Нормативные требования и аналитические подходы к обеспечению устойчивости железобетонных зданий к прогрессирующему обрушению



Произведен анализ проблем разрушения зданий под действием природных и техногенных воздействий, выявлена актуальность обеспечения устойчивости железобетонных зданий к прогрессирующему обрушению. Приведены результаты анализа нормативного обеспечения предотвращения обрушений. Представлены аналитические подходы к расчету объектов при локальном аварийном воздействии. Показаны особенности статических, кинематических, динамических методов. Приведен пример расчета здания на устойчивость к обрушению.

Ключевые слова: железобетон, здание, нормативные требования, аналитический подход, прогрессирующее обрушение.

An analysis of the problems of destruction of buildings under the influence of natural and man-made impacts was made, the relevance of ensuring the stability of reinforced concrete buildings to progressive collapse was revealed. The results of the analysis of normative provision for prevention of collapses are presented. Analytical approaches to the calculation of objects under local emergency impact are presented. The features of static, kinematic, dynamic methods are shown. An example of calculating a building for resistance to collapse is given.

Keywords: reinforced concrete, building, regulatory requirements, analytical approach, progressive collapse.

Современная практика проектирования железобетонных зданий (ЖБЗ) основывается на расчетах предельного состояния конструктивных решений. Однако эксплуатация существующих ЖБЗ свидетельствует о том, что даже при надлежащем проектировании с учетом норм и аналитических подходов к расчету конструкции не исключены их аварийные обрушения вследствие неучтенных воздействий и ненадлежащей работы конструкции под за проектными нагрузками природного, техногенного и чрезвычайного характера [1]. Важной проблемой остается прогрессирующее обрушение зданий (ПО), что делает актуальными исследования вопросов обеспечения надежности и живучести зданий, а также нормативного регулирования и выбора расчетно-аналитических методов повышения устойчивости зданий к ПО.

Необходимость обеспечения надежности и живучести зданий в условиях аварийных воздействий обусловлена значительными материальными и экономическими затратами, а также угрозой человеческой жизни при ПО зданий. Следует учитывать архитектурную сложность и многофункциональность современных ЖБЗ, а также комплекс факторов, приводящих к запроектным нагрузкам и обрушениям (рис. 1).

Рис. 1. Воздействия, приводящие к ПО ЖБЗ (по данным [1])

Обеспечение устойчивости ЖБЗ к ПО связано с комплексной задачей повышения живучести зданий, в условиях аварийных воздействий. Наиболее распространенными примерами ПО являются разрушения:

– от взрыва газа (Великобритания, Здание Ронан Пойнт, 1968, рис. 2а);

– вследствие теракта (США, Всемирный торговый центр, 2001, рис. 2б);

– вследствие осадки фундамента (Вьетнам, Мост Кантхо, 2007, рис. 2г);

– в результате ошибок проектирования (Россия, Трансвааль-парк, 2004, рис. 2д) и т. д.

Рис. 2. Примеры ПО объектов разных стран (по данным [1])

Следует отметить особенности ПО относительно обрушения единичной конструкции или их блока, заключающиеся в цепном стремительном лавинообразном эффекте разрушения, затрагивающем сопряженные с начальным участком разрушения конструкции за счет дополнительной нагрузки от обломков разрушенных элементов [2].

Повышенное внимание к нормативному регулированию устойчивости зданий к ПО связано с неблагоприятной статистикой разрушений существующих объектов. Так, до 2003 г. до 85 % разрушений приходилось на эксплуатируемые здания вследствие ошибок проектирования, нарушений технологий и ненадлежащего качества строительства и эксплуатации. Известен ряд обрушений железобетонных каркасных зданий (сборных, связевых) от запроектных нагрузок (теракты и др.), что требует новых нормативных и расчетно-аналитических подходов к их проектированию.

Отмечаются примеры обрушения ЖБЗ: со сложными оболочками; колонн, пилонов, вантовых систем, ответственных за прием и распределение нагрузок, в связи с ненадлежащим проектированием; подкрановых балок вследствие усталостного разрушения; монолитного шеда из железобетона из-за ненадлежащей оценки надежности; железобетонных элементов в связи с нарастанием прогибов вследствие длительной ползучести бетона; железобетонной конструкции при формировании трещин от вибрационной нагрузки [3].

Масштабные катастрофы, аналогичные рис. 2, привели к развитию нормативных требований к повышению надежности и живучести зданий при угрозе развития ПО. В России задачи обеспечения устойчивости зданий к ПО включены в виде технического регламента к безопасности зданий и сооружений в Федеральный закон № 384-ФЗ (2009 г.) и затем детализировались в СП 296.1325800.2017, регулирующем вопросы особых воздействий на здания, и в СП 385.1325800.2018, регламентирующем задачи проектирования зданий повышенной надежности к ПО и защиты зданий от ПО [1].

Согласно СП 385.1325800.2018 защита ЖБЗ от ПО производится как для проектируемых, так и для существующих зданий, на основе моделирования возможных аварийных воздействий. Предполагается некоторое локальное приложение первоначальной нагрузки вследствие заданного негативного воздействия, которое может привести к изменению конструкции ЖБЗ. При этом с применением различных аналитических подходов оценивается предельное состояние, при котором сохраняется несущая способность и устойчивость объекта в целом и его отдельных компонентов, узлов, мест соединений. Для случаев реконструкции ЖБЗ также обеспечивают защиту от ПО в целом или в рамках конструктивного блока, с учетом ограничений, обусловленных наличием деформационных швов [4].

В случае реконструируемого ЖБЗ нормального уровня ответственности возможно проведение типовых мероприятий по повышению устойчивости объекта без предварительных расчетов защиты от ПО. Однако такой подход возможен при соблюдении условий, представленных на рис. 3.

Рис. 3. Условия, при которых допустимо не проведение расчета устойчивости, реконструируемого ЖБЗ к ПО (по данным [4])

В других случаях, применяемые расчетно-аналитические методы должны обеспечить условие защиты ЖБЗ от ПО, когда для элементов конструкций и их соединений расчетные усилия меньше или равны их несущей способности, а деформация от внешней нагрузки меньше или равна предельно допустимому значению. Невыполнение данных условий требует технических решений по повышению устойчивости ЖБЗ к ПО и усилению конструкций.

Вопрос назначения места локального разрушительного воздействия при расчете устойчивости к ПО также нормируется СП 385.1325800.2018 и для многоэтажных ЖБЗ возможен в местах, систематизированных на рис. 4.

Для повышения устойчивости ЖБЗ к ПО необходимо повысить степень статической неделимости конструкции за счет снижения числа соединений и, одновременно, обеспечить развитие пластических деформаций как в элементах конструкции, так и в соединениях. Для железобетонных сборных конструкций, где каждый элемент производится промышленно, а не разрабатывается индивидуально, требуется пристальное внимание к выбору узлов и соединений для восприятия и распределения нагрузок.

Рис.4. Места приложения локальных нагрузок при расчете устойчивости ЖБЗ к ПО (по данным [4])

Критерии расчета устойчивости ЖБЗ к ПО в части предельной деформации бетона, построения диаграмм кратковременного нагружения бетона, деформации сжатия в зависимости от его рекомендуемых значений коэффициентов нагружения, ограничений по деформации арматуры и коэффициенту ее динамической прочности подробно представлены в соответствующих сводах правил и методических пособиях [5].

Выбор аналитических подходов, расчетных методов и конструктивных схем оценки устойчивости ЖБЗ к ПО производится для каждого конкретного проектного решения с учетом важных элементов, влияющих на напряженно-деформируемое состояние системы. Следует учитывать, что при обычном функционировании существующего ЖБЗ элементы расчетной схемы могут быть ненесущими, однако при локальном разрушении будут вовлечены в перераспределение нагрузок или претерпевать изменение напряженно-деформированного состояния. Для каждого места приложения локального аварийного воздействия расчет производится отдельно.

Аналитические подходы к оценке устойчивости ЖБЗ к ПО могут быть трех основных видов: статический подход для защиты от ПО; кинематический поход для пластической работы конструкции в предельном состоянии; динамический подход при условии мгновенного разрушения конструктивного элемента.

При этом в статистическом подходе процедуры расчета устойчивости ЖБЗ к ПО включают определение напряженно-деформируемого состояния расчетной конструкции в обычных эксплуатационных условиях, далее производят поочередное выключение несущих элементов с назначением нормативных прочностно-деформационных и нагрузочных характеристик материалов, на основании этого выполняют расчет напряжений и деформаций при локальном воздействии и обрушении.

Кинематический подход основан на теории предельного равновесия и предполагает установление вероятности процесса разрушения конструктивных элементов ЖБЗ, оставшихся без опоры, с последующим выявлением разрушаемых связей и возможных перемещений и дальнейшим расчетом усилий, принимаемых пластично разрушаемыми связями, с определением равнодействующих сил. Динамический подход основан на нелинейности конструктивных, физических, геометрических характеристик системы элементов ЖБЗ. Процедуры расчета его аналогичны статическому подходу, однако носят многократный итерационный характер, т. к. условие мгновенного исключения элемента из конструкции при локальном негативном воздействии предполагает построение новой расчетной схемы с отсутствием данного элемента и повторение процедуры. Если в результате критериальной проверки многочисленные итерации не приводят к сходимости расчетного результата с критериями прочности, то для данной конструктивной схемы есть угроза наступления ПО [6].

Моделирование и расчеты в программном комплексе «Лира-САПР» позволили установить, что условие предельно возможного прогиба конструкции сохраняется для двух вариантов расчета, а повышение расхода арматуры для резервирования прочности необходимо осуществить на 9,6 %.

В качестве объекта сравнения приведены данные про многоэтажному ЖБЗ с аналогичным способом расчета, но здание является не монолитным, а каркасным. В таком здании для обеспечения допустимого прогиба вышележащих над разрушением конструктивных элементов и для устойчивости к ПО необходимо повысить расход арматуры ы 38,47 %. Соответственно, аналитические расчеты позволяют не только сделать вывод об устойчивости ЖБЗ к ПО, но и произвести оценку расхода материала в зависимости от конструктива здания для обеспечения его надежности [7].

Таким образом, произведен анализ проблем разрушения зданий под действием природных и техногенных воздействий, выявлена актуальность обеспечения устойчивости ЖБЗ к ПО. Систематизированы виды воздействий, приводящие к ПО объектов и наглядные результаты обрушений. Приведены результаты анализа нормативного обеспечения противодействия обрушениям. Представлены аналитические подходы к расчету объектов при локальном аварийном воздействии. Показаны особенности статических, кинематических, динамических методов. Приведен пример расчета ЖБЗ на устойчивость к ПО.

Литература:

1. Ву Нгок Туен. Деформирование и разрушение конструкций железобетонных каркасов многоэтажных зданий в запредельных состояниях: дисс. канд. техн. наук. Курск, 2020–163 с.
2. Меркулов С. И., Полякова Н. В. Проектирование с учетом возможного прогрессирующего разрушения — обеспечение конструктивной безопасности в условиях аварийной ситуации // Auditorium. — 2016. — № 4 (12). — С. 73–78.
3. Айдемиров К. Р. Состояние проблемы прогрессирующего разрушения зданий и сооружений, классификация задач и подходы к их решению // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки. — 2010. — № 18. — С. 117–129.
4. СП 385.1325800.2018. Свод правил. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения. Утв. Приказом Минстроя России от 05.07.2018 N 393/пр. (ред. от 22.12.2021). Москва, 2018–29 с.
5. Келасьев Н. Г. и др. Пособие по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения (Часть 2). Москва, 2020–203 с.
6. Травуш В. И., Шапиро Г. И., Колчунов В. И. и др. Проектирование защиты крупнопанельных зданий от прогрессирующего обрушения // Жилищное строительство. — 2019. — № 3. — С 40–46. DOI: https://doi.org/10.31659/0044–4472–2019–3–40–46.
7. Каргина Е. Е., Аксенов В. Н. Сравнение технико-экономических показателей монолитных зданий стеновой и каркасной конструктивных схем при расчетах на прогрессирующее обрушение // Инженерный вестник Дона. — 2020. — № 5 (2020). — URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n5y2020/6455.