Расчет высотных зданий и сооружений с учетом сопротивления

Научно-технический семинар «Расчет и проектирование конструкций в среде SCAD Office»
г. Киев, 5 - 8 октября 2009 г.
Скорук Л.Н., Орлиогло А.А.
Расчет высотных зданий и сооружений с учетом сопротивления
прогрессирующему обрушению
2
г. Киев, 2009 г.
Нормативные документы по прогрессирующему обрушению
1. Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений
крупнопанельных зданий. М., 1999.
2. Рекомендации по защите жилых зданий с несущими кирпичными стенами
при чрезвычайных ситуациях. М., 2002.
3. Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных
ситуациях. М., 2002.
4. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего
обрушения. М., 2005.
5. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего
обрушения. М., 2006.
6. МДС 20-2.2008. Временные рекомендации по обеспечению безопасности
большепролетных сооружений от лавинообразного обрушения. / ФГУП «НИЦ
«Строительство». — М.: ОАО «ЦПП», 2008. — 16 с.
7. ДБН В.2.2-24-2009. «Проектування висотних будинків житловогромадського призначення». – К.: Мінрегіонбуд України, 2009. – 184 с.
Рекомендации имеют схожее содержание, отличаясь лишь незначительно в разделе конструктивных
решений, где учитывается конкретная специфика каждого типа зданий. Предложенная методика
расчёта кинематическим методом теории предельного равновесия крайне трудоёмка в применении на
практике.
Существующие методики расчёта зданий на прогрессирующее обрушение с использованием
кинематического метода теории предельного равновесия рассматривают работу конструкции только в
пределах одного этажа. Пространственная работа конструкции со значительным изменением
характера работы элементов не рассматривается. При рассмотрении сложных вариантов объемнопланировочных решений, наиболее опасную форму разрушения надо устанавливать перебором всех
возможных вариантов схем локального разрушения.
г. Киев, 2009 г.
Основные понятия и терминология
Аварийная расчетная ситуация (которая может быть причиной разрушения) – явление,
представляющее исключительные условия работы конструкции на аварийные воздействия,
имеющие малую вероятность появления и небольшую продолжительность, но приводящие, в
большинстве
случаев,
к
тяжелым
последствиям.
Локальное разрушение – разрушение (удаление) вертикальных конструкций одного (любого)
этажа здания вследствие действия запроектных эксплуатационных факторов при чрезвычайных
ситуациях.
Прогрессирующее (лавинообразное) обрушение – распространение начального локального
повреждения в виде цепной реакции от элемента к элементу, которое, в конечном счете,
приводит к обрушению всего сооружения или непропорционально большой его части.
Живучесть – свойство системы сохранять несущую способность при
выходе
из
строя
одного
или
нескольких
элементов.
В качестве локального (гипотетического) разрушения следует рассматривать
разрушение (удаление) вертикальных конструкций одного (любого) этажа
здания:
а) двух пересекающихся стен на участках от места их пересечения (в
частности, от угла здания) до ближайшего проема в каждой стене или до
следующего вертикального стыка со стеной другого направления (но на
суммарной длине не более 7 м);
б) отдельно стоящей колонны (пилона);
в) колонны (пилона) с участками примыкающих стен на их длине по п. а.
г) перекрытия на заданной площади;
3
г. Киев, 2009 г.
4
Методика расчета на прогрессирующее обрушение
Устойчивость здания против прогрессирующего обрушения обеспечена, если для любого элемента соблюдается
условие:
FS
При каждом выбранном локальном разрушении необходимо рассмотреть все указанные ниже механизмы
прогрессирующего обрушения при расчёте кинематическим методом теории предельного равновесия:
 механизм прогрессирующего обрушения первого типа
характеризуется
одновременным
поступательным
смещением вниз всех вертикальных конструкций (или
отдельных их частей), расположенных над локальным
разрушением.
 механизм прогрессирующего обрушения второго типа
характеризуется одновременным поворотом каждой
конструктивной части здания, расположенной над
локальным разрушением, вокруг своего центра вращения.
 третий механизм обрушения - это условие не
обрушения только участка перекрытия, расположенного
непосредственно над выбитой вертикальной конструкцией
и первоначально на нее опертого.

четвертый
механизм
предусматривает
перемещения
конструкций лишь одного этажа, расположенного непосредственно
над выбитым вертикальным элементом.
г. Киев, 2009 г.
5
Причины возникновения аварийных ситуаций
В качестве локального (гипотетического) воздействия следует рассматривать:
- карстовая воронка под фундаментом здания диаметром 6 м (для карстоопасных районов);
- горизонтальная нагрузка на вертикальные несущие элементы: 3,5 т для стержневых и 1 т для
пластинчатых на 1 м2 поверхности рассматриваемого элемента в пределах одного этажа (коэффициент
надежности по нагрузке равен единице);
- разрушение (удаление) конструкций одного (любого) этажа здания, ограниченных кругом площадью до
80 м2 (диаметр 10 м) для зданий высотой до 200 м и до 100 м2 (диаметр 11,5 м) для зданий выше 200 м:
а) двух пересекающихся стен на участках от места их пересечения (в частности, от угла здания) до
ближайшего проема в каждой стене или до следующего вертикального стыка со стеной другого
направления или участке указанного размера;
б) колонн (пилонов) с примыкающими к ним участками стен, в том числе навесных ограждающих
панелей, расположенных на участке, не превышающем указанный размер локального разрушения;
в) перекрытия на указанной площади.
Во всех случаях площадь поперечного сечения все удаленных вертикальных элементов, расположенных
на участке 80 м2 не должна превышать 0,9 м2 (ДБН В.2.2-24-2009).
Причиной разрушения может быть любая из множества аварийных ситуаций, которые не
рассматриваются в обычном проектировании. В то же время землетрясения, пожары, сильные ветры, на
которые производятся расчёты зданий в соответствии со строительными нормами, также не должны
приводить к прогрессирующему обрушению.
г. Киев, 2009 г.
6
Причины возникновения аварийных ситуаций
Причиной разрушения может быть любая из множества аварийных ситуаций, которые не рассматриваются в
обычном проектировании. В то же время землетрясения, пожары, сильные ветры, на которые производятся
расчёты зданий в соответствии со строительными нормами, также не должны приводить к прогрессирующему
обрушению.
г. Киев, 2009 г.
7
Примеры разрушения зданий и сооружений
г. Киев, 2009 г.
8
Обозначение значения коэффициента динамичности
Для учёта мгновенности приложения нагрузки от расчётчика требуется указать коэффициенты динамичности, вычисление которых
без использования ПК трудоемко и может оказаться не точным.
г. Киев, 2009 г.
9
Реализация расчета на прогрессирующее разрешение
г. Киев, 2009 г.
10
Расчетные схемы, принятые к анализу
г. Киев, 2009 г.
11
Результаты расчета тестовых примеров
г. Киев, 2009 г.
12
Анализ полученных результатов
г. Киев, 2009 г.
Локальное
разрушение №1
13
Анализ полученных результатов
Локальное
разрушение №2
Локальное
разрушение №3
г. Киев, 2009 г.
14
Конструктивные меры защиты от ПО
Применение жестких блоков по высоте здания
Вариант устройства технического этажа
Вариант устройства аутригерного этажа
Башня «Санкт-Петербург» и башня
«Москва» комплекса «Город Столиц»
в г. Москва.
г. Киев, 2009 г.
15
Применение жестких блоков по высоте здания
Зависимость усилия в растянутых колоннах
от этажности и грузовой площади
Устойчивость
здания
против
прогрессирующего обрушения следует
обеспечивать комплексом средств:
превентивными (упреждающими) мерами
безопасности;
рациональными
конструктивнопланировочными решениями здания с учетом
возможности
возникновения
аварийной
ситуации;
мерами, обеспечивающими неразрезность
конструктивной системы здания;
применением материалов и конструктивных
решений, обеспечивающих развитие в
элементах конструкций и их соединениях
пластических деформаций;
мероприятиями, аналогичными защите
зданий от сейсмических воздействий.
При шаге колонн 6 х 6 м и армировании колонн
8d32A500 рационально устраивать жесткие
блоки через каждые 15 этажей здания.
г. Киев, 2009 г.
16
Выводы и пожелания
в настоящее время отсутствует общепринятый научно
обоснованный подход или практика проектирования зданий и
сооружений, сохраняющих структурную целостность при
различных вариантах расчетных нагрузок и аварийных
воздействий;
трудность
теоретического
определения
возможности
прогрессирующего обрушения здания ввиду отсутствия четких
определений, начиная от вероятности возникновения и
величины предполагаемой опасности. В большинстве случаев
аварийные воздействия не могут быть определены
количественно и неизвестна степень возможных начальных
повреждений;
никакими экономически оправданными мерами нельзя
полностью исключить риск отказа любого несущего элемента.
Каждое
сооружение
имеет
некоторую
вероятность
разрушения. Попытка приблизить эту вероятность к нулю
сопровождается
стремительным
ростом
стоимости
сооружения;
защита зданий в аварийных ситуациях в первую очередь
должна быть ориентирована не на недопущение разрушений,
а на обеспечение безопасности людей и возможности их
эвакуации, на реализацию необходимого для этого запаса
времени и т.п.
необходимы разработки по развитию усовершенствованной
методики оценки уязвимости конструктивных систем и их
совершенствования
для
смягчения
прогрессирующего
обрушения при различных вариантах опасности. Инженеры
нуждаются в простых методах проектирования и расчетов,
способных
предотвратить
потенциальную
опасность
прогрессирующего обрушения зданий.