Спросить
Войти
Сравнение технико-экономических показателей монолитных зданий стеновой и каркасной конструктивных схем при расчетах на прогрессирующее обрушение
Е.Е. Каргина, В.Н. Аксенов Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: Рассмотрен расчет многоэтажного монолитного здания стеновой конструктивной схемы на устойчивость к прогрессирующему обрушению. Произведены расчеты здания для различных условий эксплуатации: нормальные и экстремальные (аварийное воздействие — разрушение части несущих стен первого этажа). Даны рекомендации по защите здания при аварийных воздействиях. Определено, что для зданий с перекрестно-стеновой системой целесообразным методом защиты от прогрессирующего обрушения является метод резервирования прочности несущих элементов. Увеличение стоимости материалов при этом составляет около 2 %. Сравнение технико-экономических показателей зданий стеновой и каркасной конструктивных схем показало, что стоимость защиты от прогрессирующего обрушения у зданий со стеновой конструктивной схемой значительно ниже, чем у каркасных.
Введение. В наши дни все большее значение приобретают вопросы предотвращения прогрессирующего разрушения многоэтажных зданий. Прогрессирующее разрушение (далее по тексту ПО) сопровождается тяжелыми экономическими и общественными последствиями. По этой причине возникает вопрос о необходимости разработки методик расчета, рекомендаций по защите монолитных зданий от прогрессирующего обрушения.
Обеспечение безопасности жизни людей является главной целью расчета. Огромные потери в случае разрушений и в результате взрывов от терактов, бытовых взрывов и в результате крупных аварий могут быть сокращены, если обеспечить достаточную устойчивость от прогрессирующего обрушения. В статье решены задачи повышения устойчивости здания при аварийных воздействиях, сравнены техникоэкономические показатели зданий стеновой и каркасной конструктивных схем при расчетах на прогрессирующее обрушение.
В большинстве случаев удаление одной из несущих конструкций приводит к перегрузке соседних, вызывая тем самым прирост напряжений, превышающих их несущую способность [1]. Основное средство защиты зданий от прогрессирующего обрушения — резервирование прочности несущих элементов, обеспечение необходимой несущей способности колонн, ригелей, диафрагм, дисков перекрытий и стыков конструкций (ТСН 31-3322006. Жилые и общественные высотные здания). Данный способ представляет собой прямой подход к защите конструкций от прогрессирующего обрушения. Суть способа заключается в значительном увеличении расхода арматуры (вплоть до двукратного) [2]. Также рассматриваемый способ позволяет использовать новые технические решения, например, преднапряжение арматуры [3,4] или армирование композитными материалами [5,6].
Если часть несущих стен обрушится, то перекрытие, для которого эта часть стен является опорой, обрушиться не должно [7]. Прогиб перекрытия и величины раскрытия трещин не ограничиваются. Для того чтобы произвести резервирование прочности, нужно устанавливать дополнительное армирование вертикальных несущих конструкций и горизонтальных - плит перекрытий.
Объект расчета. В качестве примера при расчете на ПО был выбран объект - 24-х этажное жилое здание стеновой конструктивной схемы в г. Краснодар. Здание монолитное железобетонное с подвалом, запроектировано по перекрестно-стеновой схеме с несущими монолитными железобетонными стенами (рис. 1).
по адресу ул. Автолюбителей, 1/Д, г. Краснодар.
Размеры здания в плане: 26,4x26,7 м (в осях) и по высоте 73,8 м (верх парапета) выше уровня чистого пола первого этажа. Толщина наружных стен по периметру здания 300 мм до отметки +21,800 и 200 мм выше, а внутренних стен 200 мм по всей высоте здания. Железобетонные монолитные перекрытия и покрытия запроектированы толщиной 200 мм. Высота подвала 3,1 м. Высота первого этажа 3,9 м. Высота типовых этажей 3 м.
Создание и расчет конечноэлементных моделей в программном комплексе (ПК) «Лира-САПР». Расчётная модель здания представляет
собой пространственную комбинированную пластинчато-стержневую схему. Оболочечные конечные элементы приняты преимущественно квадратной формы, как наиболее точные с точки зрения расчётного процессора [8,9].
В рамках представленной работы выполнено два расчета. Первый - на нормальные условия эксплуатации 24-х этажного здания. Учитывались постоянные и временные, длительные и кратковременные нагрузки.
Второй расчет - на экстремальные условия эксплуатации, т. е. на особое предельное состояние, соответствующее аварийному воздействию (разрушение части несущих стен первого этажа). Учитывались постоянные и временные длительные нагрузки, а также воздействие гипотетических локальных разрушений несущих конструкций (Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях; рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения). Расчетные прочностные и деформационные характеристики материалов принимались равными их нормативным значениям, согласно действующим нормам проектирования железобетонных конструкций.
Для проверки на устойчивость от прогрессирующего разрушения первым расчётом были определены наиболее уязвимые элементы для аварийных воздействий. В итоговом расчёте рассмотрена наиболее опасная схема разрушения от запроектных воздействий.
Первый этаж здания проектируется под нежилые помещения. Основная часть площади этого этажа будет использоваться под торгово-офисные помещения, что подразумевает большую проходимость и открытый доступ. Исходя из этого, можно предположить, что первый этаж наиболее подвержен рискам, связанным с терроризмом. В данном случае, при удалении элементов с плана этажа на отм. -0,100, рассматривается ситуация выхода из строя наиболее нагруженной части стены под действием взрыва (подрыва) или, к примеру, от разрушения из-за неблагоприятного стечения обстоятельств и
имеющихся ошибок проектирования, дефектов строительства и действия запроектных воздействий. По расчету наиболее нагружена часть стен с сечением 300 мм в осях Д-Ж/3-4. Наиболее уязвимыми для аварийных воздействий можно считать именно эту часть стен, поэтому для них моделируем разрушение. Зоны локального разрушения определены кругом согласно СП 385.1325800.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения». Высота здания составляет 73,8 м, что менее 75 м, следовательно, площадь круга должна быть не менее 28 м (диаметр 6,0 м). В данном случае зона локального разрушения принята в виде окружности площадью 48,13 м (диаметр 7,83 м). Часть несущих стен в осях Д-Ж/3-4, выделенная красным цветом на рис. 2, удалялась из расчетной схемы.
Рис. 2. - Зона локального разрушения несущих конструкций на отм. -0,100.
Сравнение результатов расчета. В результате расчетов было установлено количество арматуры, необходимое для первого и второго случая расчёта. В качестве метода защиты здания от ПО применяется резервирование прочности.
Сравним значения вертикальных перемещений плит перекрытий при первом и втором расчете. Максимальное значение вертикального перемещения плит перекрытий в первом случае составляет 53,4 мм, во втором 54,1 мм. Деформативность плит перекрытия увеличивается незначительно. Это происходит благодаря тому, что стены, расположенные выше разрушенных, работают как консольные балки, удерживая участок перекрытия над разрушенными стенами за счёт работы на растяжение.
Сравним значения вертикальных прогибов плит перекрытия в первом и втором расчете (рис. 3). После удаления части несущих стен увеличился прогиб плит перекрытия в осях Д-И/3-4. В первом расчете на отм.+3.800 он составлял 1,1 мм, во втором 7 мм. Так для данного участка плиты перекрытия пролетом 7,2 м максимально допустимый прогиб составляет 1/200 = 7200/200 = 36 мм. Следовательно, в обоих случаях расчета соблюдается условие предельно допустимого прогиба.
Рис. 3. Вертикальные прогибы плит перекрытия: а) до удаления части несущих стен; б) после удаления.
Расчеты 24-х этажного здания стеновой конструктивной схемы показали, что для защиты от ПО таким методом как резервирование прочности необходимо увеличить расход арматуры на 9,6 % (табл. 1). Однако, увеличение общей стоимости материалов (Прайс-лист на бетон В25 (М350) по состоянию на март 2020 г. ООО «БЕТОН-ЮГ»; прайс-лист на арматуру А500С по состоянию на март 2020 г. ООО «Сталь-Инвест») незначительно - только на 1,96 %. Это говорит о том, что в зданиях с перекрестно-стеновой конструктивной схемой для защиты от прогрессирующего обрушения экономически эффективным и целесообразным является метод резервирования прочности.
Сравним результаты с аналогичными, но полученными для монолитных каркасных зданий. Из открытых источников были взяты результаты расчета 9-этажного каркасного жилого дома [10]. В качестве метода его защиты от ПО был также применён метод резервирования прочности. Из табл. 1 видно, что у каркасного здания увеличивается расход арматуры на 38,47 %, в то время как у здания стеновой конструктивной схемы на 9,6 %, общая стоимость материалов каркасного здания увеличивается на 9,72 %, стеновой конструктивной схемы на 1,96 %.
Таблица № 1
Технико-экономические показатели 24-х этажного здания стеновой
конструктивной схемы и 9-этажного каркасного здания при защите их от ПО
Расчет Показатель Ед. изм. 24-х этажное здание стеновой конструктивн ой схемы 9-этажное каркасное здание
Стандартный Бетон В25 м3 9830 1041
Арматура А500С т 199,39 38,24
Стоимость бетона В25 тыс. руб. 29490 5153,1
Стоимость арматуры А500С тыс. руб. 7562
Деформативность мм 53,4 С учетом аварийного воздействия Бетон В25 м3 9830 1041
Арматура А500С т 218,56 52,95
Стоимость бетона В25 тыс. руб. 29490 5 653,96
Стоимость арматуры А500С тыс. руб. 8289
Деформативность мм 54,1 Из сравнения делаем вывод о том, что стоимость защиты от ПО у зданий со стеновой конструктивной схемой значительно ниже, чем у каркасных. Это говорит о том, что на этапе проектирования авторам проекта
следует выбирать конструктивную схему не только в зависимости от назначения сооружения, условия стройки, доступности технических и финансовых ресурсов, но и от рассмотренных в статье технико-экономических показателей.
Выводы. Выполнена серия расчетов, по результатам которых определено, что для зданий с перекрестно-стеновой системой целесообразным методом защиты от прогрессирующего обрушения является метод резервирования прочности несущих элементов. Увеличение стоимости материалов составляет около 2 %. Кроме того, даже после локального обрушения, оставшиеся конструкции пригодны для дальнейшей эксплуатации и здание сохраняет эксплуатационную пригодность, так как были учены все требования расчета по второй группе предельных состояний. Сравнение технико-экономических показателей зданий при расчетах на ПО поможет при проектировании определить эффктивную конструктивную схему, опираясь на экономическую эффективность и безопасность здания.
URL:researchgate.net/publication/273081084_Experimental_and_Numerical_Stud ies_on_the_Progressive_Collapse_Behavior_of_Tensegrity_Systems/.
cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-stroitelstva-s-primeneniem-tehnologii-prednapryazheniya-zhelezobetona-1/.
URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4038/.
«Молодой исследователь Дона», Ростов-на-Дону, 2019, №1(16). С. 78-81. URL: mid-journal.ru/upload/iblock/240/17_KHolmogorova_78_81.pdf.
References
URL:researchgate.net/publication/273081084_Experimental_and_Numerical_ Studies_on_the_Progressive_Collapse_Behavior_of_Tensegrity_Systems/.
URL:researchgate.net/publication/310818494_Influence_of_Dynamic_Effects_on_ a_Concrete_Flat_Slab_after_a_Sudden_Column_Loss/.
