УДК 69.032.22

И.С. КАЗАКОВА, канд. техн. наук, доцент, Н.А. КУЗНЕЦОВА, специалист, инженерно-строительный институт ФГБОУ ВО «Вологодский государственный университет»

Ключевые слова: высотное здание, прогрессирующее обрушение, напряженно-деформированное состояние
Keywords: high-rise building, progressive collapse, stress-strain state

В статье приведены результаты исследования напряженно-деформированного состояния высотного здания для трех вариантов конструктивного исполнения. Произведен подбор оптимальных сечений и армирования конструктивных элементов с учетом динамических нагрузок и расчета на прогрессирующее обрушение с использованием вычислительного комплекса.

Рост количества высотных зданий в современных крупных городах связан с постоянным увеличением численности населения, увеличивающейся потребностью жителей в новом благоустроенном жилье, гостиницах, торгово-развлекательных и офисных центрах и так далее. Возведение высотных зданий – мощный стимул научно-технического прогресса, в том числе развития архитектурной науки, появления новых приемов градостроительства, архитектурно-строительных, конструктивных и инженерно-технических решений.

Высотные здания являются доминантами в архитектурном ансамбле города, но вместе с этим решают проблемы функционального зонирования территории. При проектировании высотных зданий важно учитывать требования безопасности, в том числе динамические воздействия, которые в зависимости от геометрических и динамических характеристик сооружения способны вызвать резонансные колебания, галопирование, дивергенцию. Также согласно СП [1] необходимо предусматривать защиту здания от прогрессирующего обрушения.

В настоящее время анализ прогрессирующего обрушения является актуальным при проектировании и расчете высотных зданий. При этом важно использовать опыт отечественных и зарубежных исследователей [5]. В России подобные исследования проведены только для монолитных железобетонных высотных зданий. Они указывают на увеличение армирования несущих элементов после расчета здания на прогрессирующее обрушение. Исследования работы металлического и комбинированного каркаса высотного здания на локальные воздействия не проводилось.

Целью настоящей работы является оценка напряженно-деформированного состояния трех типов каркасов высотного здания при динамических воздействиях с учетом прогрессирующего обрушения. В ходе выполнения исследования были разработаны объемно-планировочные и конструктивные решения здания. Произведен расчет в программе SCAD Office 21.1 на динамические воздействия пульсационной составляющей ветровой нагрузки [2] и сейсмическое воздействие согласно линейно-спектральной теории [3], а также расчет на прогрессирующее обрушение. Были подобраны и унифицированы сечения элементов. Принятые объемно-планировочные и конструктивные решения соответствуют требованиям безопасного пребывания людей в здании. При разработке были унифицированы типовые узлы конструкций (узел крепления балок к колонне, узел крепления связи к колонне, узел крепления второстепенных балок к главной балке, узел стыка колонн, опорный узел крепления колонны к фундаменту), что позволяет сократить время при изготовлении отправочных марок, а также при монтаже конструкций. При реализации расчета на прогрессирующее обрушение в программе SCAD Office 21.1 учитывалась условность исходных данных, в том числе отсутствие достоверной информации о месте, причине и характере разрушения, отличие реальных параметров разрушения от условий прочности согласно принятым нормам. Таким образом, в результате моделирования получена качественная оценка характеристик устойчивости конструкций при прогрессирующем обрушении.

Объект исследования – здание цилиндрической формы, круглое в плане диаметром 30 м. Надземная часть состоит из 28 этажей. Общая высота здания – 112 м. Высотная часть комплекса разделена на три зоны: нижнюю, оборудованную под торговые помещения (1-й и 2-й этаж), среднюю – офисную (3-15-й этажи) и верхнюю – с гостиничными апартаментами (17-27-й этажи). Для размещения технологического оборудования отведены 16-й и 28-й этажи. Здание имеет оболочково-ствольную конструктивную систему. Наружная несущая оболочка и ядро жесткости внутри здания работают совместно на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Совместность перемещений обеспечивается горизонтальными несущими конструкциями. Схема расположения несущих конструкций типового этажа здания с металлическим каркасом приведена на рисунке 1. Район строительства в Москве относится к I ветровому и III снеговому району, сейсмичность соответствует 6 баллам.

В рамках исследования динамических воздействий на здание было рассмотрено 3 варианта конструктивного решения (рис. 2):

1. Металлический каркас с монолитными железобетонными перекрытиями по профлисту.

2. Железобетонный каркас с металлическими связями.

3. Металлический каркас с монолитным ядром жесткости, железобетонными перекрытиями.

В исследовании рассмотрено 4 варианта прогрессирующего обрушения, с удалением наиболее нагруженных конструктивных элементов и определением самого опасного сценария [4]:

1. Удаление колонны 1-го этажа по оси Д/17;

2. Удаление части перекрытия площадью до 80 м2 (диаметр 10 м);

3. Удаление ядра жесткости в пределах 1-го этажа по осям А/15-18;

4. Удаление колонны 2-го этажа по оси Д/17.

Результаты расчета на прогрессирующее обрушение представлены на рисунках 2-5. При расчете значение критического фактора меньше 0,9 означает, что элементы устойчивы к обрушению. Для конструкций, которые исчерпали несущую способность, значение критического фактора будет больше 1,1. Остальные элементы, заключенные в пределах значений от 0,9 до 1,1, находятся в интервале неопределенности.

Для металлического каркаса удаление наиболее нагруженной колонны первого этажа приведет к перераспределению усилий в наружных связях здания, но запас прочности недостаточен и в данном случае последует обрушение части наружной решетки. При расчете железобетонного каркаса произойдет обрушение вышестоящих колонн и части перекрытий. Для комбинированного каркаса по 1-му варианту обрушения несущая способность колон 1-го, 2-го, 27-го, 28-го этажей недостаточна.

При удалении части перекрытия первого этажа здания с металлическим каркасом произойдет обрушение примыкающих элементов балочной клетки. При расчете железобетонного каркаса по второму варианту последует обрушение части примыкающих к месту обрушения элементов перекрытия. Для комбинированного каркаса дальнейшего обрушения не наблюдается.

При удалении ядра жесткости в пределах первого этажа металлического каркаса обрушения примыкающих элементов не случится, нагрузку воспримут примыкающие элементы. При расчете железобетонного каркаса произойдет обрушение части перекрытия на нескольких этажах. Для комбинированного каркаса удаление ствола в пределах одного этажа приведет к исчерпанию несущей способности ядра жесткости следующего этажа.

Для металлического каркаса удаление наиболее нагруженной колонны второго этажа приведет к перераспределению усилий в наружных связях здания, но несущей способности элементов недостаточно и в данном случае последует обрушение части балочной клетки. При расчете железобетонного каркаса произойдет обрушение колонн и наружных связей. Для комбинированного каркаса несущей способности примыкающих элементов достаточно, обрушения не произойдет.

При расчете получили, что частота собственных форм колебаний при пульсационной ветровой нагрузке выше предельного значения собственной частоты f1=0,95 Гц по табл. 11.5 [2] для металлического и комбинированного каркаса, т.е. в данном случае явление резонанса невозможно. Максимальные перемещения всех рассмотренных конструктивных вариаций зданий от ветровой и сейсмической нагрузки не превышают допустимых. Суммарное перемещение для всех конструктивных решений зданий от суммарной сейсмической нагрузки представлено на рис. 6 а-в. Максимальное значение суммарных перемещений от сейсмической нагрузки составляет для металлического каркаса – 186,96 мм, для железобетонного – 80,485 мм, для комбинированного – 13,244 мм.

Самым опасным сценарием локального разрушения для всех конструктивных исполнений здания является удаление колонны 1-го этажа, так как в данном случае наблюдается наибольшее количество неустойчивых к прогрессирующему обрушению элементов. Сравнение количества неустойчивых элементов при сценариях 1-4 до изменения характеристик жесткости представлено на рис. 7.

Повышение устойчивости металлических элементов обеспечивается увеличением сечений, а железобетонных конструкций – увеличением армирования. После расчета на прогрессирующее обрушение количество арматуры для железобетонного каркаса увеличилось на 57%, для комбинированного каркаса – на 59%. Изменение массы элементов после прогрессирующего обрушения представлено на рис. 8.

В результате расчетов были увеличены сечения и армирование элементов с целью перераспределения усилий в примыкающих элементах с запасом прочности в случае локального разрушения и, как следствие, уменьшения количества элементов, неустойчивых к обрушению, и недопустимости прогрессирующего обрушения.

По всем вариантам после изменения жесткостных характеристик значение критического фактора составило более 0,9, прогрессирующего обрушения в данном случае не последует. Наиболее устойчивым к прогрессирующему обрушению является металлический каркас, так как при самом опасном варианте обрушения с удалением колонны первого этажа количество неустойчивых элементов меньше по сравнению с железобетонным и комбинированным каркасом.

При сравнении представленных в настоящей статье результатов с результатами в работе [6] по исследованию напряженно-деформированного состояния монолитного здания установлено, что армирование конструкций также необходимо увеличить после расчета на прогрессирующее обрушение, но на 6% меньше, чем получено в указанной выше работе. Это обусловлено различными конструктивно-планировочными решениями и жесткостными характеристиками конструкций. В соответствии с [1] «устойчивость высотного здания против прогрессирующего обрушения следует обеспечивать наиболее экономичными средствами», что предполагает различные варианты использования материалов конструкций, конструктивно-планировочных решений, применения специальных систем (аутригерные конструкции [7], связевые системы). В данном исследовании для обеспечения эффективности сопротивления прогрессирующему разрушению разработано рациональное конструктивно-планировочное решение, запроектированы стальные и железобетонные перекрытия, которые при металлическом и комбинированном каркасах объединяются стад-болтами с балочной клеткой.

Библиографический список

1. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения [Электронный ресурс]: утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 5 июля 2018 г. №393/пр и введен в действие с 6 января 2019 г. // Техэксперт: инф.-справ. система / Консорциум «Кодекс».
2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* [Электронный ресурс]: утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации (Минстрой России) от 3 декабря 2016 г. №891/пр и введен в действие с 4 июня 2017 г. // Техэксперт: инф.-справ. система / Консорциум «Кодекс».
3.  СП 14.13330.2014 Строительство в сейсмических районах СНиП II-7-81* утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 18 февраля 2014 г. №60/пр и введен в действие с 1 июня 2014 г. // Техэксперт: информационно-справочная система / Консорциум «Кодекс».
4. СП 267.1325800.2016 Здания и комплексы высотные. Правила проектирования [Электронный ресурс]: утв. приказом Министерства строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации от 30 декабря 2016 г. №1032/пр и введен в действие с 1 июля 2017 г. // Техэксперт: инф.-справ. система / Консорциум «Кодекс».
5. Воронин А.С. «Прогрессирующее обрушение» и «непропорциональное разрушение». Сравнение российских и европейских норм // Синергия наук. 2018. № 20. – с. 320-329. − URL: http://synergy-journal.ru/archive/article1794
6. Семенов А.А., Порываев И.А, Кузнецов Д.В., Нгуен Тху Хыонг, Саитгалина А.С., Трегубова Е.С. «Напряженно-деформированное состояние высотного здания при ветровом воздействии и прогрессирующем обрушении»//Строительство уникальных зданий и сооружений. № 8. (59), 2017 / Сontent of issue №8 (59), 2017.
7. Чернуха Н.А., Горелик П.И., Лепешкина Д.О., Червова Н.А. «Оптимальное положение и конструкция аутригерных систем в высот­ных зданиях»// Строительство уникальных зданий и сооружений. № 9. (36), 2015 / Сontent of issue № 9 (36), 2015.