Устойчивость высотных зданий против прогрессирующего обрушения

УДК 69.032.22

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

Ключевые слова: прогрессирующее обрушение, динамические воздействия, высотное здание, форма плана здания
Keywords: progressive collapse, dynamic effects, high-rise building, form of the building plan

В статье приводится анализ исследований высотных зданий на восприятие динамических нагрузок. Сделан обзор исследований на ветровые и сейсмические воздействия по российским и зарубежным нормам проектирования. Представляет интерес анализ напряженно-деформированного состояния конструкций высотных зданий с железобетонным исполнением каркаса на динамические воздействия с учетом прогрессирующего обрушения для разных форм плана. Рассмотрены три вида очертания здания в плане: квадратное, восьмиугольное, круглое.

Высотное строительство – это неотъемлемый элемент архитектурно-строительной культуры и модернизации крупнейших городов мира. При возведении высотных сооружений повышенный уровень ответственности вызывает необходимость проводить ряд дополнительных мероприя­тий при проектировании, строительстве и эксплуатации. Для обеспечения комфортности пребывания людей внутри зданий сложной конфигурации проводятся специальные расчеты ветрового давления, ускорений, ветровых колебаний, сейсмического воздействия. Определение формы и размеров в плане – важная задача при проектировании высотных сооружений, так как эти параметры определяют объемную форму и архитектурную композицию всего здания в целом.

При анализе объемно-планировочных решений высот­ных зданий в работе [1] и исследовании возведенных в настоящее время зданий (общественно-деловой комплекс «Лахта Центр» в Санкт-Петербурге, башня «Исеть» в Екатеринбурге, деловой центр «Москва-Сити», многофункциональные центры в ОАЭ, небоскреб «Сент-Мэри Экс» в Лондоне, финансовые центры в Китае и др.) подтверждается вывод об уникальности таких зданий и необходимости разработки их по индивидуальным проектам согласно функ­циональным, экономическим, эстетическим, технологическим требованиям. При проектировании установилась общая тенденция к сохранению центрально-симметричной формы в плане: квадрат, прямоугольник, треугольник, круг, эллипс.

Независимо от формы плана высотного здания исследование динамических воздействий и устойчивости его к прогрессирующему обрушению является актуальной задачей при проектировании и расчете высотных зданий. При этом важно использовать опыт не только отечественных, но и зарубежных исследователей. Однако представленные в работе [2] исследования не дают полной информации по расчету высотных зданий на различные динамические воздействия с учетом прогрессирующего обрушения, что может свидетельствовать о нарушении требований по обеспечению безопасности пребывания людей в здании.

При анализе ветровых воздействий на высотное здание установлено, что значение основной ветровой нагрузки на квадратное в плане здание на высоте +112,000 м получается различным для норм разных стран, расхождение находится в пределах 17-26%. Минимальное значение ветровой нагрузки получено по СП [3] и равно 0,714 кН/м². Максимальное значение 0,9 кН/м² получено по EN [4]. Для норм ASCE [5] основная ветровая нагрузка составляет 0,832 кН/м². Отличие наблюдается из-за различных аэродинамических коэффициентов, в том числе запаса надежности, разной градации типов местности и профиля ветровой нагрузки. Согласно исследованиям других авторов: Седляр Т.Н. [6], Шарикова М.А. [7], значения ветровой нагрузки для европейских норм значительно превышают полученные по российским нормам. При приближении расчетных условий по указанным выше нормативным документам в исследовании расчета ветровой нагрузки Супранович А.А. [8] установлено, что при использовании одинаковой базовой скорости ветра полученные значения усилий в конструкциях дают более близкие значения. В статье Пичугина С.Ф., Махинько А.В. [9] проводится сравнение расчетных методик в части ветровой нагрузки разных стран, при этом указано, что разница может достигать 50%.

В исследованиях сейсмической нагрузки в работе [10] отмечено, что Еврокод 8-2004 [11] предполагает более высокие значения сейсмического воздействия для жест­ких сооружений, а СП 14.13330.2018 [12] – для гибких зданий в зависимости от их способности к гистерезисной диссипации. Классы пластичности можно определить через классификацию пластичности конкретных зданий, данная методика реализована в Еврокоде: допускается замена пластичности и способности к рассеиванию энергии на прочность, предусмотрев три альтернативных класса пластичности: DCL (низкая пластичность), DCM (средняя пластичность), DCH (высокая пластичность). Также Еврокод 8-2004 [11] использует более точный закон сложения форм колебаний в случае их близкого расположения. В диссертации Пэн Дженьхуа [13] было выполнено сравнение нормативных документов зарубежных стран с отечественными нормами, согласно которому установлено, что внедрение систем демпферов в конструктивную схему здания значительно снижает ускорения и сейсмические силы. Таким образом, необходимо дальнейшее изучение систем сейсмозащиты с целью их внедрения в проектную практику.

В исследовании норм сейсмического проектирования Тарасов В.А., Шаторная А.М., Барабаш А.В., Жувак О.В., Рыбаков В.А [14] отмечают необходимость внесения корректив в расчет конструкций, используя методики расчета и моделирования, отражающие в реальности поведение зданий, опираясь на опыт зарубежных стран.

Термин «прогрессирующее обрушение» в основном используется в российской научно-технической и нормативной литературе, в зарубежных нормах, согласно исследованию Воронина А.С [15], используют также термин «непропорциональное разрушение». При анализе расчета на прогрессирующее обрушение (зарубежные и отечественные источники) установлено, что в нормативных документах имеются различия в определении границ локального разрушения и его размещения, методов расчета, сочетании нагрузок. Расчет высотных зданий на прогрессирующее обрушение специфичен для разных методик расчета, но направлен на недопущение распространения начального локального повреждения в виде цепной реакции от элемента к элементу, которое может привести к обрушению всего сооружения или большей его части, согласно СП385.13330.2018 [16], EN 1991-1-7 [17], ASCE7-05 [5].

Результаты анализа высотных зданий простейших форм в плане служат отправной точкой при проектировании более сложных в плане зданий. Путем их сочетаний как в плане, так и поворота этажей относительно центра по высоте можно добиться неповторимых объемных решений сооружений. В исследовании выполнено вариантное проектирование с выбором формы в плане многофункционального высотного здания, исходя из трех вариантов очертания: круглого, восьмиугольного, квадратного.

Для всех зданий в плане приняты эквивалентные площади этажей. Выполнено одинаковое горизонтальное и вертикальное функциональное зонирование. Материалы, используемые для отделки помещений, устройства кровли, ограждающих конструкций, а также инженерные системы идентичны для всех рассматриваемых в плане зданий.

Подземная часть здания предполагает оборудование паркинга. Надземная часть многоэтажного жилого здания состоит из 28-этажной высотной части. Общая высота здания – 112,0 м. Высотная часть комплекса функционально разделена на три зоны: нижнюю, оборудованную под торговые помещения (1, 2 этажи), среднюю офисную 3-15 этажи и верхнюю с гостиничными апартаментами (17-27 этажи). Для размещения технологического оборудования отведены 16-й и 28-й этажи.

Расчет строительных конструкций зданий выполнен с помощью проектно-вычислительного комплекса Structure CAD (SCAD), который реализует конечно-элементное моделирование статической расчетной схемы. Район строительства – г. Москва – относится к I ветровому району. Сейсмичность соответствует 5 баллам, расчет зданий выполнен по трехкомпонентным акселерограммам. Схемы расположения элементов представлены на рис. 1. Первый вариант – квадратное в плане здание, второй вариант – восьмиугольное в плане здание, третий вариант – круглое в плане здание. Наружные несущие колонны и ядро жесткости внутри здания работают совместно на восприятие вертикальных и горизонтальных нагрузок. Совместность перемещений обеспечивается горизонтальными несущими конструкциями.

В результате расчета высотных зданий на динамические воздействия получены данные о максимальных перемещениях узлов расчетной схемы от комбинаций загружений (табл. 1).

Таблица 1. Суммарные максимальные перемещения зданий при динамических воздействиях

Параметр	Значение, мм
Максимальные перемещения при действии пульсационной ветровой нагрузки:
— квадратная форма в плане — восьмиугольная форма в плане	14,32 7,32
— круглая форма в плане	2,5
Максимальные перемещения при действии сейсмической нагрузки: — квадратная форма в плане — восьмиугольная форма в плане — круглая форма в плане	218,13 201,30 114,61

По полученным значениям перемещений для всех форм зданий в плане максимальные перемещения от действия ветровой нагрузки не превышают предельных. Перемещения, полученные для круглой формы здания в плане, меньше, чем для восьмиугольной и квадратной формы, от сейсмических нагрузок соответственно в 1,9 и 1,8 раза. В результате расчета установлено, что при пульсационной ветровой нагрузке явление резонанса возможно для всех форм в плане здания. Предельное значение частоты собст­венных колебаний равно 1,07 Гц [3]. Для квадратного и восьмиугольного в плане здания наступление резонанса возможно для 1-3-й форм колебаний. Для круглой формы в плане наступление резонанса возможно по 1-2-й формам колебаний. При этом максимальное ускорение верхнего этажа здания не превышает требуемой величины 0,08 м/с² [3] и составляет для здания, имеющего квадратную форму, – 0,077 м/с², восьмиугольную – 0,046 м/с² и круглую – 0,04 м/с². Таким образом, комфортность пребывания людей в здании обеспечена.

Для оценки устойчивости здания к прогрессирующему обрушению рассмотрены наиболее опасные расчетные схемы разрушения [16]:

1. Удаление угловой колонны 1-го этажа;

2. Удаление части перекрытия площадью до 80 м² (диаметр 10 м) 1-го этажа;

3. Удаление ядра жесткости в пределах 1-го этажа;

4. Удаление центрально расположенной колонны 1-го этажа.

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.

При удалении угловой колонны 1-го этажа последует обрушение части примыкающих к месту обрушения элементов перекрытия. Несущей способности колонн недостаточно (рис. 2).

При расчете по второму сценарию последует обрушение части примыкающих к месту обрушения элементов перекрытия 1-го этажа. Для круглого в плане здания также необходимо увеличение несущей способности колонн (рис. 3).

При удалении ядра жесткости в пределах первого этажа произойдет обрушение части перекрытия для восьмигранного здания. Несущая способность примыкающих стен ядра жесткости исчерпана для квадратного и круглого в плане зданий (рис. 4).

При удалении центрально расположенной колонны 1-го этажа последует обрушение части примыкающих к месту обрушения элементов перекрытия, несущая способность колонн исчерпана (рис. 5).

Сравнение количества неустойчивых элементов при сценариях 1-4 до изменения жесткостных характеристик представлено на рис. 6.

Выводы:

В результате проведенного анализа установлено:

1. В литературе отсутствует структурированная информация по сравнению отечественных и зарубежных методик расчета высотных зданий на динамические воздействия;

2. При исследовании динамических воздействий на высотные здания и их прогрессирующее обрушение в нормах разных стран установлена специфика, которая описывается по своей, сформированной годами национальной традиции;

3. После расчета на прогрессирующее обрушение количество арматуры для каркаса увеличилось на 60%. Процент армирования находится в оптимальных допустимых пределах (3%) армирования конструктивных элементов;

4. Количество неустойчивых к обрушению элементов максимально для квадратного в плане здания, минимально для восьмиугольного в плане здания. Наиболее опасным сценарием обрушения для квадратного и восьмигранного в плане здания является удаление колонны в осях А/3, для круглого в плане – удаление колонны в осях Д/19;

5. Явление резонанса возможно для зданий всех форм в плане. Первые 2 формы колебаний при действии динамических загружений не являются крутильными. При проведении динамического анализа предпочтительнее круглая форма в плане здания, для данного здания получены меньшие значения перемещений и большая устойчивость к резонансным колебаниям. Наиболее устойчивой к прогрессирующему обрушению является восьмиугольная форма в плане здания;

6. Так как после увеличения процента армирования элементов все каркасы являются устойчивыми к прогрессирующему обрушению, то выбор формы в плане основывается на результатах динамического анализа.

Библиографический список

1. Хэ Цзиньчао, Сто высотных зданий. Примеры объемно-планировочных решений / Сунь Лицзюнь. – М.: Издательство АСВ, 2007, – 132 с., илл.
2. 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.
3. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*: утв. Минстроем РФ от 3.12.2016 N 891/пр. – Введ. 4.06.2017, – М., 2016, – 80 с.
4. EN 1991-1-4-2009 Еврокод 1: воздействия на конструкции. Часть 1-4. Общие воздействия. Ветровые воздействия: утв. Мин­стройархитектуры Республики Беларусь от 10.12.2009 №404. – Введ. 10.12.2009. – Минск, 2010, – 120 c.
5. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures : ASCE 705. – [20060101]. – Virginia, USA : American Society of Civil Engineers, – 419 p.
6. Седляр Татьяна Николаевна. Особенности определения расчетных усилий по СНиП 2.01.07-85* (ветровые воздействия) и ТКП EN-1991-1-4-2009 /Т.Н. Седляр // Моделирование и механика конструкций. Электронный журнал, № 4, 2016, – 2 с.
7. Шарикова М.А. Особенности определения ветровой нагрузки на навесы по СНиП 2.01.07-85 и ТКП EN 1991-1-4-2009 / М.А. Шарикова // Современные методы расчетов и обследований металлических и деревянных конструкций : материалы 68-й студенческой научно-технической конференции, 27 апреля 2012 г. / Белорусский национальный технический университет ; ред. А.Н. Жабинский, Ю. И. Лагун. – Минск : БНТУ, 2012, с. 55-61.
8. Супранович А.А. Сравнительный анализ расчета ветровой нагрузки по СНиП 2.01.07–85* и ТКП EN 1991-1-4–2009 для одноэтажного производственного здания / А.А. Супранович // Современные методы расчетов и обследований металлических и деревянных конструкций : материалы 68-й студенческой научно-технической конференции, 27 апреля 2012 г. / Белорусский национальный технический университет ; ред. А.Н. Жабинский, Ю.И. Лагун. – Минск: БНТУ, 2012, с. 19-27.
9. Пичугин С.Ф., Махинько А.В. Нормирование ветровой нагрузки на решетчатые опоры в стандартах разных стран мира // Металлические конструкции, №4 (15), 2009, с. 237-252.
10. Иоскевич Антон Владимирович. Конечно-элементный анализ сейсмостойкости 16-этажного здания во Владикавказе с использованием программного комплекса SAP2000 [Электронный ресурс]: магистерская диссертация: 08.04.01 / А.В. Иоскевич; Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Инженерно-строительный институт ; науч. рук. В.В. Лалин. – Электрон. текстовые дан. (1 файл : 5,43 МБ). – Санкт-Петербург, 2016. – Загл. с титул. экрана. – Свободный доступ из сети Интернет (чтение, печать, копирование). – Текстовый файл. – Adobe Acrobat Reader 7.0. – <URL:http://elib.spbstu.ru/dl/2/v16-1257.pdf>. <URL:http://doi.org/10.18720/SPBPU/2/v16-1257>.
11. EN 1998-1 (2004) (English): Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance – Part 1: General rules, seismic actions and rules for buildings: Authority: The European Union Per Regulation 305/2011, Directive 98/34/EC, Directive 2004/18/EC. – Brussels, 2004, – 229 р.
12. СП 14.13330.2018 Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II-7-81*: утв. Минстроем РФ от 24.05.2018 N 309/пр. – Введ. 25.11.2018. – М., 2018, – 117 с.
13. Пэн Джэньхуа. Исследование сейсмостойкости сооружений с повышенным демпфированием : диссертация … кандидата технических наук : 05.23.17 / Пэн Джэньхуа; [Место защиты: Моск. гос. строит. ун-т]. – Москва, 2010. – 150 с.: илл. РГБ ОД, 61 11-5/2754.
14. Тарасов В.А., Шаторная А.М., Барабаш А.В., Жувак О.В., Рыбаков В.А., Российские и зарубежные нормы сейсмического проектирования зданий и сооружений/ Shatornaya A., Tarasov V., Barabash A., Zhuvak O., Ribakov V. Russian and foreign standards of seismic design of buildings and structures©// Alfabuild. 4(6). 2018 92-114, с. 94-114.
15. Воронин А.С. «Прогрессирующее обрушение» и «непропорциональное разрушение». Сравнение российских и европейских норм // Синергия наук, № 20, 2018, с. 320-329. – URL: http://synergy-journal.ru/archive/article1794.
16. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения: утв. Минстроем РФ от 5.06.2018 №393/пр. – Введ. 6.01.2019, – М., 2018, – 26 с.
17. EN 1991-1-7-2006 Еврокод 1: воздействия на конструкции. Часть 1-7. Общие воздействия. Особые воздействия: утв. Минстройархитектуры Республики Беларусь от 10.12.2009 № 404. – Введ. 10.12.2009. – Минск, 2010, – 59 c.