автореферат диссертации по строительству, 05.23.17, диссертация на тему:Исследование прочности и устойчивости к прогрессирующему обрушению высотных зданий рамно-связевой конструктивной схемы в процессе возведения и эксплуатации

005004064

Григоршев Сергей Михайлович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ РАМНО-СВЯЗЕВОЙ КОНСТРУКТИВНОЙ СХЕМЫ В ПРОЦЕССЕ ВОЗВЕДЕНИЯ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

05.23.17 - «Строительная механика»

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 ДЕК 2011

Москва-2011

005004064

Работа выполнена в Областном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский инженерно-строительный институт»

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Сапожников Адольф Иосифович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Мкртычев Олег Вартанович - кандидат технических наук, доцент Волков Александр Павлович

Ведущая организация - ОАО Проектный институт

«Астраханьгражданпроект»

Защита состоится «20» « декабря » 2011 года в 14.00 ч., на заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, ауд. 420 УЛК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет».

Автореферат разослан «/?■» « 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Анохин Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Объемы строительства высотных зданий, как в России, так и в мире, с каждым годом значительно увеличиваются. Объясняется это, как нехваткой территории в экономически перспективных районах и необходимостью концентрации административных зданий в финансовых центрах, так и, стремлением государств показать свою независимость, уровень научного, технологического и экономического прогресса.

Массовое строительство высотных зданий в России началось сравнительно недавно, около 15 лет назад, в то время как мировая история насчитывает более ста лет. Несмотря на то, что в отечественной практике строительства есть подобные типы зданий, построенные более 60 лет назад - сталинские высотки, однако, они представляют собой уникальные объекты, опыт которых практически не отразился в нормативных документах.

При этом проектирование высотных зданий, как систем развитых по вертикали, ставит перед проектными организациями задачи точного и достоверного их расчёта с учетом множества различных факторов. Для достоверного определения НДС любой конструкции требуется получить большое количество данных о поведении их не только при статических, но и при динамических воздействиях (сейсмических, ветровых, техногенных). Необходимы данные о величинах этих нагрузок, об их влиянии на все здание и перераспределение их между его отдельными несущими элементами. Кроме того, необходимы достаточные знания о применимости тех или иных допущений и идеализаций, вводимых в любой расчет при переходе от реального объекта к его расчетной модели. Например, как установлено в диссертации, учет последовательности возведения, совместной работы диафрагм и рам не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки, в контексте рассмотрения первых, как элементов повышенной продольной и изгибной жесткости, и других, ранее осознано не учитываемых факторов, может приводить к существенным неточностям в определении НДС высотных зданий. Поэтому изучение их влияния на формирование НДС элементов здания, особенно в рамках их расчетных моделей и методов расчета, является одной из важнейших задач современной строительной механики.

Вышеотмеченное свидетельствует об актуальности выбранной темы исследований, направленной на дальнейшее развитие строительной механики в части совершенствования, как методов расчета, так и в части изучения факторов, которые необходимо учитывать при формировании расчетных моделей зданий для расчетов с использованием современных САПР.

Целью работы является исследование прочности высотных каркасных зданий с рамно-связевой конструктивной схемой и их устойчивости к про-

грессирующему обрушению, а также доработка и уточнение методов их расчета, как сложных расчетных моделей, развитых в вертикальной плоскости, согласно полученным данным о работе конструкций на различных этапах возведения и эксплуатации здания. Указанная цель подразумевает, прежде всего, исследование механизмов формирования НДС несущих конструкций, на различных этапах возведения и эксплуатации, а также изучение влияния на них элементов повышенной жесткости (диафрагм, развитых колонн) не только при статических, но и при динамических нагрузках с учетом собственных колебаний. Кроме того, в цель работы, входит разработка методики расчета, позволяющей достоверно определять НДС здания, с учетом последовательности его возведения, одновременно учитывая податливость элементов в их взаимодействии, и другие факторы, без снижения точности и увеличения трудоемкости расчета.

Задачи исследования:

• учета истории возведения здания, при определении его НДС, а также выявление причин несоответствия результатов, получаемых с использованием традиционных методов мгновенного расчета всего здания, данным действительного НДС конструкций;

• определение факторов и механизмов, существенно влияющих на формирование НДС здания, при учете последовательности возведения;

• учета продольной податливости вертикальных несущих элементов каркаса высотного здания и определение его влияния на формирование НДС расчетной модели в целом;

• разработка эффективной методики расчета высотного здания с учетом последовательности возведения, вертикальной податливости элементов каркаса, и других выявленных в ходе исследования факторов;

• анализ влияния элементов повышенной жесткости (диафрагм, развитых колонн) на формирование НДС здания;

• совершенствование существующих методов расчета посредством учета обозначенных выше факторов;

• исследования факторов, существенно влияющих на изменение НДС элементов каркаса здания, на стадии эксплуатации;

• исследование влияния характера динамического воздействия кинематического характера на формирование НДС высотных зданий;

• исследование устойчивости к прогрессирующему обрушению высотных зданий, в статической и динамической постановках задачи;

• исследование факторов, значительно влияющих на формирование НДС несущей системы здания при аварийных ситуациях, связанных с ло-

кальным обрушением несущих элементов.

Поставленные задачи в полной степени отражают основную заложенную идею исследования, а именно изучение механизмов формирования НДС сложных, развитых по высоте, расчетных схем зданий, особенно высотных, под различными видами воздействий.

Научная новизна исследования заключаются в следующем:

1. определен характер формирования НДС несущих конструкций, а также факторы, влияющие на достоверность результатов, получаемых при расчете здания с учетом последовательности его возведения; к установленным факторам относятся: изменение жесткости крайних узлов сопряжения горизонтальных элементов каркаса с вертикальными в зависимости от наличия вышерасположенных элементов рам; фактор продольной податливости вертикальных элементов;

2. обоснованно доказана необходимость учета этапности возведения, при построении расчетных схем высотных зданий, в которых ошибка определения НДС при не учете возведении может выше 50 процентов;

3. доказана значительная роль фактора продольной деформативности вертикальных несущих элементов, в формировании НДС высотного здания в целом, как на этапе его возведения, так и на этапе эксплуатации;

4. предложена методика расчета, позволяющая достоверно определять НДС здания с учетом последовательности возведения, продольной податливости элементов, без увеличения трудоемкости расчетов;

5. определены факторы, влияющие на формирование НДС элементов каркаса высотного здания, при учете совместной работы диафрагм и колонн, как на горизонтальные, так и на вертикальные нагрузки, а также исследованы механизмы формирования НДС здания с учетом указанной работы диафрагм; установлена значительная (в 1,5 раза и более) изменчивость с ростом этажности НДС каркаса обусловленная увеличения разницы продольных деформаций отдельно стоящих колонн и систем «диафрагма-колонна», а также из-за поворота поперечных сечений диафрагмы при ее изгибе под горизонтальными нагрузками;

6. проанализировано поведение высотного здания при динамическом воздействии, кинематического характера различной продолжительности; в результате анализа установлено, что при кратковременном воздействии, может наблюдаться значительная (в 1,5 раза и более) перегрузка элементов, особенно верхних ярусов, из-за запаздывания включения в колебательный процесс верхних этажей высотного здания по сравнению с нижними;

7. исследован механизм формирования НДС элементов каркаса здания, при локальном повреждении его несущих конструкций и установлены основ-

ные влияющие факторы - изменение расчетной схемы горизонтальных элементов и влияние продольной податливости вертикальных элементов; также установлено, что эффект, получаемый при учете динамического характера обрушения несущего элемента, приводит лишь к количественному изменению в НДС оставшихся элементов каркаса, и практически не влияет на его характер, получаемый при расчетах в статической постановке;

8. на основании обобщенного анализа полученных результатов, как в теоретической, так и в экспериментальной1 части исследования, разработаны рекомендации по повышению адекватности расчетных моделей реальному поведению несущих элементов здания, устраняющие несовершенства применяемых в настоящее время методов расчета.

Достоверность результатов исследования обеспечивается использованием общепринятых гипотез, теорий и методов строительной механики, теории упругости и пластичности, корректным применением математического аппарата и строгими математическими преобразованиями, а также логической оценкой расчетных схем и результатов расчета. Достоверность полученных данных подтверждается известными натурными наблюдениями.

Практическая значимость работы заключается в развитии строительной науки в области обеспечения надежного проектирования многоэтажных каркасных зданий, как систем развитых по высоте, а также в развитии методов их расчета, путем более полного учета факторов, влияющих на поведение здания под различными нагрузками и на различных этапах его возведения и эксплуатации.

Предложенная в диссертации методика расчета позволяет учитывать последовательность возведения, вариантность проектирования отдельных блоков здания, позволяет решать также задачи устойчивости здания, без увеличения времени расчета, по сравнению с традиционным методом конечных элементов. Благодаря использованию принципа фрагментирования расчетной модели, исключается необходимость постоянного пересчета всей разрешающей системы уравнений, что позволяет, помимо указанного ранее, обеспечить эффективное использование многопроцессорных технологий применяемых в современных процессорах.

Полученные результаты позволяют проектировать не только высотные, но и малоэтажные, производственные и другие здания и сооружения.

Личный вклад соискателя. Все разработки и исследования проведены лично соискателем в процессе научной деятельности. Из совместных ста-

' Компьютерное моделирование работы здания посредством метода конечных элементов

тей в диссертацию включен лишь материал, непосредственно полученный в ходе исследований соискателем.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

• результаты анализа механизмов формирования НДС элементов здания при учете последовательности возведения высотного здания, а также установленные причины неспособности традиционных методов расчета достоверно определить НДС здания;

• основные выявленные факторы, влияющие на формирование НДС несущих конструкций здания, при проведении расчетов с учетом последовательности его возведения;

• методика расчета зданий, эффективно учитывающая последовательность возведения, продольную податливость вертикальных элементов и др. факторы, при этом позволяющая уменьшить время и трудоемкость расчета;

• установленные факторы влияния диафрагм жесткости на формирование НДС элементов каркаса, вызванные совместной работой диафрагм и колонн, как на вертикальные, так и горизонтальные нагрузки;

• результаты анализа и основные закономерности поведения высотного здания, как системы развитой по вертикали, при сейсмическом или ином динамическом воздействии кинематического характера различной продолжительности;

• результаты статического и динамического анализа и основные факторы, влияющие на изменение НДС высотного каркасного здания при локальном повреждении его несущих элементов.

Апробация работы. Основные результаты исследования докладывались на следующих конференциях: Международной научно-практической конференции (МНПК) «Образование, наука и практика в строительстве и архитектуре», Астрахань, 2007; П-я научно-практическая конференция «Астрахань-Дом будущего», Астрахань, 2008; Ш-я МНПК «Инновационные технологии в науке и образовании - ресурс развития строительной отрасли и жи-лищно-коммуналыюго хозяйства, Астрахань 2009; Первый каспийский инновационный форум, Астрахань, 2009; IV-я МНПК «Модернизации регионов России: инвестиции в инновации», Астрахань,2010; на заседаниях кафедры промышленное и гражданское строительство АИСИ в 2007-2010 гг. и строительной механики и сопротивления материалов МГСУ в 2010-2011гг.

Публикации. То тематике диссертации опубликованы 19 статей, из них по перечню ВАК РФ - 7.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, основных выводов, списка используемой литературы

(136 наименований) 64 рисунка и 3 таблицы. Общий объем диссертации -188 страниц машинописного текста.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введение обоснована актуальность исследования, сформулированы основные цели и задачи, отмечена научно-практическая целесообразность темы, а также определены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена обобщению и анализу зарубежного и отечественного опыта расчета и проектирования зданий повышенной этажности. Отмечаются основные направления развития высотного домостроения и его расчета на статические и динамические нагрузки, а также описывается история совершенствования расчетных схем данных типов зданий, а также методик их расчета.

В главе отмечается, что строительство высотных и зданий имеет почти вековую историю. В 1913 году в Нью-Йорке было построено здание Wool-worth Building высотой 241 м (57 этажей). Затем были построены здания Empire State Building (102 этажа, высота 381 м, с антенной - 448 м), World Trade Center представляющий собой две башни в Нью-Йорке (415, 417 м), Sears Tower (442 м) в Чикаго и др..

В последние годы строительство самых высоких зданий ведётся в Малайзии, Тайване, Китае и особенно в ОАЭ (Дубай). Из постсоветских стран следует отметить Казахстан, в столице которого - Астане построено 36-этажное здание со шпилем, высотой 155 м, планируется и уже возводятся более десятка высотных зданий.

За всю свою эту небольшую, но значимую историю высотного строительства было накоплено большое количество разнообразного материала. Особенно большой опыт в высотном строительстве имеет США и Япония. В России вопрос строительства высотных зданий стал особенно актуальным в последние 10-15 лет, когда из-за нехватки земли в особо важных и экономически перспективных районах появилась необходимость более плотной застройки, что и привело к необходимости возведения высотных зданий

Следует отметить и тот факт, что история развития высотных зданий в России насчитывает уже более 60 лет, первые «высотки» были заложены еще при И.В. Сталине. Однако, несмотря на то, что отечественное высотное строительство сравнимо, по времени своего существования, с Западным, до сих пор, завершенных единых норм и правил проектирования практически не выработано, Хотя, стоит отметить наметившееся увеличение научных работ2

2 Из них можно выделить работы В.Н.Аликина, П.В. Алявдина, A.M. Белостоцкого, В.М. Бовда-'ре'нк'о; Г.А Тениева, A.C. Городецкого, Ю.А. Дыховичного, П.Г. Еремеева, Е.К. Ивановой, В.А. Игнатьева, Н.Н.Кружкова, Т.Г. Маклаковой, О.В. Мкртычева, Б.П. Назарова и др.

по данному вопросу в отечественной строительной отрасли в последнее десятилетие, что обусловлено значимостью данного вопроса.

Одной из основных проблем расчета и проектирования высотных зданий, является сложность обеспечения их прочности и жесткости, при действии горизонтальных воздействий (ветровых и сейсмических), влияние которых, значительно больше, чем в малоэтажных зданиях, и сопоставимо с влиянием гравитационных сил. При этом, стоит отметить, что если для определения величин ветровых нагрузок уже существуют достаточно точные методики, то с сейсмическими картина более неопределённая, и это, несмотря на то, что уже накоплен значительный материал в этой области. Особенно стоит отметить труды зарубежных ученых Ф. Омори, Мононобэ, М. Био, Коха, Г. Хаузнера, Р. Мартела, Дж. Алфрода и др., а также отечественных ученых К.С.Завриева, И.Л. Корчинского, А.Г. Назарова, Я.М. Айзенберга, C.B. Медведева, М.Ф. Барштейна, В.В. Болотина, В.К. Егупова, А.И. Сапожникова и др.. Однако, несмотря на большое количество работ, остается еще много проблем в части точности определения НДС зданий при сейсмическом воздействии.

На основании проведенного в первой главе анализа научной и нормативной литературы, были выбраны основные задачи исследования.

Во второй главе назначаются основные исходные данные необходимые для дальнейших исследований в рамках поставленной цели. При этом предварительно рассматриваются наиболее распространенные конструктивные схемы высотных зданий, производится анализ достоинств и недостатков каждой из них. На основании анализа для дальнейших исследований определяется общая и распространенная конструктивная схема, которая впоследствии используется для составления общей расчетной модели, позволяющей наиболее полно отразить поведение реальных зданий.

Отмечается что, характерной особенностью высотных зданий, в отличие от зданий «нормальной» этажности (до 25 этажей), является наличие существенных горизонтальных нагрузок (ветровой, сейсмической). Влияние которых, на прочность несущих конструкций, с увеличением этажности значительно возрастает. Именно поэтому, на основании проведенного анализа различных конструктивных схем зданий, в качестве оптимальной была выбрана рамно-связевая система, которую условно можно разделить следующим образом:

1. традиционная рамно-связевая система, используемая для зданий не более 60 этажей или 200 м;

2. пространственно-связевая конструктивная схема, используемая для высотных зданий более 200 м, типа - «небоскреб».

В качестве исследуемой, была выбрана первая, так как в современном отечественном строительстве, наиболее распространенными является здания ниже 60 этажей, в которых, традиционная рамно-связевая система является наиболее эффективной с точки зрения прочности и устойчивости.

Кроме того, в данной главе, отмечается также существенная роль строительной механики в расчете высотных зданий, как систем развитых в вертикальной плоскости, а также обосновывается необходимость ее дальнейшего развития в тесной взаимосвязи с изучением работы высотных зданий, поведенческие особенности которых, существенно отличаются, от ранее рассматриваемых в строительной механике малоэтажных систем.

В заключительной части главы выбраны основные параметры здания, определены возможные вариации расчетной модели, ее геометрические и физические характеристики. Рассмотрен также вопрос необходимости учета податливости перекрытий в своей плоскости, применительно к высотным зданиям, а именно с учетом их сравнительно небольших размеров в плане и более высокой жесткости вертикальных элементов.

В качестве основного средства анализа расчетной модели, учитывая необходимость выполнения расчетов с высокой точностью, приняты программы MSC.Nastran, SCAD Office 11.1, Mathcad V14.0.

В третьей главе диссертации исследуется характер изменения НДС элементов каркаса высотного здания на стадии его возведения, а также анализируются основные факторы, влияющие на это изменение. При этом основной решаемой задачею является установление непосредственно причин неспособности традиционных методов расчета полной модели «возведенного» здания, определить истинное НДС всех элементов расчетной модели.

В результате проведенного в данной главе анализа установлено, что при расчете зданий с учетом последовательности их возведения, необходимо учитывать деформируемость каркаса на различных этапах возведения. При этом именно отсутствие возможности учета начальных деформаций в элементах рамного и/или рамно-связевого каркаса при расчете по традиционной расчетной модели является одним из основных ее недостатков. Следует отметить, что в связевых каркасах, результаты, получаемые с учетом и без учета последовательности возведения, совпадают. Это объясняется отсутствием рамных узлов сопряжения горизонтальных и вертикальных элементов, вызывающих перераспределение внутренних усилий в данных элементах на разных этапах возведения.

Стоит отметить, что проведенные исследования показали, что особую актуальность, расчеты с учетом последовательности возведения, приобретают для многоэтажных и особенно высотных зданий с рамной и рамно-

связевой конструктивной схемой, гак как в них наблюдаются существенные (30 и более процентов) изменения в результатах, получаемых с использованием традиционных моделей и моделей, учитывающих последовательность возведения. При этом, на в результате исследований были установлены основные факторы, оказывающие влияние на изменение НДС элементов каркаса при расчете здания с учетом последовательности его возведения. К таким факторам относятся: изменение жесткости крайних узлов сопряжения горизонтальных элементов каркаса с вертикальными, в зависимости от наличия вышерасположенных элементов рам, необходимость учета продольных деформация колонн и влияние расположения диафрагм жесткости.

На основании полученных результатов была предложена методика учета последовательного возведения здания, позволяющая достоверно определить их НДС. За основу методики был принят метод контурных и расчетных точек (МКиРТ), предложенный Сапожниковым А.И., при этом он был модифицирован и дополнен применительно к рассматриваемой задаче, более строгим подходом в построении матриц жесткости, а также методикой шарнирного стержня, позволившей использовать его в задачах устойчивости.

Суть методики заключается в уменьшении порядка матрицы жесткости здания путем ее поэтапного построения, с удалением пройденных участков, при одновременном ее «запоминании» в контурных точках. Формирование самой матрицы жесткости выполняется поэтапно, начиная с нижнего этажа.

-Г; III ODD 'III LI...1 1

|4-;-Н—j

(ii1: ' '

-----1

L-----p^ JJI 4JJ

fj

44-). "IT]------

1 ffi Ш -1

i \

.-¿Ъ-У;

■ > f ; : Щ

Хй-ijj__ i

rtttl t i ЕЕЕШ4.____;

: . : у:

Рис. 1 Схема построения скользящего суперэлемента а - разбивка первого блока здания на КЭ; б - замена первого блока КЭ контурными точками; в - замена первого ряда КТ и второго блока КЭ контурными точками второго ряда; г - процесс перехода от КТ (к-1 )-го ряда к к-му. д - получение матрицы жесткости верха здания; 1 - исключаемые блок КЭ, 2 - ригель; 3 - колонна, 4 - диафрагма; /?, р - соответственно исключаемые и сохраняемые узлы

Построение матрицы жесткости, в таком случае, наиболее удобно вес-

ти с использованием скользящих (ССЭ) и расширяющихся (РСЭ) суперэлементов. Матрица жесткости простейшего ССЭ строится следующим образом. Вначале вводится первый блок конечных элементов (КЭ), представляющий собой часть конструкции (рис.1). Для него вычисляются элементы матрицы жесткости, которая в свою очередь комплектуется таким образом, чтобы контурные точки (КТ), расположенные сверху рассматриваемого блока (рис. 1а) в матрице жесткости ССЭ образовывали первый блок К1Н, (где р означает принадлежность к узлам КЭ, совпадающим с КТ). Уравнение равновесия блока в таком случае имеет вид

р(1) Крр Крп X Ч? р( 1) гр

п(1) Кпр г>(1) ппп р« гп

где Я^п ~ мж кэ (кроме совпавших с КТ);

Крп> ^пр - блоки влияния КЭ, соответственно группыр (п) на группу п (р)\ - смещения узлов КЭ, соответственно групп р и п; Р^ - матрицы сил, приложенных соответственно к узлам групп р и п.

т

Для построения МЖ КТ достаточно в равенстве (1) принять цр = Ер,

р^' - 0. Это означает, что КТ поочередно получили единичные смещения, (Ер - единичная матрица порядка р), а остальные узлы, не закрепленные связями, мохут свободно смещаться и в них не возникают усилий.

Тогда матрица Рр1] будет представлять матрицу жесткости КТ - Ср(1). Используя ранее указанные подстановки, из уравнения (1) получим

= *рр ~ О^пГ'С ®

Если не вводить предположение, что = Ер, то есть допустить, что КТ получают не поочередные единичные смещения, а произвольные или единичные, но групповые, то формула (2) примет вид

Получив МЖ КТ первого блока, можно перейти к составлению МЖ КТ второго блока, который целесообразнее принять такого же размера. В регулярных конструкциях это значительно упростит расчет, так как блоки МЖ КТ сохраняются (вкладываемый блок КЭ).

Проделав вышеописанные действия можно записать МЖ КТ второго и последующих блоков в следующем общем виде

с? = (С - С + сГ'г1 №

Матрица жесткости С^ характеризует жесткость пройденных к блоков

КЭ (¿=1,2...АО, где N - число расчетных блоков здания. Таким образом, получив матрицу жесткости КТ не составит труда определить искомые деформации и напряжения в элементах каркаса, используя традиционных подход метода перемещения.

Следует отметить, что уравнение (4) отображает общую запись матрицы жесткости КТ. Для регулярных зданий, например, у которых не изменяются жесткости элементов с этажностью, были выведены более упрощенные формулы для отыскания Ср . Кроме того была показана возможность использования методики в задачах определения устойчивости всего здания.

Следует отметить, что проведенные численные расчеты, показали хорошую сходимость данной методики для определения НДС зданий, как с учетом последовательности возведения, так и с учетом вариантного проектирования в отдельных блоках КЭ. При этом точность метода в диссертации была подтверждена сравнительными анализом с результатами, полученными посредством программного комплекса SCAD Office V11.3 (модуль «Монтаж»).

В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы формирования НДС высотного здания, при действии различных нагрузок на стадии его эксплуатации. А также исследуются вопросы влияния диафрагм жесткости на характер НДС прочих элементов каркаса при учете работы диафрагм совместно с рамами не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки. Кроме того, изучаются вопросы устойчивости высотных зданий к прогрессирующему обрушению, как в статической, так и в динамической постановках, в контексте учета результатов, полученных в предыдущих главах

диссертации. Исследования в данной главе направлены на установление непосредственно факторов, оказывающих существенные изменения на характер НДС высотного здания.

Исследования проведены в три этапа.

На первом этапе проведены исследования совместной работы элементов повышенной продольной и изгибной жесткости, не только на горизонтальные, как это обычно принято, но и на вертикальные нагрузки. Это отражает

Рис. 2 Деформирование моделей в зависимости от учета податливости вертикальных элементов а - с учетом податливости, б - без учета податливости элементов

их реальную работу практически во всех применяемых конструктивных решениях, особенно при монолитном и сборно-монолитном исполнении. Исследования проведены в контексте, полученного ранее вывода (глава 2) о необходимости учета продольной деформативности вертикальных элементов.

На основании проведенных исследований было выявлено существенное влияние диафрагм жесткости на НДС прочих элементов каркаса, распо ложенных как в одной, так и в смежных с ней плоскостях, при учете работы диафрагмы на вертикальные нагрузки совместно с рамами.

При этом было доказано, что отказ от учета продольных деформаций вертикальных несущих элементов, которым часто пользуются при разработке упрощенных методик расчета, приводит к существенным (более чем в 1,5-2 раза) искажениям в определении НДС элементов каркаса, что отчетливо видно по рис. 2 и 3.

Рис. 3 Эпюры изгибающих моментов раме от вертикальной нагрузки, а - расчет выполнен без учета податливости вертикальных элементов, б - с учетом податливости

Проведенные дальнейшие исследования, при действии горизонтальных (ветровых) нагрузок показали, что диафрагмы вносят существенные изменения в работу всех элементов здания, однако только если учитывать их работу не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки, и только в случае учета продольной деформативности вертикальных несущих элементов.

При этом стоит отметить, что, если при действии вертикальных нагрузок изменения в НДС рамно-связевых систем обусловлено фактором податливости вертикальных элементов, то при горизонтальных воздействиях дополнительное влияние оказывает изгиб диафрагмы. А именно, в результате поворота поперечных сечений диафрагм при ее изгибе, происходит «поднимание, опускание и поворот» примыкающих к диафрагме сечений элементов диска перекрытия (рис.4).

Рис. 4 Деформации расчетной модели при действии горизонтальной нагрузки

Таким образом, эффекты, обозначенные при действии вертикальных нагрузок, усиливаются, поскольку, во-первых, увеличивается разность вертикальных деформаций опорных сечений ригелей, и, во-вторых, появляется дополнительный поворот примыкающих к диафрагме сечений ригелей. При этом стоит отметить, что ввиду роста угла поворота сечений диафрагмы, а также увеличения разницы продольных деформаций колонн и диафрагмы с нарастанием этажности, напряженное состояние элементов последних этажей многоэтажного здания изменяется более существенно, по сравнению с элементами нижних ярусов.

На основании проведенных исследований были предложены уточнения в существующие

методы расчета многоэтажных зданий, в части необходимости учета продольной податливости вертикальных элементов и совместной работы диафрагм и рам на вертикальные нагрузки, при составлении расчетных моделей.

На втором этапе был произведен анализ прочности верхних этажей высотного здания при динамическом воздействии кинематического характера различной продолжительности. Такой выбор задачи исследования обусловлен существующей вероятностью возникновения микроземлетрясений в результате провалов земной поверхности в городах, ввиду насыщенности их подземными коммуникациями, либо в близости которых есть, например, подземные хранилища газа, как например в г. Астрахань. В результате таких провалов могут возникать значительные сейсмические эффекты, отличающиеся от природных землетрясений кратковременным, почти импульсивным характером воздействия.

При этом были проведены предварительные исследования необходимости учета собственных колебаний в динамических расчетах высотных здания. Для этого были составлены и решены дифференциальные уравнения колебаний упрощенной модели высотного здания в виде осциллятора с конечным числом степеней свободы. Уравнения при этом были выведены с выделением составляющих, отвевающих за собственные, собственные сопутствующие и вынужденные колебания. В результате анализа полученных данных было доказано, что существующее в настоящее время априорное допущение о незначительности собственных колебаний, ввиду их быстрого затухания, не позволяет оценить в полной степени НДС здания, особенно в на-

чальные моменты динамического воздействия, когда отмеченные колебания не успели затухнуть. Проведенные исследования были продублированы решением пространственной конечно-элементной модели всего здания, результаты которой совпали с результатами расчета по упрошенной модели.

-НО

Сх

У"\

\

Рис. 5 График3 смешения верхнего центрального узла расчетной модели в зависимости от времени, м (кратковременное воздействие)

1-х

У!

В:

-а

V,/

'V../

У

Рис. 6 График смещения верхнего центрального узла расчетной модели в зависимости от времени, м (продолжительное воздействие) Далее были проведены исследования влияния продолжительности действия сейсмического или иного динамического воздействия, кинематического характера, передаваемого зданию через смещение основания. Полученные результаты показали, что при одинаковой силе, опасным оказывается кратковременное воздействие (см.рис.5,6), особенно, для верхних этажей, так как в таком случае не наблюдается уменьшение колебаний, вследствие интерференции внешнего динамического воздействия и непосредственно колебаний здания, которое присутствует при длительном воздействии.

При этом было установлено, что эффекты перенапряжении отмеченные в первом этапе, значительно увеличивается при динамическом воздействии кинематического характера, особенно на верхних ярусах здания.

На основании проведенных исследований были предложены рекомендации по составлению расчетных моделей высотных зданий и по их расчету.

1 Горизонтальная ось на рис. 5 и б представляет собой номер шага по времени, при этом крайнее левое значение соответствует начальному моменту времени.

На третьем этапе исследовано изменение НДС высотного здания при локальном повреждении его несущих конструкций.

Исследование проводилось как в статической, так и в динамической постановках. Основной целью, при этом, ставилось определение факторов, значительно влияющих на изменение НДС каркаса здания при локальном повреждении его элементов. При этом исследование проводилось с учетом ранее полученных результатов, что позволило комплексно оценить НДС зданий и выявить общие механизмы его формирования.

Рис. 8 Деформированное состояние фрагмента рамы первых 9-ти этажей и перекрытия непосредственно расположенного пол разрушаемым элементом а - до разрушения расчетного элемента; б - после разрушения В результате проведенного анализа было установлено, что при обрушении вертикального несущего элемента, происходит существенное измене-

Рис. 7 Эпюры изгибающих моментов в элементах каркаса, Н м: а - при отсутствует локального повреждения конструкций; б - при обрушении колонны, в - то же, при внедрении распределительных блоков

ние НДС элементов каркаса (см. рис.7), расположенных не только над разрушенным элементом, но и под ним, что является ранее не обозначенным фактом в научных трудах современных исследователей.

При этом, для первых элементов, данное изменение объясняется изменение расчетной схемы горизонтальных элементов, для вторых, влиянием фактора продольной деформативности вертикальных элементов. А именно частичным восстановлением4 деформированного состояния колонн, в результате которого происходит дополнительное смещение опор ригелей, расположенных непосредственно под разрушенным элементом и, следовательно, изменяется их НДС, что и отчетливо видно на рис. 76,в и рис. 8.

Во второй части исследования, проводился анализ влияния учета динамического эффекта разрушения элемента на характер НДС конструкций. В результате исследований, были установлены, основные зависимости динамического коэффициента от времени разрушения элемента и от расположения его по высоте здания, построены соответствующие графики и диаграммы, а также установлено, что динамический характер влияет только на количественную оценку НДС элементов, не изменяя при этом его характер.

На основании этого, а также учитывая сложность динамических расчетов, а также требовательность к вычислительным мощностям ЭВМ, был сделан вывод, что динамический характер разрушения необходимо учитывать только в проверочных расчетах. А именно, для моделей, прочность элементов которых, будет обеспечена при статическом расчете с коэффициентом запаса 2 и более, что соответствует максимальному возможному коэффициенту динамичности, используемому в настоящее время.

Полученные результаты, позволяют осознано и достоверно определить НДС элементов, систем развитых по вертикали, при возможном локальном повреждении их несущих элементов, используя только статические расчеты, что, обеспечивает уменьшение времени расчетов.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

Полученные в диссертации результаты всестороннего анализа поведения сложных, развитых по высоте расчетных схем зданий под различными нагрузками, и на различных этапах их строительства и эксплуатации, а также предложенные дополнения к существующим методам расчета, и предложенная методика расчета зданий с учетом истории возведения, позволяют повысить уровень расчета высотных зданий, и в целом обеспечивают строительную механику необходимой теоретической базой, в области исследования поведения под нагрузками систем развитых в вертикальной плоскости.

4 Выявленный фактор, как показал анализ существующей нормативно-технической литературы, ранее ни кем не был обозначен.

Подводя обобщенный итог проведенным в диссертации исследованиям, выделим основные результаты, наиболее полно отражающие работу:

1. Выявлены основные факторы (жесткость крайнего узла сопряжения ригеля с колонной, продольная податливость вертикальных элементов), существенно влияющие на механизм формирования НДС здания при последовательном возведении, даны рекомендации по определению НДС элементов.

2. Доказана актуальность и необходимость учета фактора продольной деформируемости вертикальных несущих элементов каркаса высотного здания при определении его напряженно-деформированного состояния.

3. Предложена методика расчета, основанная на МКиРТ и на принципах дефрагментирования, и встречного исключения (скольжения СЭ), и позволяющая учесть как процесс последовательного возведения, гак и различные сторонние факторы, такие как вариация отдельных элементов здания, и т.д.. Предложенная методика обеспечивает сокращение трудоемкости расчетов по сравнению с традиционным МКЭ.

4. Исследован характер формирования НДС несущих элементов здания, с учетом включения элементов повышенной продольной и изгибной жесткости (диафрагмы) в работу не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки. Выявлены существенные (50 и более процентов) изменения в НДС здания при учете совместной работы диафрагм и рам в вертикальной плоскости, а также определены факторы, влияющие на данное изменение.

5. Исследован вопрос влияния длительности действия динамической нагрузки кинематического характера, на формирование НДС несущих элементов. Выявлено значительное (более чем в 1.5 раза) увеличение деформаций и напряжений при непродолжительном действии обозначенных динамических нагрузок; определены факторы, влияющее на данное изменение.

6. Всесторонне проанализировано формирование НДС элементов высотного здания при локальном повреждении его несущих элементов, с учетом результатов полученных на предыдущих этапах исследования. Доказано, что эффекты от динамического характера обрушения элемента приводят лишь к количественному изменению НДС оставшихся конструкций каркаса.

7. Выявлены основные закономерности в изменении НДС элементов при локальном повреждении несущих конструкций высотного здания.

8. Существующие методы расчета зданий и сооружений дополнены учетом податливости вертикальных несущих элементов, совместной работой диафрагм и рам в вертикальном направлении и учетом последовательности возведения здания.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах (приведено 9) (публикации, опубликованные в научных из-

даниях, рекомендованных ВАК РФ, выделены курсивом):

1. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Влияние диафрагм жесткости на формирование напряженно-деформированного состояния каркасных зданий //Изв. вузов. Строительство, 2009.-Ns.il/12. - С. 108-113.

2. Сапожников А.К, Григоршев С.М. Учет последовательности возведения зданий методом конечных элементов с поэтажным формированием расчетной модели // Стр. мех. и расч. coop., 2010. -№.1. -С. 19-26.

3. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Учет последовательности возведения каркасных зданий различной конструктивной схемы // Изв. вузов. Строительство, 2010. —№2. - С. 96-105.

4. Григоршев С.М. Анализ необходимости учета последовательности возведения зданий рамной и рамно-связевой конструктивными схемами // Строительные материалы оборудование и технологии XXI века, 2010. - №.2. -С. 35-37

5. Григоршев С.М. Обеспечение устойчивости к прогрессирующему обрушению каркасных многоэтажных зданий // Строительные материалы оборудование и технологии XXI века, 2010. - №6. - С. 40-41.

6. Сапожников А.И., Григориев С.М. Метод расчленения в расчетах осадок и провалов многоэтажных зданий // Стр. мех. и расч. coop., 2010. -№5-С. 6-9.

7. Григоршев С.М. Анализ влияния диафрагм жесткости на формирование напряженно-деформированного состояния многоэтажных рамно-связевых зданий //Вестник МГСУ, 2011. -№1.т.1. — С. 70-78.

8. Григоршев С.М. Исследование механизмов формирования напряженно-деформированного состояния элементов каркаса многоэтажного здания при локальном повреждении несущих конструкций // Стр. мех. инж. констр. и coop., 2011. -№?3. - С. 31-44.

9. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Устойчивость многоэтажных рамных и рамно-связевых систем// Стр. мех. и расч. coop., 2011. —№5. - С. 36-43.

Григоршев Сергей Михайлович

Исследование прочности и устойчивости к прогрессирующему обрушению высотных зданий рамно-связевой конструктивной схемы в процессе возведения и эксплуатации

05.23.17 — Строительная механика

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.1997 г.

Подписано в печать 17.11.2011 г. Формат бумаги 60x84 1/16 Печать офсетная Объем 1,5 п.л. Тираж 100 экз. Зак.477

ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет»

Ред.-изд.отдел. Тел. (499) 183-97-95, e-mail rio@mgsu.ni. Типография МГСУ. Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44 E-mail:info@mgsuprint.ru

Введение.

Глава 1. КРАТКИЙ ОБЗОР ИСТОРИИ ВЫСОТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА И СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ЕГО РАЗВИТИЯ.

1.1 Краткий обзор истории и основные направления развития высотного строительства.

1.2 Современные методы и уровень развития существующих расчетных схем высотных зданий.

1.3 Определение основных направлений исследования.

Объемы строительства зданий повышенной этажности, в том числе и высотных, как в России, так и в мире, с каждым годом значительно увеличиваются. Объясняется это, во-первых, нехваткой территории в экономически перспективных районах, а также необходимостью концентрации административных зданий в финансовых центрах. Во-вторых, стремлением государств в целом, и отдельных организаций в частности, показать свою независимость, уровень научного, технологического и экономического прогресса, т.е. все то, что олицетворяют собой высотные здания, как наиболее сложные с точки зрения проектирования.

Массовое строительство высотных зданий в России началось сравнительно недавно, около 15 лет назад, в то время как мировая история насчитывает более ста лет. Несмотря на то, что в отечественной практике строительства существуют высотные здания и сооружения, построенные более 60 лет назад - «сталинские высотки», однако, они явились уникальными объектами, возведенными по индивидуальным разработкам, не вошедшим в нормативные документы, при этом многие из предложенных решений были забыты и утеряны. В настоящее время, отсутствие завершенной общероссийской документации, регламентирующей проектирование высотных зданий, является одной из основных проблем в данной области, не позволяющей возводить в полной мере надежные высотные здания, по всей территории РФ.

Нормативные документы, созданные в последнее десятилетие, в основном привязаны к Московской области. При этом они представляют собой практически переписанные, с увеличенными коэффициентами запаса прочности, советские строительные нормы и правила 70 - 80-х годов двадцатого века, регламентировавшие строительство зданий до 25 этажей, и то при определенных "благоприятных" условиях (отсутствие сейсмичности, слабых грунтов и т.п.). [103,105,109]

Как известно, проектирование и строительство высотных зданий, как систем развитых в вертикальной плоскости, ставит перед проектными организациями задачи точного и достоверного расчёта обозначенного типа зданий с учетом множества различных факторов, особенно в районах с большими горизонтальными нагрузками (ветровыми, сейсмическими). Для определения истинного напряженно-деформированного состояния всех несущих конструкций здания необходимо получить большое количество данных об их поведении не только под статическими, но и под различными динамическими нагрузками (сейсмическими, ветровыми, техногенными). Необходима также информация о величинах этих нагрузок, об их влиянии на все здание и на характер перераспределения между его отдельными несущими элементами, который во многом зависит от характера распределения элементов различной продольной и изгибной жесткости, причем не только в плане, но и по высоте. Именно поэтому, определяющее значение на прочность, устойчивость и живучесть здания оказывает его конструктивная схема, что в свою очередь требует от проектировщиков знания практически всех особенностей применяемых конструктивных схем высотных зданий. При этом основополагающим вопросом, в исследовании характера работы той или иной конструктивной схемы, является выбор расчетной модели здания, а также того или иного метода расчета, от которого зависит достоверность получаемых впоследствии результатов.

Все это свидетельствует, прежде всего, о незаменимой роли строительной механике в процессе создания надежного высотного здания. При этом стоит отметить, что существенное влияние при описании всех возможных процессов, влияющих на напряженно-деформированное состояние расчетной модели, оказывает уровень развития непосредственно теории расчета. А именно, исследование границ применения допущений и идеализаций, принимаемых в теориях при переходе от реального объекта к его расчетной модели, и их влияние на конечный результат. Поэтому определяющим звеном в расчетах НДС высотных зданий и сооружений является дальнейшее развитие строительной механики, как науки о методах расчета зданий и сооружений.

Особенно в части полноценного учета пространственной работы как расчет4 ной модели в целом, так и отдельных ее составляющих (стержней, плит и т.д.), что естественно невозможно без рассмотрения самих конструктивных схем подобных зданий.

Стоит отметить, что все большую роль, в развитие методов строительной механики, приобретают виртуальные эксперименты, проводимые с помощью современных компьютерных технологий, и специально разработанных систем автоматизации инженерных расчетов, позволяющие с высокой точностью и достоверностью описывать реальное поведение конструкций под различными нагрузками. Учитывая огромное многообразие конструктивных схем и решений высотных зданий, такие системы в последнее время приобретают все большее значение. Однако, несмотря на огромные возможности современных программных комплексов, особенно, в части решения задач, практически любой размерности, в отечественной практике расчёта и проектирования, остается еще большое количество проблем, связанных с учетом тех или иных особенностей поведения здания при составлении его расчетной модели. [111,112].

Трудностью при расчёте и проектировании высотного здания, как системы развитой в вертикальной плоскости, является то, что следует учитывать такие факторы как: высота здания, его функциональное назначение, вес, распределение нагрузок по высоте; ориентацию здания к направляющей динамических нагрузок, в частности, к ветровой и/или сейсмической; противопожарные мероприятия; вероятность прогрессирующего разрушения. Кроме того, как установлено в диссертации, необходимо учитывать последовательность возведения здания, с учетом податливости вертикальных несущих элементов, собственные колебания, трехмерный характер работы здания, а также совместную работу диафрагм и рам не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки и другие установленные факторы. Немаловажным является и учет гидрогеологического строения основания высотного здания, так как даже незначительные неточности его расчете могут привести к эффекту "Пизанской башни". Все это оказывает значительное влияние на фор5 мирование расчетной модели здания и на выбор наиболее оптимального метода расчет, позволяющего учесть все закладываемые особенности работы конструкций, а также позволяющий получить истинные данные об их НДС.

Следует, однако, отметить, и положительные тенденции в отечественной строительной отрасли, наметившиеся в последние десятилетия. Одной из таких тенденций стало осознание того, что существовавшие ранее методы расчета на статические и динамические нагрузки, основанные на применение вместо пространственных расчетных схем плоских и одномерных систем, и на использовании значительных упрощений, не отвечают современным требованиям к достоверности и точности расчета для зданий повышенной этажности. Кроме того, они не отображают в полном объеме, работу отдельных элементов каркаса в составе единой системы особенно на различных этапах возведения и эксплуатации здания, что не позволяет учесть влияние любого конструктивного элемента на общую прочность и устойчивость здания. Именно осознание этого факта привело к развитию и массовому применению различных систем автоматизации инженерных расчетов - CAE ^систем (Ап-sys, MSC.Nastran, Abaqus, Femap и др.), позволивших практически отказаться от использования упрощенных расчетных методов.

Однако следует отметить, что такой отказ имеет как положительные, так и отрицательные стороны. А именно благодаря внедрению систем автол матизированного проектирования (САПР ), удалось добиться значительного сокращения времени вычислений по сравнению с ручным счетом. Это в свою очередь обеспечило возможность расчета сложных, большеразмерных расчетных моделей в пространственной постановке. Однако именно это и привело к появлению одного из основных недостатков расчетных программ, а именно к сложности качественной проверки получаемых результатов. Поскольку скрытые механизмы построения основных разрешающих уравнений, не позволяют в полной степени контролировать ход решения и, следователь

1 CAE - Computer-aided engineering - системы автоматизации инженерных расчетов.

2 В данном случае использовано общее понятие САПР, включающее также систему CAE. 6 но, его результаты, что в свою очередь, значительно увеличивает влияние человеческого фактора на конечный результат.

Как было отмечено ранее, в настоящее время в России при проектировании высотных зданий все больше используется виртуальное моделирование в программах, основанных на методе конечных элементов (МКЭ). Однако, именно в нормативной базе, до сих пор практически не существует рекомендаций по составлению самой конечно-элементной модели здания, а также отсутствуют единые рекомендации по выбору типов конечных элементов (КЭ), способных обеспечить необходимую точность расчёта модели с учетом всех основных факторов, влияющих на прочность и устойчивость здания. Отчасти это объясняется наличием множества программных комплексов, имеющих в своих базах данных различные конечные элементы, анализ которых и выбор из них наиболее достоверных, весьма затруднителен. Однако основной причиной является, отсутствие понимания самих факторов, которые необходимо учитывать при составлении расчетной модели здания, а также особенностей их совместного влияние на НДС несущей системы здания. Поскольку зачастую многие факторы рассматриваются учеными дискретно и обособленно друг от друга, что усложняет выявления взаимосвязи между ними. При этом стоит отметить, что в 80-х годах прошлого века было доказано, что учет совместности действия каких-либо факторов может в значительной степени влиять на устойчивость сооружения [82]. Однако отмеченные результаты были получены для малоэтажных объектов, для высотных зданий, это положение не получило должного развития, из-за малой их распространенности, на тот период времени.

Следует отметить, что работы по составлению рекомендации по правильному моделированию расчетных схем в настоящее время ведутся, особенно, разработчиками программных комплексов, выпускающие различные учебные пособия к распространяемым ими МКЭ программам. Однако данные пособия являются не нормативными и, следовательно, не обязательны к применению, и, как правило, редко используются пользователями. [62,119]

В настоящее время, учитывая сказанное, создание конечно-элементной модели (КЭМ) здания, т.е. по сути его расчетной схемы полностью ложится на самого проектировщика. Точность и достоверность полученных в результате расчета данных, зависит от его понимания работы конструкций в реальности и в МКЭ среде. При этом, процитировав слова профессора H.H. Шапошникова: «.Тем не менее, даже в случае простейших расчетов, решающее слово остается за человеком, от которого требуется анализ результатов. ЭВМ не освобождает от умственной работы, а напротив, предъявляет к ней более высокие требования.» [23]; становится неоспоримым существенная роль пользователя в указанном процессе создания КЭМ. Следует отметить, что многие проектные организации и даже институты имеют в качестве специалистов по расчету лиц, которые не обладают достаточно высоким уровнем знания в области поведения конструкций в действительности, в том числе и на различных этапах их возведения и эксплуатации, а также имеют зачастую узкие знания в области строительной механики. При моделировании здания они руководствуются сложившимся еще в советское время пониманием работы конструкций, основанной на значительном упрощении расчетных схем. А именно, заменой объемных элементов стержневыми, пренебрежением их продольной податливости, последовательности возведения здания и т.д., которые уже не отвечают требованиям надежного проектирования, причем не только высотных зданий. [18-21,94-96] Принимаемые ими упрощенные расчетные модели, в том числе и динамические, из существующих норм, позволяют лишь ориентировочно оценить напряженно-деформированное состояние зданий и сооружений и, следовательно, лишь частично обеспечить их надежность и безопасность [50]. Таким образом, они предопределяют поведение расчетной модели исходя из укоренившихся знаний о поведении конструкций, моделируя работу здания так, чтобы его НДС было аналогичным упрощенным стрежневым моделям.

Учитывая сказанное, очевидно, что достоверность, получаемых результатов можно поставить под сомнение, особенно учитывая значительное 8 влияние человеческого фактора. Поэтому в настоящее время все большее значения вновь начинают приобретать различные упрощенные методы расчета зданий и сооружений, способных качественно проверять достоверность результатов, получаемых с использованием САЕ-систем. Однако для их разработки предварительно нужно определить влияние ранее не учитываемых факторов, а также правильность и обоснованность использования различных идеализаций. Например, последовательности возведения, продольной податливости элементов и др., причем определить не только их влияние по отдельности, но и в совокупности друг с другом. Поскольку только в таком случае можно будет говорить о практически полной корректности методов расчета и получаемым по ним результатам. Это в свою очередь позволит в последующем предложить более эффективные конструктивные решения зданий, поскольку, механизмы формирования НДС здания будут определены с наибольшей точностью и достоверностью.

Целью настоящей диссертационной работы является всестороннее исследование прочности высотных каркасных зданий с рамно-связевой конструктивной схемой и их устойчивости к прогрессирующему обрушению, а также доработка и уточнение методов их расчета, как сложных расчетных моделей, развитых в вертикальной плоскости, согласно полученным данным о работе конструкций на различных этапах возведения и эксплуатации здания. Указанная цель, в первую очередь, подразумевает исследование механизмов формирования НДС несущих элементов каркаса здания на различных этапах возведения и эксплуатации, а также изучение влияния на них элементов повышенной жесткости (диафрагм, развитых колонн) не только при статических, но и при динамических (сейсмических) нагрузках с учетом собственных колебаний. Кроме того, в цель работы, входит разработка методики расчета, позволяющей достоверно производить статические и динамические расчеты зданий, в том числе и их фрагментов, с учетом последовательности их возведения, одновременно учитывая податливость элементов в их взаимодействии, собственные и собственные сопутствующие колебания, и другие факторы, без снижения точности и увеличения трудоемкости расчета.

Актуальность и востребованность выбранного направления исследований заключается, прежде всего, в значимости данного вопроса для отечественной строительной отрасли в целом и для строительной механики в частности, вытекающей, с одной стороны, из ежегодного увеличивающегося объема строительства зданий повышенной этажности, и, с другой стороны, необходимостью и актуальностью дальнейшего развития методов их расчета. При этом совершенствование таких методов, тесно связано с дальнейшими исследованиями в области моделирования расчетных схем реальных объектов, путем более детального, всеобъемлющего и в то же время обоснованного учета факторов, влияющих на формирование их НДС. Поскольку только это обеспечит дальнейшее развитие строительной механики, как науки о расчете сооружений на прочность, жесткость и устойчивость [23].

При этом стоит отметить, что по настоящее время строительная механика развивалась в основном по пути исследований работы зданий по горизонтали, иными словами, развитых в плане. Это и отразилось в формировании многих книг и учебников по строительной механике [23,71,98], которые ориентированы на рассмотрение зданий именно в таком направлении. Хотя проведенные, как собственные исследования [18-22,94-96], так и исследования таких ученых как - A.M. Белостоцкий, Г.А. Гениев, A.C. Городецкий, Ю.А. Дыховичный, A.C. Залесов, Г.Г. Кашеварова, О.В. Мкртычев, и многих других [6,7,12-17 и др.], показали, что распространение на высотные здания, допущений и идеализаций, вводимых для малоэтажных систем, а также проведение аналогий с ними, является лишь отчасти верным. Из-за принципиально иной работы высотных зданий, связанной с проявлением и нарастанием степени влияния, факторов, не учитываемых из-за малости, в малоэтажных зданиях. Например, вертикальной податливости элементов, последовательности возведения здания и других. Причем эта особенность работы высотных зданий является общей, т.е. используя результаты, полученные для

10 высотных зданий можно перейти к малоэтажным, считая их как частный случай. Таким образом, указанное выше, еще в большей степени свидетельствует об актуальности исследования работы расчетных схем здании и сооружений, развитых по высоте. Поскольку они являются необходимыми для дальнейшего развития строительной механики в целом.

Кроме того, значимость данной проблемы в области разработки методов определения прочности и устойчивости многоэтажных зданий также подтверждается значительной заинтересованностью различных организаций. А именно, в настоящее время исследованиями в данной области занимается более 20 ведущих научно-исследовательских, проектных, строительных и эксплуатационных организаций. Одной из основных, является ОАО "ЦНИИ-ЭП жилища", среди ответственных организаций-исполнителей разделов которой, такие ведущие отраслевые научно-исследовательские институты, как: НИИЖБ, ЦНИИСК; им. В. А. Кучеренко; НИИОСП им. Н.М. Герсеванова; НИиПИ Генплана Москвы; МНИИТЭП; Моспроект; Сантех-НИИ-проект; НИИСФ, а также Всемирная академия наук комплексной безопасности и другие, ведущие научные и проектные организации России. [32,48] Благодаря такой заинтересованности со стороны научных организаций, за несколько последних лет, были разработаны и выпушены новые нормативные документы, позволяющие, хоть как то регламентировать строительство высотных зданий. Среди них, такие как, МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» и дополнение № 1 к МГСН 1.01-99 «Нормы и правила планировки и застройки участков территории высотных зданий, высотных градостроительных комплексов в г. Москва» и др. [57, 106, 109]. Кроме того, практически каждый месяц проводятся презентации и семинары с использованием ведущих программных комплексов, таких как ANSYS, SCAD, ING+, МОНОМАХ и др., в которых принимают участие ведущие конструкторы и специалисты в области строительной механики, конечно-элементного моделирования и других областей науки и техники. Следует отметить, что с каждым годом появляются все более совершенные методики расчета зданий, И но все еще остается много проблемных, а подчас и спорных вопросов, среди них, такие как:

• учет последовательности возведения зданий и сооружений, особенно его влияние на формирование напряженно-деформированного состояния элементов здания с различными конструктивными схемами;

• влияние продольных деформаций колонн и диафрагм на общее напряженное деформированное состояние каркаса;

• необходимость учета совместной работы рам и диафрагм не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки;

• необходимость учета собственных колебаний зданий при расчете на динамические нагрузки; (при расчете применяются СНиПы 80-х годов, которые не учитывают их влияние) [10,59,103];

• какие факторы влияют на формирование НДС развитых по вертикали систем, и каковы пределы использования методов расчета, ориентированных на малоэтажные системы, при проектировании высотных зданий;

• устойчивость высотного здания при действии статических и динамических нагрузках, и, как следствие, его живучесть. Одной из мер повышения живучести высотного здания, согласно материалам докладов на различных конференциях, является увеличение прочности конструкции, то же самое и предполагают нормы [57], хотя как показывают многие наблюдения проводимые исследователями [30,69,74] данная мера подчас не оправдана и приводит лишь к удорожанию здания;

• является ли увеличение коэффициентов надёжности достаточно приемлемым и надёжным способом повышения прочности и устойчивости к прогрессирующему обрушению зданий и сооружений;

• не определена чувствительность высотного здания к неравномерным осадкам основания, методика их учет и конструктивные способы, позволяющие избежать неблагоприятных последствий их возникновения;

• не разработаны надежные способы обеспечения устойчивости к прогрессирующему разрушению, а также эффективные методы расчета зданий при возможных аварийных ситуациях;

• отсутствует универсальные алгоритмы и методы расчета высотных зданий на различные виды воздействий, учитывающие в том числе этапность возведения

Подводя итог вышеизложенному, можно сделать вывод, что решение вопросов формирования НДС высотных зданий, как систем развитых по вертикали, является первостепенной задачей в отечественной строительной отрасли, особенно в части развития теории расчета, и строительной механики в целом, что и подтверждается обозначенным выше фактами.

Научная новизна. Основные научные результаты проведенного исследования заключаются в следующем:

1. определен характер формирования напряженно-деформированного состояния несущих конструкций, а также факторы, влияющие на достоверность результатов, получаемых при расчете здания на прочность и устойчивость с учетом последовательности его возведении. К установленным факторам относятся: изменение жесткости крайних узлов сопряжения горизонтальных элементов каркаса с вертикальными, в зависимости от наличия вышерасположенных элементов рам; наличие фактора продольной податливости вертикальных элементов; наличие элементов повышенной продольной и изгибной жесткости (диафрагмы) и др. факторы.

2. обоснованно доказана необходимость учета этапности возведения, при построении расчетных схем высотных зданий, особенно для элементов крайних ячеек каркаса;

3. доказана существенная роль фактора продольной деформативности вертикальных несущих элементов каркаса, в формировании НДС высотного здания в целом, как на этапе его возведения, так и на этапе эксплуатации;

4. предложена методика расчета зданий, позволяющая достоверно определять напряженно-деформированное состояние элементов здания с уче

13 том его последовательности возведения, фактора продольной податливости элементов без увеличения их трудоемкости, а также показана возможность использования данной методика в задачах устойчивости, что делает ее универсальным расчетным средством;

5. определены факторы, влияющие на формирование НДС элементов каркаса высотного здания, при учете совместной работы диафрагм и колонн не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки, а также исследованы механизмы формирования НДС здания с учетом указанной работы диафрагм; установлено значительное (более 50 процентов) изменение с ростом этажности НДС каркаса вследствие увеличения разницы продольных деформаций отдельно стоящих колонн и систем «диафрагма-колонна», при моделировании здания в пространственной постановке, посредством метода конечных элементов и с учетом указанной выше работы диафрагм и рам;

6. комплексно проанализировано поведение высотного здания при динамическом воздействии, кинематического характера различной продолжительности; в результате анализа установлено, что при кратковременном воздействии, может наблюдаться значительная (более 2 раз) перегрузка элементов, особенно верхних ярусов здания, из-за запаздывания включения в колебательный процесс верхних этажей высотного здания по сравнению с нижними этажами;

7. Качественно и количественно исследован механизм формирования НДС элементов каркаса здания, при локальном повреждении его несущих конструкций, а также установлены основные причины изменения НДС элементов расположенных как выше, так и ниже поврежденного вертикального элемента. К таким причинам относятся: изменение расчетной схемы для вышерасположенных горизонтальных элементов и влияние фактора продольной податливости колонн для нижерасположенных горизонтальных элементов. Кроме того, установлено, что эффект, получаемый от учета динамического характера обрушения несущего элемента, приводит лишь к количественному изменению в НДС оставшихся элементов каркаса, и не влияет на его харак

14 тер, получаемый при расчетах в статической постановке, это в свою очередь позволяет производить большинство таких расчетов в статике;

8. на основании обобщенного анализа полученных результатов, как в теоретической, так и в экспериментальной3 части исследования, установлены несовершенства применяемых методов расчета, на основании которых, в каждом разделе предложены рекомендации по повышению адекватности расчетных моделей реальному поведению несущих элементов здания;

Практическая ценность обозначенной цели исследования, таким образом, заключается в направленности исследования на решения первостепенных проблем в области развития методов расчета и обеспечения прочности и устойчивости высотных зданий, а именно в части более полного учета факторов влияющих на формирование НДС высотного здания, как системы развитой по высоте. Кроме того проводимые в рамках диссертации исследования были направлены и на последующую практическую реализацию как в нормативных документах, так и при разработке конкретных конструктивных решений высотных зданий. Именно поэтому исследования охватывают весь «жизненный» цикл здания. Кроме того, как будет отмечено далее в диссертации, поставленная задача исследования работы систем развитых по высоте, не только при действии различных нагрузок, но и на различных этапах возведения и эксплуатации изучаемых объектов, позволила определить общие особенности, влияния тех или иных факторов, на каждом из этапов. Это в свою очередь позволило установить взаимосвязи между различными этапами возведения и эксплуатации здания, а также позволило установить совместное влияние некоторых из обнаруженных в диссертации факторов, на общее напряженно-деформированное состояние системы. Рассмотрение, которых в отдельности друг от друга, как будет показано далее, может привести к существенной неточности в определении истинного НДС здания, что в свою очередь предопределит их низкую устойчивость к разрушению, в том числе и прогрессирующему. 2

Компьютерное моделирование работы здание посредством метода конечных элементов

15

При этом стоит отметить, что именно обозначенный комплексный подход к изучению НДС высотного здания, позволил всесторонне не только оценить его поведение под различными видами нагрузок и на различных этапах возведения и эксплуатации, но и позволил предложить эффективные конструктивные решения по обеспечению прочности, и устойчивости к прогрессирующему обрушению. При этом данные решения были основаны на детальном анализе работы конструкций с учетом обозначенных ранее факторов, и не были привязаны конкретным существующим конструктивным решениям, что делает их более универсальными.

Именно поэтому, полученные результаты, могут использоваться не только при расчете и проектировании высотных, но и малоэтажных, производственных и других зданий и сооружений. Все это, тем самым, еще в большей степени свидетельствует о направленности исследований на определение всеобщих факторов и закономерностей в поведении конструкций под различными нагрузками. Предложенная методика расчета зданий и сооружений с учетом истории их возведения, является универсальной, поскольку позволяет использовать ее в различных задачах и для различных типов зданий.

На защиту выносятся следующие результаты исследований:

• результаты анализа механизмов формирования НДС элементов здания при учете последовательности возведения высотного здания, а также установленные причины несоответствия данных, получаемых посредством традиционных методов расчета, не учитывающих этапность возведения, реальному поведению конструкций;

• основные выявленные факторы, влияющие на формирование НДС несущих конструкций здания, при проведении расчетов с учетом последовательности его возведения;

• методика расчета здания, эффективно учитывающая последовательность возведения, вариантность проектирования, при этом позволяющая уменьшить время и трудоемкость расчета;

• установленные факторы влияния диафрагм на формирование напряженно-деформированного состояния элементов каркаса, вызванные совместной работой диафрагм и колонн на вертикальные и горизонтальные нагрузки;

• результаты анализа и основные закономерности поведения высотного здания, рамно-связевой схемы, при сейсмическом или ином динамическом воздействии кинематического характера различной продолжительности;

• результаты статического и динамического анализа и основные факторы, влияющие на изменение НДС высотного каркасного здания при локальном повреждении его несущих элементов.

Методы исследования

При исследовании использовались методы строительной механики, в частности метод конечных элементов, методы сил, перемещений, контурных и расчетных точек и другие. Кроме того, широко использовался метод эмпирического исследования, а именно компьютерное моделирование поведения конструкций здания в конечно-элементной среде, анализ и синтез полученных результатов, и сравнение их с теоретическими результатами исследования, полученными с использованием общих методов строительной механики, сопротивления материалов и теории упругости.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе кратко излагается история развития высотного строительства, а также описываются существующие конструктивные схемы высотного здания. Отмечаются основные направления развития теории расчета высотных зданий на статические и динамические нагрузки, как систем развитых в вертикальной плоскости. А также обосновывается актуальность дальнейшего развития методов их расчета в общем виде, без привязки к какому либо одному конструктивному решению.

Описывается история совершенствования расчетных схем многоэтажных, в том числе и высотных зданий на различные воздействия. Отмечается, что, несмотря на имеющиеся разработки пространственных конечноэлементных расчетных моделей, имеется необходимость их дальнейшего

17 уточнения и совершенствования с учетов достижений строительной науки и вычислительной техники, особенно в части использования параллельных вычислений обеспечивающих максимальную эффективность многоядерных процессоров.

Во второй главе назначаются основные исходные данные необходимые для дальнейших исследований в рамках поставленной цели. При этом предварительно подробно рассматриваются наиболее распространенные конструктивные схемы высотных здания, производится анализ достоинств и недостатков каждой из них. На основании анализа, для дальнейших исследований, определяется наиболее общая, и наиболее оптимальная с точки зрения прочности и устойчивости конструктивная схема здания, которая впоследствии будет использована для составления общей расчетной модели, позволяющей наиболее полно отразить реальное здание.

Кроме того в данной главе, отмечается роль строительной механики в расчете высотных зданий, как систем развитых в вертикальной плоскости, а также необходимость ее дальнейшего развития с учетом изучения отмеченных систем, поведенческие особенности которых, в значительной степени отличаются, от ранее рассматриваемых в строительной механике малоэтажных систем.

В третьей главе исследованы вопросы формирования напряженно-деформированного состояния элементов каркаса высотного здания на стадии его возведения; определены основные причины несоответствия результатов, получаемых с использованием традиционных расчетных моделей, когда здания считается полностью возведенным, реальному поведению несущих элементов каркаса на различных стадиях возведения и эксплуатации. Установлены основные закономерности и факторы изменения напряжений в элементах каркаса при возведении здания.

Предложена методика расчета, основанная на методе контурных и расчетных точек, и использование скользящих и расширяющихся суперэлементов, позволяющая учесть последовательность возведения и др. полученные

18 значимые факторы, при этом обеспечивающая упрощение расчета всего здания, без снижения точности результатов и повышения трудоемкости.

В четвертой главе проведены комплексные исследования формирования напряженно-деформированного состояния несущих элементов каркаса высотного здания, при действии различных нагрузок, как в статической, так и в динамической постановке, на этапе эксплуатации здания. Проанализирована актуальность и необходимость учета фактора продольной деформируемости элементов, а также совместной работы элементов повышенной продольной и изгибной жесткости (диафрагм) и рам не только на вертикальные, но и на горизонтальные нагрузки.

Исследовано влияние продолжительности действия сейсмического или иного вида динамического воздействия кинематического характера, на характер НДС высотного здания.

Исследованы механизмы формирования НДС элементов каркаса высотного здания при локальном повреждении одного из них, а также определены основные факторы, влияющие на указанное изменение. При этом исследование проводилось с учетом ранее полученных, в предыдущих главах, результатов, что позволило комплексно подойти к оценке НДС здания при локальном повреждении его несущих конструкций и предложить, тем самым, эффективные решения по уменьшению вероятности прогрессирующего обрушения высотных зданий. Исследование проведено как в статической, так и в динамической постановках.

На основании проведенного комплекса исследований выявлены недостатки существующих методов определения НДС элементов здания под различными видами нагрузки, на стадии эксплуатации, и предложены меры по повышению сходимости результатов расчета с реальным поведением несущих конструкций.

Основные результаты и выводы проведенного исследования

Строительство высотных зданий в РФ с каждым годом набирает темпы, и даже, несмотря на экономический кризис 2008 г., актуальность данного типа здания практически не снизилась, а даже наоборот несколько возросла. Объясняется это, прежде всего необходимостью в концентрации различных организаций в одном наиболее экономически благоприятном месте, в так называемых бизнес центрах и многофункциональных комплексов. Как было отмечено, в первой главе диссертации, в настоящее время темпы строительства высотных зданий значительно опережают развитие строительной науки, в частности строительной механики, которая в основном до сих пор была ориентирована на расчеты зданий развитых в плане, а не по высоте. Многие здания повышенной этажности, спроектированы и построены с использованием, частично отредактированных, советских строительных норм, регламентировавших строительство зданий не более 25 этажей. При этом, как было показано в диссертации, напряженно-деформированное состояние , высотного здания, как системы развитой в вертикальной плоскости, значительно ч отличается от зданий нормальной этажности. Это не позволяет использовать традиционные методы строительной механики, разработанные для развитых в плане систем, в частности из-за увеличения роли факторов, опущенных из-за незначительности, в методиках, созданных для традиционных систем.

Следует отметить, что наибольшую опасность для зданий, развитых в вертикальной плоскости, представляет их низкая устойчивость к прогрессирующему обрушению, причем в широком смысле этого понятия. Прежде всего, это связано, с отсутствием достаточного количества перераспределяющих элементов, способных предотвратить или даже исключить обрушение здания, при локальном повреждении несущих элементов, а также с существенным влиянием дополнительных факторов, в меньшей степени проявляющихся в малоэтажных зданиях. Например, вертикальной податливости, влияние истории возведения и других. Поэтому решение проблемы обеспечения строительной области современными методами расчета высотных зданий, т.е.

172 дальнейшее развитие строительной механики, возможно только при комплексном изучении механизмов формирования НДС систем развитых по вертикали. Что и было убедительно продемонстрировано в диссертации, путем постоянного проведения взаимосвязей между различными этапами строительства и эксплуатации подобных зданий. При этом такой подход в полной мере доказал недопустимость рассмотрения указанной задачи дискретно, поскольку полученные на одних этапах исследования факторы, в той или иной степени проявляли себя на других, предопределяя при этом степень устойчивости развитых по вертикали систем к прогрессирующему обрушению.

Следует отметить, что применяемые в настоящее время строительные нормы и правила, не дают однозначного ответа на такие важные вопросы в области прочности и устойчивости высотных зданий, к прогрессирующему обрушению, как формирование их НДС при учете последовательности возведения, влияние фактора продольной деформативности вертикальных элементов, и другие. Кроме того, не до конца сформированы упрощенные методики, позволяющие достаточно точно, без трудоемких расчетов, определять в полной степени НДС высотного здания, с учетом обозначенных факторов. При этом большинство построенных в России высотных зданий, спроектированы из подхода значительного запаса прочности, эффективность которого является сомнительной [21, 22,30]. Эффект от обрушения высотного здания не только исчисляется миллиардами долларов США, но и наносит значительный человеческий и психологический ущерб. Так, например, ущерб от обрушения зданий ВТЦ в Нью-Йорке превысил 4 млрд. долларов США, при этом значительный ущерб был нанесен финансовой структуре всего мира. После сообщения о теракте и обрушения зданий многие биржевые индексы значительно упали. Ущерб при обрушении высотных зданий в Росиии может быть сопоставим или даже выше, указанному ранее, поэтому дальнейшее развитие строительной механики, в части совершенствования ее аппарата для расчета систем развитых в вертикальной плоскости, в настоящее время является одной из первостепенных задач.

Учитывая сказанное, а также решенные диссертации вопросы, можно констатировать, что проведенные в работе исследования, полностью соответствуют поставленной цели, направленной на совершенствования строительной механики в обозначенном направлении, и в полной мере раскрывают ее.

Кроме того, полученные в диссертации результаты всестороннего анализа поведения сложных, развитых по высоте расчетных схем зданий под различными нагрузками, и на различных этапах их строительства и эксплуатации, а также предложенные дополнения к существующим методам расчета, и предложенная методика расчета зданий с учетом истории возведения, позволяют повысить уровень расчета высотных зданий, и в целом обеспечивают строительную механику необходимой теоретической базой, в области исследования поведения систем развитых в вертикальной плоскости.

Подводя обобщенный итог проведенным в диссертации исследованиям, выделим основные результаты, наиболее полно отражающие работу:

1. Выявлены основные факторы (жесткость крайнего узла сопряжения ригеля с колонной, продольная податливость вертикальных элементов), влияющие на механизм формирования НДС здания при последовательном возведении, даны рекомендации по определению истинного напряженного состояния элементов, при использовании традиционных расчетных моделей мгновенного расчета расчетной модели, путем включения в традиционную модель дополнительных усилий.

2. Доказана актуальность и необходимость учета фактора продольной деформируемости вертикальных несущих элементов каркаса высотного здания при определении его напряженно-деформированного состояния. Выполнение расчетов без указанного фактора может привести к существенным (более 50%) погрешностям в количественной оценке НДС.

3. Предложена методика расчета, основанная на принципах МКиРТ и встречного исключения (скольжения СЭ), и позволяющая учесть как процесс последовательного возведения, так и различные сторонние факторы, такие как вариация отдельных элементов здания, учет работы их за пределами уп

174 ругости и т.д. Предложенная методика обеспечивает сокращение трудоемкости расчетов по сравнению с традиционным МКЭ.

4. Показана универсальность предложенной методики, путем дополнения его методом шарнирного стержня, позволившем использовать МКиРТ в задачах устойчивости.

5. Исследован характер формирования НДС несущих элементов здания, с учетом включения элементов повышенной продольной и изгибной жесткости (диафрагмы, связи) в работу не только на горизонтальные, но и на вертикальные нагрузки. Выявлены существенные (50 и более процентов) изменения в НДС здания при учете совместной работы диафрагм и рам в вертикальной плоскости, что объясняется влиянием фактора их продольной деформа-тивности, а также дополнительными напряжениями, возникающими в горизонтальных несущих элементов, вследствие дополнительного вертикального смещения их опорных сечений примыкающих к диафрагме, при ее изгибе.

6. Исследован вопрос влияния длительности действия динамической нагрузки кинематического характера, на формирование НДС здания. Выявлено значительное (более чем в 1,5 раза) увеличение деформаций и напряжений при кратковременном действии динамических нагрузок, которое объясняется отсутствием затухания колебаний здания, вследствие их наложения на колебания, вызываемые внешней нагрузкой. Которые, из-за запаздывания включения в колебательный процесс верхних этажей здания, по сравнению с нижними этажами, находятся в противофазе с начавшимися колебаниями. При продолжительном действии динамического воздействия, обозначенное явление интерференции, наоборот, имеет место, что и объясняет уменьшение колебаний, по сравнению с кратковременным динамическим воздействием.

7. Проанализировано формирование НДС элементов высотного здания при локальном повреждении его несущих элементов. Исследование проводилось как в статической, так и в динамической постановках, а также с учетом результатов, полученных на предыдущих этапах. В результате исследования были определены основные факторы, влияющие на характер изменения НДС

175 здания, при расчете с учетом возможного прогрессирующего обрушения, а именно изменение расчетной схемы горизонтальных несущих элементов, и влияние фактора вертикальной податливости колонн при их разгружении, вследствие обрушения вышерасположенного вертикального несущего элемента. Второй выявленный фактор до настоящих исследований никем не рассматривался, даже в постановочном аспекте. Также было доказано, что эффекты от динамического характера обрушения элемента приводят лишь к количественному изменению НДС оставшихся конструкций каркаса, и не изменяют его характер.

8. Обосновано, дополнены существующие методы расчета зданий, необходимостью учета таких факторов, как податливость вертикальных несущих элементов, учет совместной работы диафрагм и рам в вертикальном направлении; учет последовательности возведения несущего каркаса.

9. На основании анализа напряженного состояния элементов высотного здания предложены конструктивные рекомендации по повышению общей устойчивости высотного здания с рамно-связевой схемой.

Полученные результаты исследования имеют значительную научно-практическую ценность, являются дальнейшим развитием строительной механике в части совершенствования методов и способов определения НДС наиболее сложных типов зданий - высотных. При этом они отвечают на наиболее проблемные вопросы строительной механики в области достоверного определения НДС систем развитых не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости, особенно в части определения влияния различных факторов на поведение здания под нагрузками в целом. Дополненный в рамках исследования метод расчета, основанный на МКиРТ, позволяет значительно упростить расчет, благодаря использованию принципа дефрагментирования и представляет собой новый уровень развития МКЭ, который при дальнейс шем внедрение может стать основным расчетным методом. Все это позволяет уже в настоящее время использовать их при проектировании различных зданий и сооружений, причем не только развитых по высоте.

1. Асамбеков Х.А. Исследование работы замоноличенных сборных железобетонных перекрытий сейсмостойких жилых зданий // Методы расчета зданий и сооружений на сейсмостойкость, 1958. С.48-56.

2. Айзенберг Я.М. Сейсмический риск. Экономические и неэкономические оценки // Стр. мех. и расч. coop., 1982. №4- С.4-8.

3. Аликин В.Н., Кашеварова Г.Г., Леви С.Р., Сметанников О.Ю. Исследование влияния расчетной модели плитного фундамента под высотное здание на его несущую способность // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №3. - С.55-61.

4. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. М.: Стройиздат, 1985. - 728с.

5. Белостоцкий A.M. Комплексное расчетное обоснование напряженно-деформированного состояния высотных многофункциональных комплексов /A.M. Белостоцкий, Д.К. Каличаева и др. // Стр. мех. и расч. coop., 2006. -№6. С.52-56.

6. Болотин В.В. Случайные колебания упругих систем. М.: Наука, 1979. -336с.

7. Бондаренко В.М. Предыстория и конструктивная безопасность зданий и сооружений // Изв. вузов. Строительство-2000 №2 - С. 8-13.

8. Бирбраер А.Н. Расчет конструкций на сейсмостойкость. СПб.: Наука, 1998.-255с.

9. Газлинские землетрясения 1976г.: Инженерный анализ последствий / под ред. C.B. Полякова. М.: Наука, 1982. - 197с.

10. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. - 428с.

11. Гениев Г.А. Прочность и деформативность железобетонных конструкций при запроектных воздействиях / Г.А.Гениев, В.И. Колчунов и др. М.: АСВ, 2004.-216с.

12. Городецкий A.C., Евзеров И.Д. Компьютерные модели конструкций. -Киев: Факт, 2005 344с.

13. Григоршев С.М., Сапожников А.И. Динамический анализ влияния собственных и собственных сопутствующих колебаний на характер деформирования высотного здания // Строительные материалы оборудование и технологии XXI века, 2010. №.1 - С.27-31.

14. Григоршев С.М. Анализ необходимости учета последовательности возведения зданий рамной и рамно-связевой конструктивными схемами // Строительные материалы оборудование и технологии XXI века, 2010 №.2. - С.35-37.

15. Григоршев С.М. Обеспечение устойчивости к прогрессирующему обрушению каркасных многоэтажных зданий // Строительные материалы оборудование и технологии XXI века, 2010. №.6 - С.40-41.

16. Григоршев С.М. Исследование механизмов формирования напряженно-деформированного состояния элементов каркаса многоэтажного здания при локальном повреждении несущих конструкций // Стр. мех. и инж. констр. и coop., 2011. №3. - С.31-44.

17. Дарков A.B., Шапошников H.H. Строительная механика. Изд. Восьмое. -СПб.: Издательство «Лань», 2005. 656с.

18. Джинчвелашвили Г.А., Мкртычев О.В., Женьхуа Ли Пень. Надежность систем с повышенным демпфированием // Стр. мех. и расч. coop., 2006. -№6. С.29-32.

19. Додонов М.И., Дроздова И.П. Сопротивление перекрытий скручиванию при повороте в плане многоэтажных зданий // Стр. мех. и расч. coop., 1982. -№4. С.59-61.

20. Дроздов П.Ф., Додонов М.И., Паныпин Л.Л., Р.Л. Саруханян. Проектирование и расчет многоэтажных гражданских зданий и их элементов. М.: Стройиздат, 1986.-351с.

21. Динамический расчет зданий и сооружений / под ред. Б.Г. Корнеева, И.М. Рабиновича. М.: Стройиздат, 1984. - 303с.

22. Дыховичный Ю.А. Конструирование и расчет жилых и общественных зданий повышенной этажности. М.: Строй-издат, 1970. - 248с.

23. Егупов В.К., Командрина Т.А. Расчет зданий на сейсмические воздействия. Киев: Изд. Будивельник, 1969 - 211с.

24. Еремеев П.Г. Предотвращение лавинообразного (прогрессирующего) обрушения несущих конструкций уникальных большепролетных сооружений179при аварийных воздействиях // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №2. - С.65-72.

25. Ермакова A.B. Компьютерная реализация нелинейного расчета конструкций по предельным состояниям методом дополнительных конечных элементов // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №4. - С.58-63.

26. Жилов В. Высотное строительство — не дань моде, а новая эпоха развития страны Электронный документ. // РФ сегодня 2007. - №16. URL http://www.russia-today.ru/2007/no16/16moscowl O.htm. (дата обращения: 17.02.2008)

27. Завьялова О.Б. Учет последовательности монтажа конструкций при расчете усилий в рамных системах // Изв. вузов. Строительство, 2009. №2-С.115-122.

28. Залесов A.C., Фигаровский В.В. Практический метод расчета железобетонных конструкций по деформациям. -М.: Стройиздат, 1976. 101с.

29. Залесов A.C., Мухамедиев Т.А., Чистяков Е.А. Учет физической нелинейности при расчете железобетонных монолитных конструкций высотных зданий // Стр. мех. и расч. coop., 2005. №1. - С.4-8.

30. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике М.: Мир, 1975. -542 с.

31. Зенкевич O.K., Морган К. Конечные элементы и аппроксимация. М.: Мир, 1986.-318 с.

32. Иванова Е. К. Многоэтажные и высотные здания. М.: Знание, 1979. - 64 с.

33. Игнатьев В.А., Макаров A.B. Решение неполной алгебраической проблемы собственных векторов и собственных значений для задач динамики и устойчивости методом частотно-динамической конденсации // Стр. мех. и расч. coop., 2005. №1. - С. 14-20.

34. Игнатьев В.А., Игнатьев A.B. Смешанная форма МКЭ в задачах строительной механики // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №1. - С.59-64.

35. Инженерное оборудование высотных зданий / под общ. ред. М.М. Бро-дач. М.: АВОК-ПРЕСС, 2007. - 320 с.

36. Казаков Ю.Н., Кондратенко В.В. Архитектура мегаполиса: Россия, Европа, США. Феномен интеграции и глобализации. СПб.: ДЕАН, 2007. - 439 с.

37. Кашеварова Г.Г., Зобачева А.Ю., Удникова A.B. Исследование влияния конечно-элементной модели на результаты расчета НДС типового этажа высотного здания из монолитного железобетона // Стр. мех. и расч. coop., 2007. -№1. С.54-57.

38. Конструктивные решения высотных зданий за рубежом. М.: ЦНТИ, 1969.

39. Корчинский И.Л. Колебания высотных зданий // Научное сообщение ЦНИПС, вып.11. -М.: Госстройиздат, 1953.

40. Клюева Н.В., Федоров B.C. К анализу живучести внезапно поврежденных рамных систем // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №3. - С.7-13.

41. Кулешев Н., Позднев А. Высотные здания Москвы. М.: Моск. рабочий, 1954.-220с.

42. Кузнецова Г. Москва поднимает планку. Проблемы и перспективы высотного домостроения Электронный ресурс. URL: http://www.know-house.ru/avtor/004-01 lVysotky.html (дата обращения: 21.08.2009)

43. Киселев В.А. Строительная механика. Спец. курс. Динамика и устойчивость сооружений. М.: Изд. Лит. по строительству, 1964. - 332с.

44. Леонтьев H.H., Соболев Д.Н., Амосов А.А Основы строительной механики стержневых систем. М.: Изд. АСВ, 1996. - 542с.

45. Магай A.A. Архитектура высотных зданий. М.: Окей-Книга, 2007. - 287 с.

46. Маклакова Т.Г. Высотные здания. Градостроительные и архитектурно-конструктивные проблемы проектирования. Монография. М.: «АСВ», 2006. - 160с.

47. Мартемьянов А.И. Проектирование и строительство зданий и сооружений в сейсмических районах. М.: Стройиздат, 1985. - 368с.

48. Металлические конструкции / под ред. Горева В.В. в трех томах изд.2-е. - М.: Высшая школа, 2002. - 527с.

49. Мкртычев О.В., Мясникова Е.С.Исследование реакции высотного здания на сейсмические воздействия // Стр. мех. и расч. coop., 2009. №1. - С.38-40.

50. Мкртычев О.В., Джинчвелашвили Г.А. Моделирование сейсмического воздействия в виде случайного процесса методом канонического разложения // Сборник докладов, 3-я науч.-практич. конференция, МГСУ, 2009. С.79-84

51. МГСН 4.19-2005. Многофункциональные высотные здания и комплексы. Временные нормы и правила М.: ОАО ЦНИИЭП жилища, 2006. - 126с.

52. Назаров Ю.П., Городецкий A.C., Симбиркин В.Н. К проблеме обеспечения живучести строительных конструкций при аварийных воздействиях // Стр. мех. и расч. coop., 2009. №4. - С.5-9.

53. Обозов В.И., Мамаева Г.В. Анализ динамических характеристик крупнопанельных зданий по экспериментальным данным // Стр. мех. и расч. coop., 2007. №2. - С.41-48.

54. Олтаржевский В.К. Строительство высотных зданий в Москве. М: Гос-строиздат, 1953. - 216с.

55. Павлык B.C. Определение свободных колебаний зданий с несущими стенами // Сб. Исследование по сейсмостойкости зданий и сооружений. М: Госстройиздат, 1960.

56. Перельмутер A.B., Сливкер В.И. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа. Киев: Изд. «Сталь», 2002. - 600с.

57. Покровский A.A. Применение смешанной формы МКЭ к прослеживанию стадий работы конструкций // Стр. мех. и расч. coop., 2006. №3. - С.39-43.

58. Покровский A.A. Применение метода сил, перемещений и смешанного в задачах динамики //Стр. мех. и расч. coop., 2006. №4.-С.41-44.

59. Поляков C.B., Килимкин Л.Ш., Черкашев A.B. Современные методы сейсмозащиты зданий. М.: Стройиздат, 1989. - 320с.

60. Поляков C.B. Сейсмостойкие конструкции зданий. М.: Высшая школа, 1983.-355с.

61. Проектирование современных высотных зданий. Пер. с китайского / под ред. Сюй Пэйфу. M.: АСВ, 2008. - 469 с.

62. Райзер В.Д. Анализ надежности эксплуатируемых конструкций сооружений //Стр. мех. и расч. coop., 2006.-№6.-С.33-38.

63. Рафайнер Ф. Высотные здания: Объемно-планировочные и конструктивные решения. Сокр. пер. с нем. М.: Стройиздат, 1982. - 180 с.

64. Рапопорт Г.А. Современные проблемы моделирования в механике сооружений //Стр. мех. и расч. coop., 2006.-№2.-С.27-33.

65. Ржаницын А.Р. Строительная механика. М.: Высшая школа, 1991. -440с.

66. Рекомендации по применению монолитных ядер жесткости в сочетании со сборными конструкциями. М.: Стройиздат, 1987. - 38с.

67. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. М.: Москомархитектура, 2005. - 38с.

68. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. М.: Москомархитектура, 2006. - 34с.

69. Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий. М.: Москомархитектура, 1999. - 35с.

70. Ремнев В.В., Бикбау М.Я.Современное высотное строительство. Монография. М.: ГУП «ИТЦ Москомархитектуры», 2007 - 464 с.

71. Руководство по расчету многоэтажных зданий панельно-блочной и объемно-блочной конструктивных схем с учетом пространственной работы -М.: Стройиздат, 1984. 101с.

72. Руководство по высотным зданиям. Типология и дизайн, строительство и технология / Пер. с англ., под общ. ред. C.B. Николаева. М.: ООО « Атлант -Строй»,2006.-228 с.

73. Росс Д. Проектирование систем ОВК высотных общественных многофункциональных зданий. М.: АВОК-Пресс, 2004. - 292с.

74. Саваренский Е.Ф. Сейсмические волны. М.: Недра, 1972. - 292с.

75. Сапожников А.И. Пространственная работа коротких зданий при сейсмических воздействиях // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1968. №11. - С.55-60.

76. Сапожников А.И., Гаскин В.В. Исследование пространственной работы каркасных зданий при сейсмических воздействиях с учетом действия продольных сил // Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1975. №12 - С.43-47.

77. Сапожников А.И. Метод контурных и расчетных точек (МК и РТ) в практике прочностных и деформационных расчетов сложных пространственных сооружений. Методические указания. Астрахань: АТИРПХ, 1978. - 56с.

78. Сапожников А.И. Метод контурных и расчетных точек при расчетах соединений // Стр. мех. и расч. coop., 1980. №5. - С.59-61.

79. Сапожников А.И., Горелов С.Ф. Расчет сооружений методом конечных элементов с поэтажным формированием матрицы жесткости // Стр. мех. и расч. coop., 1982. №4. - С.54-56.

80. Сапожников А.И. Строительная механика. Метод контурных и расчетных точек. Базовые приемы. Астрахань: АИСИ, 1996. - 74с.

81. Сапожников А.И. Расчет и обеспечение надежности рамы многоэтажного здания над карстовым провалом. Астрахань: АИСИ, 1997. - 9с.

82. Сапожников А.И. Скользящие и расширяющиеся суперэлементы в расчетах прочности, устойчивости и колебаний упругих систем. Астрахань: АИСИ, 1998.-43с.

83. Сапожников А.И. Основы конструирования и обеспечения карсто-сейсмоустойчивости многоэтажных зданий. Астрахань: АИСИ, 2001. -108с.

84. Сапожников А.И., Сутырин В.И. Строительная механика. Расчеты конструкций матричными методами. Астрахань: АИСИ, 2000. - 202с.

85. Сапожников А.И. Влияние случайных эксцентриситетов между центрами жесткости и масс в эстакадах на степень их вращения в плане // Изв. вузов. Строительство, 2000. №9. - С.135-137.

86. Сапожников А.И. Расчёт сейсмостойкости и конструирование железобетонной колоннады, удерживающей здание // Изв. вузов. Строительство, 2001. -№5. -С.125-129.

87. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Влияние диафрагм жесткости на формирование напряженно-деформированного состояния каркасных зданий // Изв. вузов. Строительство, 2009. -№.11/12-С.108-113.

88. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Учет последовательности возведения зданий различной конструктивной схемы // Изв. вузов. Строительство, 2010. -№.2. С.96-105.

89. Сапожников А.И., Григоршев С.М. Учет последовательности возведения зданий методом конечных элементов с поэтажным формированием расчетной модели // Стр. мех. и расч. coop., 2010. №.1 - С. 19-26.

90. Сапожников А.И. Теория расчета совместной работы подъемно-транспортного оборудования и удерживающих сооружений /Рус. Деп. в ВИНИТИ. Астрахань: АИСИ, 2004 - 152с

91. Строительная механика. Основы теории с примерами расчетов / под. ред. А.Е. Саргсяна. 2-ее изд., исп. и доп. - М.: Высшая школа, 2000. - 416с.

92. Синицын А.П. Практические методы расчета сооружений на сейсмические воздействия. -М.: Стройиздат, 1967. 143с.

93. Синочкин Д., Кузнецова Е., Стащак Г. Высотные здания в Петербурге Электронный ресурс. URL: http://www.prime-realty.ru/cmi/c3/ 3.102.htm (дата обращения 03.08.2007).

94. Снитко H.K. Строительная механика. M.: Высшая школа, 1980. - 413с.

95. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия: Строительные нормы и правила. М.: Госстрой СССР, 1988. - 36с.

96. СНИП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах: Строительные нормы и правила. Введ. 01.01.82, с изм. от 01.01.2000. - М.: Госстрой СССР, 1991.-50с.

97. Современное состояние теории сейсмостойкости и сейсомостойкие сооружения / под ред. C.B. Полякова. М.: Стройиздат,1973. - 107с.

98. СП 31-114-2004. Правила проектирования жилых и общественных зданий для строительства в сейсмических районах: Свод правил. М.: ФГУП ЦПП, 2005.-40с.

99. СТО 008-02495342-2009 Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. М.: ОАО «ЦНИИ-Промзданий», 2009. - 21с.

100. Терранова А. Небоскребы-М.: ACT, 2004.-305 с.

101. Тимошенко С.П., Гере Дж. Механика материалов. М.: Мир, 1976. - 670 с.

102. ТСН 31-332-2006. Жилые и общественные высотные здания: Территориальные строительные нормы г. Санкт-Петербург. СПб.: Прав. СПб, 2006. -52с.

103. Уломов В.И. Низкочастотные сейсмические воздействия на высотные здания в г. Москве от далёких очагов сильных землетрясений // Труды Конференции Москомархитектуры 21-22 ноября 2007 г.

104. Уломов В.И., Севостьянов В.В., Миндель И.Г., Трифонов Б.А. Оценка сейсмической опасности для высотных зданий в г. Москве // Современное высотное строительство. Монография. М.: ГУП "ИТЦ Москомархитектуры", 2007. С. 94-100.

105. Хайдуков Г.К., Богданова E.H. Железобетонные конструкции высотных зданий: Проблемный доклад // Строительство и архитектура; ВНИИНТПИ. -М.,2003,- С. 85-88.

106. Харланов B.JI. Сокращение степеней свободы в детерминированном расчете // Стр. мех. и расч. coop., 2006. -№1. С.48-51.

107. Харланов В.Л. Численное исследование высоковязких демпферов в элементах сейсмоизоляции // Стр. мех. и расч. coop., 2006. -№3. С.35-38.

108. Хечумов Р.А., Кепплер X., Прокопьев В.И. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. М.: АСВ, 1994. - 353с.

109. Цайдлер Э. Многофункциональная архитектура / под ред. И.Р. Федосеевой. Пер. с англ. А.Ю.Бочаровой. М.: Стройиздат, 1988г. - 151с.

110. Цыглер Г. Основы теории устойчивости конструкций. М.: Мир, 1971. — 192с.

111. Шаблинский Г.Э., Джинчвелашвили Г.А., Васильев А.В., Колесников А.В. Идентификация расчетных схем сооружений на основе экспериментальных исследований // Стр. мех. и расч. coop., 2008. №6. - С.68-73.

112. Шимкович Д.Г. Расчет конструкций в MSC/Nastran for Windows. М.: ДМК Пресс, 2003.-448с.

113. Шуллер В. Конструкции высотных зданий. М.: Стройиздат, 1979 -248с.

114. Шохина Л.М. Пецольд Т.М. и др.. Конструктивно-технологические особенности возведения высотного здания книгохранилища Национальной библиотеки Беларуси // Строительная наука и техника. 2006. - №1(4). -С.3-15.

115. Biot М. Theory of vibration of building during earthequake // Zeitschrift feir Anger and to Mathematic and Mechanic Band, August, 1934. - P. 213-233.

116. Binder G. Tall Buildings of Europe, the Middle East & Africa. Australia, Mulgrave: Images Publishing Group, 2006. - 240p.

117. Burnett E.F.P. The avoidance of progressive collapse: Regulatory approaches to the problem. Gaithersburg: National bureau of standarts, MD 20899, 1975.

118. Davison B. Graham W. Owens. Steel Designers' Manual. 6th Edition. London: Blackwell Publishing, 2003. - 1321 p.

119. Ghobarah A., Saatcioglu M., Nistor I. The impact of the 26 December 2004 earthquake and tsunami on structures and infrastructure / Engineering Structures 28,2006, p. 312-326.

120. Koh Т., Takase H., Tsugaura T. Torsional problems in a seismic design of high rise buildings. Proc. FWCEE, 1969.

121. Mononobe N., Vibration of Tower-shaped Structure. Its Seismic Stability // Journ. of the Civ. Eng. Soc., Tokyo, 1919. - P. 24-29.

122. Mononobe N., Notes on the Vertical Motion of an Earthquake on the Vibration of Structures // Journ. of the Civ. Eng. Soc., Tokyo, 1924. - P. 38-44;

123. Omori F. Seismic experiments on the fracturing and verturning of colums // Publ. Earthquake Invest. Comm. In Foreigen Languages, Tokio. 1900. - 99p.

124. Oldham R. D. O. The Italian earthquake //Nature 79. -1909. P.287 - 289.

125. Michael A. Caldarone. High-strength concrete: a practical guide. New York: Taylor & Francis, 1990. - 252 p.

126. Schuller W. The Vertical Building Structure. New York: Van Nostrand Reinhold, 1990.-721 p.

127. Skyscraper from Wikipedia, the free encyclopedia Электронный ресурс. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Skyscraper (дата обращения: 28.09.2009).

128. Taipei 101 from Wikipedia, the free encyclopedia Электронный ресурс. URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Taipei101 (дата обращения 06.10.2009).

129. UFC 4-023-03. Unified Faclities Criteria (UFC). Design of Buildings to Resist Progressive Collapse Text. Department of Defense USA, 2010. - 176 p.