Повышение надежности железобетонных каркасов многоэтажных зданий

Малышкин, А. П. Повышение надежности железобетонных каркасов многоэтажных зданий / А. П. Малышкин, А. В. Есипов, М. А. Есипов. – DOI 10.31660/2782-232X-2024-2-42-55. – Текст : непосредственный // Архитектура, строительство, транспорт. – 2024. – № 2 (108). – С. 42–55.

1. Введение

При проектировании многоэтажных зданий с монолитными железобетонными каркасами особое внимание следует уделять надежности конструктивных систем. Физический износ конструкций, повреждения отдельных ее элементов, возникающие в процессе эксплуатации, при различных физических воздействиях, снижают несущую способность зданий. Наиболее важным условием обеспечения безопасности граждан является живучесть конструктивной системы при различных, в том числе непроектных, воздействиях. Живучесть – это способность сохранять возможность функционирования системы при наличии повреждений отдельных элементов [1–3]. При проектировании конструктивной системы живучесть может оцениваться как свойство сохранять несущую способность конструкций и работоспособность объекта в целом при возникновении аварийных ситуаций, разрушении одного или нескольких несущих элементов [4–12]. При этом разрушение отдельных элементов может моделироваться путем создания вторичной расчетной схемы с удалением вышедшего из строя элемента. В соответствии с ГОСТ 27751-20141 и СП 296.1325800.20172, к аварийной ситуации вследствие отказа несущего элемента здания приводят особые воздействия, подразделяемые на нормируемые (сейсмические или в результате пожара) и аварийные (при взрыве или столкновении с транспортными средствами, аварии оборудования и отказе работы несущего элемента конструкции). Для сохранения живучести здания в соответствии с федеральным законом № 384-ФЗ3 необходимо на стадии проектирования прогнозировать возможные последствия отказов несущих элементов и учитывать различные варианты наиболее опасных расчетных ситуаций. Каждый расчетный сценарий, согласно СП 20.13330.20164, должен соответствовать отдельному сочетанию нагрузок и включать в себя одно из нормируемых (проектных) особых воздействий или один вариант локальных разрушений несущих конструкций для аварийных особых воздействий согласно СП 296.1325800.2017.

В связи с отсутствием требований к отказоустойчивости сооружений оценить и сопоставить живучесть различных конструктивных систем весьма затруднительно, так как для этого необходимо провести анализ большого количества сценариев отказа несущих элементов каждого варианта конструктивной схемы здания, что при ограниченных сроках и ресурсах, отведенных на проектные работы в гражданском строительстве, является неосуществимым.

Непредвиденные разрушения отдельных элементов несущих конструкций способны привести к непригодности здания и сооружения к эксплуатации [1], чего можно было бы избежать при наличии четкого алгоритма создания оптимальной конструктивной системы сооружения, максимально отвечающего требованиям надежности и живучести, или хотя бы метода оценки и сопоставления надежности и живучести для различных вариантов конструктивных систем.

В этой связи актуальной задачей является создание детерминированного инженерного подхода для анализа живучести многоэтажных зданий с монолитным железобетонным каркасом и выявление наиболее важных ключевых элементов каркаса.

При этом требования к снижению себестоимости строительства и одновременно с этим повышению безопасности и живучести зданий весьма противоречивы. Учащение аварийных ситуаций, связанных с ошибками проектирования, строительства и эксплуатации зданий [13], ставит вопрос о необходимости решения проблемы живучести многоэтажных зданий.

Настоящее исследование направлено на решение проблемы оценки живучести каркасных зданий на стадии проектирования путем создания четкого алгоритма анализа конструктивных систем и применения дополнительных коэффициентов надежности.

2. Материалы и методы

На сегодняшний день метода анализа и оценки каркаса здания на живучесть не существует. Основополагающим может стать принцип единичного отказа отдельной конструкции. В то же время отказ одного несущего элемента не должен повлиять на работоспособность здания в целом.

В конструктивной схеме важность отдельных несущих элементов каркаса различна. Например, при отказе колонны подвала происходит разрушение всех вышележащих этажей в рамках ее грузовой площади, при отказе балки покрытия площадь обрушения будет намного меньше и в рамках одного этажа, следовательно, последствия отказа отдельного конструктивного элемента тоже различны.

Для оценки важности отдельных элементов каркаса здания необходимо выделить в конструктивной системе ключевые элементы аналогично рекомендациям МДС 20-2.20085. В пространственных рамных конструкциях многоэтажных зданий с железобетонным каркасом это колонны, пилоны, ригели, балки, а также прочие элементы, участвующие в обеспечении общей устойчивости здания. Недопустимым будем считать отказ конструктивной системы в целом вследствие отказа отдельных ключевых элементов. При этом обеспечение надежности ключевых элементов конструктивной системы повышает вероятность безотказной работы здания, его безопасность и надежность в целом.

Прогрессирующее обрушение каркасных многоэтажных зданий с железобетонными каркасами в данном подходе учитывать не будем, принимая во внимание тот факт, что здание неустойчиво к прогрессирующему обрушению и к конструктивной системе данные требования не предъявлялись. Согласно большому пласту исследований, наиболее сложной и затратной с точки зрения расхода материалов задачей является обеспечение устойчивости к прогрессирующему обрушению большепролетных зданий [14–25], в то время как для монолитных пространственных каркасов большой сложности в этом нет.

В отечественных нормах реализован метод расчета по предельным состояниям (ПС) с целью недопущения перехода конструкции в предельное состояние в течение всего срока эксплуатации. Система коэффициентов, используемая в методе ПС, гарантирует, что ПС конструкции не наступит при самых неблагоприятных нагрузках, значениях прочностных характеристик материалов и условиях работы конструкции. Коэффициенты надежности, применяемые в расчетах по методу ПС (γn, γf, γm, γс), пришли на замену единому коэффициенту запаса и отвечают всем возможным вариантам конструкций, материалов и условий эксплуатации.

Однако система коэффициентов не учитывает особенность ключевых элементов каркаса, место их расположения и степень важности.

Для оценки влияния отказа несущего ключевого элемента на суммарную площадь обрушения перекрытий здания введем новое понятие коэффициента площади разрушения, оценивающего социальные последствия возможной аварии:

где Ар – возможная суммарная площадь разрушения перекрытий всех этажей здания при отказе одного из ключевых элементов, м2;

Азд – суммарная площадь всех перекрытий здания, м2.

Коэффициент разрушения зависит от суммарной площади разрушения перекрытий Ар и суммарной площади всех перекрытий здания Азд. Чем больше Ар, тем выше степень важности при отказе ключевого элемента (рис. 1).

Для анализа конструктивных систем каркасных зданий необходимо определить допустимые граничные значения коэффициента площади разрушения Kр, при которых не потребуется менять расчетную схему сооружения. Согласно графикам зависимости коэффициента площади разрушения Kр от процента площади разрушения перекрытий здания Ар (рис. 1), до 20 % от суммарной площади обрушения перекрытий Ар графики имеют практически линейную зависимость. При проценте площади разрушения перекрытий здания Ар более 20 % зависимость коэффициента площади разрушения Kр от площади разрушения перекрытий здания Ар становится нелинейной, т. е. возникает нарастающее лавинообразное обрушение конструкций, сходное по своей сути с прогрессирующим обрушением. Поэтому для недопущения лавинообразного обрушения конструкций граничным значением коэффициента площади разрушения будем считать Kр = 1.25, соответствующее суммарной площади обрушения перекрытий Ар в размере 20 % от суммарной площади всех перекрытий здания Азд.

Рассмотрим элементарную ячейку каркасного 9-этажного здания (рис. 2). Площадь всех перекрытий здания составляет 864 м2. Суммарная площадь разрушения перекрытий при возможном отказе одного из ключевых элементов здания и коэффициенты площади разрушения Kр представлены в таблице 1.

Коэффициенты разрушения Kр для балок равны 1.03 (для Б1) и 1.01 (для Б2).

Разброс значений коэффициента площади разрушения Kр для колонн варьируется в широких пределах от 1.01 до 9, что свидетельствует о различном влиянии на суммарную площадь разрушения перекрытий при возможном отказе отдельной колонны и, как следствие, различных социальных последствиях для находящихся в здании граждан. Разброс значений коэффициента Kр для балок перекрытий, как и следовало ожидать, ввиду близких значений грузовых площадей отличается незначительно.

Таким образом, на этапе проектирования и расчетов необходимо детально анализировать конструктивную систему здания, не допуская коэффициента площади разрушения Kр > 1.25, и при необходимости закладывать в ключевые элементы каркаса с высокими значениями коэффициента площади разрушения Kр дополнительный запас по несущей способности.

Дополнительный коэффициент надежности по живучести конструкции γl для ключевых элементов каркаса предлагается вводить при значениях коэффициента площади разрушения Kр > 1.1, соответствующего суммарной площади обрушения перекрытий Ар в размере 9 % от суммарной площади всех перекрытий здания Азд. Значения коэффициента надежности по живучести конструкции γl при Kр > 1.1 зависят от уровня ответственности здания и класса сооружения (таблица 2).

При коэффициенте площади разрушения Kр > 1.25 необходимо выполнить корректировку конструктивной схемы сооружения для исключения больших суммарных площадей разрушения перекрытий при отказе отдельного ключевого элемента конструкции.

3. Результаты и обсуждение

Согласно предложенному принципу, были проанализированы конструктивные системы двух спроектированных и возведенных зданий жилого и общественного назначения, определены коэффициенты площади разрушения Kр для колонн всех этажей.

Анализ конструктивной системы жилого здания

Здание точечной компоновки 14-этажное с максимальными размерами по осям крайних колонн 26.1 × 26.1 м. Общая устойчивость и неизменяемость каркаса, а также восприятие горизонтальных нагрузок обеспечиваются диафрагмами лестнично-лифтового блока. Колонны квадратные сечением 0.5 × 0.5 м и 0.6 × 0.6 м. Плиты перекрытия толщиной 180 мм. Бетон вертикальных несущих конструкций В30, плит перекрытий В25. Арматура элементов каркаса А400. Конструктивная схема здания и обозначение ключевых элементов – колонн – приведены на рис. 3.

Площадь всех перекрытий эксплуатируемых этажей здания составляет 7 560 м2. Суммарная площадь разрушения перекрытий при возможном отказе одного из ключевых элементов здания и коэффициенты площади разрушения Kр были рассчитаны по предложенной формуле (1), результаты представлены в таблице 3. Колоннам с коэффициентами разрушения, значения которых находятся в диапазоне 1.1 < Kр ≤ 1.25, необходимо уделить особое внимание и при проведении расчета армирования присвоить дополнительный коэффициент надежности по живучести конструкции γl = 1.1. Коэффициент разрушения Kр>1.25 выявлен у четырех колонн первого этажа, имеющих ключевое значение (К14, К19, К23 и К24).

Анализ несущих конструкций здания, согласно полученным в ходе проектирования коэффициентам разрушения, позволил сделать вывод о необходимости корректировки конструктивной схемы здания.

Анализ конструктивной системы общественного здания

Здание прямоугольное в плане 12-этажное с максимальными размерами по осям крайних колонн 51.2 × 38.4 м. Общая устойчивость и неизменяемость каркаса, а также восприятие горизонтальных нагрузок обеспечиваются отдельными диафрагмами жесткости. Колонны квадратные сечением 0.4 × 0.4 м, 0.5 × 0.5 м и 0.6 × 0.6 м в зависимости от места расположения в плане и по высоте здания. Шаг колонн 6.4 × 6.4 м. Плиты перекрытия толщиной 200 мм с капителями толщиной 400 мм. Бетон вертикальных несущих конструкций и плит перекрытий В30. Арматура элементов каркаса А500. Конструктивная схема здания с обозначением ключевых элементов – колонн – приведена на рис. 4.

Площадь всех перекрытий эксплуатируемых этажей здания составляет 26 280 м2. Суммарная площадь обрушения перекрытий при возможном отказе одного из ключевых элементов общественного здания и коэффициенты разрушения Kр были рассчитаны по предложенной формуле (1), результаты приведены в таблице 4.

Колонны со значениями коэффициента площади разрушения Kр > 1.11 не были выявлены, следовательно, присвоение дополнительного коэффициента надежности по живучести конструкции γl для отдельных элементов каркаса не требуется.

Заключение

С целью повышения надежности, безопасности и живучести многоэтажных зданий с железобетонными каркасами и снижения вероятности возникновения критических отказов отдельных элементов конструкций вследствие аварийных воздействий было предложено оценивать влияние отказа несущих ключевых элементов каркаса на суммарную площадь обрушения перекрытий.

Предложенный метод повышения надежности позволяет разграничить важность отдельных конструктивных элементов здания и для наиболее неблагоприятных из них назначить дополнительный запас надежности по живучести γl. Также данный подход позволяет оценить неудачные конструктивные системы и сделать вывод о необходимости их корректировки.

Библиографический список

1. Кудишин, Ю. И. К вопросу о живучести строительных конструкций / Ю. И. Кудишин, Д. Ю. Дробот // Строительная механика и расчет сооружений. – 2008. – № 2 (217). – С. 36–43.
2. Кудишин, Ю. И. Методика расчета строительных конструкций на единичную живучесть / Ю. И. Кудишин, Д. Ю. Дробот. – Текст : электронный // cdn.scipeople.ru : сайт. – URL: http://cdn.scipeople.ru/ materials/3970/статья_исп_5.pdf (дата обращения: 12.03.2024).
3. Кудишин, Ю. И. Живучесть строительных конструкций – важный фактор снижения потерь в условиях аварийных ситуаций / Ю. И. Кудишин, Д. Ю. Дробот. – Текст : непосредственный // Металлические конструкции. – 2009. – Т. 15, № 1. – С. 59–71.
4. Травуш, В. И. Некоторые направления развития теории живучести конструктивных систем зданий и сооружений / В. И. Травуш, В. И. Колчунов, Н. В. Клюева. – Текст : непосредственный // Промышленное и гражданское строительство. – 2015. – № 3. – С. 4–11.
5. Травуш, В. И. Расчет параметра живучести рамно-стержневых конструктивных систем / В. И. Травуш, Н. В. Федорова. – Текст : непосредственный // Научный журнал строительства и архитектуры. – 2017. – № 1 (45). – С. 21–28.
6. Клюева, Н. В. К построению критериев живучести коррозионно повреждаемых железобетонных конструктивных систем / Н. В. Клюева, Н. Б. Андросова. – Текст : непосредственный // Строительная механика и расчет сооружений. – 2009. – № 1 (222). – С. 29–34.
7. Клюева, Н. В. К оценке живучести железобетонных рамно-стержневых конструктивных систем при внезапных запроектных воздействиях / Н. В. Клюева, О. А. Ветрова. – Текст : непосредственный // Промышленное и гражданское строительство. – 2006. – № 11. – С. 56–57.
8. Тамразян, А. Г. Ресурс живучести – основной критерий проектных решений высотных зданий / А. Г. Тамразян. – Текст : непосредственный // Жилищное строительство. – 2010. – № 1. – С. 15–18.
9. Колчунов, В. И. Некоторые проблемы живучести железобетонных конструктивных систем при аварийных воздействиях / В. И. Колчунов, Н. В. Федорова. – Текст : непосредственный // Вестник НИЦ «Строительство». – 2018. – № 1 (16). – С. 115–119.
10. Дьяков, И. М. Предпосылки и некоторые аспекты применения теории живучести к оценке работы подпорных стен на запредельные нагрузки / И. М. Дьяков. – Текст : непосредственный // Строительство и техногенная безопасность : Сборник научных трудов. – Симферополь : НАПКС, 2011. – Вып. 39. – С. 29–34.
11. Дьяков, И. М. Оценка живучести свайных удерживающих конструкций / И. М. Дьяков. – Текст : непосредственный // Строительство, материаловедение, машиностроение : Сборник научных трудов. – Днепропетровск : Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры, 2013. – Вып. 69. – С. 169–174.
12. Назаров, Ю. П. К проблеме обеспечения живучести строительных конструкций при аварийных воздействиях / Ю. П. Назаров, А. С. Городецкий, В. Н. Симбиркин. – Текст : непосредственный // Строительная механика и расчет сооружений. – 2009. – № 4 (225). – С. 5–9.
13. Айдемиров, К. Р. (2010). Состояние проблемы прогрессирующего разрушения зданий и сооружений, классификация задач и подходы к их решению / К. Р. Айдемиров. – Текст : непосредственный // Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки, 2010. – № 1. – 13 с.
14. Бондаренко, В. М. Концепция и направления развития теории конструктивной безопасности зданий и сооружений при силовых и средовых воздействиях / В. М. Бондаренко, В. И. Колчунов. – Текст : непосредственный // Промышленное и гражданское строительство. – 2013. – № 2. – С. 28–31.
15. Теличенко, В. И. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара – базовый элемент системы комплексной безопасности / В. И. Теличенко, В. М. Ройтман. – Текст : электронный // Наука и безопасность : электронный журнал. – URL: https://www.pamag.ru/ pressa/mtsuz-cs (дата обращения: 10.02.2024).
16. Ройтман, В. М. Прогрессирующее обрушение высотных зданий: инженерные аспекты событий 11 сентября 2001 года / В. М. Ройтман. – Текст : электронный // Предотвращение аварий зданий и сооружений. – URL: https://prevdis.ru/progressiruyushhee-obrushenie-vysotnyh-zdanij-inzhenernye-aspekty-sobytij-11sentyabrya-2001-goda/ (дата обращения: 10.02.2024).
17. Алмазов, В. О. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов / В. О. Алмазов, К. Као Зуй. – Москва : Издательство АСВ, 2013. – 128 с. – Текст : непосредственный.
18. Macromodel-based simulation of progressive collapse: reinforced concrete frame structures / Y. Bao, S. K. Kunnath, S. El-Tawil, H. S. Lew. – Текст : электронный // Journal of Structural Engineering. – 2008. – Vol. 134. – No. 7. – P. 1079–1091.
19. An experimental and computational study of reinforced concrete assemblies under a column removal scenario. NIST Technical Note 1720 / H. S. Lew, Y. Bao, F. Sadek [et al.]. – URL: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/ TechnicalNotes/NIST.TN.1720.pdf (дата обращения: 01.02.2024). – Текст : электронный.
20. Mosalam, Kh. M. Modeling progressive collapse in reinforced concrete framed structures / Kh. M. Mosalam. – Текст : электронный // Proceedings of the 14th World Conference on Earthquake Engineering. – 2008. – URL: https://invenio.itam.cas.cz/record/11064?ln=en (дата обращения: 01.02.2024).
21. Improving collapse-resistance performance of steel frame with openings in beam web / B. Meng, J. Hao, W. Zhong [et al.]. – DOI 10.1016/j.istruc.2020.08.009. – Текст : непосредственный // Structures. – 2020. – No. 27 (8). – P. 2156–2169.
22. Малышкин, А. П. Опыт проектирования большепролетного покрытия с учетом недопущения прогрессирующего обрушения / А. П. Малышкин, А. В. Есипов. – Текст : непосредственный // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Серия: Строительство и архитектура. – 2014. – № 38 (57). – С. 40–48.
23. Алексеева, А. А. Анализ строительных норм для проектирования большепролетных зданий с учетом недопущения прогрессирующего обрушения / А. А. Алексеева, А. В. Есипов. – Текст : непосредственный // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе : материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Тюмень, 22 декабря 2017 года / отв. ред. А. Н. Халин. – Т. I. – Тюмень : Тюменский индустриальный университет, 2018. – С. 48–52.
24. Волощук, Д. А. Нормативные требования при проектировании высотных зданий с учетом соблюдения требований прогрессирующего обрушения / Д. А. Волощук, А. В. Есипов. – Текст : непосредственный // Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе : материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, Тюмень, 22 декабря 2017 года / отв. ред. А. Н. Халин. – Т. I. – Тюмень : Тюменский индустриальный университет, 2018. – С. 78–81.
25. Есипов, А. В. Расчет прогонов с учетом недопущения прогрессирующего обрушения шатра покрытия здания со стальным каркасом / А. В. Есипов, А. А. Алексеева. – Текст : непосредственный // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. – 2018. – № 4 (39). – С. 89–93.

Сведения об авторах

Малышкин Александр Петрович, канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры строительных конструкций, Тюменский индустриальный университет, e-mail: a.petrovich.m@yandex.ru

Есипов Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент кафедры строительных конструкций, Тюменский индустриальный университет, e-mail: sibstroy.2012@yandex.ru

Есипов Михаил Андреевич, бакалавр, Тюменский индустриальный университет, e-mail: yacorl.mail@gmail.com