Разработка деформационных критериев предельных состояний монолитных железобетонных зданий при прогрессирующем разрушении
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ .. 15
1.1. Прогрессирующее обрушение как вид аварийной ситуации……………….. 15
1.2. Обзор исследований по проблеме устойчивости монолитных
железобетонных зданий к прогрессирующему обрушению…………………………… 18
1.3. Анализ методов расчета на устойчивость к прогрессирующему обрушению
……………………………………………………………………………………………………………………. 32
1.4. Анализ отечественных и зарубежных норм для проектирования зданий и
сооружений, устойчивых к прогрессирующему обрушению…………………………. 51
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………….. 64
ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ КЛЮЧЕВЫХ (КРИТЕРИАЛЬНЫХ) ЭЛЕМЕНТОВ И
ВИДА КРИТЕРИАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ ПЕРЕХОДА В ПРЕДЕЛЬНОЕ
СОСТОЯНИЕ………………………………………………………………………………………………….. 67
2.1. Анализ методик определения характеристик особого предельного
состояния для аварийных расчетных ситуаций …………………………………………….. 68
2.2 Анализ методов расчета несущих систем в режиме отказа локальной
конструкции ………………………………………………………………………………………………… 74
2.3. Анализ методов расчета несущих систем в режиме отказа локальной
конструкции с учетом влияния конструкций, купирующих процесс развития
прогрессирующего обрушения …………………………………………………………………….. 81
2.4. Модели монолитных железобетонных конструкций для анализа процессов
формирования разрушений в условиях отказа элемента несущей системы …… 99
2.5. Анализ результатов численных исследований монолитных железобетонных
несущих систем и обоснование критериальных факторов предельных
состояний ………………………………………………………………………………………………….. 106
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 115
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИН КРИТЕРИАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ
ПЕРЕХОДА В ПРЕДЕЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ ………………………………………………… 119
3.1. Методика моделирования процесса структурных изменений
конструктивных элементов монолитных железобетонных систем с учетом
развития деградации конструкции ……………………………………………………………… 120
3.2. Результаты исследования и обоснования величин критериальных факторов
предельных состояний при отказе несущей конструкции монолитных
железобетонных несущих систем в режиме поэтапной деградации элементов
системы……………………………………………………………………………………………………… 125
3.3. Результаты исследования и обоснования величин критериальных факторов
предельных состояний при отказе несущей конструкции монолитных
железобетонных несущих систем в режиме прямого интегрирования уравнений
движения в физически нелинейной постановке ………………………………………….. 132
3.4. Методика использования коэффициента редукции для обеспечения
устойчивости монолитных железобетонных несущих конструкций к
прогрессирующему обрушению …………………………………………………………………. 140
Выводы по главе. ……………………………………………………………………………………….. 143
ГЛАВА 4. ВЕРИФИКАЦИЯ МЕТОДИКИ ПРИМЕНЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА
РЕДУКЦИИ ПРИ РАСЧЕТЕ МОНОЛИТНЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СИСТЕМ
НА УСТОЙЧИВОСТЬ К ПРОГРЕССИРУЮЩЕМУ ОБРУШЕНИЮ ……………… 144
4.1. Методика верификации использования коэффициента редукции для
обеспечения устойчивости монолитных железобетонных несущих конструкций
к прогрессирующему обрушению ………………………………………………………………. 144
4.2. Характеристики моделей для процедуры верификации разработанной
методики ……………………………………………………………………………………………………. 152
4.3. Результаты расчетного анализа тестовых моделей в рамках процедуры
верификации ……………………………………………………………………………………………… 154
Выводы по главе ………………………………………………………………………………………… 157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 159
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 162
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 ………………………………………………………………………………………….. 183
Во введении обосновываются актуальность темы диссертационного исследования, его цели и задачи, представляется научно-техническая гипотеза, положенная в основу исследования, определяется объект, предмет и методы исследования, представляются основные положения, выносимые автором на защиту, указывается личный вклад автора в результаты исследования.
В первой главе приводится обзор явления «прогрессирующее обрушение» как вида аварийной ситуации, обзор исследований по проблеме устойчивости к прогрессирующему обрушению, анализ методов расчета на устойчивость к прогрессирующему обрушению, анализ отечественных и зарубежных норм для проектирования зданий и сооружений, устойчивых к прогрессирующему обрушению.
Длительное время в ряде работ широко применялся термин «прогрессирующее разрушение», так как исследовались вопросы, связанные с «непро-порциональным» (по отношению к величине локального отказа) разрушением конструкций несущей системы. В последние годы получил широкое распространение термин «прогрессирующее обрушение», который был включен в ряд нормативных документов. Таким образом, понятия «прогрессирующее разрушение» и «прогрессирующее обрушение» описывают одно явление и являются, по существу, равнозначными.
Несмотря на то, что прогрессирующее обрушение является достаточно редким явлением, это событие может вызвать серьезные экономические и социальные последствия. В связи с этим вопрос предотвращения прогрессирующего обрушения является одной из важнейших задач строительной науки.
Ключевыми вопросами в проблеме устойчивости к прогрессирующему обрушению являются корректные методы расчетного анализа несущих систем в режиме отказа локального конструктивного элемента и характеристики особого предельного состояния.
Для железобетонных несущих систем в целом и для монолитных конструкций в частности недостаточно изучены механизмы разрушения элементов несущей системы в ситуации отказа локальной конструкции, что оставляет открытым вопрос определения ключевых (критериальных) конструктивных элементов и узлов, работа которых в условиях отказа локальной конструкции определяет переход системы в целом в предельное состояние.
Исследования по определению и научному обоснованию характеристик особых предельных состояний для режима отказа локальной конструкции не в полной мере учитывают особенности аварийной расчетной ситуации, связанной с отказом локальной конструкции. Для железобетонных несущих систем существующие и отраженные в нормативных документах РФ характеристики особого предельного состояния для указанной аварийной расчетной ситуации не
могут быть признаны в качестве обобщенных параметров, позволяющих их использование для всех видов расчетного анализа. Так, применение рекомендуемой нормами в качестве характеристики особого предельного состояния предельной величины относительной деформации сжатого бетона не позволяет выполнить ряд важнейших расчетных проверок, таких как расчет наклонных сечений железобетонных конструкций и расчет на продавливание. Существующее состояние нормирования особого предельного состояния железобетонных конструкций для аварийной расчетной ситуации, связанной с отказом локального элемента несущей системы, требует совершенствования с определением и научным обоснованием обобщенных характеристик особого предельного состояния железобетонных несущих систем для режима прогрессирующего обрушения.
Для других видов аварийной расчетной ситуации, например, для случая сейсмических воздействий, в качестве обобщенной характеристики предельных состояний конструкций и несущих систем в целом используются деформационные критерии, что позволяет выполнить практически все виды расчетного анализа. Такой подход имеет надежное научное обоснование для большинства видов конструкций, включая железобетонные, и широко используется в нормах многих стран.
Во второй главе представлены анализ методик определения характеристик особого предельного состояния для аварийных расчетных ситуаций, анализ методов расчета несущих систем в режиме отказа локальной конструкции, анализ методов расчета несущих систем в режиме отказа локальной конструкции с учетом влияния конструкций, купирующих процесс развития прогрессирующего обрушения, обоснование критериальных элементов и узлов для оценки предельных состояний в условиях отказа локальных элементов, обоснование критериев предельных состояний, корректно отражающих условия формирования допустимого объема повреждений в критериальных зонах несущих железобетонных систем в режиме отказа локальных элементов несущей системы.
Исследованиями обоснованно использование деформационных характеристик работы конструкций для определения критериев особых предельных состояний и для условий аварийных расчетных ситуаций, включая случай отказа локальной несущей конструкции.
Сравнительный анализ квазистатического и прямого динамического методов расчета конструкций при локальном отказе элемента позволяет сделать вывод о том, что для многоэлементных несущих систем, включающих этажи повышенной жесткости (аутригерные конструкции), квазистатический метод расчета принципиально не позволяет получить корректные результаты. Статический расчет несущей системы, не включающей «отказавший» конструктивный элемент, не позволяет получить консервативный прогноз НДС, так как не
учитывает действительные процессы, происходящие в несущей системе при отказе конструкции в течение краткого времени.
Результаты исследования влияния аутригерных конструкций на работу железобетонных систем в условиях отказа локального элемента демонстрирует существенное влияние аутригерных конструкций на схему деформирования несущей системы в целом и участков, примыкающих к зоне отказа. Применение аутригерных конструкций позволяет уменьшить прогибы плиты и изгибающие моменты в плитах перекрытий над локацией отказа. Применение аутригерных конструкций формирует условия локализации последствия аварийного воздействия в пределах зоны, в которой произошел отказ несущего элемента.
В рамках исследования механизмов
разрушений основных конструктивных элементов
монолитных железобетонных несущих систем в
режиме прогрессирующего обрушения обосновано,
что ключевыми элементами и узлами для оценки
предельных состояний в условиях отказа локальных
элементов являются монолитные железобетонные
перекрытия, а именно приопорные зоны перекрытия,
рассматриваемые как конструкционный узел, в
которых установлены наибольшие изменения силовых монолитной железобетонной несущей факторов – изгибающих моментов (Мx, My) и
поперечных сил (Qx, Qy).
Таким образом, в качестве ключевого (критериального) конструктивного элемента железобетонной системы в условиях аварийного режима при отказе локальной конструкции может рассматриваться конструкционный узел приопорной зоны перекрытия.
В рамках численных исследований предельных состояний элементов монолитных железобетонных несущих систем при отказе опорных конструкций был проведен качественный анализ – постановка вопроса о силовом или деформационном виде нагружения тестовых моделей для исследования перехода конструкций перекрытия в предельное состояние. На основе сравнения полученных величин силовых и деформационных нагрузочных факторов установлено, что результаты, полученные с использованием деформационных факторов, хорошо коррелируют с параметрами исследуемых моделей. На основании результатов исследований установлено, что силовые факторы, моделирующие воздействие в режиме отказа несущей конструкции, не имеют приемлемой корреляционной зависимости с явлениями исчерпания несущей способности приопорных зон перекрытий, что не позволяет их использовать для исследования процессов, происходящих в монолитных железобетонных несущих системах в условиях прогрессирующего
Рисунок 1 – Механизм прогрессирующего обрушения
системы
обрушения. Таким образом, полученные результаты позволяют обосновать необходимость использования деформационных воздействий для дальнейших расчетных исследований НДС несущей системы в условиях отказа локальных конструкций.
Рисунок 2 – Сопоставление нагрузочных факторов – деформационного и силового для условий формирования «разрушения» приопорной зоны перекрытия. Слева – отказ крайней
колонны, справа – отказ средней колонны. По вертикальной оси – абсолютные величины перемещений (мм) и величины предельного силового фактора (тонны); А – деформационный фактор; В – силовой фактор
Исследованиями установлено, что в качестве основного критерия для оценки НДС монолитных железобетонных конструкций для режима отказа вертикальной несущей конструкции может быть принята величина относительной деформации перекрытия над отказавшей вертикальной несущей конструкцией, соответствующая образованию зоны «разрушения» приопорного участка перекрытия при действии поперечных сил.
Указанный деформационный параметр корректно описывает состояние «перед разрушением» конструктивного узла монолитной железобетонной несущей системы, в котором в первоочередном порядке реализуются признаки перехода в предельное состояние. На основе величины относительной деформации перекрытия над отказавшей вертикальной несущей конструкцией может быть рассчитан коэффициент пластичности μ и соответствующий коэффициент допускаемых повреждений.
Рисунок 3 – Величины «предельных» смещений для различных критериев формирования разрушения приопорной зоны перекрытия (средняя колонна)
Анализ результатов исследований в физически линейной постановке показал, что значение коэффициентов допускаемых повреждений для зданий, устойчивых к прогрессирующему обрушению, уменьшается с увеличением пролета, что, наряду с исходными данными, использованными для исследования, противоречит физическому смыслу данного коэффициента. Величины предельно допускаемых коэффициентов пластичности оказались неоправданно большими даже для сейсмостойкого строительства, что не может быть признано приемлемым для формирования критериев особого предельного состояния.
Рисунок 4 – Коэффициенты пластичности Рисунок 5 – Коэффициенты допускаемых μlim для случая «отказа» угл. колонны повреждений K1 для случая «отказа» угл.
колонны
6,00 4,00 2,00 0,00
3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 по критериям Qx и Qy
0,80 0,60 0,40 0,20 0,00
3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 по критериям Qx и Qy
Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод о том, что традиционная технология расчетного анализа с рассмотрением и оценкой несущей способности (метод экспертизы) элементов неизменяемой расчетной модели не соответствует реальной схеме формирования и развития разрушений. Для получения корректных величин коэффициентов пластичности μ и соответствующих коэффициентов допускаемых повреждений необходимо применить расчетную технологию, позволяющую учитывать выбытие «разрушенного» локального элемента расчетной схемы из состава ансамбля конечных элементов модели с перераспределением напряжений, а именно: необходимо учитывать деградацию свойств элементов расчетных схем несущих железобетонных систем.
В третьей главе в рамках исследований по определению величин критериальных факторов перехода в предельное состояние:
1. Обоснована (с необходимыми дополнениями) методика моделирования и расчетного исследования процесса структурных изменений конструктивных элементов монолитных железобетонных систем в режиме развития деградации конструкции.
Рисунок 6 – Блок-схема поэтапного расчета модели с учетом изменения основных расчетных параметров
2. Обоснована возможность использования деформационных критериев особого предельного состояния для оценки устойчивости монолитных железобетонных конструкций в условиях отказа вертикального элемента несущей системы, включая пластическую фазу деформирования.
3. Определены величины деформационных характеристик монолитных железобетонных несущих систем в состоянии «перед разрушением» ключевых (критериальных) конструкций (узлов) для дальнейшего их применения в качестве основы для расчета характеристик пластичности.
Установленные характеристики предельной пластичности и соответствующие им характеристики уровня допускаемых повреждений представляют собой, по существу,
характеристики особого предельного состояния монолитных железобетонных конструкций для режима прогрессирующего обрушения.
Полученные в результате исследований деформационные критерии особого предельного состояния корректно отражают условия формирования допустимого объема повреждений элементов несущих железобетонных систем при прогрессирующем обрушении.
0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00
0,49
0,47
0,44
0,43
0,44
0,42
0,42
0,42
3 3,6 4,2 4,8 5,4 6 6,6 7,2 по критериям Qx и Qy с учетом деградации свойств элементов
Рисунок 7 – Коэффициенты допускаемых повреждений K1 для случая «отказа» угловой колонны
В качестве консервативной величины коэффициента допускаемых повреждений принято значение: K1 = 0.50.
Разработана инженерная методика использования коэффициента редукции для расчетной оценки устойчивости монолитных железобетонных несущих конструкций к прогрессирующему обрушению.
В четвертой главе представлена верификация методики применения коэффициента редукции при расчете монолитных железобетонных систем на устойчивость к прогрессирующему обрушению.
В условиях допускаемых нормами пластических деформаций в железобетонных элементах при «отказах» локальных конструкций и с учетом активного применения железобетонных аутригерных систем представляется вполне обоснованным применение разработанного и обоснованного в главах 2 и 3 метода использования коэффициента редукции для расчетного анализа устойчивости монолитной железобетонной несущей системы к прогрессирующему обрушению.
Так как проведение физических экспериментов с отказом локальной конструкции в монолитной железобетонной несущей системе, включающей аутригерную конструкцию, связано с большими затратами, подобные эксперименты до настоящего времени не проводились. Испытания моделей, либо конструкций относительно небольших размеров, позволяющих
проводить серии экспериментов без привлечения значительных производственных мощностей, не позволяют дать количественную оценку перехода критериальных элементов монолитных железобетонных зданий в предельное состояние.
В условиях отсутствия данных о физических экспериментах методика верификации разработанного метода расчетного анализа с применением коэффициента редукции может быть основана на сопоставлении результатов расчетов тестовых моделей, выполненных по методике, разработанной в рамках диссертационного исследования, и по методике, использующей методы расчетного анализа железобетонных конструкций в физически нелинейной постановке с учетом динамических эффектов (нелинейный динамический анализ), но ранее верифицированной и признанной корректной – референсной методике. Так как в основе методики, разработанной в диссертационном исследовании, лежит деформационная характеристика предельного состояния, то процедура верификации сводится к сопоставлению величин вертикальных деформаций, полученных по результатам расчета железобетонных конструкций, армированных на основе редуцированных значений нагрузочных эффектов (К1<1,0) в референсной методике, с результатами предельных вертикальных деформаций, соответствующих состоянию «перед разрушением» приопорной зоны узла стыка перекрытия и колонны.
Процедура верификации разработанной методики состоит из нескольких этапов.
Этап 1. Разработка тестовой модели, включающей аутригерную конструкцию, для выполнения расчетного анализа устойчивости к прогрессирующему обрушению, определение базовых параметров армирования элементов тестовой модели при принятых параметрах нагружения (параметры армирования аутригерной конструкции определяются на этапе 2).
Рисунок 8 - Расчетная модель для подбора параметров аутригерной конструкции
Этап 2. Выполнение расчета по разработанной методике с учетом динамических эффектов в двух вариантах. Модель вариант 1 – без учета предложенного в главе 3 коэффициента редукции (К1=1,0). Модель вариант 2 – с учетом коэффициента редукции (К1=0,5).
По результатам расчетов этапа 2 определяются требуемые величины армирования аутригерных конструкций.
Этап 3. Выполнение расчета методом нелинейного динамического анализа по референсной методике тестовой модели с армированием основных элементов несущей системы по результатам этапа 1 и с армированием аутригерных конструкций по результатам расчета на этапе 2.
Результатом расчета этапа 3 являются значения вертикальных смещений (по оси Z) узла над «отказавшим» элементом. Динамические эффекты на этапе 2 и 3 учитываются в рамках прямого интегрирования уравнений движения.
Этап 4. Выполняется сравнительный анализ вертикальных смещений узла над «отказавшим» элементом, полученных на этапе 3, с величинами предельных вертикальных смещений узлов, соответствующими состоянию «перед разрушением» приопорного участка узла стыка колонны и перекрытия (получены в главе 3).
Рисунок 9 - График смещения узла над «отказавшим» элементом по результатам нелинейного динамического анализа (этап 3) для модели вариант 2 (К1=0,5). По вертикальной
оси – значения смещений (мм), по горизонтальной оси – время (сек).
По результатам расчета на этапе 4 показано, что армирование аутригерных конструкций, полученное с применением коэффициента редукции к нагрузочным эффектам (К1=0,5), обеспечивают величины деформаций железобетонных несущих конструкций над «отказавшим» элементом, близкие к величинам предельно допускаемых значений (отклонение составляет +12,1%), определенных по критерию неразрушения приопорного участка монолитного железобетонного перекрытия.
Таким образом, в рамках проведенного верификационного исследования доказана корректность и обоснованность разработанного метода расчетного анализа устойчивости монолитных железобетонных несущих систем зданий и сооружений к прогрессирующему обрушению, в основе которого лежат деформационные критерии. Полученный и обоснованный в рамках выполненного исследования коэффициент редукции (K1) представляет собой важнейшую деформационную характеристику особого предельного состояния монолитных железобетонных несущих систем зданий и сооружений для аварийной расчетной ситуации, связанной с отказом локального конструктивного элемента. Величина коэффициента допускаемых повреждений K1 = 0,50 может быть рекомендована к применению в расчетном
анализе устойчивости монолитных железобетонных несущих систем зданий и сооружений к прогрессирующему обрушению.
Заключение.
Использование подходов, хорошо зарекомендовавших себя в сейсмостойком строительстве, как для условий с видом воздействия, относящегося к особым, основанных на допущении определенного объема повреждений, в результате чего реализуется работа несущих конструкций в пластической фазе, подразумевает необходимость определения характеристик особого предельного состояния, корректно отражающих допустимый объем пластической фазы деформирования.
В рамках исследования механизмов разрушений основных конструктивных элементов монолитных железобетонных несущих систем в режиме прогрессирующего обрушения обосновано, что ключевыми (критериальными) элементами и узлами монолитных железобетонных систем для оценки особых предельных состояний в условиях отказа локальных элементов являются монолитные железобетонные перекрытия, а именно приопорные зоны перекрытий.
Для установленных критериальных конструкций и узлов проведены численные исследования величин критериальных параметров, входящих в характеристику предельного состояния. В результате численных исследований особых предельных состояний элементов монолитных железобетонных несущих систем при отказе опорных конструкций был проведен качественный анализ – постановка вопроса о силовом или деформационном виде воздействия для корректного анализа перехода в предельное состояние. В результате сравнение полученных величин силовых и деформационных факторов установлено, что результаты, полученные с использованием деформационных факторов, хорошо коррелируют с параметрами исследуемых моделей. Силовые факторы, моделирующие воздействие в режиме отказа несущей конструкции, не имеют приемлемой корреляционной зависимости с явлениями исчерпания несущей способности приопорных зон перекрытий и параметрами моделей, что не позволяет их использовать для исследования процессов, происходящих в монолитных железобетонных несущих системах в условиях прогрессирующего обрушения. Исходя из вышеизложенного сделан вывод, что необходимо использовать только деформационные виды воздействия.
В качестве основного критерия для оценки НДС монолитных железобетонных конструкций перекрытий для режима отказа вертикальной несущей конструкции принята величина относительной деформации, соответствующая образованию допустимой зоны «разрушения» приопорного участка перекрытия при действии поперечных сил, т.е. в условиях приопорной зоны в состоянии, «предшествующем разрушению».
Анализ результатов исследований в упрощенной постановке показал, что значение коэффициента допускаемых повреждений для монолитных железобетонных несущих систем, устойчивых к прогрессирующему обрушению, уменьшается с увеличением пролета, что наряду с исходными данными, использованными для исследования, противоречит физическому смыслу данного коэффициента. Величины предельно допускаемых коэффициентов пластичности оказались неоправданно большими даже для сейсмостойкого строительства.
Для уточнения необходимо применять методы, позволяющие учитывать изменение исследовательской модели вследствие исчерпания несущей способности отдельных ее элементов, т.е. учитывать деградацию свойств элементов несущих железобетонных систем.
В этих целях обоснован (с необходимыми дополнениями) метод моделирования процесса структурных изменений конструктивных элементов монолитных железобетонных систем в режиме учета развития деградации конструкции, использование которого позволило обосновать и определить величины деформационных критериев предельных состояний для анализа устойчивости монолитных железобетонных несущих систем к прогрессирующему обрушению.
Таким образом, проведенные уточняющие исследования обосновывают возможность использования деформационных критериев для оценки напряженно-деформированного состояния монолитных железобетонных конструкций, включая пластическую фазу деформирования, в условиях отказа вертикального элемента несущей системы. Установленные характеристики предельной пластичности и соответствующие им коэффициенты допускаемых повреждений представляют собой, по существу, характеристики особых предельных состояний монолитных железобетонных конструкций для режима прогрессирующего обрушения.
Исследованиями на основе принятой величины относительной деформации, соответствующей образованию допустимой зоны «разрушения» приопорного участка перекрытия при действии поперечных сил, как основного критерия для оценки НДС монолитных железобетонных конструкций для режима отказа вертикальной несущей конструкции, установлены величины коэффициентов допускаемых повреждений, которые отличаются относительной постоянностью величины с увеличением пролета. Полученные результаты верифицированы методом расчета, выполненного в физически нелинейной постановке.
Принятые деформационные критерии особого предельного состояния корректно отражают условия формирования допустимого объема повреждений элементов несущих железобетонных систем при прогрессирующем обрушении. В качестве рекомендованной к использованию величины коэффициента допускаемых повреждений принята величина K1 = 0,50.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
Проведение (на основе рассмотрения представительного набора реальных зданий с монолитными железобетонными несущими системами) численных исследований устойчивости к прогрессирующему разрушению при контролируемом объеме пластических деформаций конструктивных элементов.
Актуальность темы исследования.
Устойчивость к прогрессирующему обрушению несущих систем, что соот-
ветствует аварийной расчетной ситуации и особому предельному состоянию кон-
струкций и узлов, является необходимым условием обеспечения общей надежно-
сти зданий и сооружений, что определяется требованиями Федерального закона
384-ФЗ «Регламент технической безопасности» и базовыми положениями действу-
ющих ГОСТов, Строительных Норм и Правил.
Обоснование устойчивости конструктивных систем к прогрессирующему
обрушению выполняется методами расчетного анализа с использованием различ-
ных расчетных принципов и технологий. Широко применяется метод предельного
равновесия для расчетного анализа разрушений отдельных конструктивных эле-
ментов, что позволяет получить для многих конструкций, схема разрушения кото-
рых заранее известна, результаты приемлемого уровня точности. Для оценки
устойчивости к прогрессирующему обрушению при проектировании в промыш-
ленных масштабах применяются численные методы, основанные на методе конеч-
ных элементов. Традиционные расчетные технологии МКЭ реализуют одноэтап-
ный расчет модели с использованием силового подхода, что не позволяет получить
данные о развитии процесса разрушений конструкции.
Расчетный анализ устойчивости несущих систем к прогрессирующему об-
рушению выполняется, как правило, с использованием критериев прочности, что
не соответствует принципам работы таких систем в условиях аварийной расчетной
ситуации за пределами упругости с реализацией некоторого допустимого объема
пластических деформаций. Для железобетонных несущих систем нормами преду-
сматривается оценка несущей способности конструкций по прочности с использо-
ванием нелинейной деформационной модели. При этом предельные относительные
деформации бетона (εb2) принимаются увеличенными до 0,0035 и этот параметр
принимается для всех элементов несущей системы.
Однако оценка несущей способности железобетонных несущих систем в
условиях аварийной расчетной ситуации, связанной с отказом локальной конструк-
ции, выполняемая на основе единой для всех элементов и узлов характеристики
предельной деформации сжатого бетона, представляет собой метод, не в полной
мере учитывающий особенности формирования НДС и схем разрушения конструк-
ций, которые генерируются локальным отказом. Для отдельных узлов и видов рас-
четной оценки несущей способности железобетонных конструкций (например, рас-
чет по наклонным сечениям, расчет на продавливание) применение в качестве кри-
терия предельного состояния величины относительной деформации сжатого бе-
тона не представляется возможным, что определяет проблему поиска и научного
обоснования обобщенных характеристик предельных состояний для случая ава-
рийной расчетной ситуации, вызванной отказом локальной конструкции. В насто-
ящее время такие обобщенные характеристики особого предельного состояния, со-
ответствующего аварийной расчетной ситуации и позволяющие выполнять оценку
устойчивости железобетонных несущих систем к прогрессирующему обрушению,
отсутствуют. Отсутствие обобщенных характеристик особого предельного состоя-
ния не позволяет разработать инженерные методы расчетной оценки железобетон-
ных несущих систем для расчетной ситуации, связанной с отказом локальной кон-
струкции.
Разработка обобщенных критериев особого предельного состояния железо-
бетонных несущих систем, связанного с отказом локальной конструкции, воз-
можна на основе анализа многоэтапного режима работы конструкций и узлов с от-
слеживанием поэтапных изменений расчетной модели в целом и отдельных узлов
и элементов с соответствующими каждому этапу параметрами НДС. Такой подход
позволяет выявить ключевые элементы и узлы железобетонной несущей системы,
определяющие переход такой системы в целом в предельное состояние. На основе
результатов исследования НДС таких ключевых (критериальных для всей системы)
элементов и узлов возможна разработка характеристик особого предельного состо-
яния, наиболее корректно отражающих предельно допустимый объем пластиче-
ской фазы деформирования железобетонных конструкций в условиях аварийной
расчетной ситуации.
Из анализа существующих подходов к расчетной оценке железобетонных
конструкций по критериям особого предельного состояния, например – расчет сей-
смостойкости линейно-спектральным методом (метод основан на деформационных
критериях), представляется обоснованным построить исследования характеристик
особого предельного состояния для расчетной ситуации отказа локальной кон-
струкций также на основе анализа деформационных характеристик.
Научное обоснование величин деформационных характеристик особого
предельного состояния позволит разработать общие для всей несущей системы
критерии и (на их основе) инженерные методы расчетного анализа несущих систем
с ограничением развития пластической фазы деформирования при локальном от-
казе конструкции, что соответствует принципам, установленным действующими
нормативно-правовыми документами для режима прогрессирующего обрушения.
Таким образом, тема диссертационного исследования, посвященная
теоретическому обоснованию деформационных критериев предельных состояний
монолитных железобетонных зданий при прогрессирующем обрушении, является
актуальной.
Степень разработанности темы исследования. В диссертации проанали-
зированы труды отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный
вклад в формирование ключевых положений в вопросе устойчивости к прогресси-
рующему обрушению, в исследования механизма процесса прогрессирующего об-
рушения, в исследования подходов к задачам и в разработку методов математиче-
ского моделирования задач устойчивости к прогрессирующему обрушению, в раз-
работку и анализ нормативных документов (в алфавитном порядке – Аветисян Л.А.,
Аксенов В.Н., Алмазов В.О., Алпатов В.Ю., Белостоцкий А.М., Еремеев П.Г., Ка-
банцев О.В., Карпенко Н.И., Кодыш Э.Н., Колчунов В.И., Кудишин Ю.И., Кумпяк
О.Г., Меркулов С.И., Морозов В.И., Перельмутер А.В., Плевков В.С., Плотников
А.И., Расторгуев Б.С., Саргсян А.Е., Серпик И.Н., Сидоров В.Н., Стругацкий Ю.М.,
Тамразян А.Г., Травуш В.И., Трекин Н.Н., Федоров В.С., Федорова Н.В., Фиалко
С.Ю., Шапиро Г.И., Bao Y., Bouillard P., Chiaia B.M., Haberland M., Herrmann H.J.,
Kozani H., Kunnath S.K., Liu M., Mahmoudi M., Masoero E., Massart T.J., McKay A.,
Menchel K., Rammer Y., Ruth P., Starossek U., Stevens D., Teimoori T., Wittel F.K. и
др.).
Анализ большого объема исследований, выполненных в области прогресси-
рующего обрушения, показывает, что проблема обобщенных характеристик, отра-
жающих допустимые параметры упруго-пластической работы железобетонных
конструкций, включая особенности деформирования и разрушения отдельных эле-
ментов и узлов, в условиях особого предельного состояния, возникающего при от-
казе локального конструктивного элемента в составе несущей системы, недоста-
точно отражена и в научных публикациях, и в нормативных документах. Таким об-
разом, приведенный круг нерешенных вопросов определяет необходимость прове-
дения научных исследований.
Цель диссертационной работы: Разработка и обоснование деформацион-
ных критериев особых предельных состояний, корректно отражающих условия
формирования допустимого объема повреждений элементов и узлов несущих же-
лезобетонных систем при прогрессирующем разрушении.
Для достижения цели в диссертационном исследовании поставлены и ре-
шены следующие задачи:
Исследование механизмов разрушений основных конструктивных эле-
ментов монолитных железобетонных несущих систем в режиме прогрессирующего
разрушения;
Обоснование метода нагружения модели для выполнения численных
исследований НДС монолитных железобетонных несущих систем в условиях от-
каза локального конструктивного элемента;
Исследование НДС монолитных железобетонных несущих систем при
локальном отказе конструктивного элемента прямыми динамическими методами;
Исследование НДС монолитных железобетонных несущих систем при
локальном отказе конструктивного элемента прямыми динамическими методами с
учетом физически нелинейной работы железобетона;
Обоснование и определение величин деформационных критериев осо-
бых предельных состояний для анализа устойчивости монолитных железобетон-
ных несущих систем к прогрессирующему разрушению;
Разработка методики расчета монолитных железобетонных несущих
систем в режиме прогрессирующего разрушения на основе деформационных кри-
териев особых предельных состояний.
Научно-техническая гипотеза диссертации состоит в предположении
наличия зависимости параметров особых предельных состояний монолитных же-
лезобетонных несущих систем в режиме прогрессирующего обрушения от уровня
упруго-пластических деформаций элементов (узлов) в условиях отказа локальной
конструкции.
Объектом исследований являются монолитные железобетонные несущие
системы многоэтажных и высотных зданий.
Предметом исследования являются особые предельные состояния моно-
литных железобетонных несущих систем многоэтажных зданий при прогрессиру-
ющем обрушении.
Методология и методы исследования. Методологической основой иссле-
дований служили труды отечественных и зарубежных авторов в области научных
исследований устойчивости железобетонных конструкций к прогрессирующему
обрушению, механики железобетона, методов расчета и расчетных технологий, ре-
ализующих многоэтапный конечноэлементный анализ, а также гипотезы, принятые
в строительной механике, теории упругости, общепринятые численные методы
расчетного анализа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Обосновано использование деформационных критериев железобетон-
ных конструкций для оценки несущей способности в условиях аварийной расчет-
ной ситуации и особого предельного состояния в режиме прогрессирующего обру-
шения при отказе локальных конструктивных элементов в составе несущей си-
стемы;
Установлены новые закономерности упруго-пластического деформи-
рования и разрушения приопорных узлов перекрытий монолитных железобетон-
ных несущих систем как процесса формирования и накопления разрушений с уче-
том исчерпания несущей способности по ключевым критериям прочности;
На основе деформационных подходов обоснованы и определены коли-
чественные значения деформационных характеристик критериев особых предель-
ных состояний монолитных железобетонных несущих систем для режима прогрес-
сирующего обрушения при отказе локального конструктивного элемента;
Разработана и верифицирована методика расчета монолитных железо-
бетонных несущих систем в режиме прогрессирующего обрушения на основе де-
формационных критериев особых предельных состояний.
По результатам численных исследований установлены:
количественные значения деформационных характеристик критериев
особых предельных состояний монолитных железобетонных несущих систем в ре-
жиме прогрессирующего обрушения при отказе локальных конструктивных эле-
ментов;
новые закономерности упруго-пластического деформирования и разру-
шения приопорных узлов перекрытий монолитных железобетонных несущих си-
стем в условиях отказа локальной конструкции как процесса формирования и
накопления разрушений с учетом исчерпания несущей способности по ключевым
критериям прочности;
необходимость учета процесса структурных изменений конструктив-
ных элементов монолитных железобетонных систем в режиме развития деградации
конструкции для обоснования деформационных критериев особых предельных со-
стояний монолитных железобетонных несущих систем в условиях отказа локаль-
ных конструктивных элементов.
Теоретическая значимость работы заключается в следующем:
Обосновано использование деформационных критериев для оценки
особых предельных состояний при отказе локальных конструктивных элементов в
составе несущей системы;
Разработаны и обоснованы количественные значения деформационных
критериев особых предельных состояний монолитных железобетонных несущих
систем при прогрессирующем обрушении в условиях отказа локального конструк-
тивного элемента в составе несущей системы;
Установлены новые закономерности упруго-пластического деформи-
рования и разрушения приопорных узлов перекрытий монолитных железобетон-
ных несущих систем в условиях отказа локальной конструкции как процесса фор-
мирования и накопления разрушений с учетом исчерпания несущей способности
по ключевым критериям прочности;
Обоснована необходимость учета процесса структурных изменений
конструктивных элементов монолитных железобетонных систем в режиме разви-
тия деградации конструкции для обоснования деформационных критериев пре-
дельных состояний монолитных железобетонных несущих систем в условиях от-
каза локальных конструктивных элементов.
Практическая значимость и применение результатов работы заключа-
ется в следующем:
Определены и научно обоснованы деформационные характеристики
особых предельных состояний монолитных железобетонных несущих систем при
прогрессирующем обрушении в условиях отказа локального конструктивного эле-
мента в составе несущей системы;
Определены предельные величины деформационных характеристик
предельных состояний железобетонных конструкций, соответствующих допусти-
мому объему пластической фазы деформирования критериальных элементов (уз-
лов) монолитных железобетонных несущих систем, в условиях отказа локального
конструктивного элемента в составе несущей системы;
Разработана и верифицирована методика расчета устойчивости к про-
грессирующему обрушению монолитных железобетонных несущих систем при от-
казе локальной конструкции на основе деформационных критериев.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Обоснование использования деформационных критериев для оценки
устойчивости монолитных железобетонных несущих систем к прогрессирующему
обрушению при отказе локальных конструктивных элементов, что соответствует
аварийной расчетной ситуации и особому предельному состоянию конструкций и
узлов;
Новые закономерности упруго-пластического деформирования и раз-
рушения приопорных узлов перекрытий монолитных железобетонных несущих си-
стем в условиях отказа локальной конструкции как процесса формирования и
накопления разрушений с учетом исчерпания несущей способности по ключевым
критериям прочности;
Результаты исследований механизмов разрушений основных конструк-
тивных элементов монолитных железобетонных несущих систем в режиме про-
грессирующего обрушения и обоснование критериальных элементов и узлов для
оценки предельных состояний в условиях отказа локальных элементов;
Предельные величины характеристик критериальных элементов (уз-
лов) монолитных железобетонных несущих систем при прогрессирующем обруше-
нии в условиях отказа локального конструктивного элемента в составе несущей си-
стемы;
Научно обоснованные величины деформационных характеристик осо-
бых предельных состояний, корректно отражающих условия формирования допу-
стимого объема пластической фазы деформирования элементов несущих железо-
бетонных систем при прогрессирующем обрушении;
Методика расчета устойчивости к прогрессирующему обрушению мо-
нолитных железобетонных несущих систем при отказе локальной конструкции на
основе деформационных критериев особого предельного состояния.
Обоснованность и достоверность результатов исследования. Представ-
ленные в диссертации результаты исследований, выводы и заключения подтвер-
ждаются использованием общепризнанных математических моделей, методов рас-
чета и расчетных технологий, в том числе:
корректным применением методов теории твердого деформируемого
тела, строительной механики и теории сооружений;
корректным применением сертифицированных расчетных комплексов;
проведением исследований, основанных на положениях строительной
механики;
сравнительным анализом результатов численных исследований с дан-
ными других исследователей.
Реализация результатов работы заключается в разработке научно обосно-
ванных методов расчета монолитных железобетонных несущих систем в режиме
прогрессирующего обрушения на основе деформационных критериев особых пре-
дельных состояний.
Апробация и публикация результатов исследования:
Основные результаты исследований докладывались и получили одобрение
на следующих конференциях и семинарах:
Научные семинары кафедры железобетонных и каменных конструкций
Московского государственного строительного университета;
Научно-практические семинары “Расчет и проектирование конструк-
ций в среде SCAD Office” (Москва, 2017, 2018 г.г.);
VII Международная научная конференция “Задачи и методы компью-
терного моделирования конструкций и сооружений” – “Золотовские чтения”
(Москва, 14 февраля 2018 г.);
VII Международный симпозиум “Актуальные проблемы компьютер-
ного моделирования конструкций и сооружений” (Новосибирск, 1-11 июля 2018 г.)
Международная научная конференция «Сучаснi методи i проблемно-
орiентованi комплекси розрахунку конструкцiй i iх застосування у проектуваннi i
навчальному процесi» (Киев, 26-27 сентября 2018 г.);
Международная научная конференция “Integration, Partnership and In-
novation in Construction Science and Education” – IPICSE–2018 (Москва, 14-16 ноября
2018 г.).
В полном объеме диссертационная работа докладывалась на научном семи-
наре кафедры железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВО «Националь-
ный исследовательский Московский государственный строительный университет»
(г. Москва, 31 мая 2019 г).
Личный вклад автора состоит в:
Обосновании использования деформационных критериев железобетон-
ных конструкций для оценки несущей способности в условиях аварийной расчет-
ной ситуации и особого предельного состояния в режиме прогрессирующего обру-
шения при отказе локальных конструктивных элементов в составе несущей си-
стемы.
Определении новых закономерностей упруго-пластического деформи-
рования и разрушения приопорных узлов перекрытий монолитных железобетон-
ных несущих систем в условиях отказа локальной конструкции как процесса фор-
мирования и накопления разрушений с учетом исчерпания несущей способности
по ключевым критериям прочности.
Определении и обосновании величины деформационных характери-
стик особых предельных состояний, корректно отражающих условия формирова-
ния допустимого объема пластической фазы деформирования элементов несущих
железобетонных систем при прогрессирующем обрушении;
Разработке и верификации методики расчета устойчивости к прогрес-
сирующему обрушению монолитных железобетонных несущих систем при отказе
локальной конструкции на основе деформационных критериев особого предель-
ного состояния.
Публикации. Основные положения, изложенные в диссертации и выноси-
мые на защиту, опубликованы в 8 научных работах, в том числе – в 2 работах в
научных изданиях, входящих в действующий перечень рецензируемых научных
изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты
диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой
степени доктора наук (Перечень рецензируемых научных изданий), 5 работы в за-
рубежных изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science.
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, общих выводов и
предложений, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 184 стра-
ницы печатного текста, в том числе 72 рисунка, 7 таблиц и 1 приложение, список
литературы включает 171 наименование трудов отечественных и зарубежных ав-
торов.
Работа выполнена на кафедре «Железобетонных и каменных конструкций»
ФГБОУ ВПО «МГСУ» под руководством доктора технических наук, доцента О. В.
Кабанцева.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры «Железо-
бетонные и каменные конструкции» НИУ МГСУ за объективную оценку работы,
данные ценные рекомендации и замечания по теме работы, а также научному ру-
ководителю за помощь и неизменно доброжелательное отношение.
Использование подходов, хорошо зарекомендовавших себя в сейсмостой-
ком строительстве, как для условий с видом воздействия, относящегося к особым,
основанных на допущении определенного объема повреждений, в результате чего
реализуется работа несущих конструкций в пластической фазе, подразумевает
необходимость определения характеристик особого предельного состояния, кор-
ректно отражающих допустимый объем пластической фазы деформирования.
В рамках исследования механизмов разрушений основных конструктивных
элементов монолитных железобетонных несущих систем в режиме прогрессирую-
щего обрушения обосновано, что ключевыми (критериальными) элементами и уз-
лами монолитных железобетонных систем для оценки особых предельных состоя-
ний в условиях отказа локальных элементов являются монолитные железобетон-
ные перекрытия, а именно приопорные зоны перекрытий.
Для установленных критериальных конструкций и узлов проведены числен-
ные исследования величин критериальных параметров, входящих в характеристику
предельного состояния. В результате численных исследований особых предельных
состояний элементов монолитных железобетонных несущих систем при отказе
опорных конструкций был проведен качественный анализ – постановка вопроса о
силовом или деформационном виде воздействия для корректного анализа перехода
в предельное состояние. В результате сравнение полученных величин силовых и
деформационных факторов установлено, что результаты, полученные с использо-
ванием деформационных факторов, хорошо коррелируют с параметрами исследу-
емых моделей. Силовые факторы, моделирующие воздействие в режиме отказа не-
сущей конструкции, не имеют приемлемой корреляционной зависимости с явлени-
ями исчерпания несущей способности приопорных зон перекрытий и параметрами
моделей, что не позволяет их использовать для исследования процессов, происхо-
дящих в монолитных железобетонных несущих системах в условиях прогрессиру-
ющего обрушения. Исходя из вышеизложенного сделан вывод, что необходимо ис-
пользовать только деформационные виды воздействия.
В качестве основного критерия для оценки НДС монолитных железобетон-
ных конструкций перекрытий для режима отказа вертикальной несущей конструк-
ции принята величина относительной деформации, соответствующая образованию
допустимой зоны «разрушения» приопорного участка перекрытия при действии
поперечных сил, т.е. в условиях приопорной зоны в состоянии, «предшествующем
разрушению».
Анализ результатов исследований в упрощенной постановке показал, что
значение коэффициента допускаемых повреждений для монолитных железобетон-
ных несущих систем, устойчивых к прогрессирующему обрушению, уменьшается
с увеличением пролета, что наряду с исходными данными, использованными для
исследования, противоречит физическому смыслу данного коэффициента. Вели-
чины предельно допускаемых коэффициентов пластичности оказались неоправ-
данно большими даже для сейсмостойкого строительства.
Для уточнения необходимо применять методы, позволяющие учитывать из-
менение исследовательской модели вследствие исчерпания несущей способности
отдельных ее элементов, т.е. учитывать деградацию свойств элементов несущих
железобетонных систем.
В этих целях обоснован (с необходимыми дополнениями) метод моделиро-
вания процесса структурных изменений конструктивных элементов монолитных
железобетонных систем в режиме учета развития деградации конструкции, исполь-
зование которого позволило обосновать и определить величины деформационных
критериев предельных состояний для анализа устойчивости монолитных железо-
бетонных несущих систем к прогрессирующему обрушению.
Таким образом, проведенные уточняющие исследования обосновывают воз-
можность использования деформационных критериев для оценки напряженно-де-
формированного состояния монолитных железобетонных конструкций, включая
пластическую фазу деформирования, в условиях отказа вертикального элемента
несущей системы. Установленные характеристики предельной пластичности и со-
ответствующие им коэффициенты допускаемых повреждений представляют собой,
по существу, характеристики особых предельных состояний монолитных железо-
бетонных конструкций для режима прогрессирующего обрушения.
Исследованиями на основе принятой величины относительной деформации,
соответствующей образованию допустимой зоны «разрушения» приопорного
участка перекрытия при действии поперечных сил, как основного критерия для
оценки НДС монолитных железобетонных конструкций для режима отказа верти-
кальной несущей конструкции, установлены величины коэффициентов допускае-
мых повреждений, которые отличаются относительной постоянностью величины с
увеличением пролета. Полученные результаты верифицированы методом расчета,
выполненного в физически нелинейной постановке.
Принятые деформационные критерии особого предельного состояния кор-
ректно отражают условия формирования допустимого объема повреждений эле-
ментов несущих железобетонных систем при прогрессирующем обрушении. В ка-
честве рекомендованной к использованию величины коэффициента допускаемых
повреждений принята величина K1 = 0,50.
Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы
Проведение (на основе рассмотрения представительного набора реальных
зданий с монолитными железобетонными несущими системами) численных иссле-
дований устойчивости к прогрессирующему разрушению при контролируемом
объеме пластических деформаций конструктивных элементов.
Читать «Разработка деформационных критериев предельных состояний монолитных железобетонных зданий при прогрессирующем разрушении»
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (37 отзывов)
5 (188 отзывов)
5 (158 отзывов)
4.9 (298 отзывов)
4.8 (37 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.8 (2878 отзывов)
4.9 (35 отзывов)
