Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние вопроса конструктивной безопасности и живучести эксплуатируемых зданий и сооружений 9
1.1 Анализ исследований по проблеме конструктивной безопасности и живучести строительных систем 9
1.2 Расчетные модели сопротивления железобетона в предельных и запредельных состояниях 16
1.3 Исследования железобетонных физически и конструктивно нелинейных систем 23
1.4 Краткие выводы. Цель и задачи исследований 30
2. Экспериментальные исследования пространствен ных железобетонных рамно-стержневых конструкций в запредельных состояниях 34
2.1 Общие замечания. Цель и задачи исследований 34
2.2 Методика испытаний 35
2.3 Конструкция и технология изготовления образцов 38
2.4 Результаты экспериментальных исследований и их анализ
2.4.1 Анализ деформирования и трещинообразования экспериментальных образцов рам при проектной нагрузке 45
2.4.2 Анализ деформирования и трещинообразования экспериментальных образцов рам при запроектной нагрузке 50
2.4.3 Анализ разрушения экспериментальных образцов рам при статическом нагружении и внезапном динамическом догружении 53
2.5 Выводы 55
3. Развитие теории живучести пространственных конструктивных систем 56
3.1 Общие положения. Исходные гипотезы 56
3.2 Определение параметра живучести железобетонных пространст-венныз конструктивных систем с использованием неординарного смешанного метода 60
3.3 Расчет параметра живучести в пространственных системах с линейными выключающимися связями 64
3.4 Сопротивление пространственных узлов сопряжения железобетонных каркасов многоэтажных зданий при запроектных воздействиях 68
3.5 Аналитическая модель расчета приращений динамических усилий в элементах пространственных конструктивных систем при запроектных воздействиях 84
3.6 Выводы 92
4. Численные исследования живучести пространственных железобетонных рамных систем в запредельных состояниях 94
4.1 Особенности алгоритмизации задачи расчета живучести железо бетонных конструкций с выключающимися связями 94
4.2 Алгоритм расчета живучести железобетонных пространственных систем при запроектных воздействиях 95
4.3 Численные исследования некоторых типов эксплуатируемых конструкций в запредельных состояниях и оценка эффективности разработанного расчетного аппарата 99
4.4 Рекомендации по проектированию адаптационных механизмов, направленных на предотвращение прогрессирующих обрушений железобетонных каркасов многоэтажных зданий
5. Основные результаты и выводы 112
Список литературы
- Расчетные модели сопротивления железобетона в предельных и запредельных состояниях
- Конструкция и технология изготовления образцов
- Определение параметра живучести железобетонных пространст-венныз конструктивных систем с использованием неординарного смешанного метода
- Алгоритм расчета живучести железобетонных пространственных систем при запроектных воздействиях
Введение к работе
Актуальность темы. Решение проблем обеспечения безопасности при проектировании, строительстве и реконструкции зданий и сооружений, а также поддержания в надежном состоянии объектов недвижимости всегда были одним из важнейших направлений деятельности научно-исследовательских, проектных и строительных организаций. К объектам недвижимости вне зависимости от тех или иных технических решений всегда предъявлялись требования функционального и конструктивного соответствия ожидаемым силовым или средовым воздействиям. В последние годы в связи с техническим состоянием основных фондов страны и многократно возросшими вызовами природного и техногенного характера возникла новая проблема - обеспечение нового уровня конструктивной безопасности и живучести зданий и сооружений.
Цель работы - развитие основ теории и практических методов расчета живучести железобетонных рамно-стержневых пространственных конструктивных систем каркасов зданий и сооружений в запредельных состояниях.
Научную новизну работы составляют:
расчетная модель силового сопротивления железобетонных пространственных статически неопределимых рамно-стержневых конструктивных систем при изменении их расчетных схем, вызванным внезапным выключением линейной связи;
методика и результаты экспериментального определения параметров живучести фрагмента железобетонного пространственного каркаса многоэтажного здания с внезапно выключающейся линейной связью;
модель силового сопротивления и критерии прочности пространственного узла сопряжения ригелей и колонн при изменениях напряженного состояния, вызванного внезапным выключением линейной связи;
методика и алгоритм расчета живучести и результаты анализа экспериментальных и численных исследований пространственных рамно-стержневых конструктивных систем в запредельных состояниях;
рекомендации по защите железобетонных каркасов многоэтажных зданий от прогрессирующих обрушений при запроектных воздействиях.
Автор защищает:
методику и результаты экспериментальных исследований параметров живучести фрагмента железобетонного пространственного каркаса многоэтажного здания с внезапно выключающейся линейной связью;
расчетную модель силового сопротивления и критерии прочности пространственного узла сопряжения ригелей и колонн при внезапном выключении линейной связи;
- алгоритм расчета живучести пространственных рамно-стержневых систем при выключениях линейных связей.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
основывается на использовании базовых гипотез строительной механики и механики железобетона, а также результатами выполнения автором экспериментальных исследований фрагментов железобетонных пространственных рамно-стержневых конструктивных систем и сопоставлением теоретических результатов исследований живучести рассматриваемых конструктивных систем с экспериментальными данными.
Практическое значение и реализация результатов работы
Разработанный расчетный аппарат позволяет анализировать деформирование и разрушение железобетонных пространственных конструктивных систем каркасов зданий в запредельных состояниях при внезапно выключающихся линейных связях с учетом динамических догружений и структурных изменений в конструктивной системе.
Реализация предложенных метода и алгоритма расчета при решении задач проектирования и реконструкции железобетонных каркасов жилых, гражданских и производственных зданий позволяет вполне обоснованно принимать решения по их защите от прогрессирующих обрушений в запредельных состояниях.
Работа выполнена в рамках гранта Президента РФ для молодых кандидатов наук «Исследование живучести железобетонных пространственных конструктивных систем при запроектных воздействиях» (2010-2011 гг.), грантов РФФИ «Деформационная теория пластичности коррози-онно повреждаемого бетона для случая сложного напряженного состояния при учете в нем неравновесных процессов», «Изучение закономерностей силового сопротивления и параметров живучести коррозионно повреждаемых железобетонных пространственных конструктивных систем при внезапных структурных изменениях» (2009-2010 гг.), НИР Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) по темам: «Разработка рациональных конструктивных систем вновь возводимых и реконструируемых общественных' зданий с высоким уровнем живучести при запроектных воздействиях» (2008 г.). Результаты работы внедрены в учебный процесс СПбГАСУ, ЮЗГУ, БГИТА.
Апробация работы и публикации
Результаты диссертационных исследований докладывались и обсуждались на Научной сессии МОО «Проблемы нелинейного расчета большепролетных пространственных конструкций» (г. Москва, НИИЖБ, апрель 2010 г.), на международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010: теория, практика, инновации Североарктическому региону» (г. Архангельск, С(А)ФУ, июнь 2010 г.), междуна-
родной конференции «Биосферно-совместимые технологии в развитии регионов» (г. Курск, ЮЗГУ, октябрь 2011 г.), на ежегодных научно-технических конференциях студентов, преподавателей, сотрудников и аспирантов «Неделя науки» (г. Орел, ОрелГТУ, апрель 2008-2009 гг.).
В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Строительные конструкций и материалы» Архитектурно-строительного института ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» (г. Орел, сентябрь 2011 г.).
По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 работ в изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, в которых должны быть опубликованы результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения с основными выводами, списка литературы и приложений. Она изложена на 146 страницах, включающих 130 страниц основного текста, 38 рисунков, 4 таблицы, список литературы из 192 наименований и 2 приложений (16 стр.).
Расчетные модели сопротивления железобетона в предельных и запредельных состояниях
Проблема обеспечения конструктивной безопасности зданий и сооружений занимает в последнее время все большее внимание научно-исследовательских, проектных и строительных организаций. Как отмечено в [13], в настоящее время рост запроектных воздействий различного характера требует новых подходов к концепции создания и эксплуатации зданий и сооружений, в котором приоритетными выступают требования, определяемые понятиями «конструктивная безопасность» и «живучесть». Конструктивная безопасность зданий и сооружений является характеристикой неразрушимости в течение расчётного эксплуатационного периода; живучесть - характеристикой сопротивляемости разрушению конструктивной системы после достижения одним из ее элементов предельного состояния при приложении внезапных запредельных внешних воздействий .
Вопрос живучести систем обсуждается в научном мире значительное время. Большой вклад в разработку теории живучести среди отечественных ученых внесли работы Ю.Н. Работнова, СВ. Александрова, В.В. Болотина, В.М. Бондаренко, Г.А. Гениева, Л.И. Иосилевского, Н.С. Стрелецкого, В.И. Травуша, И.А. Рябина, А.Г. Догодонова, Е.И. Шербистова, В.Ф. Крапивина, Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана, В.А. Котельникова. В настоящее время в строительной сфере широко известен ряд работ и научных публикаций, отражающих тематику живучести, следующих авторов: Н.П. Абовско-го, Г.И. Шапиро, А.В. Забегаева, А.В. Перельмутера, П.Г. Еремеева, В.М. Бондаренко, В.И. Колчунова, СИ. Меркулова, В.О. Алмазова, А.И. Попеско, В.Д. Райзера, В.И. Римшина, А.Г. Тамразяна, B.C. Уткина, Б.С. Расторгуева и др. Под термином «живучесть» [77] понимается свойство конструктивной системы кратковременно выполнять заданные функции в полном или ограниченном объеме при отказе одного или нескольких элементов подсистемы или системы в целом.
Анализ современных концептуально-методологических подходов к обеспечению конструктивной безопасности [70] базируется в первую очередь на требованиях действующих в настоящее время российских и зарубежных строительных нормативных и технических документов для гражданских зданий и на основе обобщения практического опыта проектирования, эксплуатации и обследования технического состояния этих зданий.
После ряда трагедий природного и техногенного характера во многих развитых странах были начаты исследования по проблеме конструктивной безопасности.
Одной из первых аварий, обозначивших данную проблему, была авария Квебекского моста в Канаде в начале прошлого века [1]. Лавинообразное обрушение всей конструкции моста вызвала внезапная потеря устойчивости одного из сжатых стержней фермы моста. Термин «прогрессирующее обрушение» возник после аварии жилого дома в Великобритании, после чего были введены требования учета воздействий, вызванных непропорциональными отказами. В России данной проблеме стало уделяться большое внимания после аварий аквапарка на Юго-западе Москвы в 2004 г. и Басманного рынка в 2006 г.
С 2010 года введен в действие Федеральный закон № ФЗ-384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [164], согласно которому, «при проектировании здания или сооружения повышенного уровня ответственности должна быть учтена также аварийная расчетная ситуация, имеющая малую вероятность возникновения и небольшую продолжительность, но являющаяся важной с точки зрения последствий достижения предельных со и стояний, которые могут возникнуть при этой ситуации (в том числе предельных состояний при ситуации, возникающей в связи со взрывом, столкновением, с аварией, пожаром, а также непосредственно после отказа одной из несущих строительных конструкций)». По существу, здесь идет речь о расчете зданий и сооружений на живучесть при внезапном запроектном воздействии. В то же время нормативные документы, призванные объяснять выполнение этого требования, до настоящего времени отсутствуют. Следовательно, отсутствует глубокое научное обоснование и опыт проектирования зданий и сооружений с учетом запроектных воздействий, вызванных внезапными структурными изменениями. Проблема конструктивной безопасности и живучести носит фрагментарный характер.
Существующие концептуальные подходы к созданию методов расчета и совершенствованию нормативной базы по проектированию зданий и сооружений с учетом возможного лавинообразного обрушения от запроектных воздействий [18, 32, 35, 37, 40, 42, 55, 67, 77, 81, 84, 103, 108, 142, 149] позволяют отметить следующее:
1. Постановка таких задач в узком смысле термина «защита от прогрессирующего обрушения» в научной литературе возникла сравнительно недавно. В то же время базовые положения конструктивной безопасности зданий и сооружений в принципе уже содержатся в действующих нормах, в частности в методе расчета по предельным состояниям [153, 154, 174]. Предложения по решению отдельных задач для анализа живучести, определяемых с помощью деформационных моделей расчета конструктивных систем по предельным состояниям, предложены в работах [39, 52, 77, 83, 84, НО, 142, 157]. Но при использовании таких расчетов невозможно определить зону, характер и величину запроектного воздействия; не всегда такие воздействия носят однопараметрический характер. Другие предложенные теория и методы расчета существенно усложняются, поскольку требуется выполнить динамический расчет минимум дважды нелинейной системы в условиях не 12
определенности воздействия [40, 122]. Нормирование таких воздействий невозможно без накопления статистической информации по результатам натурных измерений при чрезвычайных ситуациях [52, 134]. Последнее обстоятельство является непростой задачей и требует длительного времени для ее решения.
2. Существующий в нормативных документах способ защиты от взрывоопасных производств с использованием превентивных и организационных мероприятий: устройство легкосбрасываемых конструкций или установки защитных барьеров эффективен, когда четко обозначены места хранения взрывчатых материалов или взрывоопасные зоны производств. Сложность такого способа защиты составляет неизвестность расположения источника возникновения запроектных воздействий техногенного и террористического характера.
3. В работах [3, 122, 125, 142] отмечается, что обеспечение конструктивной безопасности является общее упрочнение всего здания, резервирование прочности конструктивных ключевых элементов, расположенных в зонах возможных аварийных воздействий или взаимосвязь элементов и создание резервных путей передачи усилий от аварийных воздействий. При этом ключевые элементы или параллельные пути передачи данных выявляются статическим анализом работы системы, а интенсивность возможного аварийного воздействия подлежит нормированию. Необходимо отметить следующее, что выше отмеченные способы трудно поддаются стандартизации для включения в нормы проектирования и малоэффективны, поскольку для этого нужно четко представлять характер возможных воздействий на здание, его интенсивность и место расположения.
Конструкция и технология изготовления образцов
Для измерения перемещений элементов рамной конструкции было установлено десять индикаторов часового типа ИЧ10Б по ГОСТ 577-68 с ценой деления 0,01мм, класс точности 1 и четыре прогибомера в каждом пролете рамы.
Измерение продольных деформаций сжатого и растянутого бетона, фиксация нагрузки трещинообразования производилось методом электротензометрии. При этом для каждой опытной конструкции использовалось 20 тензорезисторов с базой 20 мм.
Углы поворота и прогибы ригелей измеряли с помощью индикаторов часового типа И1-И5 и прогибомеров П1-П2 (цена деления 0,01 мм). Для регистрации показаний тензорезисторов использовался измеритель цифровой тензометрический ЦТИ-1 с ценой деления 4-Ю"6. Ширина раскрытия трещин измерялась с помощью микроскопа МПБ-2 с ценой деления 0,02 мм, а расстояние между трещинами на каждом этапе нагружения штангенциркулем по ГОСТ 166. Всплеск перемещений в пролетах рамы при приложении запроектного воздействия фиксировался с помощью самописца уровня 02 013 (диапазон частот от 2 Гц до 200 кГц, погрешность ±2,5%), также записью показаний прогибомеров на цифровую видеокамеру.
Проверку работоспособности тензорезисторов и контроль за их показаниями производили путем проведения предварительного эксперимента на опытной конструкции рамы с нагружением ее до величины, равной половине от нагрузки трещинообразования. До начала эксперимента были определены тарировочные коэффициенты тензорезисторов каждой партии.
В силу нарушения симметрии конструкции в процессе ее локального разрушения при установке тензорезисторов на всех элементах предусматривались дублирующие тензорезисторы. Они служили для накопления статистической информации об измеряемых величинах и для их контроля.
Образующиеся трещины фиксировались на внешней поверхности образцов с отметками номера ступени нагружения в начале и конце трещины. На каждой ступени нагружения микроскопом МБП-2 с ценой деления 0,02 мм измерялась ширина раскрытия трещин на уровне их пересечения продольной арматурой. Появление трещин в элементах рам устанавливалось осмотром поверхности образцов с помощью лупы с 30 кратным увеличением. Для создания запроектного воздействия на конструкцию рамы центральная стойка была выполнена в виде телескопической конструкции, состоящей из двух металлических труб, соединенных между собой двумя бетонными шпонками. Нагружение рамы проводилось ступенями по 0,08-Ю, 1 от разрушающей нагрузки до разрушения соединительного элемента центральной стойки. Его разрушение вызывало динамическое воздействие на оставшиеся пролеты неразрушенной конструкции.
Опытная конструкция сборной пространственной рамы для проведения экспериментальных исследований выполнена в виде четырех сборных ригелей сечением 120x70 мм длинной 1200 мм и четырех стоек такого же сечения длинной 700 мм. Сечения ригелей выполнены слоистыми из бетонов классов В15, В20 с толщиной слоев 40 и 80 мм соответственно. Стойки изготовлены из бетона класса В20. Центральная стойка выполнена в виде телескопической конструкции, состоящей из двух металлических труб диаметрами 50 и 60 мм. Армирование сборных образцов ригелей принято плоскими сварными каркасами Кр-1 с рабочей арматурой диаметром 6 мм класса Bp-I (В500); поперечная арматура запроектирована из проволоки диаметром 1,5 мм с шагом 60 мм. Стойки армированы плоскими сварными каркасами Кр-2 с рабочей арматурой 8 мм класса А-Ш (А400). На участках сопряжения ригелей и стоек установлены закладные детали из листовой стали толщиной 4 мм, приваренные к рабочим стержням. С-І-1 (С-ІІ-1)/
В конструкции первой серии опирание перекрестных ригелей над центральной опорой было выполнено с односторонними моментными связями над центральной опорой, во второй серии конструкция узла выполнена неразрезной. Для этого ригели первой серии имели выпуски верхней рабочей арматуры и в процессе монтажа соединялись между собой сварным швом, обеспечивая одностороннюю моментную связь над средней опорой. Ригели в опытной конструкции рамы второй серии имели выпуски верхней и нижней арматуры и после соединения этих выпусков на сварке, омоноличивания узла сопряжения всех ригелей обеспечивалась неразрезность узла над центральной опорой.
Изготовление образцов производили в условиях лаборатории завода ДОАО «Орловский завод ЖБИ» ОАО «Орелагропромстрой». Для приготовления бетонной смеси использовались материалы в сухом состоянии со следующими характеристиками: портландцемент М500 ЗАО «Белгородцемент» г. Белгород, песок гидронамывной (карьер «Сухочево» Орловской области) с модулем крупности 2,1, гранитный щебень (карьер «Малинский») фракции 5-20 мм. Состав бетона для изготовления образцов приведен в таблице 2.1.
Проектный состав бетона корректировали при помощи пробных замесов. Дозировка компонентов производилась по массе. Бетонирование элементов производили в жесткой разъемной металлической опалубке с уплотнением площадочным вибратором. Определение прочностных характеристик бетона осуществлялось с помощью испытаний образцов-кубов размерами 10x10x10 см. Ригели и стойки маркировались соответствующим образом: буквы РЛ и РП - левый и правый ригель соответственно, буква С - стойка, римские цифры - номер серии, арабские цифры - номер образца (рисунок 2.5). Физико-механические характеристики бетона опытных конструкций приведены в таблице 2.2 (для ригелей РЛ-І-2 (РЛ-П-2), РП-І-1 (РП-П-1), РП-І-2(РП-И-2) так же как и для РЛ-І-1 (РЛ-ІІ-1)).
Выдержку конструкций опытных образцов производили до набора ими 100% прочности в естественных условиях твердения при температуре воздуха 20-26 С и относительной влажности 90-100%.
Также были испытаны образцы арматуры, по три образца стержней от каждой партии. Испытания образцов бетона и арматуры проводили по методикам ГОСТ 10180, ГОСТ 12004. Были испытаны по три образца из партии прокалиброванных закладных деталей и определены их прочностные характеристики.
Определение параметра живучести железобетонных пространст-венныз конструктивных систем с использованием неординарного смешанного метода
Таким образом, учитывается перераспределение моментов в многоэтажном пространственном каркасном здании при эксплуатационной расчетной схеме, относительно которого затем уже выполняется анализ и расчет запредельной стадии. При этом также можно учесть и влияние наличия трещин в соответствующих зонах узла, которые закрываются при смене знака моментов в запроектной стадии. Основные качественные особенности, обнаруживаемые экспериментальным путем для каменных материалов и бетона, заключаются в том, что для этих материалов в зависимости от типа напряженного состояния характерны два вида разрушения: от отрыва по плоскости, перпендикулярной действующей силе, и путем сдвига по наклонной площадке, статически наиболее близкой к октаэдрической.
Так как уокт и токт с точностью до числового коэффициента совпадают с величинами а, и є,, то следствием из этого результата является необходимость привлечения диаграммы тгє, для описания напряженно-деформированного состояния бетона при сложных напряженных состояниях. При этом диаграмму a-s/ совсем не обязательно связывать (ставить в соответствие) с одноосным растяжением (как это сделано в теории пластичности), - для бетона представляется более логичным осуществлять такую связь с одноосным сжатием, как подверженному более точному (на порядок) измерению в экспериментальных исследованиях. Тогда деформационные характеристики (параметры) растяжения могут быть получены, как эквивалентные через сжатие и коэффициент поперечных деформаций ju(X). Такой подход при достаточно точном определении /л(Х) позволит не только значительно уточнить оценку предельного напряженно -деформированного состояния бетона, но и построить такие зависимости для области, где реализуется ниспадающая ветвь диаграммы «напряжения -деформации», т.е. не только при микротрещинообразовании, но и после прохождения его верхней границы Rcrc v. После нарушения сплошности бетона возникает необходимость учета увеличения объема бетона за счет раскрытия трещин. Одной из первых попыток такого учета являются исследования эффекта дилатации. Однако использование при этом постоянного коэффициента поперечных деформаций бетона приводит к весьма грубым приближениям при таком подходе, тем более, что неучет ориентации трещин затрудняет здесь получение стабильных результатов даже с привлечением статистик. Здесь наиболее перспективным после нарушения сплошности бетона является привлечение методов механики разрушения.
Зависимость G,=J(si) включает в себя как частный случай теорию прочности Мора, соответствует гипотезе Надай, вписывается в критерий прочности Г.А. Гениева, отвечает второй форме разрушения от сдвига, замеченной в опытах.
Анализ сопротивления бетонной призмы, показывает, что кроме разрушения от развития магистральной трещины причиной разрушения может быть достижение деформациями сдвига на октаэдрических площадках своих предельных значений. При этом предельные деформации, равные Ъъю являясь величиной постоянной, будут служить эквивалентной характеристикой исчерпания несущей способности двухконсольной схемы механики разрушения. Следует отметить, что при деформационном режиме нагружения для рассматриваемой области напряженных состояний необходимость использования двухконсольной схемы возникает лишь для определения поперечных перемещений в окрестности трещин. Что же касается вопроса прочности, то здесь можно воспользоваться эквивалентным параметром Бьи, который вместе с деформациями Єь&, соответствующими максимальным напряжениям Rb, с успехом поддается нормированию
Обработка результатов испытаний и проведенный анализ позволили выполнить аппроксимацию диаграмм ст-є, и ц(А,)-є, (рисунок 3.8). Здесь криволинейный участок диаграммы сгге,- описывается квадратной параболой, а прямолинейные, - в виде линейных функций.
Для сложного сопротивления в качестве критерия прочности предложен критерий - Ч (3.8) где st - интенсивность деформаций укорочения бетона, связанная с октаэдричискими сдвигами. В области напряженных состояний двухосного сжатия, кроме критерия (4), ранее может сработать ограничение, связанное с исчерпанием поперечных деформаций (применительно к рассматриваемой задаче в направлении оси z), реализуемое в виде отрыва и последующего выкола бетона:
Диаграммы связи «напряжения-деформации» (а) и коэффициент поперечных деформаций (б) для бетона: 1 - расчетные, 2 - построенные по опытным данным; 3 - то же, с учетом магистральных трещин между столбами; 4 - то же, с замером деформаций лишь в пределах столбов; 5, 6 -упрощения для инженерного расчета Использование диаграмм агєг и ц(А,)-є,- (рисунок 3.8) позволяет с успехом использовать применительно к бетону отлаженные зависимости механики твердого деформируемого тела.
Алгоритм расчета живучести железобетонных пространственных систем при запроектных воздействиях
Преобразуем исходные матрицы с учетом исключения неизвестного 5, при этом коэффициенты от постоянной нагрузки уточняем. Формируем систему уравнений смешанного метода для исходной балки с одним пластическим шарниром. Данная система является исходной для второго шага решения задачи. Решая систему неравенств, получим, что второй пластический шарнир, образуется в сечениях с и Сб: Образование второго пластического шарнира проводит к тому, что система становится геометрически изменяемой и несущая способность системы исчерпана при =4,87 кН. Образование геометрически изменяемой системы - признак окончания решения.
Анализируя результаты численных исследований зависимости параметра живучести от топологии пространственной конструктивной системы можно выявить закономерность представленную на рисунке 4.8.
Из графика следует, что длинна пролета пространственной перекрестной рамы напрямую влияет на параметр живучести. Таким образом чем больше пролет, тем меньшую нагрузку способна воспринимать рама до образования пластических шарниров и последующего разрушения.
Варьируя шириной раскрытия трещин в верхней зоне пространственного узла сопряжения ригелей и колонн построим зависимость параметра живучести от коэффициента к, выражающего уровень раскрытия трещин (рисунок 4.10)
Зависимость предельного внутреннего изгибающего момента М в пространственном узле от учета дополнительных углов поворота
Соответственно можем сделать вывод, что параметр живучести зависит также от уровня приложения проектной нагрузки к конструктивной системе. Чем выше уровень нагрузки, тем меньшую нагрузку способна воспринимать рама до образования пластических шарниров и последующего разрушения.
Установлено, что интенсивность динамического догружения и параметр живучести пространственной рамно-стержневой конструктивной системы \n зависит от принятого варианта конструкции узла сопряжения (с односторонними и двусторонними моментными связями) перекрестных рам, а также от схемы приложения и уровня проектной нагрузки (см. плакат 17). Выявлены зависимость параметра живучести %„, от топологии структуры конструктивной системы. Исследована зависимость изменения коэффициента динамичности 0 от уровня на-гружения конструктивной системы. При высоких уровнях нагружения и увеличении пластических деформаций в системе, нагруженной проектной нагрузкой, коэффициент динамичности падает с 2-х при низких уровнях нагрузки до 1,53 при нагрузке, равной 0,5 от разрушающей. Установлен также характер изменения предельного момента в пространственном узле сопряжения ригелей после запроектного воздействия в зависимости от степени податливости узла, оцениваемой углами поворота А Рсгс.
Рекомендации по предотвращению прогрессирующего обрушения пространственных конструктивных систем каркасов зданий при запроектных воздействиях
Полученные результаты теоретических, экспериментальных и численных исследований позволяют сформулировать некоторые конкретные предложения по проектированию конструкций рассматриваемого класса, направленные на повышение их живучести при внезапных запроектных воздействиях.
В рамно-стержневых конструктивных системах из сборных и сборно монолитных элементов в дополнение к основным положениям расчета по пре дельным состояниям целесообразно проведение расчета на наиболее вероятные варианты запроектных воздействий. В качестве последних необходимо последо вательное рассмотрение внезапного выключения опор, угловых связей в узлах сопряжения сборных элементов конструктивной системы и других возможных и опасных с позиции живучести выключений. При расчете живучести эксплуатируемых конструкций необходимо учитывать снижение несущей способности сечений при длительной эксплуатации и накоплении эволюционных повреждений. Такой расчет может быть выполнен по методике, приведенной в главе 3.
При проектировании рамно-стержневых конструктивных систем необ ходимо производить оценку резерва несущей способности конструктивной сис темы, полученного путем учета жесткостей узловых соединений при видоизме няющихся в процессе последующего выключения элементов (частей конструк ции) расчетных схемах по отношению к исходным, упрощенным расчетным схемам. Выявленные указанным способом запасы прочности рекомендуется учитывать при резервировании несущей способности рассматриваемых конструктивных систем. В рассматриваемом проекте это один из путей повышения их живучести.
При определении топологии, условий опирання и соединения железобетонных элементов конструктивньк систем, а также соотношения их жесткостеи дополнительно к традиционному статическому и конструктивному расчету рекомендуется проводить расчет по определению обобщенного коэффициента конструкционной безопасности проектируемой системы. Варьируя названными параметрами в пределах конструктивно-технологических возможностей, можно обеспечивать повышение живучести всей несущей системы и предотвращать её лавинообразное разрушение.
Проектирование перекрестных ригелей в каркасах многоэтажных зданий выполнять по неразрезной схеме с двусторонними моментными связями. При этом следует отказаться от традиционных методов экономии арматуры за счет учета упругопластических свойств материала. В сборных и сборно-монолитных каркасах разрезку на отдельные элементы необходимо производить с учетом распределения силовых потоков при проектной нагрузке и запроектных воздействиях. При этом следует учитывать схему и интенсивность армирования этих элементов и роль каждого элемента конструктивной системы при оценке ее живучести.
