Обзор экспериментальных исследований и технических решений по повышению устойчивости существующих железобетонных зданий к прогрессирующему обрушению



Приведены основные подходы к защите существующих зданий от прогрессирующего обрушения, рассмотрены особенности вероятностного, прямого и косвенного подходов. Систематизированы результаты экспериментальных исследований устойчивости макетов железобетонных конструкций к разрушению. Представлены некоторые технические решения по повышению устойчивости существующих монолитных и многоэтажных каркасных железобетонных зданий к обрушению.

Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, железобетон, здание, экспериментальные исследования, технические решения.

The main approaches to the protection of existing buildings from progressive collapse are given, the features of the probabilistic, direct and indirect approaches are considered. The results of experimental studies of the resistance of models of reinforced concrete structures to destruction are systematized. Some technical solutions are presented to improve the resistance of existing monolithic and multi-storey reinforced concrete frame buildings to collapse.

Keywords: progressive collapse, reinforced concrete, building, experimental studies, technical solutions.

Прогрессирующее обрушение (ПО) железобетонных зданий (ЖБЗ) определяется тем, что вследствие локального воздействия запроектных нагрузок на элемент или блок конструкции наступает быстрое цепное разрушение связанных с ним конструкций, в критических случаях вплоть до обрушения объекта в целом. Источниками ПО ЖБЗ могут быть ошибки проектирования, строительства, реконструкции, эксплуатации зданий, а также природные движения грунтов, землетрясения, ураганы, техногенные взрывы газа, пожары, столкновения с транспортными средствами и т. д. Особенностью ПО ЖБЗ является стихийный характер, когда локальное обрушение приводит к масштабным изменениям конструкции, значительно превышающим изначальное воздействие, и к нежелательным социально-экономическим последствиям [1].

Соответственно актуальной является разработка мероприятий по противодействию таким разрушениям и повышению устойчивости ЖБЗ к ПО. В данном исследовании интерес представляли: выделение подходов к защите зданий от ПО, систематизация экспериментальных исследований по вопросам нагружения и разрушения конструкций, выявление технических решений по конструктивной защите ЖБЗ от ПО.

В качестве подходов к защите зданий от ПО выделяют:

– Вероятностный подход, заключающийся в анализе рисков наступления аварийного воздействия на основе возможных сценариев развития событий с привлечением статистических методов обработки данных. В таком подходе в качестве случайных параметров могут выступать — изменение прочности конструкций, геометрия и деформативные характеристики конструкций, внешние приложенные нагрузки и др. параметры. Результатом расчета по данному подходу будут значения вероятностей безотказного функционирования ЖБЗ в процессе эксплуатации.

– Косвенный подход заключается в разработке организационно-технических мер, которые напрямую не предполагают расчетов устойчивости ЖБЗ, но предусматривают заблаговременное повышение надежности конструкций для снижения угрозы формирования первичных разрушений, проводящих к ПО. Данный подход требует обеспечения повышенной прочности конструктивных элементов, создания большей непрерывности и пластичности конструкции. Это могут быть дополнительные связи между элементами и блоками конструкций, дополнительно создаваемые защитные конструкции для расположения несущих ответственных элементов, использование огнестойких покрытий и т. д. Однако вероятность наступления локального воздействия на конкретном участке конструкции в данном случае не выявляется.

– Прямой подход при разработке защиты ЖБЗ от ПО состоит в приложении локального аварийного изменения к конкретному месту конструктивной схемы и проведении расчета применительно именно к заданному варианту обрушения. В качестве прямого подхода активно используется метод альтернативного пути, который при заданном сценарии потери несущего элемента предполагает расчет перераспределения нагрузок оставшихся конструкций. Таким способом можно оценить различные варианты устойчивости ЖБЗ при поочередном удалении отдельных конструктивных элементов. Недостатки способа заключаются в субъективном выборе элемента, однако он позволяет выявить возможные места отказов и разнообразные пути развития ПО [2].

Напряженно-деформируемое состояние ЖБЗ при различных повреждениях и угрозе ПО изучается в ходе экспериментальных исследований уменьшенных моделей реальных конструкций. Так, на примере макета каркасного ЖБЗ оценивались направления его повреждения при разрушении колонны первого этажа и последствия влияния ПО. К изготовленному макету устанавливали индикаторы перемещений для оценки изменения геометрии при разрушении колонны (рис. 1 а).

Нагружение осуществляли дополнительными бетонными элементами. Макет предполагал возможность мгновенного удаления колонны и оценку деформации других колонн и этажей. Получены изменения деформаций и график их роста; произведены испытания с дополнительным усилением в виде диафрагм жесткости и металлических связей, перераспределяющих усилия и повышающих устойчивость ЖБЗ к ПО [3].

Рис. 1. Примеры экспериментальных исследований разрушений макетов железобетонных конструкций: а — оценка устойчивости при разрушении колонны; б — разрушения при запроектном воздействии (по данным [3, 4])

Аналогичные экспериментальные исследования проведены на макете железобетонной рамы, демонстрирующей поведение каркаса многоэтажного здания. Мгновенное исключение рассматривалось для центральной стойки. Тензометрические и оптомеханические испытания позволяли определить живучесть и динамическое догруженные до наступления ПО. Получена наглядная картина разрушения швов, раскрытия трещин, перемещений при исключении стойки из конструкции (рис. 1 б) [4].

Экспериментальные исследования на макетах дают качественное и количественное представление о процессе деформации конструкций и позволяют выбрать технические решения по их усилению в каждом конкретном случае. Общие требования к техническим решениям по конструктивной защите ЖБЗ от ПО направлены на обеспечение:

– требуемых несущих характеристик и деформативности при локальном воздействии на элементы конструкции и их соединения;

– преимущественного развития пластических деформаций взамен хрупкого разрушения в местах сопряжения элементов;

– превышения значения прочности на срез над прочностью на смятие в конкретных видах соединений (например, для шпоночных в 1,5 раза, для болтовых в 1,1 раза);

– работы в пластической деформации мест сварных соединений при наступлении предельных условий;

– разрушений в предельных условиях плит, балок, ригелей, перемычек не по срезу сечения, а посредством его изгиба;

– достаточной длины анкеровки арматуры для ее работы на растяжение и сдвиг [5].

Рациональным техническим решением повышения устойчивости существующих ЖБЗ к ПО будет такая конструкция, в которой мгновенное выбывание одного из элементов превратит систему над этим элементом в подвешенное состояние с передачей нагрузок на остальные вертикальные элементы. Возможности технических решений для устойчивости монолитных ЖБЗ к ПО согласно CTO-008–02495342–2009 представлены на рис. 2.

Рис. 2. Возможные технические решения для повышения устойчивости монолитных ЖБЗ к ПО (по данным [6])

Согласно СП 385.1325800.2018 также предусмотрен ряд технических решений, например, для многоэтажного каркасного здания в контексте устойчивости к ПО, которые можно использовать при реконструкции существующих ЖБЗ (рис. 3).

Рис. 3. Возможные технические решения для повышения устойчивости каркасных ЖБЗ к ПО (по данным [7])

Согласно рис. 3. одним из технических решений является введение в систему аутригерных конструкций при реконструкции существующих ЖБЗ в интересах повышения устойчивости к ПО. На примере защиты многоэтажного здания проведено сравнение вариантов железобетонных аутригеров для выбора конструкций, наиболее существенно уменьшающих колебания здания (рис. 4).

Рис. 4. Варианты аутригеров для защиты ЖБЗ от ПО (по данным [8])

Расчеты выбранных вариантов конструкций аутригеров в соединении с ядром ЖБЗ позволили установить, что ферменный вариант более оптимален, а организация пояса жесткости в ЖБЗ сокращает горизонтальные перемещения высотного здания. Аутригерный способ защиты зданий от ПО повышает жесткость конструкции и сокращает стоимость и площадь усиления, в отличие от альтернативного варианта с дополнительным армированием элементов ЖБЗ при их недостаточной устойчивости к ПО.

Таким образом, показаны особенности протекания ПО и необходимость защиты ЖБЗ от ПО. Приведены основные подходы к защите существующих зданий от ПО, рассмотрены особенности вероятностного, прямого и косвенного подходов. Систематизированы результаты экспериментальных исследований устойчивости макетов железобетонных конструкций к разрушению. Представлены некоторые технические решения по повышению устойчивости существующих монолитных и многоэтажных каркасных ЖБЗ к ПО. Приведен пример выбора варианта ауторигерных систем для защиты существующих высотных ЖБЗ от ПО.

Литература:

1. 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.
2. Ву Нгок Туен. Деформирование и разрушение конструкций железобетонных каркасов многоэтажных зданий в запредельных состояниях: дисс. канд. техн. наук. Курск, 2020–163 с.
3. Шаповалов А. Н., Руденко В. В. Экспериментальное исследование напряженно-деформированного состояния железобетонного здания в случае прогрессирующего обрушения // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. — 2015. — № 5/7(77). — С. 4–9.
4. Алькади С. А., Демьянов А. И., Осовских Е. В. Экспериментальные исследования живучести фрагмента каркаса здания с железобетонными составными элементами, работающими на изгиб с кручением // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. — 2017. — № 5. — C. 72–80/
5. 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.
6. СТО-008–02495342–2009. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Москва, 2009. — 21 с.
7. Келасьев Н. Г. и др. Пособие по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения (Часть 2). Москва, 2020–203 с.
8. Чернуха Н. А., Горелик П. И., Лепешкина Д. О., Червова Н. А. Оптимальное положение и конструкция аутригерных систем в высотных зданиях // Строительство уникальных зданий и сооружений. — 2015. — № 9 (36). — С. 18‐32.