САЙТ НАХОДИТСЯ НА РЕКОНСТРУКЦИИ!


+375 17 204 51 09

+375 17 204 51 40


ПРОЕКТИРОВАНИЕ ВЫСОТНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ ИЗ МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА С УЧЕТОМ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО ОБРУШЕНИЯ.

DESIGN OF REINFORCED CONCRETE MULTI-USE BUILDING STRUCTURE TO RESIST PROGRESSIVE COLLAPSE.

Цымбаревич Т. А., аспирант кафедры «Железобетонные и каменные конструкции» Белорусского национального технического университета; главный конструктор проекта, ЧУП «Оргтехстройпроект».

АННОТАЦИЯ

В данной работе рассмотрены вопросы проектирования высотных каркасных зданий из монолитного железобетона с учетом прогрессирующего обрушения в соответствии с требованиями нормативных документов стран США, ЕС, РФ, РБ. А так же сравнительный анализ стратегий для создания требуемого уровня надежности сооружения.

This paper discusses structural engineering problems of design of reinforced concrete multi-use building structure to resist progressive collapse according to requirements of the USA, the EU, RF, RB standards. And also comparative analysis of strategies for design structure with required robustness level.

ВВЕДЕНИЕ

Опыт стран Западной Европы и северной Америки в проектировании, строительстве и эксплуатации зданий со сложными конструктивными системами определил необходимость создания нормативной базы для выполнения расчетов и конструирования сооружений с учетом их предельных состояний или даже с полным исчерпанием работоспособности одного или нескольких элементов. Основой для формирования данной проблемы послужили разрушения зданий: Ronan Point; Liberty Street Building (2001); Murrah Federal Building (1995); Pentagon Building(2001); World Trade Center Twin Towers (2001); Hotel New World in Singapore (1986).

Так, например, катастрофа частичного обрушения 22-этажного здания Ronan Point в Лондоне, построенного в 1966 и 1968 годах, не самая страшная трагедия, но это характерный случий обрушения непропорционального причине его вызвавшей. Взрыв бытового газа разрушил стену в углу здания, которая являлась опорой перекрытия и стены верхнего этажа, и следствием чего явилось лавинообразное падение конструкций нижележащих этажей. Так, как нормативные документы того времени не требовали дополнительных проверок такого рода работы конструкций, то стены и перекрытия верхних этажей не способны были перераспределить нагрузку при выходе из строя нижней опоры. А так же при падении вышедших из строя элементов образовавшаяся кинетическая энергия не гасилась и не могла быть воспринята конструкциями ниже лежащих этажей, так как они не рассчитывались на такие воздействия.

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ И ПРАВИЛА ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ ИЗ МОНОЛИТНОГО ЖЕЛЕЗОБЕТОНА ПРИ ЛОКАЛЬНЫХ РАЗРУШЕНИЯХ ЭЛЕМЕНТОВ КАРКАСА, ОПИСАННЫЕ В НОРМАТИВНЫХ ДОКУМЕНТАХ СТРАН СЕВЕРНОЙ АМЕРИКИ И ЕВРОПЫ.

После трагедии здания Ronan Point началось формирование данной проблемы и путей ее решения. На данный момент основными документами, описывающими решения сложившегося вопроса, являются: Великобритания – BS 5950 2001, BS 8110 2005a, 2005b, BS 5628 2005; Еврокод - EN 1990, EN 1991-1-7; Канада - NBCC; США - ACI 318, GSA 2003, DOD 2005,РФ - «Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения».

В перечисленных нормативных документах нет единого подхода по определению проблемы и формированию возможных решений, но объединяют все перечисленные стандарты следующие положения:

- не допустить катастрофу полного разрушения сооружения от незначительного, локального повреждения конструктивного элемента при чрезвычайных воздействиях;

- требование о создании целостной конструктивной системы состоящей не только из необходимых конструктивных элементов, но и необходимого минимального количества специальных связевых элементов.

Способы и методы оценки степени повреждения или эксплуатационной пригодности сооружения несколько отличаются: в одних документах ограничивается площадь повреждаемых конструкций перекрытия; в других – оценивается состояние конструкций, не вышедших из работы; а так же экономическая выгода строительства нового или восстановление старого здания.

В системе проектирования США в соответствии с SEI/ASCE 7-02 (The American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures) следует выполнять требование: «Здания и другие сооружения должны проектироваться устойчивыми к воздействиям, приводящим к локальным повреждениям, с конструктивными системами устойчивыми к диспропорциональному разрушению от локальных повреждений. Данное требование должно достигаться проектированием несущего остова здания таким образом, что б отдельные конструктивные элементы обладали достаточной устойчивостью для восприятия и перераспределения нагрузок от локального разрушения отдельного элемента. Что должно достигаться созданием достаточной целостности, степенью статической неопределимости, способностью энергетического рассеивания (пластичностью) или комбинациями из перечисленных характеристик конструктивной системы».

The American Concrete Institute Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI, 2002) представляет требования и правила по конструированию железобетонных элементов обеспечивающих максимальные характеристики, описанные в ASCE 7-02.

The edition of the GSA’s Facilities Standards for the Public Buildings Service (GSA); The GSA Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernization Projects (GSA) данные документы вводят формулировку progressive collapse, прогрессирующего обрушении и устанавливает: «Сооружение должно быть способно противостоять локальным повреждениям не приводящих к дестабилизации всей конструкции в целом. Выход из работы балки, колонны, плиты не должен приводить к потере несущей способность конструктивных элементов над, под и в рядом расположенных пролетах от разрушенного элемента. При выходе из работы колонны и балки - колонны над разрушенным элементом не должны разрушаться,их состояние ограничивается большим прогибом». Требования данных нормативных документов направлены на один конструктивный элемент и не влияют на степень защиты все конструктивной системы в целом.

Определение степени защиты, уровня и количества конструктивных и неконструктивных мероприятий принимаемых для снижения террористических и других рисков способных привести к обрушению сооружения устанавливаются DOD (Department of defense), то есть документы разрабатываемые департаментом (UFC 1-200-1; UFC 3-301-01; UFC 3-310-01; UFC 4-010-01; UFC 4-010-02; UFC 4-020-01; UFC 4-023-03). Данные документы создают структуры защиты здания от progressive collapse, прогрессирующего обрушения вызванного террористическими действиями ( документами UFC 4-010-01; UFC 4-010-02) и другими (UFC 4-023-03).

В общем, система назначения степени надежности определенная нормативными документами США может быть представлена в виде алгоритма рис. 1 [UFC 4-020-01].

Рис. 1. Алгоритм определения требуемых мероприятий для создания здания с заданным показателем надежности.

 

Приведенный выше алгоритм иллюстрирует систему безопасности инжиниринга организованную серией документов UFC. Главным из которых является UFC 4-020-01, он формирует взаимную связь всех документов. А так же описывает возможные угрозы, сценарии возможных аварий, средства способные нанести урон, определяет и назначает уровни рисков, сравнивает стоимости последствий и мероприятий, направленных на повышение безопасности сооружения. Документы следующего уровня UFC 4-010-01 и UFC 4-020-02. Первый документ устанавливает требования по снижению вероятности террористических действий направленных на создание ситуаций способных вызвать прогрессирующее обрушение, при этом степень защиты конструктивной системы и отдельного элемента определяется по UFC 4-023-03.  Общие требования документа UFC 4-023-03:

- определение категории здания по назначению и требований к проекту;

- проектные методики определения параметров работы здания в условиях прогрессирующего обрушения;

- методика связевых усилий (TF);

- методика альтернативных траекторий перераспределения усилий (AP);

- методика увеличения местной жесткости(ELR);

- дополнительные требования в зависимости от используемого материала конструктивных материалов.

Основополагающим документом в европейской системе проектирования является EN 1990. Данный документ устанавливает требования к показателям сооружения по несущей способности, эксплуатационной пригодности, долговечности, надежности, дифференциации надежности, базисным переменным. Документ формирует методику расчетов по предельным состояниям с применением частных коэффициентов безопасности, при этом проверка расчетов с частными коэффициентами может выполняться детерминированным или вероятностным способами. Система нормативных документов еврокодов построена на детерминированном способе с применением проверок основанных на имеющемся опыте, но позволяет выполнять вероятностные испытания и расчеты. Проектирование сооружений в аварийных ситуациях по Еврокоду предполагает выполнения расчетов по чрезвычайной ситуации при чрезвычайном воздействии, как описано в EN 1990, EN 1991-1-7 и EN 1992-1-1. Требования по выполнению расчетов на особое воздействие установлены документом EN 1991-1-7. Документ не рассматривает случаи взрывов вне здания от террористических актов и военных актов. Как такового понятие прогрессирующего обрушения нет, в соответствии с EN 1990 необходимо выполнять расчет по основным расчетным ситуациям в том числе и на чрезвычайную ситуацию:

Ed=E{Gk,j; P; Ad; (ψ1,1 или ψ2,1)Qk,1; ψ2,iQk,1}; j≥1; i≥1.

Данный расчет на особое воздействие показывает степень живучести сооружения на идентифицированные и неидентифицированные воздействия. По определению термин живучесть является характеристикой здания противостоять прогрессирующему обрушению. Робастность, живучесть (robustness) - свойство конструкции противостоять таким событиям, как пожар, взрыв, удар или результат человеческих ошибок, без возникновения повреждений, которые были бы непропорциональны причине, вызвавшей повреждения.

Все мероприятия по снижению последствий чрезвычайного воздействия для любого здания назначается исходя из класса по последствиям разрушения. Здания делятся на три класса в зависимости, от которых назначаются расчетные и конструктивные требования.

В соответствии с документом все воздействия делятся на идентифицированные и неидентифицированны, соответственно и стратегии, применяемые для защиты здания, делятся на две группы (рис. 2).

Рис. 2 Стратегии, применяемые при расчете на особые ситуации.

 

Меры по защите здания от идентифицированных воздействий направлены не только на повышение прочностных и конструктивных характеристик, но и на снижение риска возникновения данных воздействий и их величин. Это достигается неконструктивными, организационно-технологическими мероприятия.

В отношении снижения рисков экстремальных событий в зданиях и сооружениях гражданского строительства следует рассматривать одну или несколько из следующих мер:

— конструктивные меры, при которых конструктивная система или конструктивные элементы запроектированы с резервом прочности или возможностью альтернативных путей передачи нагрузок в случае локального разрушения;

— неконструктивные меры, включающие снижение:

— вероятности возникновения события,

— интенсивности воздействия,

— последствий разрушения.

Снижение риска является невозможной задачей для непрогнозируемых угроз (ошибки в проекте либо при возведении, непредусмотренный износ и т. д.). Поэтому в приложении А EN 1991-1-7 стратегии проектирования с допускаемым уровнем повреждений, например учет классических требований по обеспечению необходимой пластичности и устройству связевых элементов. Специальный подход в этом отношении заключается в рассмотрении ситуации, когда конструктивный элемент (балка, опора), по какой бы причине и в каком бы объеме он не был поврежден, рассматривается как вышедший из строя. В таком случае к остальной части конструкции предъявляется требование, чтобы она в течение относительно короткого промежутка времени (определяемого как период восстановления Т) могла выдерживать нормальные нагрузки с некоторым заданным целевым уровнем надежности.

Сравнить представленные стратегии достаточно сложно так, как каждая из них разработана с учетом сложившихся материально-технической базы, традиций, опыта ведения строительно-монтажных работ, взаимодействия компаний заказчика, проектировщика, строителей и организации, которая будет эксплуатировать здание. Но следует отметить, что система нормативных документов EC обладает большей гибкостью, возможностью создания здания с большей степенью надежности, учитывая отличительные, неклассифицированные особенности здания, благодаря вероятностному подходу с использованием методов теории надежности и метода частных коэффициентов безопасности, а так же определении степени живучести здания основанной на анализе рисков. Но применять данную систему проектирования возможно только при полной гарантированности качества и надежности всех элементов расчетов и особенно базисных переменных (характерные значения переменных), то есть высоком качестве применяемых строительных материалов, и при высоком уровне введения строительных работ, способных обеспечить заданные уровни надежности сооружения. Система проектирования США в области прогрессирующего обрушения обладает высокой гарантированной надежностью сооружения, четкой стратегией проведения расчетов для сооружений из различных материалов, установленными требованиями антитеррористического проектирования здания, и поскольку система проектирования не организованна на прямом вероятностном принципе, то требования к базисным переменным ниже. Но утверждение, что система нормирования и проектирования по UFC не обладает гибкостью и способностью учета характерных особенностей здания, неверно. Так как создание большой базы классифицирующей главные и менее значимые величины расчетов зданий описывает большое количество возможных сценариев, учитывая даже динамические характеристики самой конструктивной системы. Основными противоречиями в двух описанных методиках расчетов сооружений на прогрессирующее обрушение:

американская система по отдельным стратегиям защиты не допускает разрушения конструктивных элементов над местом локального обрушения;

по европейской системе ограничения соответствуют меньшему из 100 м2 или 15 % площади на каждом из двух перекрытий на смежных этажах, повреждение которых может возникнуть при удалении опоры, колонны или стены;

расчетные сочетания воздействий по европейской системе предполагает выполнение расчетов на конкретное особое воздействие и снижение рисков при неидентифицированных воздействиях;

по UFC определяется общая характеристика защиты здания от прогрессирующего обрушения при локальном разрушении отдельного конструктивного элемента по методу АТ;

американская система включает антитеррористические действия в отличие от европейской системы документов; определение категории и дифференциаций зданий по назначению уровня защиты совершенной отличаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Главное различие в подходах по расчету конструкций и конструктивных систем в особых расчетных ситуациях это то, что европейская система проверяет работоспособность здания при конкретном особом воздействии и мероприятия по снижению риска угрозы. А система расчетов на прогрессирующее обрушение США определяет общий показатель уровня защиты здания против террористических и других угроз, затем устанавливает требуемые мероприятия.

Республика Беларусь гармонизирует свои нормативные документы с Еврокодами, соответственно и расчет на прогрессирующее обрушение или расчет на чрезвычайную ситуацию должен выполняться по методике EN 1990 и EN 1991-1-7. Одним из важных моментов для Республики Беларусь является учет национальных особенностей ведения строительных работ при сложившейся производственной базе, для формирования пакета нормативных документов, который будет регламентировать стратегии повышения надежности строительной продукции.

СПИСОК ЦИТИРОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

  1. ASCE 7-95. Minimum Design Loads for Building and Other Structures, New-York, USA.
  2. ASCE 7-02. Minimum Design Loads for Building and Other Structures, New-York, USA.
  3. General Services Administration's (GSA), Progressive Collapse Analysis and Design Guidelines for New Federal Office Buildings and Major Modernizations Projects: 2003.
  4. Unified Facilities Criteria - UFC 4-023-03. Design of buildings to resist progressive collapse. Department of Defense USA. – 2010.
  5. СТБ ЕН 1990-2007 «Еврокод. Основы проектирования. Несущих конструкций» Госстандарт Минск. 2007.
  6. ТКП EN 1992-1-1-2009 «Еврокод 2 Проектирование железобетонных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий». Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. Минск 2010.
  7. ТКП EN 1991-1-7-2009 «Еврокод 1 Воздействия на конструкции Часть 1-7. Общие воздействия. Особые воздействия». Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь. Минск 2010.
  8. МГСН 4-19-2005 «Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве». М.: Москомархитектуры, 2005.
  9. «Рекомендации по защите жилых зданий стеновых конструктивных систем при чрезвычайных ситуациях». Ю.М. Стругацкий, Г.И. Шапиро, Ю.А. Эйсман. М.: Комплекс архитектуры, строительства, реконструкции и развития города, 2000.
  10. «Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях». Ю.М. Стругацкий, В.С. Коровкин, Г.И. Шапиро, Ю.А. Эйсман. М.: Москомархитектуры, 2002.
  11. «Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения». Г.И. Шапиро, Э.А. Эйсман, А.С. Залесов. М.: Москомархитектуры, 2005.
  12. «Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения». Г.И. Шапиро, Ю.А. Эйсман, В.И. Травуш. М.: Москомархитектуры, 2006