Экономическая эффективность различных конструктивных решений железобетонных перекрытий в каркасных зданиях при расчете на прогрессирующее разрушение

На сегодняшний день для зданий относящихся к повышенному и нормальному классу ответственности по ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения» требуется расчет на прогрессирующее разрушение. Расчет на прогрессирующее разрушение как правило производится статический - по методикам представленным в [1], [2] и [3] (возможно использование и других подходов, учитывающих динамические эффекты [10-13]). Наиболее часто используется методика приведенная в [1], поскольку в ней предлагается использовать при расчете такие программные комплексы как ЛИРА, MicroFE, SCAD, STARK ES. При расчете сначала моделируется состояние системы, соответствующее нормальной эксплуатации (первичное состояние системы), после чего моделируется особое состояние системы в котором производится удаление одной или нескольких вертикальных конструкций (вторичное состояние системы). Исходя из данных полученных по первичному и вторичному состоянию системы производится подбор армирования элементов. Расчеты могут вестись в линейной постановке с корректированием жесткости, а также в нелинейной постановке с учетом геометрической и физической нелинейности. Необходимо отметить что при расчетах первичного состояния системы используются расчетные характеристики материалов и расчетные нагрузки, а при расчете вторичного состояния системы – нормативные характеристики материалов и только нормативные постоянные и длительные нагрузки. Первичное состояние рассчитывается по первой и второй группе предельных состояний, а вторичное состояние – по первой.

При проектировании зданий, в которых невозможно и/или нецелесообразно устройство конструкций защиты от прогрессирующего разрушения (такие варианты приведены, например, в [1-7]), важным вопросом является выбор конструктивного решения перекрытия. Одним из определяющих факторов выбора перекрытия является его стоимость. Стоимость перекрытия зависит от его материалоемкости и трудозатрат на возведение, а они после проведения дополнительного расчета здания на прогрессирующее разрушение как правило возрастают. Связано это с тем что в конструкции приходится вводить дополнительное армирование для восприятия усилий, возникающих при удалении колонн. У различных вариантов перекрытий возрастание показателей стоимости происходит неодинаково, поэтому актуально будет произвести анализ экономических показателей различных конструктивных решений железобетонных перекрытий. Для данного анализа выбраны три варианта перекрытий рассчитываемые в составе каркасного здания: безбалочное, балочное ребристое, балочное с балками в двух направлениях.

Расчет производился в ПК ЛИРА САПР по методике приведенной в [1] (основные положения расчета описаны выше), а также с учетом [8,9]. Исходные данные для рассчитываемого здания: 5 этажей высотой 3,6м; сетка колонн 6х6м, колонны сечением 40х40см. Для всех конструкций принят бетон класса B25, арматура класса А500С. Нагрузки на перекрытия указаны в таблице 1, габариты сечений плит и балок - в таблице 2. Перекрытие моделируется элементами с шагом 0,2 – 0,3м – КЭ №44(универсальный четырехугольный КЭ оболочки). Колонны –КЭ №10(универсальный стержень). Сопряжение колонны с плитой моделируется абсолютно жестким телом (АЖТ).

Таблица 1

Нагрузки на перекрытия

Габариты сечений

Рис. 1. Расчетные схемы каркасов:

а) с безбалочными перекрытиями(вариант №1); б) с балочными ребристыми перекрытиями(вариант №2) ; в) с балками в двух направлениях(вариант №3).

Материалоемкость перекрытий (расход бетона и арматуры) представлена в таблице 3. Наибольший расход арматуры по результатам расчета первичного состояния - в варианте №3, вторичного состояния - №1. Наименьший расход арматуры по результатам расчета первичного и вторичного состояния в варианте №2, вторичного состояния в варианте №1.

Показатели увеличения армирования (разница между армированием в первичном и вторичных состояниях) после расчета вторичного состояния приведены в таблице 4. Наибольшего увеличения армирования требует вариант перекрытия №1, наименьшего – №3.

Расчет стоимости материалов и трудозатрат приведен в таблице 5. Наибольшую суммарную стоимость по результатам расчета первичного состояния имеет вариант перекрытия №3, по результатам расчета вторичного состояния - вариант перекрытия №1. Наименьшую стоимость в обоих вариантах имеет вариант перекрытия №2.

Показатели увеличения стоимости перекрытия после расчета вторичного состояния по представлены в таблице 6. Наибольшего увеличения стоимости требует вариант перекрытия №1, наименьшего - №3.

Гистограммы с основными результатами расчета представлены на рисунке 2.

Таблица 3

Расход арматуры и бетона на ячейку 6х6м

Таблица 4

Показатели увеличение армирования после расчета вторичного состояния на ячейку 6х6м

Таблица 5

Стоимость материалов и работ по возведению ячейки 6х6м

Таблица 6

Увеличение стоимости перекрытий после расчета вторичного состояния 6х6м

Рис. 2. Результаты расчета перекрытий: а – расход арматуры; б –стоимость

1 –вариант перекрытия №1; 2 – вариант №2; 3 – вариант №3

ВЫВОДЫ

1. В статье рассмотрена актуальная проблема – выбор экономически выгодного конструктивного варианта перекрытия при расчете здания с учетом прогрессирующего разрушения;
2. Наименьшую суммарную стоимость, полученную в результате расчета на прогрессирующее разрушение, имеет балочное ребристое перекрытие. Не смотря на высокую трудоемкость изготовления, оно имеет самую низкую материалоемкость, что дает преимущество перед другими вариантами конструктивных решений;
3. Наибольшую суммарную стоимость имеет безбалочное перекрытие. Данное обстоятельство связано с тем, что в безбалочном перекрытии существенно увеличивается материалоемкость после расчета прогрессирующее разрушение;
4. Промежуточным вариантом по суммарной стоимости является балочное перекрытие с балками в двух направлениях. Данный вариант, сочитая в себе преимущества и недостатки двух других вариантов, имеет лучшее сопротивление к прогрессирующему разрушению – увеличение армирования в нем после расчета вторичного состояния минимальное.

ЛИТЕРАТУРА

1. СТО – 008 – 02495342 – 2009 Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. - ЦНИИПромзданий, М.: 2009, 21с.
2. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. - М.: ГУП НИАЦ, 2005.
3. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. - М.: ГУП НИАЦ, 2005.
4. Тихонов И.Н., Козелков М.М., Демидов А.Р. К проектированию зданий из железобетона с учетом защиты от прогрессирующего обрушения//Бетон и железобетон. 2006. №6. С. 6-10.
5. Егоров П.И., Милевская О.Ю. Способы защиты зданий каркасного типа от прогрессирующего разрушения.// Ученые заметки ТОГУ. 2014. Т.5. №2. С. 12-20.
6. Домарова Е.В. Расчетно-конструктивные методы защиты от прогрессирующего разрушения железобетонных монолитных каркасных зданий. //Вестник Иркутского государственного технического университета. 2015. С. 219-220.
7. Руденко Д.В., Руденко В.В. Защита каркасных зданий от прогрессирующего обрушения// Инженерно-строительный журнал. 2009. №3. С. 38-41.
8. Давидюк А.А., Артемьев Е.А., Шокот С.В. Подбор армирования перекрытия в программных комплексах ЛИРА-САПР, SCAD, ЛИРА 10// Промышленное и гражданское строительство. 2018. №10. С. 69-73.
9. Городецкий Д.А., Барабаш М.С., Водопьянов Р.Ю. [и др.]. Программный комплекс ЛИРА-САПР. Киев – М.,2013. 376 с.
10. Мутока К.Н. Живучесть многоэтажных каркасных железобетонных гражданских зданий при особых воздействиях. Дис. канд. техн. наук. М.,2005.185с.
11. Као Зуй Кхой. Динамика прогрессирующего разрушения монолитных многоэтажных каркасов. Дис. канд. техн. наук. М.,2010.192с.
12. Силантьев А.С., Шокот С.В. Процесс разрушения колонны при динамическом воздействии и его учет в расчете на прогрессирующее обрушение// Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 7. С. 58-62.
13. Алмазов В.О., Плотников А.И., Расторгуев Б.С. Проблемы сопротивления зданий прогрессирующему разрушению// Вестник МГСУ. 2011. №2. С.15-20.

REFERENCES

1. STO-008-02495342-2009. Predotvraschenie progressirujuschego obrushenija zhelezobetonnyh monolitnyh konstruktsij zdanij [Prevention of progressive collapse of reinforced concrete monolithic structures of buildings]. Moscow, TsNIIPromzdaniy Publ.,2009. 21р. (In Russian).
2. Rekomendatsii po zaschite vysotnyh zdanij ot progressirujuschego obrushenija [Recommendations for the protection of monolithic residential buildings from progressive collapse]. Moscow, GUP NIAC,2006. (In Russian).
3. Rekomendatsii po zaschite vysotnyh zdanij ot progressirujuschego obrushenija [Recommendations for the protection of monolithic residential buildings from progressive collapse]. Moscow, GUP NIAC,2005. (In Russian).
4. Tikhonov I.N., Kozelkov M.M., Demidov A.R. K proektirovaniju zdanij iz zhelezobetona s uchetom zaschity ot progressirujuschego obrushenija [To the design of buildings made of reinforced concrete with regard to the protection against progressive collapse]. Beton i zhelezobeton. 2006. №6. pp. 6-10. (In Russian).
5. Egorov P.I., Milevskaya O.Yu. Sposoby zaschity zdanij karkasnogo tipa ot progressirujuschego razrushenija. [Ways to protect buildings of the frame type from progressive destruction]. Uchenye zametki TOGU. 2014. T.5.№2. рр. 12-20. (In Russian).
6. Domarova E.V. Raschetno-konstruktivnye metody zaschity ot progressirujuschego razrushenija zhelezobetonnyh monolitnyh karkasnyh zdanij. [Design-constructive methods of protection against the progressive destruction of reinforced concrete monolithic frame buildings]. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. 2015. pp. 219-220.
7. Rudenko D.V., Rudenko V.V. Zaschita karkasnyh zdanij ot progressirujuschego obrushenija. [Protection of frame buildings from progressive collapse]. Inzhenerno-stroitel'nyj zhurnal. 2009. №3. pp. 38-41.
8. Davidyuk A.A.,Artemyev E.A., Shokot S.V. Selection of Reinforcement for Floor Slabs Using Software Packages LIRA-SAPR, SCAD, LIRA 10. Promyshlennoe I grazhdanskonskoe stroitel’stvo [Industrial and Civil Engineering], 2018, no. pp. 69-73. (In Russian).
9. Gorodeckij D. A., Barabash M. S., Vodop'yanov R. Yu., et al. Programmnyj kompleks LIRA–SAPR [The software package LIRA-SAPR]. Kiev, Moscow, 2013. 376 p. (In Russian).
10. Mutoka K.N. Zhivuchest' mnogo`etazhnyh karkasnyh zhelezobetonnyh grazhdanskih zdanij pri osobyh vozdejstvijah [Survivability of multi-storey reinforced concrete civil buildings with special effects]. Dis. kand. tekhn. nauk. Moscow, 2005. 185p. (In Russian).
11. Kao Zui Khoi. Dinamika progressirujuschego razrushenija monolitnyh mnogo`etazhnyh karkasov [Dynamics of progressive destruction of monolithic multi-storey frames]. Dis. kand. tekhn. nauk. Moscow, 2010. 192p. (In Russian).
12. Silantiev A.S., Shokot S.V. Process of Destruction of a Column under Dynamic Impact and Its Accounting in Calculation for Progressive Collapse. Promyshlennoe I grazhdanskonskoe stroitel’stvo [Industrial and Civil Engineering], 2017, no. 7, pp. 58-62.(In Russian).
13. Almazov V. O., Plotnikov A. I., Rastorguev B. S. Problemy soprotivlenija zdanij progressirujuschemu razrusheniju [Problems of resistance of buildings to progressive destruction]. Vestnik MGSU 2011. №2. pp.15-20.