметь двойное назначение, в случае возникновения военной угрозы они используются как убежища, а в мирное время для других целей (например, гаражи, склады и др.)
При взрыве в атмосфере возникает воздушная ударная волна, распространяющаяся в виде области сжатия со скачком давления, температуры, плотности и скорости частиц среды на фронте. Параметры на фронте воздушной ударной волны при взрыве обычных взрывчатых веществ и ядерных зарядов определяются по теоретическим зависимостям, а за фронтом по эмпирическим формулам[6,41,42,43].Обычно задаются значения степени защиты сооружения (Арф) и мощности ядерного взрыва (q). Максимальное избыточное давление на фронте ударной волны Арф, т.е превышение давления над атмосферным р0 (Арф= Рф - р0), время действия фазы сжатия т+, в течение которого текущее давление в волне p(t) превышает атмосферное (p(t) p0), амплитуда фазы разрежения Ар-, ее длительность т-Кроме того, необходимо уметь рассчитывать изменение давления во времени Ap(t). Значение давления Дрф позволяет по теоретическим зависимостям определить скорость распространения ударной волны D j, (м/с), скорость движения сжатого воздуха на фронте ііф (м/с), его абсолютную температуру Тф, плотность воздуха рф (кг/м3), местную скорость звука Сф.
При взаимодействии ударной волны с бесконечно малой преградой давление дополнительно к Арф возрастает на величину Арск (скоростной напор). Эта величина также рассчитывается теоретически.
Определение Арф (МПа) при взрыве тротила массой С (кг) на расстоянии R (м) осуществляется по экспериментальным зависимостям, полученным на основе теории подобия: а) при воздушном взрыве Арф =0,084 /R + 0,273VcVR2 +0,7C/R3; (1.1) T+=1,5-1(T3 C.VRT (1.2) C = 0,5q; (1.3) б) при наземном взрыве Дрф = 0,1 Kfc/R + 0,43 / 2 + 1,4C/R3; (1.4) т+=\,7Л0-3б4С-Ж (1.5)
Очевидно, что при наземном взрыве Арф, т+ больше, чем при воздушном взрыве. Это объясняется тем, что при наземном взрыве энергия распределяется в полусфере, тогда как при воздушном взрыве в сфере. Формулы (1.4), (1.5) получены при подстановке в (1.1), (1.2) удвоенной массы заряда, т. е 2 С.
Для фазы разрежения расчетными зависимостями являются (для наземного взрыва) Ap_=0,03Vc/R; (1.6) т_=0,16 /С. (1.7) Для ядерного взрыва С принимают равным половине полного тротилового эквивалента ядерного заряда. Зная Арф, по теоретическим зависимостям рассчитывают: D+= 340 1 + 8,ЗАрф; (1.8) иф=8.105ДРф/О; (1.9) рф =1,25(6Дрф +0,72)/(Дрф +0,72); (1.10) Тф = 288 (1,0 + 10Арф).(Арф+ 0,72) /(6Арф + 0,72); (1.11) сф =340 /288; (1.12) Арск=2,5Ар /(Арф+0,72); (1.13) Давление в ударной волне во времени Ap(t) в заданной точке меняется по закону Ар(і) = Дрфґі--І-ї , (1.14) п = 1,0 + (Арф)2/3. (1.15) При расчете сооружений целесообразно линеаризовать нагрузки, т.е. вместо формулы (1.14) использовать зависимость
Определение нагрузок с учетом неравномерного распределения массы по высоте здания
В параграфе (1.8) приведен приближенный метод определения динамических и статических нагрузок на покрытия встроенных убежищ гражданской обороны от обрушаемых воздушной ударной волной ядерного взрыва конструкций зданий. При этом принято, что плотность массы здания в момент начала обрушения распределена равномерно. Это положение нуждается в уточнении, так как проектная масса конструкций по высоте здания имеет выраженный неравномерный характер распределения (максимальные амплитуды расположены в уровнях перекрытий, минимальные - в середине этажа). В этом параграфе приводится приближённое решение, учитывающее этот фактор. 2.1.1 Постановка задачи и расчетная модель.
Как и в параграфе (1.8) принято: действие воздушной ударной волны приводит к мгновенному и одновременному разрушению всех элементов и связей между ними, что соответствует началу процесса одновременного обрушения всех фрагментов (t = 0). К моменту окончания процесса разрушения всех конструкций средняя скорость падения обломков близка к нулю. Местное действие удара отдельных крупных обломков не рассматривается. Влияние деформации покрытия и сопротивление воздуха не учитывается. При обрушении действует равномерно распределенная по площади покрытия (или участка покрытия) нагрузка.
Скорость обрушения материала - u(x,t). По мере обрушения непрерывно увеличивается высота завала. Принято, что в зоне завала плотность массы материала мгновенно становится равной р и остается постоянной. Граница между зонами с плотностью р(Х) и р, непрерывно Ь- ЯРЯЖкАЯ I ---. . ;;" :Ї;.Г!!ІІЛЯ I " І перемещающаяся вверх со скоростью D(t), является """фронтом волны обрушения.
Частицы обрушаемого материала при соприкосновении с этим фронтом мгновенно останавливаются (и=0). Возникающая при этом динамическая нагрузка мгновенно передается через завал на покрытие.
Принято, что площадь завала равна площади сооружения /. 2.1.2 Основные уравнения. Рассмотрим элементарный участок dx (рис.2.2) на высоте х от покрытия в момент t = 0. При этом элемент dx подойдет к фронту волны обрушения на высоте х. Начальная плотность массы элемента р(х) после прохождения фронта увеличится до р, а высота dx уменьшится до dx (рис. 1.15); время прохождения элемента через фронт dt. Здесь и ниже чертой сверху обозначены величины, относящиеся к завалу.
Как и в примере принято г = 0,40; число этажей п = 10. Р На рис. 2.3 приведены результаты расчетов, при — = 0; 0,25; 0,36; 0,50; 0,75, 1, которые показывают, что динамическая Ро нагрузка может рассматриваться как сумма двух нагрузок: плавно нарастающей и последовательно возникающих коротких импульсов от падения перекрытий.
Амплитуда импульсов нарастает во времени, а их продолжительность уменьшается. Так как в этой работе принята "жёсткая" схема завала (завал не деформируется, скорость распространения волны в нем равна бесконечности), то в дальнейшем целесообразно проанализировать влияние распространения волны деформаций по завалу. Это будет сделано в 5.1.1.
В 2.1 рассмотрены динамические и статические нагрузки на покрытия встроенных убежищ гражданской обороны от обрушаемых воздушной ударной волной взрыва конструкций зданий, когда форма завала является прямоугольным параллелепипедом. На практике такая форма не может существовать. Естественное очертание завала зависит от свойств материала обломков [30] (характеристика навалочного груза), размеров фрагментов завала, интенсивности и направления воздушной ударной волны к конструкциям здания и других факторов. Предположим, что наземные конструкции из железобетона, тогда принято, что форма завала представляет собой обелиск с углом естественного откоса 45 (рис. 2.5).
На рис.2.7,6 представлены в безразмерном виде результаты расчета нагрузок от обрушаемых конструкций здания с учетом формы завала в виде обелиска.
2.2.2. В этом случае принято допущение, что площадь элемента dx, равна площади основания обелиска и нарастает во времени (рис. 2.6в).
Расчетные уравнения движения железобетонных балочных конструкций
Рассмотрим особенности движения железобетонной плиты в виде шарнирно опертой или защемленной балки (рис. 3.1) при совместном действии воздушной ударной волны и обрушаемых конструкций (рис. 3.2, 3.3).
Покрытие убежища рассматривается как однопролетная железобетонная защемленная (рис. 3.1,6) или шарнирно опертая (рис. 3.1.а) на опорах балочная плита.
Принята диаграмма сопротивления балки изгибу (реакция - прогиб) идеальная упругопластическая (рис. 3.4.в).
Учитывается одна степень свободы. На балку действует равномерно распределенная динамическая нагрузка от воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых конструкций. При этом переменная во времени масса завала присоединяется к массе конструкции, приводит к необходимости решения новой задачи о колебаниях упругопластической балки с нарастающей во времени массой m(t) = mo + m t), (3.1) где - mo погонная масса железобетонной балки; - mj(t) нарастающая масса завала.
Расчет на действие завала при равномерном распределении плотности массы по высоте здания и неравномерном.
По полученным данным мною разработана программа и проведены расчеты на ПК ЭВМ. Исходные данные и результаты расчетов по всем вариантам представлены в таблицах 3.1 и 3.2. 3.5 Анализ результатов. Особенности процесса колебания конструкции
Суммарная нагрузка на конструкции имеет вид ниспадающей от ВУВ и возрастающей нагрузки от обрушаемых конструкций здания, которая затем резко скачком уменьшается до величины статической нагрузки, соответствующей весу завала. Такой характер нагрузки предопределяет особенности колебательного процесса. Эти особенности также вызваны учетом нарастания массы балки во времени и учетом затухания. Учет обоих факторов, как показывают результаты, необходим. В принципе, характер колебания защемленной и шарнирно опертой балок не отличается.
В балке без учета нарастающей массы и затухания (рис. 3.4) возникает пластическая стадия от ВУВ взрыва, затем балка совершает собственные колебания вокруг прогиба от квазистатической нагрузки; после этого увеличивающаяся нагрузка от завала вызывает несколько колебаний с переходом в пластическую стадию. После процесса разгрузки балка совершает собственные незатухающие колебания с постоянной амплитудой. Во всех случаях, процесс разгрузки характеризируется скачкообразным, мгновенным уменьшением нагрузки от максимального ее значения до статического веса завала.
При учете изменения массы балки и затухания характер колебательного процесса резко изменяется. Пластическая стадия, вызванная действием ВУВ, сменяется собственными колебаниями, которые происходят с затухающей амплитудой. В результате продолжающегося нарастания нагрузки от завала происходит увеличение прогиба с незначительной постоянной скоростью (рис. 3.13); при дальнейшем нарастании нагрузки наступает новое деформирование в пластической стадии. При этом нарастание нагрузки от завала вызывает увеличение пластического прогиба, которое может продолжаться вплоть до достижения состояния, характеризующегося снижением несущей способности конструкции. Нарастающий завал в пластической стадии разгоняет конструкцию. Разгрузка же сопровождается постепенным уменьшением скорости, которая переходит через нуль и затем конструкция совершает несколько циклов затухающих колебаний.
Время разгрузки и время окончания пластической стадии не совпадают, окончание пластической стадии происходит несколько позже. С увеличением числа этажей происходит увеличение нагрузки и продолжение процесса деформирования в пластической стадии при сохраняющемся значении реакции системы варианты 7, 8, 9 (рис. 3.10; рис. 3.11; рис. 3.12).
3авалы от обрушения сборных железобетонных крупнопанельных зданий..
1. Адрес: Нижегородская улица дом, 21, метро Таганская . 2. Дата сноса сооружения: 15-7-2005(рис. 4.7, 4.8). 3. Габариты: Размеры площадь основания здания Fi = 90 х 10= 900 (м2), высота здания h = 17,4 (м). Этажность: 5 этажей (высота 3 м) и технический подвал(2,0 М), высота крыши 1,2 м. Строительный объем: Vo = 18,2x900 = 16380 (м ). Объем по засыпке: Vi= 5262 (м3) 4. Конструктивные характеристики:
Максимальные размеры здания в плане составляют 10x90. Высота здания над уровнем земли - 17,4 м. Толщина наружных стен равна толщине панели - 0,2 м, внутренних стен 0,2 - 0,1 м. Этажные перекрытия выполнены из железобетонных плит. Толщина наружных и внутренних стен технического этажа - 0,3 м.
Обрушение конструкций здания производят на свое основание при помощи строительных машин. Дано обоснование безопасных условий производства разобранных работ. Приведены сведения по организации работ и мерам безопасности при их выполнении.
Здание крупнопанельное пятиэтажное, с техническим этажом (техническое подполье).
Размеры здания в плане (на уровне технического этажа). Пол первого этажа находится на 1,2 м выше уровня грунта со стороны входа в здание. Вход на жилые этажи осуществляется со стороны, перпендикулярной Нижегородской улице и по лестнице с первого этажа.
Наружные стены технического этажа имеют толщину 0,3 м, наружные стены - 0,3 м, перегородки - ОД м. Лестничные площадки монолитные, железобетонные. Этажные перекрытия выполнены из многопустотных панелей длиной 6 м и шириной 1,2 м с опиранием по контуру на наружные и внутренние поперечные стены.
Размеры оконных проемов в стенах - 1,5x2,0 м и 1,8x2,0 м. Размеры дверных проёмов - 2,1 х 1,2 м на выходе в здание 2,2 х 1,8 м. Общий строительный объем здания (включая технический этаж) составляет V0 « 16380 м3, объем разбираемых конструкций здания в плотном теле составляет -V « 5262 м3,(их масса - m м 8419 т). кг І7 m 8419.103кг _,._ Плотность массы здания: р„ = — « — « 514,0 0 Vn 16380м3 Отношение объема завала к строительному объему здания р0 V 5262м3 = 0,321. р V0 16380м3 Рис. 4.8. 5-ти этажный крупнопанельный дом - Нижегородская улица, д.21 после сноса. 4.3.2 Объект 5. 1. Адрес: Нижегородская улица, дом 19, метро Таганская. 2. Дата сноса сооружения: 25-8-2005(рис. 4.9, 4.40, 4.11). 3. Габариты: Размеры площадь основания здания F] = 60x10 - 600 (м ), высота здания h = 17,4 (м), этажность: 5 этажей (высота 3 м) и технический подвал(2,0 М), высота крыши 1,2 м. Строительный объем: Vo = 18,2x600 = 10920 (м3). Объем по засыпке: V,=3378 (м3)
4. Конструктивные характеристики:
Максимальные размеры здания в плане составляют 10x60. Высота здания над уровнем земли - 17,4 м. Толщина наружных стен равна толщине панели - 0,2 м, внутренних стен 0,2 - 0,1 м. Этажные перекрытия выполнены из железобетонных плит. Толщина наружных и внутренних стен технического этажа- 0,3 м.
Объем обрушаемых конструкций здания (в плотном теле) составляет около 3378 м . Обрушение конструкций здания производят на свое основание при помощи строительных машин.
Дано обоснование безопасных условий производства разобранных работ. Приведены сведения по организации работ и мерам безопасности при их выполнении. Здание крупнопанельное пятиэтажное, с техническим этажом (техническое подполье).
Размеры здания в плане (на уровне технического этажа). Пол первого этажа находится на 1,2 м выше уровня грунта со стороны входа в здание. Вход на жилые этажи осуществляется с стороны, противоположенной Нижегородской улице и по лестнице с первого этажа.
Наружные стены технического этажа - толщиной 0,3 м, наружные стены толщиной - 0,3 м. Перегородки - толщиной 0,2 - 0,1 м.
Лестничные площадки монолитные железобетонные. Этажные перекрытия выполнены из многопустотных панелей длиной 6 м и шириной 1,2 м с опиранием по контуру на наружные и внутренние поперечные стены. Размеры оконных проемов в стенах - 1,5x2,0 м и 1,8x2,0 м. Размеры дверных проёмов - 2,1 х 1,2 м на выходе в здание 2,2 х 1,8 м.
