«ИССЛЕДОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ КАРКАСНЫХ ЗДАНИЙ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К

ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ ПРИ ВЗРЫВЕ БЫТОВОГО ГАЗА»

Автор работы: Ветеркова Екатерина Александровна, магистрант 2 года обучения Института мелиорации, водного хозяйства и

строительства им. А. Н. Костякова ФГБОУ ВО РГАУ-МСХА им. К. А. Тимирязева.

Руководитель: профессор, к. т. н, доцент Ксенофонтова Т. К.

Десятый Международный Конкурс научных работ студентов и молодых ученых «Компьютерные технологии проектирования конструкций зданий и сооружений»

Конкурсная работа на тему:

Москва, 2019

• Прогрессирующее обрушение –это последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие локального разрушения.

Фото аварии Ронан Пойнт

Актуальность работы

• За последнее время особенную известность получили аварии, произошедшие в результате прогрессирующего обрушения. В России за последний год произошло немало таких аварий, одна из самых известных - в городе Магнитогорск из-за взрыва бытового газа.

Цель работы• Разработка алгоритма исследований, который позволил бы оценить количественно и

качественно последствия разрушения от аварий, произошедших в результате взрыва бытового газа.

Научная новизна• Дана оценка последствий разрушения несущих конструкций здания при

различной локализации взрыва бытового газа в плане и по высоте здания

• Даны рекомендации по конструкциям перекрытий, которые позволили бы уменьшить последствия от прогрессирующего обрушения в результате взрыва бытового газа.

Практическая ценность

• Для расчета было принято восьмиэтажное каркасное здание из монолитного железобетона с шагом колонн 6 х 6 метров, высотой этажа 4,2 м и размерами в плане 30 х 27 м. Было рассмотрено два типа каркасов: безбалочный и с балками по типу большой кессон.

• Расчет проводился с использованием ПК «ЛИРА-САПР 2018» по СП 385.132500.2018 «Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения»

Полнотелая конечноэлементная модель исследуемого здания

• Для фундаментной плиты, плит перекрытия и колонн были приняты материалы: бетон класса В30 и арматура класса А400. Для балок перекрытия – арматура класса А500С и бетон класса В30. Расчеты на прогрессирующее обрушение производились в два этапа. Вначале была решена линейная задача, целью которой был подбор армирования в конструкциях здания.

• Расчет по определению необходимого армирования выполнялся с помощью ПК «ЛИРА-САПР 2018». В результате было получено следующее армирование элементов

Армирование плиты перекрытия (а), фундаментной плиты (б), колонны (в) и

балки большого кессона (г)

• Следующим этапом стало решение задачи в нелинейной постановке. Для этого в расчетной модели были изменены типы конечных элементов на соответствующие им нелинейные конечные элементы.

• В расчете учитывалось изменение модуля деформации бетона с увеличением нагрузки, а для арматуры учитывалось возникновение и работа ее в состоянии текучести.

бa

Диаграммы деформации бетона (а) и арматуры (б)

• Нами были исследованы несколько вариантов локального разрушения, рассмотрены влияние этажа, на котором произошел взрыв бытового газа и его расположение в плане. Исследовался взрыв бытового газа на 1,3, 5 и 8 этажах.

Схема расположения исследуемых помещений в плане:

1 – внутренне помещение; 2 – помещение, расположенное по наружному

контуру здания; 3 – угловое помещение

Деформации перекрытий при взрыве бытового газа во внутреннем помещении на первом этаже

Зона разрушения перекрытия над первым этажом при взрыве бытового газа во внутреннем помещении на первом этаже

Определение наиболее опасного этажа при взрыве

бытового газа во внутреннем помещении

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АЛ

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я, М

2

ЭТАЖ

0,8 0,9 1 1,1

Как показали расчеты, наименьшая суммарная площадь разрушения перекрытий в здании получается при взрыве бытового газа во внутреннем помещении первого этажа.

Наиболее опасным является взрыв бытового газа во внутреннем помещении пятого этажа.

Зона разрушения балочного перекрытия (hb= 80 см) над первым этажом при взрыве бытового газа во

внутреннем помещении на первом этаже

Изменение максимальных перемещений плиты перекрытия при взрыве бытового газа во внутреннем помещении первого этажа в пределах зоны,

подходящей для эвакуации людей, мм

Высота

балки, см1 этаж 3 этаж 5 этаж 8 этаж

50 65,2 59,7 55,4 51,3

60 57,9 56,0 52,6 48,5

70 51,8 49,2 45,8 42,4

80 44,6 43,2 40,9 38,130

35

40

45

50

55

60

65

70

1 2 3 4 5 6 7 8

ВЕ

ЛИ

ЧИ

НА

ПЕ

РЕ

МЕ

ЩЕ

НИ

Й, М

М

ЭТАЖ

hb=50 см hb=60 см hb=70см hb=80 см

Сравнение величин перемещений плит перекрытия при взрыве бытового газа во внутреннем помещении первого этажа, мм

ЭтажБезбалочное

перекрытие

Перекрытие по типу

большой кессон,

hb = 80 см

Изменение

перемещений

(количество раз)

1 этаж 403 44,6 9,8

3 этаж 383 43,2 8,9

5 этаж 373 40,9 9,1

8 этаж 360 38,1 9,5

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

1 2 3 4 5 6 7 8ВЕ

ЛИ

ЧИ

НА

ПЕ

РЕ

МЕ

ЩЕ

НИ

Й, М

М

ЭТАЖ

Безбалочное перекрытие

Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Сравнение площади разрушения плиты перекрытия над первым помещением при взрыве бытового газа во внутреннем помещении первого этажа, м2

ЭтажБезбалочное

перекрытие

Большой кессон,

hb = 80 см% изменения

1 этаж 364 314,3 13,7

3 этаж 271,8 260,8 4

5 этаж 160,8 105,7 34

8 этаж 86,0 48,6 43

0

50

100

150

200

250

300

350

400

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АД

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я, М

2

ЭТАЖБезбалочное перекрытие

Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Деформации перекрытий при взрыве бытового газа в помещении по наружному контуру на первом этаже

Определение наиболее опасного этажа при взрыве бытового газа в помещениях, расположенных по наружному контуру здания

600

650

700

750

800

850

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АД

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я,М

2

ЭТАЖ

0,34 0,35 0,36 0,37 0,38

Величина перемещений перекрытия при взрыве бытового газа в помещении по наружному контуру на первом этаже при безбалочном перекрытии

Величина перемещений перекрытия при взрыве бытового газа в помещении по наружному контуру на первом этаже при балочном перекрытии

Сравнение площади разрушения плиты перекрытия над первым помещением при взрыве бытового газа в помещении наружного контура первого этажа, м2

Безбалочное

перекрытие

Большой кессон,

hb = 80 см% изменения

1 этаж 217,13 201,4 7,2

3 этаж 183,15 171,8 6,2

5 этаж 157,3 148,6 5,5

8 этаж 128,2 105,1 18,0

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АД

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я, М

2

ЭТАЖБезбалочное перекрытие Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Сравнение величин перемещений безбалочного и балочного перекрытий при взрыве бытового газа в помещении наружного контура первого этажа , мм

Безбалочное

перекрытие

Большой кессон,

hb = 80 см

Изменение

перемещений

(количество раз)

1 этаж 480 52,7 9,1

3 этаж 467 49,4 9,5

5 этаж 452 45,8 9,8

8 этаж 436 39,7 10

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 2 3 4 5 6 7 8

ВЕ

ЛИ

ЧИ

НА

ПЕ

РЕ

МЕ

ЩЕ

НИ

Й, М

М

ЭТАЖ

Безбалочное перекрытие

Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Изменение максимальных перемещений плиты перекрытия при взрыве бытового газа в помещении наружного контура первого этажа в пределах зоны, подходящей

для эвакуации людей, мм

Высота

балки, см1 этаж 3 этаж 5 этаж 8 этаж

50 58,4 56,1 51,9 49,3

60 56,8 54,7 50,7 47,5

70 55,2 53,6 47,1 42,6

80 52,7 49,4 45,8 39,7

35

40

45

50

55

60

1 2 3 4 5 6 7 8

ВЕ

ЛИ

ЧИ

НА

ПЕ

РЕ

МЕ

ЩЕ

НИ

Й, М

М

ЭТАЖ

hb=50 см hb=60 см hb=70см hb=80 см

Определение наиболее опасного этажа при взрыве бытового газа в угловом помещении

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АЛ

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я, М

2

ЭТАЖ

0,8 0,9 1 1,1

В отличие от взрыва в помещениях по наружному контуру, наиболее опасным является взрыв газа на первом этаже, а затем эффект от взрывов на вышележащих этажах уменьшается.

Деформации перекрытий при взрыве бытового газа в угловом помещении на первом этаже

Сравнение площади разрушения плиты перекрытия над первым помещением при взрыве бытового газа в угловом помещении первого этажа, м2

Безбалочное

перекрытие

Большой кессон,

hb = 80 см% изменения

1 этаж 146,25 126,8 13

3 этаж 141,8 106,7 24,7

5 этаж 135,8 88,1 35,1

8 этаж 129,6 62,9 51,5

0

20

40

60

80

100

120

140

160

1 2 3 4 5 6 7 8

ПЛ

ОЩ

АД

Ь Р

АЗ

РУ

ШЕ

НИ

Я, М

2

ЭТАЖБезбалочное перекрытие

Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Величина перемещений перекрытия при взрыве бытового газа в угловом помещении на первом этаже при безбалочном перекрытии

Величина перемещений перекрытия при взрыве бытового газа в угловом помещении на первом этаже при балочном перекрытии

Сравнение перемещений безбалочного и балочного перекрытий при взрыве бытового газа угловом помещении первого этажа, мм

Безбалочное

перекрытие

Большой

кессон,

hb = 80 см

Изменение

перемещений

(количество раз)

1 этаж 495 46,7 10,6

3 этаж 471 44,2 10,5

5 этаж 457 41,9 10,9

8 этаж 425 41,2 10,3

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1 2 3 4 5 6 7 8

ВЕ

ЛИ

ЧИ

НА

ПЕ

РЕ

МЕ

ЩЕ

НИ

Й, М

М

ЭТАЖБезбалочное перекрытие

Перекрытие по типу большой кессон, hb = 80 см

Выводы1. Взрыв бытового газа приводит к катастрофическим разрушениям по всей высоте зданий, независимо от локализации взрыва: во внутреннем помещении или по внешнему контуру здания. Вместе с тем, на каждом этаже остается часть перекрытия, которая может быть использована как пути эвакуации людей.

2. При взрыве бытового газа во внутренних помещениях и по наружному контуру (кроме угловых участков) наиболее опасным является взрыв в центральной части здания по высоте, а наименьшие разрушения возникают при взрыве на первом этаже. При рассмотрении взрыва в угловых помещениях наиболее опасным оказался взрыв на первом этаже, так как он создает наибольшую площадь разрушения перекрытий.

Выводы3. Наличие балок в перекрытиях увеличивает их жесткость и повышает статическую неопределимость каркаса здания, что способствует перераспределению усилий с разрушенных участков на другие конструкции, поэтому при балочных перекрытиях по сравнению с безбалочными значительно уменьшаются площади разрушения и перемещения в зоне эвакуации людей (примерно в 10 раз), что способствует тому, чтобы люди быстрее покинули опасную зону.

4. Как показали исследования, в случае проектирования в зданиях помещений с газовым оборудованием в целях минимизации последствий разрушений от возможной аварии при взрыве бытового газа желательно предусматривать балочные перекрытия.