Применимость программного комплекса SCAD для расчета прогрессирующего разрушения каркасно-панельных одноэтажных зданий с учетом потери несущей способности отдельных конструктивных элементов

Проведен анализ прогрессирующего разрушения каркасно-панельного производственного здания с применением вычислительного комплекса SCAD,обладающего осевой симметрией при удалении одного элемента из группы эквивалентных элементов. Формула определения необходимого числа расчетов на прогрессирующее разрушение, при выходе из строя одной колоны в зависимости от количества пролетов и рядов колон.

Ключевые слова:прогрессирующее разрушение, вычислительный комплекс SCAD,эквивалентные группы элементов, каркасно-панельное производственное здание.

В последние годы вопросам надёжности проектируемых и существующих зданий проявляется повышенный интерес, который связан, в том числе с мероприятиями по предотвращению прогрессирующего разрушения зданий и сооружений.

Значительный интерес к прогрессирующему обрушению связан с большими экономическими потерями и социальными негативными последствиями.

Для предупреждения прогрессирующего разрушения необходимо рассматривать влияние возможных последствий разрушения отдельных конструктивных элементов на сохранение основных несущих элементов конструкций сооружений. Прогрессирующее разрушение связано с влиянием начального локального разрушения отдельных несущих элементов, на состояние сооружения в целом.

В настоящее время активно ведутся работы по исследованию прогрессирующего разрушениямногоэтажных (высотных) каркасов зданий и большепролетных сооружений. В том числе и для производства восстановительных работ на объектах, разрушаемых при ЧС различного характера.

Исследования на прогрессирующее разрушение многоэтажных зданий, в большинстве своем связанно со строительством большого количества жилых и офисных зданий и большепролетных торгово-развлекательных и спортивных комплексов.

Что же касается исследования прогрессирующего разрушения большепролетных зданий то, в настоящее время ему уделяют все большее внимание в связи с имеющими место разрушениями. Примером прогрессирующего обрушения большепролетных сооружений является, рухнувшее покрытие аквапарка «Трансвааль». Авария аквапарка развивалась как последовательная цепь локальных повреждений.

На данный момент известны три основных способа предупреждения прогрессирующего обрушения строительных конструкций [2]:

-       Общее упрочнение всего сооружения;

-       Местное усиление отдельных элементов;

-       Обеспечение надежной конструктивной взаимосвязи элементов.

Также существуют и более частные методы предупреждения прогрессирующего разрушения, к которым относятся: повышение надежности, дублирование и конструктивные решения, обеспечивающие предупреждения прогрессирующего разрушения основных несущих элементов здания [1].

Расчет прогрессирующего разрушения может проводиться двумя методами кинематическим методом предельного равновесия и методом конечных элементов с использованием пакетов прикладных специальных сертифицированных в России компьютерных программ, таких как SCAD, ANSYS, СТАДИО, Nastran и др. Кинематический метод, в отличие от метода конечных элементов, не автоматизирован и требует от исполнителя творческого подхода. Оба метода расчета позволяют, как проверить, так и подобрать сечение отдельных элементов.

Расчет устойчивости здания к прогрессирующему обрушению необходимо производить на особое сочетание нагрузок и воздействий, включающих длительные и постоянные нагрузки, при действии особых нагрузок расчет проводится для сооружений I и II классов ответственности, а также воздействие возможных локальных разрушений несущих конструкций [3].

Расчетом должны быть проверены все возможные схемы разрушений отдельных элементов. При этом величина деформации и ширина раскрытия трещин в элементах, рассчитываемых на прогрессирующее разрушение, не регламентируется [4].

Оценка состояния несущих конструкций каркасных зданий и сооружений является актуальной задачей особенно для промышленных зданий, особо опасных, технически сложных и уникальных объектов. Разрушение подобных сооружений может привести к катастрофам. Особенно это касается объектов атомной энергии (в том числе ядерные установки, пунктов хранения ядерных материалов и радиоактивных веществ), объектов авиационной и космической инфраструктуры. Согласно перечисленные выше здания и сооружения подлежат защите от прогрессирующего обрушения при аварийных и техногенных ситуациях.

Рассмотрим различные варианты существующих одноэтажных промышленных зданий, для которых, в большинстве случаев унифицированы размеры пролетов, шаг колон и высоты зданий, кроме того для промышленных зданий существенным, с точки зрения анализа прогрессирующего обрушения, является наличие или отсутствие мостовых кранов определенной грузоподъемности. Что касается длины здания, то она может быть любая, но при этом кратна принятому шагу колон

Анализ производственных зданий промышленных объектов существенно, также упрощается за счет того, что ограждающие конструкции собраны целиком из типовых элементов, изготовленных на заводах строительных конструкций.

Примененные колонны могут быть стальные или сборные железобетонные, несущие конструкции покрытия принимаются в виде сборных железобетонных балок или ферм или стальных ферм. Подкрановые балки применяются стальные или сборные железобетонные в зависимости от грузоподъемности мостовых кранов Выше пречисленные конструктивные элементы с различными геометрическими размерами применяются для любой конструктивной схемы с одинаковым пролетом.

Что касается типовых решений, для многоэтажных зданий, то их применение для типовых решений производственных зданий ограничено, что обусловлено большими технологическими нагрузками от оборудования.

Рассматривая многопролетные одноэтажные, каркасно-панельные производственные здания, можно сделать вывод, что они, как правило, в большинстве случаев обладают осевой симметрией относительно продольной и (или) поперечных осей.

Моделирование процесса прогрессирующего разрушения производственных зданий, вышеперечисленного типа, удобно проводить с применением ПК SCAD, позволяющим определить объемы разрушения всего здания, при превентивном разрушении одного или группы элементов.

Для оценки прогрессирующего разрушения в ПК SCAD искусственно удаляется один или группа элементов и проводится расчет напряженно деформируемого состояния всех элементов здания, что позволяет получить картину возможных разрушений для каждого элемента здания.

Количество расчетов выбирается исходя из необходимости получения наиболее полной информации по объемам разрушений для всего промышленного здания, при возможном разрушении наиболее ответственных элементов.

Для зданий обладающих симметрией относительно обеих осей, можно определить необходимое число расчетов, которое необходимо выполнить для количественной оценки объемов разрушений при разрушении одного из элементов. К таким элементам в первую очередь относятся, колонны балки, фермы. При этом разрушении колонн приводит к наибольшему числу разрушений конструктивных элементов здания и как следствие к наибольшему объему восстановительных СМР. Для анализа объемов разрушения всего здания при возможном разрушении одной из колонн, они объединяются в расчетные группы. Расчетные группы объединяют колонны на основе их симметричного положения на плане здания. количество расчетных групп при разрушении одной из колонн определяется из зависимости (1).

                                                                                (1)

где: N число рядов колонн производственного здания в продольном направлении;

- число пролетов производственного здания в поперечном направлении;

;

;

;

;

 — целая часть числа  (целочисленная функция);

 — целая часть числа  (целочисленная функция);

 сигнум функция

 сигнум функция

После выполнения всех расчетов, количество которых определяется по формуле (1) выделяются эквивалентные элементы группы разрушаемых элементов. Под эквивалентной группой разрушаемых элементов понимается элемент или группа элементов, разрушение которых вызывает одинаковый объем разрушения всего здания.

В качестве примера моделирования прогрессирующего разрушения в ПК SCAD рассмотрим разрушение конструкций одноэтажного каркасно-панельного сооружения при разрушении одной из колон. На рисунке 1 представлен поперечный разрез типового производственного здания, а на рисунке 2 план расстановки колон рассматриваемого здания с шагом в осях «1–13», 6 м, а в осях «А-Г» 18м. Колонны рассматриваемого здания двух типов: в осях А, Г- К1, в осях Б, В- К2 рисунок 2.

Рис. 1. Поперечный разрез типового производственного здания

Рис. 2. План расстановки колон типового производственного здания

Для анализа объема разрушения рассматриваемого здания, с N=13 и n =3 при разрушении одной колоны, в соответствии с зависимостью (1) необходимо провести 14 расчетов в программном комплексе ПК SCAD.

Рассмотрим состояние здания при расчете на прогрессирующее разрушение при разрушении одной из колонн первой расчетной группы, включающих колонны А1; А13; Г13; Г1. На рисунке 3 представлен результат расчета на прогрессирующее разрушение каркаса промышленного здания при выходе из строя колоны А13.

Рис. 3. Результат расчета на прогрессирующее разрушение каркаса промышленного здания при выходе из строя колоны А13

Результаты расчета рассматриваемого здания на прогрессирующее разрушение отображается в графической форме в двухцветной цветовой шкале. В двухцветной шкале элементы разделяются на два типа, сохранившие работоспособность, обозначаются зеленым цветом и вышедшие из строя, обозначаются красным цветом

Результаты расчетов на прогрессирующее разрушение выполняются для всех 14 расчетных групп и сводятся в таблицу 1. После выполнения расчетов выделяются эквивалентные элементы (эквивалентные группы колонн), разрушение которых приводит к одинаковым объемам разрушения здания.

Таблица 1

Результаты расчета на прогрессирующее разрушение при удалении одной из колонн здания

Анализ результатов прогрессирующего разрушений позволяет выделить элементы вышедшие из строя, объединить элементы в эквивалентные группы, и а также определить необходимый объем СМР для каждой эквивалентной группы. В таблице 2, обобщены результаты расчета разрушения отдельных элементов, что позволяет получить объемы восстановительных работ для каждой эквивалентной группы.

Таблица 2.

Сводные объемы разрушения производственного здания и количество элементов, подлежащее восстановлению при возможном разрушении одной из колонн в каждой из эквивалентных групп

В таблице 2 необходимый объем СМР представлен для восстановления сооружения с учетом демонтажа и повторного монтажа.

Анализ результатов расчета сведенные в таблицу 2 позволяют определить наиболее опасные места разрушения производственных зданий, которые могут повлечь лавинообразное распространение обрушений.

ВЫВОДЫ:

1.         Получена формула (1) для выполнения необходимого числа расчетов на прогрессирующее разрушение с целью оценки количественных показателей конструкций производственного здания.

2.         Результаты расчета наиболее опасных участков конструкции при прогрессирующем разрушении, позволяет провести их местное усиление, что сократит объемы разрушений и не даст возможности распространению лавинообразного обрушения конструкций при перераспределении веса конструкции.

3.         Анализ результатов работы модели прогрессирующего разрушения и выполненной в ПК SCAD, позволяют спрогнозировать объемы разрушений, в том числе для проведения восстановительных работ на объектах, разрушенных при ЧС. Это определяет в свою очередь план технического прикрытия объекта.

Литература:

1.         Алмазов В. О., Проблемы прогрессирующего разрушения строительных объектов // Строительство. Деловая слава России, [Электронный ресурс] — Режим доступа: [http://www.d-s-r.ru/texts/74–77.pdf]

2.         Карпиловский В. С., Крискунов Э. З., Маляренко А. А. и др. SCAD Office. Вычислительный комплекс SCAD. — М.: СКАД СОФТ, 2012. — 648 с.

3.         Булгаков С. Н., Тамзарян А. Г., Рахман И. А., Степанов А. Ю., Снижение рисков в строительстве при чрезвычайных ситуациях природного и техногенного характера// Научное издание. Под общ. ред. Тамзаряна А. Г. Издание второе.- М.: Издательство АСВ, 2012.– 304с.

4.         Руденко Д. В., Защита каркасных зданий от прогрессирующего обрушения. Диссертация магистр техники и технологии/ ГПУ, С-Пб. — 2009, — 91 с.    

5.         Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий: СТО — 008–02495342–2009 — М.: «ЦНИИПромзданий», 2009г. — 21 с.

6.         Трепененков Р. И., Альбом чертежей конструкций и деталей промышленных зданий. Уч. пос. для вузов, 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Стройиздат, 1980г. — 284 с.

7.         Корн Г. Корн Т., Справочник по математике для научных работников и инженеров. Издательство «Наука» — М.: 1977. — 832 с.

8.         Гляков М. Ю., Витман А. В. //ХХХVIII научно-практическая конференция «Инновационные материалы, технологии и социально-экономические аспекты развития экономики и обороноспособности Российской Федерации» Сб. научных трудов, часть 1 — г. Балашиха. Изд-во ВТУ Министерства обороны Российской Федерации, 2013 — С. 29–34.