К вопросу о недостатках конструктивных решений, обеспечивающих устойчивость к прогрессирующему обрушению покрытий одноэтажных зданий со стальным каркасом

В статье рассмотрены различные варианты конструктивных решений по усилению устойчивости покрытий одноэтажных зданий со стальным каркасом к прогрессирующему обрушению. Сделаны выводы о недостатках каждого решения, предложены варианты дальнейшего развития исследований по теме.

Ключевые слова: строительство, проектирование, здания и сооружения, прогрессирующее обрушение, узлы соединения стальных конструкций.

За последние двадцать лет в нормативную документацию по всему миру стали включать требования о необходимости расчёта зданий на устойчивость к прогрессирующему обрушению. Данные меры связаны с большим количеством аварий, где разрушение какого-либо одного элемента или узла конструкции вело к цепной реакции, приводящей в итоге к полному разрушению здания, с соответствующими людскими и материальными потерями.

В нашей стране основными документами, обосновывающими необходимость и регламентирующими данный вид расчёта, являются соответственно ГОСТ 27751–2014 и СП 385.1325800.2018. Согласно первому документу, расчёт на прогрессирующее обрушение необходимо производить для зданий и сооружений класса КС-3, а также зданий и сооружений класса КС-2 с массовым нахождением людей [1], вне зависимости от того, является рассматриваемое здание вновь возводимым или проходящим реконструкцию. Под обозначенные выше требования попадает довольно большое количество зданий, что делает проблему прогрессирующего обрушения довольно массовой и актуальной.

Что касается конструктивных решений по покрытиям одноэтажных зданий со стальным каркасом (которые в инженерной практике встречаются достаточно часто), то в СП 385.1325800.2018 с учётом изменений № 1 и № 2 приведён всего один пункт (9.4.1), касающийся устойчивости данного типа зданий к прогрессирующему обрушению: для повышения устойчивости к прогрессирующему обрушению одноэтажных каркасных зданий при соответствующем обосновании следует устанавливать конструкции, обеспечивающие перераспределение усилий после локального разрушения одного из несущих элементов каркаса [2]. Данная формулировка довольно размытая и не содержит конкретных рекомендаций по применению каких-либо конструктивных мероприятий, предотвращающих неблагоприятное развитие аварийной ситуации.

Более конкретные указания даны в п. 6.4 пособия к СП 385.1325800.2018 [3]. В нём рекомендуется устанавливать по продольным рядам колонн дополнительные неразрезные подстропильные фермы. Однако данное решение, как указано в самом пособии, не обеспечивает устойчивость при разрушении угловой колонны, а также может вызывать проблемы с освобождением температурных деформаций.

В инженерной практике встречается иное решение, схожее с тем, которое дано в пособии, но при этом позволяющее минимизировать температурные деформации и при добавлении дополнительных связей обеспечить устойчивость покрытия при выключении из работы угловой колонны. Рассмотрим это решение на примере здания пролётом 30 м со стропильными фермами и связями из гнутосварных профилей квадратного и прямоугольного сечения, которое уже прошло расчёт и подбор сечений на действие основных нагрузок, возникающих в стадии нормальной эксплуатации (рис. 1,2).

Рис. 1. Результаты расчёта каркаса по первой группе предельных состояний в стадии нормальной эксплуатации

Рис. 2. Результаты расчёта каркаса по перемещениям в стадии нормальной эксплуатации

Суть озвученного выше решения заключается в формировании между поперечными стропильными фермами дополнительных продольных ферм, которые при возникновении аварийной ситуации воспримут вес покрытия (рис. 2).

Рис. 3. Дополнительные продольные фермы (выделены красным)

Нижним поясом данных ферм служат неразрезные связи того же сечения, что и нижний пояс основной фермы, верхним поясом являются неразрезные прогоны. Раскосы выполнены из прокатных труб и крепятся шарнирно.

В качестве возможного сценария начала прогрессирующего обрушения примем следующие наиболее вероятные ситуации: выключение из работы рядовой или угловой колонны. Расчёт будем производить в программном комплексе ЛИРА-САПР в квазистатической постановке. Нормативные нагрузки определены в соответствии с СП 385.1325800.2018 и СП 20.13330.2016 [4] и представлены в таблице 1.

Таблица 1

Принятые в расчёте нагрузки

Параметры конструктивной проверки заданы в соответствии с СП 16.13330.2017 [5], коэффициент условий работы γ _с принят равным 1,1.

Результаты расчёта представлены на рис. 2 (коэффициенты использования по первой группе предельных состояний) и рис. 3 (перемещения по оси Z). Слева приведена схема с убранной угловой колонной, справа — с рядовой.

Рис. 4. Результаты проверки элементов каркаса по первой группе предельных состояний при прогрессирующем обрушении

Рис. 5. Результаты проверки элементов каркаса по перемещениям при прогрессирующем обрушении

По результатам расчёта видно, что принятое решение удовлетворяет требованиям нормативной документации.

Для обеспечения неразрезности поясов дополнительных ферм необходимо предусмотреть жёсткие узлы сопряжения прогонов с верхними поясами основных стропильных ферм. Для этого достаточно обеспечить неразрезность прогона над опорой и выполнить жёсткое сопряжение в месте, где в стадии нормальной эксплуатации не возникает значительного по величине изгибающего момента, поскольку узел сопряжения в основном предназначен для восприятия значительных продольных усилий, возникающих при аварийной ситуации (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция узла крепления неразрезного прогона к верхнему поясу фермы

Обеспечение неразрезности нижнего пояса дополнительных ферм производится за счёт его соединения с пластинами, приваренными к нижнему поясу главных ферм, на болтах с контролируемым натяжением. Такое решение позволяет обеспечить устойчивость стенок трубы при возможной аварийной ситуации (рис. 7).

Рис. 7. Конструкция узла крепления неразрезных связей к нижнему поясу фермы

На рисунках 6 и 7 можно заметить дополнительные фасонки в местах крепления раскосов к поясам ферм. Они необходимы для обеспечения местной устойчивости поясов. При различных сценариях прогрессирующего обрушения, особенно когда происходит разрушение пояса фермы в пределах наиболее напряжённой панели, происходит значительное перераспределение усилий между поясами и раскосами основных стропильных ферм. Сжимающие и растягивающие усилия в раскосах значительно увеличиваются, что может привести к потере местной устойчивости стенок пояса (см. рис. 8).

Рис. 8. Расчёт узла крепления прогонов к верхнему поясу в программном комплексе IdeaStatics на усилия, возникающие при выключении из работы рядовой колонны

У представленного в данной работе решения по увеличению устойчивости конструкции покрытия к прогрессирующему обрушению можно выделить следующие достоинства:

1. Меньшая металлоёмкость по сравнению с вариантом, который предлагает пособие к СП 385.1325800.2018;
2. Возможность освобождения температурных деформаций;
3. Высокая несущая способность при прогрессирующем обрушении (максимальный коэффициент использования по первой группе предельных состояний для рассматриваемого примера составил 73 %, максимальные перемещения — 82 мм);

К основным недостаткам представленного решения можно отнести следующие:

1. Усложнение конструкции узлов, что ведёт к дополнительным расчётам и увеличению расхода материалов на них;
2. Узлы, обеспечивающие предложенные мероприятия по усилению сложны в монтаже, особенно узел, подобный тому, что приведёт на рис. 7.

Резюмируя вышеизложенную информацию, можно сделать следующие выводы:

1. Нормативная документация по теме содержит довольно малый объём информации о конструктивных решениях, предотвращающих развитие прогрессирующего обрушения;
2. Предлагаемые в нормативной документации и инженерной практике решения не задействуют в работе конструкции после удаления одного из элементов стандартные, либо неким образом усиленные узлы соединения элементов конструкции покрытия, хотя учёт этого мог бы позволить исключить введение в конструктивную схему дополнительных элементов;
3. Предлагаемые решения значительно усложняют монтаж несущих конструкций, увеличивают металлоёмкость здания в целом и как следствие ведут к удорожанию процесса строительства.

В качестве дальнейшего развития рассматриваемой темы можно выделить следующие этапы исследований: анализ других вариантов усиления устойчивости покрытия к прогрессирующему обрушению. В частности, можно рассмотреть введение по рядам колонн дополнительных связей, которые при удалении одной из колонн будут работать как висячая система. Помимо этого, для снижения металлоёмкости необходимо рассмотреть работу металла в пластической зоне. Учёт пластики в физически и геометрически нелинейной постановке позволит более полно использовать несущую способность элементов конструкции.

Также целесообразным будет учёт работы стандартных узлов соединения элементов покрытия, что, возможно, позволит отказаться от введения в схему дополнительных элементов и воспринять возникающие при аварийной ситуации усилия за счёт узлов.

Литература:

1. ГОСТ 27751–2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.

2. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения (с Изменениями № 1, 2).

3. Пособие по проектированию мероприятий по защите зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения (Часть 2).

4. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85* (с Изменениями № 1, 2, 3).