В статье приводится порядок определения напряжённо-деформированного состояния узлов покрытия при расчёте на прогрессирующее обрушение. Выполнен анализ работы наиболее важного узла сопряжения конструкций покрытия, а также приведена альтернативная конструкция узла, которая позволит обеспечить должную несущую способность покрытия при наиболее вероятном сценарии прогрессирующего обрушения.
Ключевые слова: строительство, проектирование, здания и сооружения, прогрессирующее обрушение, узлы соединения стальных конструкций, SAP2000, IdeaStatiСa.
В последнее время в проектировании зданий и сооружений всё более актуальной становится проблема прогрессирующего обрушения. Необходимость предусматривать конструктивные мероприятия, предотвращающие развитие подобной ситуации, значительно усложняет процесс проектирования, изготовления и монтажа строительных конструкций.
Описанные в пособии к СП 385.1325800.2018 [1] и встречающиеся в инженерной практике решения по усилению устойчивости покрытий одноэтажных зданий со стальным каркасом к прогрессирующему обрушению имеют большой ряд недостатков, которые влияют в основном на металлоёмкость и удобство монтажа конструкций [2]. Существенное усложнение монтажных работ связано с введением в конструкцию дополнительных жёстких узлов. Поэтому поиск более простых решений, которые обеспечат необходимую несущую способность конструкции в целом и при этом будут просты в изготовлении и монтаже является сейчас довольно актуальной проблемой.
Для поиска более рациональных и экономичных решений выполнения конструкции покрытия в целом и узлов сопряжения элементов в частности, рассмотрим их работу с учётом нелинейного характера работы материала. Пункты 4.6, 5.1 и 5.3 СП 385.1325800.2018 [3] позволяют нам наиболее полно учесть работу материала конструкции, однако ведут к значительному усложнению определения напряжённо-деформированного состояния (НДС) конструкции.
Для определения сложного НДС, которое возникнет в случае расчёта на прогрессирующее обрушение с учётом нелинейности лучшего всего подходят программные комплексы SAP2000 (определение усилий в элементах конструкции) и IdeaStatiCa Connection (определение НДС узлов конструкции). Оба расчётных комплекса позволяют учесть геометрическую и физическую нелинейность.
Определение НДС конструкции покрытия будем производить на примере здания пролётом 30 м со стропильными фермами и связями из гнутосварных профилей квадратного и прямоугольного сечения. Нормативные нагрузки для расчёта приняты по СП 20.13330.2016 [4], параметры конструирования и свойства материалов по СП 16.13330.2017 [5].
Определение усилий в элементах и перемещений будем производить в динамической постановке, как наиболее точной и приближенной к реальной работе конструкции [6]. В качестве расчётной ситуации примем выключение из работы рядовой колонны. Заданные параметры расчёта приведены на рис. 1.
Рис. 1. Принятые параметры расчёта при удалении рядовой колонны
Деформированная схема в момент пиковых перемещений с изополями по направлению Z представлена на рис. 2.
Рис. 2. Деформированная схема с изополями перемещений по направлению Z
По результатам расчёта видно, что стандартная схема без каких-либо дополнительных элементов имеет значительные перемещения. Опора фермы, из-под которой убрана колонна смещается вниз на 2,72 м, верх соседней колонны смещается в сторону просевшей фермы на 1,19 м. При принятой высоте здания в 7 м полученные перемещения недопустимы, поэтому в конструкцию необходимо добавить дополнительные связи, которые увеличат жёсткость ряда колонн в продольном направлении.
Деформированная схема с установленными по торцам связями приведена на рис. 3
Рис. 3. Деформированная схема после введения дополнительных связей с изополями перемещений по направлению Z
Введение дополнительных связей по торцам здания уменьшает максимальное вертикальное перемещение фермы с убранной опорой до 700 мм (график зависимости перемещений от времени приведён на рис. 4), максимальное горизонтальное смещение верха соседней колонны до 43 мм (график зависимости перемещений от времени приведён на рис. 5).
Рис. 4. График зависимости максимальных вертикальных перемещений опоры фермы от времени
Рис. 5. График зависимости максимальных вертикальных перемещений опоры фермы от времени
Введение связей ограничивает перемещения до приемлемых значений, однако возникает проблема с температурными деформациями. Связи по торцам при нагреве или охлаждении конструкций будут препятствовать свободному перемещению элементов, что будет приводить к возникновению значительных по своей величине усилий. Для решения этой проблемы данные связи необходимо крепить шарнирно-подвижно, достичь чего можно за счёт их крепежа на болты, установленные в овальные отверстия. Такие меры обеспечат возможность беспрепятственного температурного деформирования конструкций и при этом связи смогут выполнять свою основную функцию при возможном разрушении какой-либо колонны.
Наиболее важными в принятой расчётной схеме для обеспечения устойчивости к прогрессирующему обрушению являются узлы крепления прогонов. Монтажные узлы ферм по верхнему и нижнему поясу не изменят характера своей работы. Для обеспечения их несущей способности достаточно произвести проверку на увеличившиеся за счёт учёта динамики продольные усилия.
Определение НДС узла крепления прогона к верхнему поясу фермы произведём в программном комплексе IdeaStatiCa (рис. 6)
Рис. 6. Напряжённо-деформированное состояние узла крепления прогонов к верхнему поясу фермы
По результатам расчёта можно выделить три основные особенности НДС рассматриваемого узла при прогрессирующем обрушении:
- Увеличившиеся усилия в раскосах фермы вызывают в стенке верхнего пояса напряжения, превышающие предел текучести, что может привести к потере сначала местной, а затем и общей устойчивости верхнего пояса. Данный сценарий разрушения узла может привести к цепной реакции разрушения не только рассматриваемой фермы, но и всего покрытия;
- Опорная пластина прогонов, прикреплённая к верхнему поясу, начинает работать на изгиб, при этом напряжения в ней превышают предел текучести. Учитывая характер поведения конструкций во времени, а именно значительную амплитуду колебаний после удаления опоры фермы (рис. 4), многократное повторение цикла нагружения до напряжений, вызывающих пластические деформации может привести к усталостному разрушению пластины.
- Болты, которые на стадии нормальной эксплуатации обеспечивают неподвижность прогонов и являются конструктивными, начинают работать на сдвиг с растяжением и приобретают сложное НДС.
Резюмируя вышесказанное, можно сделать вывод о том, что стандартная конструкция узла не обеспечивает должной несущей способности и деформативности, чтобы удержать ферму после удаления одной из её опор. Таким образом, прогрессирующее обрушение при использовании наиболее распространённого варианта исполнения узла крепления прогонов допускает возможность начала прогрессирующего обрушения.
Для решения обозначенных выше проблем в работе узла необходимо внести два изменения в его конструкцию:
- Для обеспечения местной устойчивости стенок верхнего пояса требуется добавить фасонки, которые более равномерно распределят приходящее с раскоса усилие.
- Необходимо обеспечить возможность многократно повторяющихся больших перемещений узла, для чего требуется увеличить его шарнирность.
Результаты расчёта изменённого узла приведены на рис. 7.
Рис. 7. Напряжённо-деформированное состояние узла крепления прогонов к верхнему поясу фермы с учётом мер, обеспечивающих устойчивость к прогрессирующему обрушению
Как видно по результатам расчёта, после внесения незначительных изменений, узел с большим запасом воспринимает действующие при прогрессирующем обрушении усилия, при этом обеспечивается возможность больших перемещений.
Для узла крепления прогонов над колонной, в которых при прогрессирующем обрушении возникают наибольшие среди всех прогонов усилия, необходимо использовать тот же принцип, только принять больший диаметр болтов и толщины фасонок.
По результатам анализа проведённых расчётов можно сделать вывод о том, что обеспечить устойчивость конструкции покрытия одноэтажного здания со стальным каркасом к прогрессирующему обрушению возможно путём введения всего четырёх дополнительных связей и изменением конструкции узлов крепления прогонов. Описанное выше решение по сравнению с приведёнными в пособии к СП 385.1325800.2018 и встречающимися в инженерной практике позволяет значительно сэкономить металл и сохранить ту же степень простоты изготовления и монтажа конструкций, которую имеют стандартные варианты исполнения узлов.
Литература:
1. Пособие по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения (Часть 2).
2. Ерёмин, П. С. К вопросу о недостатках конструктивных решений, обеспечивающих устойчивость к прогрессирующему обрушению покрытий одноэтажных зданий со стальным каркасом / П. С. Ерёмин. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2022. — № 20 (415). — URL: https://moluch.ru/archive/415/91790/ (дата обращения: 24.05.2022).
3. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения (с Изменениями № 1, 2).
4. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* (с Изменениями № 1, 2, 3).
5. СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23–81*" (с Поправками, с Изменениями № 1, 2, 3).
6. Бурдин, Д. С. Учет физической нелинейности при расчете зданий и сооружений на устойчивость к прогрессирующему обрушению / Д. С. Бурдин. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2021. — № 21 (363). — С. 56–62. — URL: https://moluch.ru/archive/363/81274/ (дата обращения: 24.05.2022).
