автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Восстановление и усиление элементов строительных конструкций и частей зданий после воздействия обычных средств поражения

ГОСУДАРСТВЕННИКИ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ

На правах рукописи

АЛИ ХАСАН ШШ1Л

УДК 69.059.2'3

ВОССТАНОВЛЕНИЕ И УСИЛЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И ЧАСТЕЙ ЗДАНИЙ ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ОБЫЧНЫХ СРЕДСТВ ПОРАЖЕНИЯ.

05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Рчбота ььши/шена ь Ордена Друлбы народов Российском Университете Дружбы народов

доктор технических наук, профессор Майоров В.И.

доктор технических наук профессор Глушков Г.И.

кандидат технических наук старший научный сотрудник Соиоцько С.Ю.

Центральный научно- исследовательский и проектно-экспериментальный институт комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.Б.А.Кучеренко.

Защита диссертации состоится "21"декабря 1993 г. в 17-00 часов на заседании специализированного совета К 053.22.20 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Российском Университете Дружбы Народов по адресу:117193, г.Москва, ул.Орджоникидзе.3, ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотек^ Российского университета дружбы народов (117198. г.Москва. Б 198, ул.Миклухо-Маклая.д.6).

Автореферат разослан "¿5 _____ 1990г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент С.Н. Кривошапко

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ. На протяжении 15 лет непрерывных боевых действий в Ливане экономике страны, городскому строительному фонду нанесен огромный ущерб. Особенно пострадала столица Ливана - Бейрут. В результате обстрела и бомбардировок уничтожена значительная часть жилого фонда. Хотя официальная и окончательная статистика о масштабах разрушения пока отсутствует, в результате обследования разными организациями было установлено, что только с 1989 г. по 1990 г. в Ливане были полностью разрушены 5000 жилых домов, 620 промышленных предприятий и 1000 зданий торговли и бытовых услуг. Повреждены и требуют восстановления 2£000 жилых домов, 150 заводов, это. не считая разрушенных больниц, школ, пор тов, аэропортов, дорог и коммуникаций.Общие потери оцениваются более чем в 30 миллиардов долларов.

Поэтому восстановление жилого фонда наряду с новым строительством, является частью общей национальной задачи ликвидации последствий войны.

Этим определяется актуальность диссертации, направленной на разработку типовых технических решений восстановления разрушенных частей зданий, разработку методов расчета и конструирования, базирующихся на анализе разрушений и данных экспериментов.

Целью диссертационной работы является:

- изучение объемов, характера и причины массивных разрушений жилого фонда и на этой основе выборы типовых объектов исследования;

- разработка практических методов расчета и принципов конструирования, восстановления и усилений разрушенных частей зданий и конструктивных элементов;

- экспериментальная оценка эффективности разработанных типовых технических решений и методов расчета усилений.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- предложены новые технические и консруктивные решения восстановления и усиления поврежденных строительных конструкций;

- выявлены механизмы и объемы разрушения ограждающих и несущих конструкций местным и общим действием удара и взрыва;

- определены предельные состояния конструкции и параметры нормирования;

- оценена работа конструкции в запредельном состоянии.

Практическая значимость диссертации заключается:

- в разработке типовых технических решений и рекомендаций по расчету и конструированию усилений несущей конструкции;

- в разработке конструктивно-технологических систем, обеспечивающих восстановление и усиление строительных элементов и частей здания, при минимальных технико-экономических затратах.

Апробация работы: отдельные разделы и работа в целом докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях инженерного факультета Российского Университета Дружбы Народов в 1990,1991,1992,1993 г.г. По результатам исследования опубликована одна работа.

Объем работы.Диссертация состоит из введения, трех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Общий объем работы 175 стр., в том числе 100 страниц машинописного текста, 71 рисунок (50 страниц),б таблиц (5 страниц),библиография из 80 наименования (9 страниц).

IIa защиту выносятся следующие результаты:

- данные о фактическом объеме, причинах и характере разрушений в условиях применения современных средств поражения применительно к Ливану;

- методика расчета, учитывающая преобразование усиливаемого элемента в комбинированную конструктивно-технологическую систему;

результаты экспериментальных исследований, уточняющие понятия о предельном состоянии конструкции, работающих и экстремальных условиях, о критериях оценки предельных состояний и параметров нормирования;

- оригинальное техническое решение восстановления и усиления изгибаемых и внецентренно-сжатых конструкций.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общий анализ состояния вопроса, обосновывается актуальность исследований, определяются основные направления и практическая значимость работы, а также сформулированы цель, основные задачи диссертации и пути их решения.

В первой главе содержится характеристика состояния жилого фонда города Бейрута. По1сазано, что основу капитальных застроек (85 составляют многоэтажные каркасные здания с несущим остовом, выполненном преимущественно из монолитного железобетона.

Междуэтажные перекрытия выполняются в виде облегченной сборно-монолитной (часторебристой) конструкции с заполнением межреберного пространства пустотными бетонными блоками тра-пециобразной формы, или в виде плоских железобетонных плит.

На основании результатов обследований разрушений дается оценка нанесенного войной ущерба жилому фонду Бейрута, предлагается классификация степени разрушения зданий, приведенная в таблице 1.

Выполненный инженерный анализ повреждений строительных конструкций в результате воздействия обычных средств поражения. показал, что характер и степень разрушений зданий и их элементов зависит от вида средств поражений, условий их применения, характера и интенсивности воздействия, кроме того, объем повреждений тесно связан с конструктивными и объемно-планировочными решениями самого здания, конструктивной системой несущего остова, материала и толщины элементов ограждающих конструкций, наличия связей и жесткости узлов сопряжений, числа этажей.

Анализ показал.что максимальный разрушительный эффект во многом проявляется как результат наложения совместного действия удара и взрыва, связанный с прониканием боеприпаса в сооружение и последующим его взрывом в замкнутом объеме, что во многом увеличивает давление взрыва, приводя, иногда, к обрушению целых секций сооружений.

Основным результатом инженерного анализа являлось выяснение причины и характера разрушений в зависимости от предельно-допустимого состояния в различных условиях их работы. С этой целью автором были обследованы разные случаи повреждений строительных конструкций и частей здания (междуэтажные перекрытия, балки, простенки, колонны, стены ).В качестве интегральной характеристики состояния конструкции принята относительная величина остаточного прогиба изгибаемых элемен тов или выгиба за первоначально вертикальную плоскость вне-центренно и центрально-сжатых стен, колонн и несущих простенков.

На рис. 1 представлена диаграмма деформированного состояния сборно-монолитной (комбинированной) плиты перекрытия,

Табл.1

Характеристика Процент выхода из строя основных КОНСТРУКЦИЙ Процент пораженных зданий

Степень разрушения разрушений восстановительных работ

Полное А1 сохраняется только фундамент и подземные помещения восстановление невозможно или не целесообразно до 100 14

Сильное А2 сохраняется лишь небольшая часть наиболее прочных конструкций . стен, ниж-нйх эта-жёй, элементов ж. б каркаса и подземные сооружения восстановление возможно только в порядке пере-сройки соооуже-ния спец. организациями с использованием уцелевших материалов и конструкций 50-90 16

Среднее АЗ сохраняются коробки здании, внутренний несущий остов; повреждения носят местный характер и вызывают ослабление отдельных элементов несущих конструкций требуются значительные восстановительные работы силами специальных восстановительных подразделений 30-50 70

Местное или слабое А4 мелкие деформации второстепенных элементов сооружений, кровли, окон и дверей, внутренних перегородок и штукатурки требуется капитальный ремонт силами ремонт-но-восстанови-тельных и инженерно-технических подразделений 10-30

которая выражает зависимость между относительной величиной остаточного прогиба и ее состоянием, характеризующимся пригодностью к эксплуатации в различиях- условиях, которые условно разделены на шесть стадий:

1 - упругая. Остаточный прогиб, Г0 = 0;

2 - допустимая в пределах, определенных действующими

нормами, Г„

3 допустимая по условиям эксплуатации, ограниченных во времени, Та ^

4 - допустимая при условии восстановления,

5 - предельно допустимая в экстремальных условиях экс-

плуатации в ограниченном промежутке времени,

6 - разрушение, Т - .

Местные разрушения ограничиваются ло!сапьной областью ближней зоны удара и взрыва при контактном взаимодействии боеприпаса с поверхностью конструкции.

Процесс воздействия протекает в условиях, когда время действия нагрузки <} соизмеримо со временем распространения деформаций по толщине конструкции и заведомо меньше четверти периода колебаний ее основного тона (Т);

О ^0.25Г (1)

Формально, любое разрушение можно отнести к местному, если оно не вызывает общей потери устойчивости, даже применительно к отдельно взятому элементу конструкции. Разрушение местным действием может носить характер сквозного пробития, или ограничиваться по высоте образованием воронок от удара (вытеснения) и откола, ограниченных семейством наклонных трещин под углом 45 град. В некоторых случаях ударные воронки и воронки откола соединяются цилиндрическим каналом хода боеприпаса, образуя сквозные пробития.

Оценка радиуса местного разрушения определяется зависимостью:

й = Гс) (2)

где И - радиус разрушения;

с - интенсивность воздействия;

коэффициент сопротивления преграды разрушению (трещинообразованию, вытеснению, отколу).

Выполненные измерения с последующей статистической обработкой данных, сделало возможным оценить величину радиуса внешней границы трещинооборазований тонкостенных железобетон-

ных

плит коэффициентом Кт = 0,8.

рис.1.диаграмма состояния междуатЬжного сборно-

монолитного перекрытия в зависимости от

\

величины относительного прогиба.

Иногда разрушение конструкций содержит признаки общего и местного характера одновременно. Признаки этого разрушения могут быть отнесены, как к зданию в целом, так и к его части, где местное разрушение локализуется на ограниченном участке здания.

^Теоретические гипотезы оценки разрушений местным и общим действием удара и взрыва изложены в работах Г.И.Покровского Е.Г.Гвоздева. А.П.Синицина, Н.В.Зволинского, Б.Ф Власова А.Л.Амбарцумяна, Н.И.Попова. В.И.Майорова, Г.К.Ягунда И А Любивого. С.Ю.Сслюцько. А.С.Чернова, И.М.Рабиновича.

Существенно новыми результатами изложенными в 1-й главе являются:

- классификация разрушений жилого фонда о учетом конструктивных схем и восстановительных затрат;

- данные о характере, механизмах и объемах разрушений, вызванных действием современных артиллерийских и авиационных вооружений;

- расширена область определения предельных состояний строительных конструкций, вызванных местным и общим действием удара и взрыва и параметров нормирования.

Вторая глава посвящена разработке принципиальных технических и конструктивных решений восстановления и усиления поврежденных строительных конструкций.

В начале главы ( §2.1) сделано обобщение исторического опыпа восстановления жилого фонда, разрушенного землетрясениями и войнами. $2.3 содержит анализ перспективных технических решений.

Вопросах! восстановления и усиления уделяли значительное внимание многие исследователи и ученые в России и за ее пределами. Основы теории расчета и проектирования усиления изложены в фундаментальных работах д.т.н. профессора Онуфри-ева, д.т.н.проф. Санжаровского и других.

Различные технические направления, оригинальные технические и конструктивные решения, защищенные авторскими свидетельствами, содержатся в работах д.т.н.. проф. Н.М.Онуф-риева, Е.П.Михно, Г.Н.Титова. Н.И.Михеева,С.Т.Захарова, В.В. Максимова, А.Л.Шагина, Ю.В.Бондаренко, Д.Ф.Гончаренко, А.П. Мартемьянова, Г.Е.Санжоровского, Е.Г.Хилло, А.Л.Гвоздева, 0.0.Литвинова, Н.М.Литвинова и других.

Результаты анализа большого многообразия существующих способов усиления приведены на схеме (рис.2). Вместе с тем, разрушения в результате применения новых обычных средств поражения отличаются по природе, характеру и степени нанесенного ущерба. Эти отличия необходимо учитывать при разработке технических решений и в методиках расчета восстановления и усиления поврежденных конструкций.

Новое техническое решение восстановления и усиления изгибаемых и внецентренно-сжатых конструкций изложено в $2.4

Решение задачи разработки конструктивных систем восстановления и усиления деформированных элементов осуществляется в условиях жестких ограничений в виде исходных предпосылок, игнорирование которых может привести к функциональной непригодности восстанавливаемого объекта.

Основными ограничениями являются:

- сохранение строительного объема жилого помещения;

- конструкции и элементы усиления должны быть скрытыми, не выступать за ограждающие поверхности и не нарушать естественного интерьера жилой комнаты;

- конструкции и принципиальное техническое устройство должны обеспечивать решение 2-х задач: - на первом этапе работать, как механизм, способствующий ликвидации образовав-

восстановление рабочей площади сечения

восстановление утраченных связей

повышение прочности материала

металлические

железобетонные

|—устройство рубашки и Йк!

1------! I

йетонине

полимерные

ч) к

о »

комбинированные

обоймы

наращивание

усиление узлов сопряжения конструкций

жесткие/стойки укосы. ./'

упрутие/<5алки, тяжи-,болты./.

прочие способы

дополнительные опоры

металлические крс. штейны и подкосы

1тяжи железобетонные .,и металлич. пояса -

специальные решения.

дополнительная •

предварительно напряженная арматура

преварительно напряженные затяжки

предварительно напряженный распорки

прочие специальные случаи

замена конструкции или изменение полнор ___расчетной схемы__ж

14 та

О СЗ И ш О 1-)

в чз

специальные случаи усиления отдельные элементов

аихся остаточных деформаций и перемещений, и входить как усиливающий элемент, преобразующий исходную конструкцию в комбинированную систему. - на стадии усиления;

- конструкции и технологии работ должны быть простыми, не материалоемкими и осуществляться при наименьших затратах;

- качество и надежность исполнения должны удовлетворить требованиям контроля, при помощи элементарных средств измерений.

Разработанные на основе распорных систем принципиальные технические решения и конструктивные системы восстановления и усиления изгибаемых и внецентренно-сжатых конструкций, в том числе плоских плит изложены в§2.2.

Технически, работа такой системы, на первой стадии восстановления (ликвидации) остаточных прогибов обеспечивается наличием 3-х главных конструктивных элементов:

- распорной системы в виде арки или иарнирно соединенными жесткими стержневыми элементами типа стропил;

- опорных узлов, обеспечивающих различную степень закрепления опор ;

- винтовой силовой тягой. Элементы распорной системы (рессора, арки, жесткие линейные звенья стропил) изготавливаются из металлического проката. Для этих целей предпочтительно использовать швеллер или уголок. Для линейных звеньев стропил возможно применение сборных железобетонных стержневых элементов. В каждом случае сечение элементов определяется расчетом.

На рис.3 представлена принципиальная схема технического решения ликвидации остаточного прогиба конструкций перекрытий в виде монолитной железобетонной плиты с последующим ее усилением. При последующем обетонировании образуются ме-таллобетоннне конструкции, обладающие повышенной несущей способностью и жесткостью.

Разработки изложены в 5 2.4 образуют основу нового технического направления и могут быть широко использованы при восстановлении различных строительных конструкций, в том числе плит перекрытия крупно-панельных домов, предельное состояние которых характеризуется образованием больших остаточных прогибов.

Третья глава посвящена экспериментальному обоснованию предолженных систем усиления и разработке рекомендации по их расчету. Экспериментальные исследования проведены на крупномасштабных физических моделях рамного типа.

Исследовалась эффективность двух видов усиления распорными системами: 1-я группа образцов рессорного типа;

2-я группа шарнирно-стержневых систем.

Образцы первой группы представляют собой металлические рессоры различной жесткости, образцы второй группы различались формой поперечного сечения и материалом жестких звеньев.

Характеристики опытных образцов представлены в табл.2. Общие результаты исследований эффективности распорных систем приведены в табл.3.

Анализ данных табл.3 показывает, что использование распорных систем позволяет ликвидировать остаточные прогибы без применения дополнительных механизмов и надежно включить элементы системы усиления в работу на восприятие полезных нагрузок.

На второй стадии образуется комбинированная распорная система, значительно превышающая по показателям прочности деформативности характеристики начальной конструкции.

В зависимости от типа распорной системы и ее жесткости превышение по нагрузке составило:

- для системы первой группы - 1,3 - 2 ;

- для стержневых систем (2-я группа) - 1,2 - 1,8 ;

Степень повышения изгибной жесткости иллюстрируется

представленными на рис.4 диаграммами прогибов.

В § 3.4 содержится теоретический анализ задачи, выполненной с целью разработки простого метода расчета усилений распорными системами, адекватного действительным условиям работы конструктивным и расчетным схемам.На рис.5 представлены расчетные схемы, соответствующие двум стадиям работы системы.

Формулы для расчета внешнего изгибающего момента и прогибов в центральном сечении на стадии восстановления (комбинированная система) имеет вид:

-х1/8 - Е(1-Ь)1Ц/1 Р1/16 *««*= х1/8 (Ь'/1)М^ ЗР1/16 ,

Г =с-х1 /48В)-{Ш^(1-Ь')31 + 8Ы - 8Ь£]/641В) +(Р1 /192В)

Расчет прочности и жесткости армометаллобетонной конструкции с элементами усиления (2-я стадия) производится по формулам строительной механики и решениям теории железобетона, в том числе, предельная величина изгибающего момента, в соответствии со схемой (рис,56) равна:

характеристика опытных образцов табл.2

а гр. схема и |орма сечения материал пл-дь сеч. мм' модуль упруготи£ Е: кгА'м момент инерция 3 ; мм' нормальная жесткость Е Р ;кг. изгибная жесткость ЕО; кг/мм

I сталь ' 65г 658 2,1.10* 4361 1381,8.105 9258,3.10

к Л>М.1_ 1-1 сталь-3 460 2,1.10® 520 1038.10* 1093,75.10*

сталь-3 308 2,1.104 213,3 646,8.10' 448.10'*

сталь-3 143 2,1.10* 32,5 2% ,1.10 68,3.10*

дерево /сосна-' 800 0,14 2,6 112.10* 3733,3.10*

1-жесткое линейное звено распора.

2-опорныи узел

3-винтовая б/ тияга

2

чТ"

V

4-усиливаемая $

конструкция 5-бетои стоя нарагаттпния

Рис.3. Принципиальная схема констр/кг/вно-теанческого устройства восстановления и усиления элемента перекрытия а-стадия восстановления;б-после восстановления и бетонирования.

иснознке рэзуяьтет-; w^)¡UAva».ia.¡

ñ г Р У TT П Ы KÓ с 6 р и и ..................— схема и форма сечения образцов н аг ру.э ка/?;аУ прог'лбн/$ (НИ / стрела подъема

в момент образов. трещян-ft,» прадель пропорциональности рп.„ в ^c.veiiT образования тсещин р +tt> предель происр цяональности и-я -остато чныи • -начальная 0 п Сим) после восстановление £ (HN)

в сеч. А-А з сечения А-А в сеч. А-А эти. в сеч. А-А отн. 9 Т»

I Ы 1-1 i,. /.РХ-деа нет 200 450 300 1,23 2,18 0,56 3,84 3,54 1,08 0,85 4,52 46 33

2Г т в1 нет 350 1,25 0,57 4,93 3,54 1,39 1,99 4,62 42 25

200 300 2,18

11-2 i-í La НЕТ 200 200 300 _1Д1 2','13 0,6 2,78 3,54 0,78 2; 85 4,62 40 25

ГГ-з 3 .^ríCTT^r^.. f. loa ¿Ws нет 200 150 " "300 2,6 2,18 1,18 4,57 3,54 1,29 • 3,88 4,62 40- 18

[fr нет 200 ■50 1,85 0,08 1,58 3,54 0,44 2,11 Í.62 ■ 62 28.

LtOXlA •'зоо 2,18

-В числителе представлены данные после усиления * -В знаменателе представлены данные до усиления.

сегшяД-1

о,о>;,«1, в,<>.3 "'»'1 •<••'•

Рис.4. Зависть-ость "нагрузка-перемещение"

а-при усиление устройством рессорного типа; б-при усилении

1парнирно-стержневой системы; /---до1 усиления;- после усиление

б/

Мросл ^ч

н»

/г*

Лги

I1 Iх

Т ' ' ',гк Г

г-1 А'-*

4.Г о-

Рис.5. Расчетная схема

а-етадия восстановления ;б-после восстановления и бетонирования.

М $ Шх [ (¿М + Ог )3 АукСОБ^ г + Ьх(^-0,5х)

где<5[.<£- напряжения в жестких звеньях систеш усиления установившиеся на стадии восстановления и бетонирования:

,шх - коэффициенты условия работы жесткой арматуры и бетона слоя наращивания.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. В диссертации решена задача восстановления и усиления простыми методами поврежденных несущих и ограздаюших конструкций жилых зданий массовой застройки г.Бейрута.

2. В результате выполненного инженерного обследования сооружений предложена классификация нанесенного физического ущерба жилому фонду по степени разрушения и трудоемкости восстановления. Выявлены типовые представители зданий массовой застройки с общими признаками повреждений.

3. Дан анализ причин и характер разрушения элементов строительных конструкций и частей здания, вызванных общим и местным действием удара и взрыва современного артиллерийских и авиационных боеприпасов, установлено, что объем разрушения зависит, как от типа боеприпаса,условий его применения, так и от конструктивной схемы здания, материала и массы конструкций, жесткости связей.

4.Расширена область определений предельных состояний конструкций с учетом их работы за критической стадией в экстремальных условиях при ограничении времени эксплуатации.

Предложены для расчета диаграммы состояния монолитных и сборномонолитных междуэтажных перекрытий и стен, уточнены параметры нормирования граничных областей.

5. Разработаны практические технические решения восстановления и усиления несущих конструкций, основанные на применении распорных стержневых систем. Конструкции усиления ориентированы на использование в 2-х стадиях работы: в стадии ликвидации остаточных перемещений усиливаемого элемента и в стадии совместной работы на восприятие эксплуатационных нагрузок, как комбинированной системы.

6. Сделан теоретический анализ прочности и деформатив-ности физических моделей конструкции и систем усиления. Предложена простая методика расчета усилений, рекомендованы расчетные формулы.

7. Проведены экспериментальные исследования на крупномасштабных конструкциях и системах усиления, результаты которых позволили уточнить граничные области предельных состояний. иметь значения нормированных параметров, подтвердить достоверность предложенных расчетных формул и надежность конструкции и систем усилений.

8. Сравнение результатов обнаруживает достаточную сходимость с экспериментом (расхождения не превышают 18 %), что является основанием для рекомендации предложенной автором методики расчета к практическому применению.

9. Результаты диссертации могут быть широко использованы в практике реконструкций зданий России и других стран, в том числе для восстановления прогибов и усиления часторебристых плит перекрытий крупно-панельных домов.

Основное содержание диссертации изложено в работе:

1. Исмаил А.Х. Инженерный анализ критериев оценки предельных состояний несущих конструкций жилых зданий, подвергшихся воздействию обычных средств поражения в г.Бейруте (Ливан)//"Современные проблемы теории пластин, оболочек и вопросы проектирования гражданских и промышленных сооруже-ний:Межвуз.сб.науч.трудов.М.:РУДН.1993.Вып.2. - с.и^-иг