Предотвращение лавинообразного обрушения конструкций здания
Здесь рассмотрены вопросы о лавинообразном обрушении зданий из-за аварий (взрыв, удар и т.д.).
Возникновение проблемы лавинообразного обрушения
После того как в 1968 году в Англии в здании Ronan Point произошел взрыв газа, в Китае начинают исследовать вопросы о лавинообразном обрушении зданий из-за внезапных аварий. Одиннадцатого сентября 2001 года два здания американского торгового центра обрушились из-за авиатеракта. После аварии 11 сентября проектировщики обратили внимание на эти вопросы. В Китае также конструкции зданий подвергались лавинообразному или локальному обрушению, но для предотвращения этого соответствующие нормы и документы до сих пор отсутствуют.
Способы предотвращения лавинообразного обрушения конструкций здания
Зарубежные проектировщики выдвинули понятие «конструктивная безопасность», которое характеризует свойство конструкции, предотвращать лавинообразное обрушение. Конструктивная безопасность зданий и сооружений при разрушении отдельных элементов обеспечивается за счет ближайших смежных конструкций, которые могут препятствовать изменению конструктивной схемы, поддерживают способность каркаса воспринимать вертикальную нагрузку, предотвращая лавинообразное обрушение. При внезапном аварийном воздействии разрушение отдельного элемента может вызвать выключение из работы ближайших конструкций с последующим распространением этого разрушения на все здание.
Для того чтобы повысить конструктивную безопасность и долговечность зданий, необходимо:
- использовать жесткие соединения между элементами, при максимальном уменьшении статически определимых элементов конструкций;
- использовать методы контролируемого распределения усилий при внезапных выключениях ключевых элементов;
- использовать методы проектирования, при которых разрушение отдельных элементов не вызывает лавинообразного разрушения всей конструктивной системы;
- предотвращать возникновение разрушения от сдвигающих сил в элементах конструкций; повышать растяжимость несущих элементов.
Контрмеры и мероприятия по предотвращению лавинообразного обрушения конструкций
До сих пор существуют неясные вопросы лавинообразного обрушения конструкций зданий при внезапных авариях. Теория и практика данной проблемы проектирования еще недостаточно исследована. Существует много вопросов, например интервалы и степень запредельных воздействий, расчетная модель, вопросы экономии, и т.д. Автор считает, что на сегодняшний день применимы следующие контрмеры по предотвращению лавинообразного обрушения зданий:
- для особенно ответственных зданий производить проектирование, при котором предусматривать меры по предотвращению лавинообразного обрушения здания;
- для сложных конструкций многоэтажных высотных зданий необходимо повышать их конструктивную безопасность;
- для повышения конструктивной безопасности несущих систем, не увеличивая стоимости, необходимо проектировать защиту от лавинообразного обрушения конструкций здания при взрывах газа.
Ниже представлены некоторые мероприятия в этом направлении:
- в соответствии с принципами, перечисленными выше, повышать конструктивную безопасность несущих систем зданий;
- обеспечивать контролируемое перераспределение усилий при альтернативных путях нагружения после локального повреждения.
Это приближенный способ защиты от лавинообразного обрушения. Отдельный несущий элемент может разрушаться при запроектных воздействиях. Поэтому если элемент конструкции исчерпал несущую способность или потерял устойчивость, то внутренние усилия от постоянных нагрузок перераспределится между другими элементами. В этой связи при проектировании постоянную нагрузку рекомендуется принимать 1,0.0 + 0,25/, и вводить запас по прочности материалов, повышая коэффициент надежности по бетону до 1,25, по металлу до 1,05.
Каркасная конструкция
Если средняя колонна нижнего этажа потеряла устойчивость, необходимо учитывать внутренние усилия, возникающие в верхних и соседних колоннах.
При потере устойчивости колонны каркаса продольная арматура балок может растягиваться дополнительными усилиями. В этой связи для повышения конструктивной безопасности продольная арматура балок и арматура колонн должны пересекаться в узлах и удовлетворять требованиям анкеровки.
На первом рисунке показана потеря устойчивости средней колонны, а на втором - потеря устойчивости нижней крайней колонны
В случае потери устойчивости средней колонной нижнего этажа возникает пластический шарнир, но обрушение не происходит из-за восприятия дополнительного растяжения продольной арматурой балок. Контроль обеспечения конструктивной безопасности выполняется по следующей формуле
V ≤ 0,75 fyAs
где V — поперечная сила балки от нагрузки этажа 1,0 D + 0,25L, при которой средняя колонна нижнего этажа теряет устойчивость; fy - расчетное значение прочности на растяжение продольной арматуры балки; As - площадь продольной арматуры.
При опасности потери устойчивости продольных балок их длина должна вычисляться при нагрузках 1,0D> + 0,25 L, а проектное значение прочности балки на растяжение можно принимать 1,25fy.
Конструкции со стенами-диафрагмами, каркасные конструкции со стенами-диафрагмами и цилиндрические конструкции
В конструкциях со стенами-диафрагмами лучше устанавливать внутренние продольные стены членением ее на отсеки. Для повышения устойчивости стен рекомендуется выполнять соединение элементов стен в углах.
В конструкциях со стенами-диафрагмами лучше использовать скрытные балки, толщина которых чуть больше, чем толщина стены. Стены конструкций зданий с цилиндрическими ядрами жесткости рассчитываются как стены каркасных конструкций со стенами-диафрагмами. На этажах здания устанавливаются кольцевые балки, а их толщина должна удовлетворять требованиям анкеровки.
Конструкции перекрытий с поддерживающими колоннами и балками
Если какая-то колонна каркаса потеряет устойчивость, необходимо учитывать и анализировать перераспределение внутренних усилий. В качестве опорных колонн каркаса следует применять центрально-сжатые бетонные или железобетонные колонны с профилями. Центрально-сжатые колонны или железобетонные колонны с профилями могут выдерживать постоянную нагрузку (1,0D + 0,25L). Опорные балки каркаса лучше выполнять железобетонными.
Установка переходных ферм
На нижнем, среднем и верхнем этажах рекомендуется устанавливать переходные фермы. В добавление к методу перераспределения усилий можно применить метод DCR, с помощью которого можно определить возможность лавинообразных обрушений:
DCR = Qud/QCE
где Qud - усилия, которые выдержат элементы или узлы (от сжатия, изгиба, сдвига и т.д.) при запредельных воздействиях; вычисленные по упругостатической анализу; QСЕ - предельное усилие для элементов или узлов.
Следующие условия определяют возможность лавинообразного обрушения:
- симметричные конструкции DCR >2;
- сложные конструкции DCR > 1,5.
Метод повышения локального сопротивления.
Для очень сложных конструкций лучше не использовать вышеприведенные методы. В этом случае можно использовать метод повышения локального сопротивления, который подразумевает перераспределение нагрузки на элементы по неблагоприятным направлениям в размере не менее 36 кН/м2. При этом конструкции не должны разрушаться.