автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Конструктивная безопасность монолитных высотных зданий с переходными этажами при аварийных воздействиях

На правах рукописи

С

Мсхралнзадех Алиреза

КОНСТРУКТИВНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ МОНОЛИТНЫХ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ С ПЕРЕХОДНЫМИ ЭТАЖАМИ ПРИ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность: 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2и ¿014

Москва-2014

005555464

005555464

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный строительный университет».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Тамразян Ашот Георгиевич

Официальные оппоненты: Мамин Александр Николаевич

доктор технических наук, профессор, ОАО «ЦНИИпромзданий», начальник отдела обследований зданий и сооружений

Курлапов Дмитрий Валерьевич

кандидат технических наук, доцент, Федеральное государственное казённое военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева», профессор кафедры Гидротехнических сооружений, строительных конструкций и механики твердого тела Военного института (инженерно-технического)

Ведущая организация: ОАО «Центральный

научно-исследовательский и проектный институт жилых и общественных зданий» (ЦНИИЭП жилища)

Защита состоится «08» декабря 2014 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.138.04, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет по Ш>есУ: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, иШЬ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» по адресу: 129337, г.Москва, Ярославское шоссе, д.26 и на сайте http://www.mgsu.ru

Ученый секретарь диссертационного совета

ан Павел Борисович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время задача конструктивной безопасности многоэтажных каркасных зданий является актуальной, потому что необходимо обеспечить, в первую очередь, безопасность человека и уменьшить потенциальный ущерб при аварийных воздействиях.

Конструктивная безопасность представляет собой устойчивость зданий при аварийных ситуациях, в том числе от прогрессирующего обрушения. Для защиты зданий в таких случаях необходимо предотвратить разрушение отдельных несущих строительных конструкций или их частей.

Одна из важнейших задач устойчивости зданий является разработка методов расчета зданий и сооружений, позволяющих наиболее точно оценить возможности конструкций сопротивляться различным воздействиям. Анализ возможных последствий (разрушение, изменение физико-механических характеристик) дает информацию для проектирования более стойких конструкций, нахождения экономичных решений, повышения их безопасности, усиления уже поврежденных зданий и сооружений. Аварийная нагрузка, помимо особенностей воздействия, зависит и от динамических характеристик зданий и сооружений.

Задача исследования динамического процесса в многоэтажных железобетонных каркасах при локальных повреждениях в условиях огневых воздействий имеет важное значение при проектировании экономичных и надежных зданий и сооружений.

Для уменьшения риска возникновения прогрессирующего обрушения обычно применяются следующие меры: увеличение прочности отдельных элементов здания (ключевых), общей структурной целостности, пластичности, неразрезности, а также усиление сооружения дополнительными связями. Использование переходных (жестких) этажей может также рассматриваться как защита от прогрессирующего обрушения при огневых воздействиях.

Научно - техническая гипотеза диссертации заключается в обеспечении конструктивной безопасности монолитных высотных зданий с переходными этажами от прогрессирующего обрушения с учетом огневых воздействий.

Целью диссертационной работы является разработка методики расчета конструктивной безопасности монолитных высотных зданий с переходными этажами при аварийных воздействиях.

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ конструктивных систем монолитных высотных зданий с переходными этажами;

- анализ основных методов расчета конструктивной безопасности и устойчивости к прогрессирующему обрушению;

- экспериментальные исследования железобетонных балок при статических и динамических нагружениях после огневых воздействий;

- исследование коэффициента динамичности железобетонных балок после огневых воздействий;

- расчет монолитных высотных зданий с переходными этажами в нелинейной постановке;

- нелинейный расчетный анализ прогрессирующего обрушения монолитных высотных зданий с переходными этажами при огневых воздействиях;

- шаг установки переходных этажей по высоте здания для обеспечения безопасности зданий от прогрессирующего обрушения в условиях огневых воздействий.

Решение перечисленных задач позволяет обеспечить конструктивную безопасность зданий с помощью установки переходных этажей от прогрессирующего обрушения с учетом огневых воздействий.

Объею-ом исследования являются многоэтажные каркасные железобетонные здания с переходными этажами.

Предметом исследования является конструктивная безопасность многоэтажных каркасных зданий с переходными этажами при аварийных воздействиях.

Научная новизна данной работы заключается в выявлении эффективности работы переходных этажей в конструкции высотных зданий при аварийных воздействиях:

- получены результаты экспериментальных исследований влияния огневых воздействий на несущую способность железобетонных балок при статических и динамических нагружениях;

- исследованы коэффициенты динамического упрочнения бетонных и железобетонных образцов при и после температурных воздействий;

- разработана методика расчета многоэтажного здания с переходными этажами и без них в нелинейной постановке при гипотетическом внезапном удалении колонны с учетом огневых воздействий.

- определен шаг установки переходных этажей по высоте здания для обеспечения безопасности зданий от прогрессирующего обрушения с учетом огневых воздействий;

- выяснены влияние огневых воздействий на время локального

повреждения колонн при расчете зданий на прогрессирующее обрушение;

Практическая значимость и применение результатов работы разработанная методика расчета многоэтажных железобетонных каркасов с переходными этажами может найти широкое применение для обеспечения безопасности проектируемых зданий при аварийных воздействиях, а также при разработке и совершенствовании норм и стандартов в рамках обеспечения функциональных характеристик строительных конструкций и конструктивной безопасности зданий и сооружений в случае прогрессирующего обрушения при огневых воздействиях.

Личный вклад автора заключается в постановке данного исследования; разработке основных положений, определяющих научную новизну и практическую значимость работы; проведения экспериментальных исследований; разработке методики расчета монолитных высотных зданий при аварийных воздействиях в нелинейной постановке.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы в ООО «ДАКОР» при разработке рабочей документации 18-ти этажного монолитного жилого здания по адресу: г. Владимир, ул. Ставровская, д.1.

Достоверность результатов работы подтверждается тем, что расчетные данные основываются на базовых теориях железобетона, положениях динамики упругопластических систем, на идентичности результатов аналитических и численных методов, на тестовых примерах. Кроме того, результаты проверялись путем сравнения с решениями аналогичных задач, опубликованных в российских и зарубежных источниках. Коэффициенты динамичности при огневых воздействиях, которые использованы при расчете зданий, были получены экспериментальным путем.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- результаты экспериментальных исследований влияния огневых воздействий на несущую способность железобетонных балок при статических и динамических нагружениях;

- изменения коэффициента динамического упрочнения бетонных и железобетонных образцов при различных температурных воздействиях и после них;

- методика расчета многоэтажного здания с переходными этажами и без них в нелинейной постановке при внезапном удалении колонны с учетом огневых воздействий;

- шаг установки переходных этажей по высоте здания для обеспечения безопасности зданий от прогрессирующего обрушения с учетом огневых воздействий;

-влияния огневых воздействий на время локального повреждения колонн

при расчете зданий на прогрессирующее обрушение.

Апробация работы и публикации. Материалы диссертационной работы представлены на XI-ой международной специализированной выставке «Пожарная безопасность XXI века» (Москва, 2012); Международной научной конференции «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании» (Москва, 2012); Безопасность строительного фонда России. Материалы международных академических чтений (Курск, 2012); XVI Международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2013); Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова «Современные проблемы расчета и проектирования железобетонных конструкций многоэтажных зданий» (Москва, 2013); III Всероссийской (II Международной) конференции по бетону и железобетону «Бетон и железобетон - взгляд в будущее» (Москва, 2014); XVI World Conference on Earthquake Engineering (WCEE), Lisbon, Portugal, 2012.

Публикация работы. Материалы диссертации изложены в 7 опубликованных работах, из них 3 опубликованы в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы из 143 наименований, в том числе 36 зарубежных источников. Общий объем работы 200 страниц, в том числе 145 страниц основного текста, включающего 71 рисунок и 30 таблиц.

Содержание диссертации соответствует п.п. 2, 3, 4 Паспорта специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения.

Работа выполнена на кафедре «Архитектурно-строительного проектирования» ФГБОУ ВПО «МГСУ» под руководством доктора технических наук, профессора А. Г. Тамразяна.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, представлены научная новизна и практическое значение проведенных исследований, приведены сведения о апробации полученных результатов, структуре и объеме диссертационной работы.

В первой главе приведены: анализ конструктивных систем многоэтажных зданий с переходными этажами и их элементов, анализ

основных методов и норм проектирования здания и сооружения против прогрессирующего обрушения, оценка работ российских и иностранных ученых, в области конструктивной безопасности посвящены работы: Алмазова В.О., Гениева Г.А., Граника Ю.Г., Магая A.A., Григоршева С.М., Клюевой Н.В., Колчунова В.И., Мамина А.Н., Николаева C.B., Расторгуева B.C., Плотникова А.И., Севостьянова В.В., Мелкумова С.И.,Миндель И.Г., Трифонова Б .А, Тамразяна А.Г., Холщевникова В.В., Шапиро Г.И., Гурьева В .В., Powell G., Gilmour J.R. и Virdi K.S., Williamson E.B. и Kaewkulchai G., Pretlove, A.J., Ramsden M. и Atkins A.G., Meng-Hao Tsai и Bing-Hui Lin, Izzudin В.A., Vlassis A.G., Elghazouli A.Y., Nethercot D.A., Hyun-Su Kim, Jinkoo Kim, Da-Woon An и других ученых.

Основным опасным фактором, который может явиться причиной обрушения, а также повреждения строительных конструкций и зданий в целом, является быстрое повышение температуры при пожаре. В этом случае и возникают условия, резко отличающиеся от условий обычной эксплуатации объекта.

Анализ экспериментальных исследований железобетонных конструкций, при огневом воздействии и после него рассматривалось в работах российских и зарубежных ученных: Баженов Ю.М, Бушев В.П., Голованов В.И., Гусев A.A., Жуков В.В., Ильин Н.И., Курлапов Дм.В., Милованов А.Ф., Мурашев В.И, Панюков Э.Ф., Пчелинцев A.B., Ройтман В.М., Соломонов В.В., Тамразян А.Г., Федоров B.C., Яковлев А.И., Мальхотра H.JI. (Великобритания), Ли Т.Т. и Абраме М.С. (США) и др.

Несмотря на обширные исследования в области обеспечения конструктивной безопасности многоэтажных зданий, недостаточно работ по учету влияния огневых воздействий в случае прогрессирующего обрушения.

Во второй главе приведены результаты экспериментальных исследований поведения бетонных кубиков и призм, а также изгибаемых железобетонных балок при статических и динамических нагружениях при различных температурных воздействиях.

Цель экспериментального исследования заключилась в определении изменений физико-механических свойств бетона, арматуры и железобетонных балок при статическом и однократном динамическом нагружении, а также исследовании изменения коэффициента динамического упрочнения бетонных кубиков, призм и железобетонных балок после влияния огневых воздействий.

Для экспериментальных исследований были изготовлены бетонные кубики размером 0,1x0,1><0,1м, призмы размером 0,1x0,1x0,4м и железобетонные балки размером 0,1х 0,1x0,8м.

Железобетонные образцы армировались сталью класса А400; хомутами класса А240. На рис. 1 представлена схема армирования образца.

77^ V / ■ //> Т777 'у/у >/ [777777 +777/7

У/У/ у/А ///* 'У'//; ' / /■ // У У/У Щ У/УУ ///А У. У//. У//; т У/У/, ///Ул УУ//У У/ А

/'///. / ///Л '////_/

1-1

1ПЦ

ЛИ_*_Ш_, Я /

I

к

Рисунок 1. Схема армирования железобетонной балки

Образцы моделированы 4-х точечным изгибом с пролетом (зоной) чистого изгиба, равным 240мм (рис.2). Для регистрации деформации были использованы шесть тензорезисторов базой 90 мм и сопротивлением 120 Ом.

50 230 240 230 50

■ - —--------1— -----------—I—

1 - индикатор часового тппа прогпбомер

а) б)

Рисунок 2. Установка оборудования для измерения прогибов и испытательный

стенд: а — расчетная схема испытания; б — вид установки.

Картина трещинообразования железобетонных балок в обычных условиях и после нагрева до 900°С показаны на рис. 3 и рис. 4.

Рисунок 3. Появление нормальных и наклонных трещин в образце

С целью выявления влияния огневых воздействий на физико-механические свойства бетона и арматуры при статических и динамических нагружениях, а также получения коэффициента динамического упрочнения, бетонные кубики и призмы нагревались до 300, 500, 700 и 900°С, а железобетонные балки - до 500 и 900°С в режиме стандартного пожара и были испытаны при статическом и однократном динамическом нагружении.

Рисунок 4. Появление трещин в железобетонной балке при статическом нагружении после огневых воздействий при 900°С

Для определения прочности бетонных и железобетонных образцов были исследованы бетонные кубики и призмы, а также железобетонные балки при статических (по степени нагружения) и однократных динамических нагружениях с различным временем нагружения.

В ходе эксперимента проводились визуальные наблюдения за образованием и раскрытием трещин, а также были получены значения прогибов в зависимости от времени, изменения модуля упругости железобетонных балок и величин разрушающей нагрузки. Получены графики, показывающие зависимость напряжения и нагрузки от деформации для бетонных кубиков, призм и арматурной стали в обычных условиях и после нагревания при различных температурах; зависимость нагрузки от деформации; деформации от модуля упругости для железобетонных балок при статическом нагружении; зависимости динамической изгибающей нагрузки от разных по времени нагружений при обычных условиях и после нагревания до 500 и 900°С.

Полученные результаты показали, что: - деформация (величина относительного удлинения 8) арматурной стали в нормальных условиях при напряжении до 700 МПа увеличивалась до 9%, после нагревания до 500°С напряжение уменьшалось до 550 МПа и деформация на 6,8 %, а после нагревания до 900°С напряжение уменьшалось

до 400 МПа, а деформация - на 5,5 %.

- деформации железобетонных балок при статическом нагружении при сжатии не превышала значения 0,0012, а при растяжении - 0,027 из-за пластичности материала, и модуль упругости находился в переделах 37000 МПа, т.е. при армировании он увеличивается по сравнению с неармированными бетонными образцами. После нагревания до 500°С уменьшились в 1,4 раза, а после нагревания до 900°С в 2,3 раза по сравнению с его показателями без огневых воздействий. Модуль упругости после нагревания до 500°С уменьшился в 3 раза, а после нагревания до 900°С в 5 раз по сравнению с его показателями без огневых воздействий.

Для расчета и проектирования железобетонных конструкций на динамические воздействия необходимо знать определяющие величины коэффициентов динамического упрочнения материалов АГ^, показывающие изменение свойств бетона (прочность) при сжатии и растяжении, определяемые только экспериментальным путем.

Величина коэффициента динамического упрочнения может меняться в зависимости от состава материала, времени нагружения, вида динамической нагрузки, характера напряженного состояния конструкции и т. д.

Значения коэффициента динамического упрочнения бетонных и железобетонных образцов в зависимости от времени нагружения в обычных условиях и при различных температурах представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1

Коэффициент динамического упрочнения (Кду) бетонных кубиков в обычных условиях и при температурных воздействиях

Номер Темпе- Нагружение, кН Коэффициент

образ- ратура, динамическое, динамического

ца °С статическое со временем упрочнения, Кду

воздействия

0,07с 0,1 с 0,07с 0,1 с

1,2,3 20 351,72 424,46 423,67 1,206 1,204

1,2,3 300 335,02 323,97 322,37 0,967 0,962

1,2,3 500 282,84 238,06 236,93 0,841 0,837

1,2,3 700 79,63 46,83 45,90 0,588 0,576

1,2,3 900 39,72 19,42 18,78 0,489 0,473

Таблица 2

Коэффициент динамического упрочнения (К,)л, ) железобетонных балок в обычных условиях и после температурных воздействий

Номер Темпе- Нагружение кН Коэффициент

образ- ратура, динамическое. динамического

ца °С статическое со временем упрочнения, Кбу

воздействия

0,07с 0,1 с 0,07с 0,1 с

1,2,3 20 35,42 42,55 41,74 1,2 1,178

1,2,3 500 26,38 30,23 29,37 1,146 1,113

1,2,3 900 16,56 17,73 17,12 1,07 1,034

Изменение коэффициента динамического упрочнения бетона при разных температурных воздействиях приведен на рис. 5.

—•— Кубики при 0,07 с —» К\-6нхи при 0,1 с —Пршмы при 0.07 с —Призмы при 0,1 с —31Б. Балхи при 0,07с Ж-Б Балки при 0.1с

Рис. 5. График зависимости изменения коэффициента динамического упрочнения бетонных кубиков, призм и железобетонных балок от огневых

воздействиях

Для определения коэффициента динамического упрочнения бетонных кубиков и призм, а также железобетонных балок при температуре 300"С<?<900"С получены следующие зависимости. Бетонные кубики: - при времени нагружения 0,07 с:

К, = 1,2796+1.6875 • 10"7 Г2 - 0,001046 /. (1)

-при времени нагружения 0,1 с:

К, =1,2727 + 1,5-1(Г7Гг-0,001042 г. Бетонные призмы:

- при времени нагружения 0,07 с:

К, = 1,303 +1,9375 • 10"7 г2 - 0,001117 ?.

- при времени нагружения 0,1 с:

Ки =1,2413+1-10~7г2 -0,000938 ? . Железобетонные балки:

- при времени нагружения 0,07 с:

К,, =1,2014- 8,807 10"' /2 - 0,000067 / .

- при времени нагружения 0,1 с:

К^ =1,18-8,19-10"9/2-0,000093 I.

(5)

(6)

(4)

(3)

На основе анализа результатов экспериментальных исследований железобетонных балок установлено следующее:

1. В обычных условиях при уменьшении времени нагружения коэффициент динамического упрочнения (Кяу.) достигает до 1,2.

2. При нагревании до 500°С, резко снижается прочность бетона, особенно динамическая, которая была равна статической, а с повышением температуры до 900°С динамическая прочность уменьшалась в 2 раза по сравнению со статической прочностью.

3. Модуль упругости железобетонных балок составил 35000 МПа и при нагревании до 500°С уменьшался до 15000 МПа, а при 900°С - до 9000 МПа.

4. Деформация и модуль упругости арматурных стержней после нагревания до 900°С оказался в 1,4 раз меньше, чем в арматуре, не подвергнутой огневым воздействиям.

5. Коэффициент динамического упрочнения бетонных кубиков и призм при нагревания до 500°С снизился до значения 0,84, после нагревания до 900°С - до 0,48. В железобетонных балках после нагревания до 500°С он снизился до значения 1,13, после нагревания до 900°С - до 1,05. Это показывает, что после нагревания железобетонных балок до 900°С структура бетона значительно разрушается и теряет сцепление с арматурной сталью, но арматура восстанавливает свою прочность после остывания до 80% .

В третьей главе приведена методика расчета многоэтажных каркасов в нелинейной постановке с использованием диаграммы деформирования, подобной диаграмме Прандтля (рис. 6), а также влияние переходных этажей на общую устойчивость многоэтажных зданий.

Рисунок 6. Диаграмма деформирования конструкции: зависимость изгибающего момента М от угла раскрытия трещин у в пластическом шарнире

В пластической стадии деформирование конструкций происходит без разрушения бетона сжатой зоны в пластических шарнирах (арматура находится в состоянии пластического течения, а бетон сжатой зоны еще не разрушен). В этом состоянии конструкцию можно представить в виде жестких дисков, соединенных шарнирами пластичности. Точку предельного состояния в перекрытии принято характеризовать предельными углами раскрытия трещин в пластических шарнирах. Этот предельный угол (абсцисса точки В) соответствует достижению бетоном сжатой зоны ригеля предельной деформации: еьм =0,0035 .

Значение Ми,, вычисляется по формуле:

Я,А.

где а. =£(1-0,59; § =

КЪК'

Значение предельного пластического угла поворота вычисляется по формулам:

гле у - ■ у I ,

где х" V;"

К

(9)

где С = 0,7 для опорных сечений;

- предельное значение продольной силы при центральном сжатии; £ - относительная высота сжатой зоны при разрушении; Iо = 0,251 для защемленной на двух концах балки.

Далее рассматривается влияние переходных этажей на общую устойчивость многоэтажных каркасов.

Переходной этаж представляет собой систему жестких элементов конструкции в пределах одного этажа: жесткие плиты перекрытия соединены с жесткими балками и раскосами.

Рисунок 7. Несущая система с переходными этажами: а - плоская расчетная схема; б - основная система метода сил; в - эпюра нормальных сил в колоннах; г - эпюра моментов; 1- переходной этаж.

Так как переходные этажи могут располагаться на различных расстояниях друг от друга по высоте здания, а число их недостаточно для перехода к дискретно-континуальной расчетной модели, то для расчета несущих систем с жесткими элементами удобно принять основную систему метода сил, показанную на рис. 7.

При неограниченно жестком переходном этаже в основной системе, согласно рис. 7,6, все побочные перемещения б,7 =0, и потому имеем

отдельные уравнения

5,Д,+5„=0, (10)

где, при действии горизонтальной нагрузки

5 _ г М;<±Х | г ТУ ]сЫ _

кУ _2_

EJ. + ЕР,

Нл (11)

(12)

Ю, £/,

X) -усилие в одной колонне на стороне, перпендикулярной плоскости изгиба; со, -площадь эпюры Мр в пределах участка /7,; £/, -изгибная жесткость

горизонтального сечения вертикальной диафрагмы на участке ЕР, -осевая жесткость одной колонны на участке г;

аз)

где г - число колонн на каждой стороне плана, перпендикулярной плоскости изгиба, включая угловые колонны; 5 - число колонн на каждой стороне плана, параллельной плоскости изгиба, исключая угловые колонны.

Деформированное состояние каркасных зданий с перекрытиями, податливыми в своей плоскости, характеризуется зигзагообразной формой искривления колонн (рис.8). При этом перекрытия смежных этажей перемещаются в своей плоскости в противоположных направлениях.

Оценка статических и динамических характеристик здания или сооружения выполнена на анализе ее собственных значений частот, периодов и форм колебаний на основе ряда проведенных динамических расчетов. После получения формы колебаний, можно определить время удаления колонны, а затем жесткости здания в различных направлениях и его несущую способность.

таят переходной атаж

Рисунок 8. Схемы, отражающие процесс потери устойчивости модели многоэтажного каркасного здания с диафрагмами: а - без переходного этажа; б - с переходным этажом; 1 - диафрагмы; 2 - колонны в центре здания.

Для решения задачи численным методом используется расчетный комплекс SAP 2000 версии 14.2. В расчетах учитывается геометрическая нелинейность, включающая влияние деформируемой схемы и больших перемещений.

В четвертой главе разработаны примеры расчета монолитных каркасных зданий на прогрессирующее разрушение в четырех случаях:

1 - без переходных этажей; 2 - без переходных этажей с учетом огневых воздействий; 3-е переходными этажами; 4-е переходными этажами с учетом огневых воздействий.

С целью выяснения влияния переходных этажей в монолитных многоэтажных каркасах на устойчивость к прогрессирующему обрушению с учетом огневых воздействий были проведены динамические расчеты для 45-ти этажного здания с переходными этажами и без них.

Исследовалось каркасное здание размерами в плане 18x30 м. В качестве одного из расчетных локальных повреждений принималось внезапное удаление несущей колонны первого этажа, ведущее к динамическому нагружению несущей системы здания.

Для оценки несущей способности конструкции нужны нормативные границы, превышение которых означает разрушение конструкции. В качестве таких границ используют предельные моменты, прогибы, кривизны, углы раскрытия (углы поворота) в пластических шарнирах и т.д.

Значение \\iF,, для железобетонных балок равен 6°, т.е. 0,105 рад.

Исследовалось влияния огневого воздействия на динамический предельный момент ригеля вышележащей над удаленной колонной.

Динамический предельный момент ригеля после огневого воздействия при температуре 500 °С:

^Г^аАЖ =0,278-12,85-Ю3-0,3-0,552 =324,18кНм.

Динамический предельный момент ригеля в обычных условиях:

M(J-'Pi = a„R^bhi = 0,212 • 22,96-103 • 0,3- 0,552 = 441,72 кНм.

Динамический предельный момент ригеля переходных этажей в обычных условиях: M^v)=amRMb^=0,212-22,96-103-0,6-0,552 = 883,45 кНм.

Для выяснения эффекта работы переходных этажей в монолитных каркасных зданиях рассматриваются результаты сравнительных расчетов на устойчивость к прогрессирующему обрушению здания без переходных и с переходными этажами с учетом огневых воздействий (рис.9).

Рисунок 9. Схема образования пластических шарниров в 45-ти этажном здании после внезапного удаления колонны в нелинейной постановке: а - в здании без переходных этажей; б - в здании без переходных этажей с учетом огневых воздействий (500°С); в - в здании с переходными этажами с учетом огневых воздействий (500"С).

Основные результаты расчетов приведены ниже в таблицах.

Таблица 3

Сравнительные характеристики колебаний в зданиях без переходных и с переходными этажами с учетом огневых воздействий (500°С)

Номер Характеристики колебаний

формы Период колебаний, с Частота колебаний, цикл/с

колебания без с переходными без с переходными

переходных этажами переходных этажами

этажей этажей

1 12,85 10,38 0,07 0,096

2 11,46 10,09 0,08 0,09

30 0,52 0,38 1,89 2,64

Таблица 4

Значение максимальных динамических прогибов в ригеле над удаленной колонной

Этаж Максимальный динамический прогиб fd, м

В зданиях без С учетом огневых воздействий (500°С)

переходных этажей в зданиях без переходных этажей в зданиях с переходными этажами

1 0,113 0,115 0,076

45 0,011 0,012 0,001

Таблица 5

Значение максимальных осевых нагрузок Л^ крайних колонн первого и последнего этажа

Этаж Максимальная осевая нагрузка кН

Тип здания

с переходными этажами без переходных этажей

с учетом температурных воздействий без температурных воздействий с учетом температурных воздействий без температурных воздействий

1 -19746,36 -20242,16 -18035,67 -14880,18

45 -365,60 -365,60 -308,66 -350,37

Таблица 6

Значения максимальных динамических моментов в ригеле над удаленной колонной

Этаж Максимальный динамический момент МкНм

с переходными этажами без переходных этажей с учетом огневых воздействий (500°С)

с переходными этажами без переходных этажей

1 -452,98 -502,69 -156,02 -157,72

15 -199.22 -338.12 -344.59 -94,13

30 -69.81 -161.43 -164.01 —47,16

45 -50.72 -98.93 -112.97 -39,21

Из анализа результатов (табл.З-НЗ) и (рис.9) можно сделать следующие выводы:

- установка переходных этажей ограничивает повреждения и образования пластического шарнира до уровня их установки и обеспечивает устойчивость и целостность здания.

-огневые воздействия увеличивают период колебаний здания, увеличение жесткости конструкций путем установки переходных этажей уменьшает это значение;

- после установки переходных этажей, максимальный динамический прогиб уменьшается почти в 1,5 раза и, в целом, конструктивная безопасность здания при его расчете на прогрессирующее обрушение обеспечивается.

Для определения шага установки переходных этажей были произведены расчеты различных вариантов установки этих этажей по высоте здания.

Расчет проводился для системы балок каркаса. Учет пластических деформаций производится с использованием пластических шарниров, возникающих в опорных и пролетных (у поврежденной колонны) сечениях. Общая устойчивость поврежденной рамы в виде консольной системы с сосредоточенными массами также рассматривалась.

На рис.10 представлены расчетные периоды колебаний зданий различной этажности (от 5 до 60).

Помер формы

Рисунок 10. Зависимость периодов колебаний здания от его этажности: а - 5-этажное здание; б — 15-этажное здание; в - 25-этажное здание; г - 35-этажное здание; д - 45-этажное здание; е - 60-этажное здание.

Показано, что учет времени удаления колонны в здании, по сравнению с «мгновенным» удалением, имеет ряд специфических особенностей, которые непосредственно влияют на значение собственных частот, периодов и форм колебаний колонны.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. В настоящее время задача конструктивной безопасности многоэтажных каркасных зданий является актуальной. Возникает объективная необходимость обеспечения безопасности зданий при аварийных динамических воздействиях с учетом огневых воздействий.

2. Значения коэффициента динамического упрочнения для бетонных кубиков и призм находятся в пределах 1,2. После воздействия различных температур (до 900°С) эти значения уменьшаются в 2 раза.

3. Коэффициент динамического упрочнения железобетонных балок в нормальных условиях находится в пределах (1,174 -1,204), а после нагревания до 500°С и остывания - снижается до значения 1,13; после нагревания до 900°С с последующим охлаждением - до 1,05.

4. При температуре 900°С динамический предельный момент ригеля, расположенный выше удаленной колонны, уменьшается в 3 раза.

5. Переходные этажи позволяют локализовать зоны повреждения, ограничивая их до уровня установки, и в целом обеспечивают конструктивную безопасность здания при аварийных воздействиях.

6. Установлен шаг переходных этажей по 5 этажей снизу, далее 10 этажей, 15 этажей в зависимости от риска обрушения с помощью нелинейных динамических расчетов.

7. Переходные этажи уменьшают основной период колебаний в 1,2 раза по сравнению с периодом колебаний здания без переходных этажей из-за увеличения жесткости конструкций.

8. При наличии переходного этажа через каждые 15этажей 45-ти этажнрго здания величина изгибающих моментов и поперечных сил в ригеле, лежащем выше удаленной колонны, снижается в 4раза.

9. Нелинейный динамический расчет и анализ на основе определения времени колебаний показал, что огневые воздействия ускоряют процесс удаления колонн, а наличие переходных этажей замедляет время удаления в зависимости от уровня ее жесткости.

10. С ростом этажности номер формы вертикального колебания здания, с помощью которого можно судить о времени удаления колонн, увеличивается. Это означает, чем больше этажей имеет здание, тем позднее колонна выходит из строя. Например, в 5-ти этажном здании колонна выходит из строя за 0,04с, а в 60-ти этажном - за 0,25с.

Основные положения диссертации опубликованы в работах: Статьи, опубликованные в журналах и изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Тамразян, А. Г. Особенности проявления огневых воздействий при расчете конструкций на прогрессирующее обрушение зданий с переходными этажами [Текст] / А.Г. Тамразян, А.Б. Мехрализадех// Пожаровзрывобезопасность. — 2012. №12. — С. 41-44.

2. Тамразян, А. Г. Определение шага переходных этажей по высоте в зависимости от возможности обрушения при выходе из строя колонны с учетом огневых воздействий [Текст] / А. Г. Тамразян, А. Б. Мехрализадех // Строительство и реконструкция. - 2013. № 4(48). - С. 51-55.

3. Тамразян, А. Г. Особенности влияния времени локального повреждения при расчете зданий на прогрессирующее обрушение [Текст]/А. Г. Тамразян, А. Мехрализадех // Вестник гражданских инженеров. 2013. — №6 (41).-С. 42^6.

Статьи, опубликованные в других научных журналах и изданиях:

4. Тамразян, А. Г. Особенности проявления огневых воздействий при расчете на прогрессирующее обрушение зданий с переходными этажами [Текст] / А. Г. Тамразян, А. Б. Мехрализадех // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. - Материалы международных академических чтений. - Курск, 2012. - С. 79-85.

5. Тамразян, А.Г. Уровень несущих и ненесущих элементов конструкций зданий по риску ущерба [Текст] / А. Г. Тамразян, А. Б. Мехрализадех // Строительство - формирование среды жизнедеятельности: сб. трудов XVI Международной межвузовской конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - М., 2013. — С. 607-612.

6. Тамразян, А. Г. Частота свободных колебаний многоэтажных зданий при расчете на прогрессирующее обрушение в нелинейной динамической постановке с учетом времени локального повреждения [Текст] / А. Г. Тамразян, А. Б. Мехрализадех // Сборник докладов Международной научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения П.Ф. Дроздова. - М.:МГСУ, 2013. - С. 235-244.

7. Тамразян, А. Г. Динамический анализ многоэтажных зданий с учетом времени локального повреждения несущих конструкций при расчете на прогрессирующее обрушение. Стр.142-149. [Текст] / А. Г. Тамразян, А. Мехрализадех // Бетон и железобетон - взгляд в будущее. III Всероссийская (II Международная) конференция по бетону и железобетону. (Москва,12-16 мая 2014г.).Том II. Москва: МГСУ,2014.456 с.

Заказ № 1344. Бумага офсетная.

Тираж 100 шт. Формат 60x90/16. Усл. печ. л. 1,5 Отпечатано в типографии ООО «Аналитик» г. Москва, ул. Клары Цеткин, д.18, стр. 3 . Тел. 617-09-24