В статье предложен метод увеличения вариаций конструктивных решений зданий и сооружений, подверженных внешнему взрыву и располагающихся в местах со сложной транспортной логистикой. Рассмотрен вариант металлического каркаса из панелей, способных воспринимать постоянные, технологические, атмосферные, а также особые взрывные нагрузки.
Ключевые слова: взрывное воздействие, особые воздействия, взрывозащитные конструкции, металлический каркас, промышленное строительство.
При необходимости проектирования зданий с большими динамическими нагрузками, в том числе особыми взрывными и сейсмическими, предпочтение, по многим параметрам, отдается монолитным конструкциям из железобетона.
Существуют примеры, когда по тем или иным причинам строительство безопасных при внешних взрывных нагрузках зданий с применение железобетонных конструкций значительно осложнено или практически невозможно. Возникает необходимость возведения зданий и сооружений с применением металлического каркаса. В таком случае чаще всего применяется ограждающая конструкция из взрывозащитного фахверка, состоящая из профилированного листа, рассчитанная только на особые воздействия и больше не участвующая в работе каркаса.
Ввод дополнительных конструктивных элементов, не участвующих в работе каркаса при нормальных условиях эксплуатации, значительно увеличивает сечения элементов несущих конструкций, повышает металлоемкость, а значит и стоимость строительства.
В связи с этим возникла идея разработки металлического каркаса производственного здания, в котором взрывозащитные ограждающие конструкции также принимают участие в работе каркаса на основные сочетания нагрузок.
Большая работа по разработке взрывоустойчивых металлических панелей была проделана в Британском Институте Стальных Конструкций (The Steel Construction Institute) 1. Однако в докладе произведен анализ панелей, разработанных в целях усиления несущих конструкций, а также методы переоценки и укрепления уже существующих взрывозащитных конструкций.
Применяемые в практике взрывозащитные панели преимущественно изготавливаются из профилированного листа (рис 1) и не используются в качестве несущего элемента здания или сооружения 2. По принципу работы эти панели аналогичны самому распространённому варианту устройства взрывозащитного фахверка.
Рис. 1. Конфигурация панели из профлиста в качестве диафрагмы жесткости совместно с распорками
Стандартная схема устройства взрывозащитного фахверка, применяемая при промышленной застройки, выглядит следующим образом (рис. 2).
Рис. 2. Вариант схемы расположения балок взрывозащитного фахверка
Защита стен от взрывной нагрузки осуществляется за счёт установки профлиста и балочной системы. Направление раскладки силовых полос профлиста выполняется в вертикальном направлении; балки фахверка, к которым прикрепляется профлист, раскладываются в горизонтальном направлении и крепятся к колоннам. Кровля защищается с помощью профлиста, прикреплённого к прогонам.
Возникла идея смоделировать каркас здания, в котором похожие по конструкции панели выполняют также функцию несущих элементов.
Вариант компоновки каркаса представлен на рис. 3.
Рис. 3. 3D модель здания
Устойчивость здания в продольном и поперечном направлении обеспечивается раскреплением колонных вставок таврового сечения металлическими панелями, соединенными со вставками болтовыми соединениями по всей высоте конструкции (рис. 4).
Рис. 3. Вставка таврового сечения между панелями
Крайние панели, расположенные по торцам, дополнительно имеют ребра жесткости, приваренные к листовой части, что обеспечивает дополнительную устойчивость в плоскости рамы в поперечном направлении (рис. 4).
Рис. 4. Дополнительные ребра жесткости в торце здания
Жесткость диска покрытия достигается горизонтальными ребрами жесткости и соединением панелей между собой и между тавровыми вставками (рис. 5).
Рис. 5. Горизонтальные ребра жесткости на покрытии
Взрывная нагрузка воспринимается металлическим листом и системой вертикальных и горизонтальных ребер жесткости на стенах и покрытии здания.
Чтобы провести комплексный анализ и оценить достоинства и недостатки каркаса здания с взрывозащитными металлическими панелями, был проведен расчет производственного здания в двух вариантах взрывозащитного исполнения: с взрывозащитным фахверком и с каркасом из металлических панелей.
Геометрические характеристики каркаса приняты одинаковыми для двух типов схем. Для основных расчетов использован программный комплекс SCAD, реализующий метод конечных элементов. Расчет конструкций зданий выполнен на основное и особое сочетание нагрузок. Расчет произведен с учетом пространственной работы несущего каркаса сооружений.
Для каркаса из взрывоустойчивых панелей также был проведен расчет по мембранным и изгибным напряжениям в упруго-пластической постановке в ПК Ansys.
Конечно-элементная модель сооружения для стандартной схемы и каркаса из панелей представлены на рис. 6 и 7 соответственно.
Рис. 6. Конечно-элементная модель здания с взрывозащитным фахверком
Рис. 7. Конечно-элементная модель здания из взрывозащитных панелей
Модель каркаса из взрывозащитных панелей в объемных КЭ продемонстрирована на рис. 8.
Рис. 8. Модель в объемных КЭ
После проведения расчетов, общая масса металла для здания с взрывозащитным фахверком, включая элементы самого фахверка и без учета соединений, составила 65,782 т. Масса элементов для сооружения из взрывоустойчивых панелей составила 59,778 т. Оба варианта удовлетворяют требованиям прочности и устойчивости по двум группам предельных состояний.
Как видно, вариант каркаса из взрывоустойчивых панелей выигрывает по металлоемкости на 9,13 %. Также стоит отметить, что модульное решение здание уменьшает продолжительность и затраты на строительство. Этот первичный результат делает обоснованным дальнейшее исследование, разработку и оптимизацию различных конструктивных вариантов металлических каркасов промышленных зданий из взрывоустойчивых панелей. Предложенный метод может быть рекомендован для разработки реальных проектных решений в зоне промышленной застройки.
Литература:
- Structural strengthening of offshore topsides structures as part of explosion risk reduction methods / Fadi Hamdan // The Steel Construction Institute — 2006.
- Blast and Fire Engineering for Topside Structures, Phase I / The Steel Construction Institute — 1991.
