Обеспечение надежности и устойчивости зданий и сооружений при аварийных расчетных ситуациях относится к обязательным требованиям конструктивной безопасности. Согласно ГОСТ 27751–2014, прогрессирующее обрушение определяется как последовательное разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его части вследствие начального локального повреждения [1, п. 2.2.9]. При этом расчет на прогрессирующее обрушение предусматривается для зданий и сооружений класса КС-3, а также зданий и сооружений класса КС-2 с массовым нахождением людей [1, п. 5.2.6]. В соответствии с СП 385.1325800.2018 основным конструктивным требованием является обеспечение необходимой несущей способности и деформативности конструктивных элементов и соединений между ними при локальном разрушении [2, п. 9.1].

В качестве объекта исследования рассматривается расчетная модель многоэтажного монолитного железобетонного здания. Здание имеет прямоугольную форму в плане с размерами 24,0 × 33,6 м. Основная сетка колонн принята с шагом 6,0 × 5,6 м, высота этажей — 3,0 м (см. рис. 1). В центральной части здания расположено ядро жесткости, обеспечивающее пространственную устойчивость конструктивной системы.

Рис. 1. План и пространственная расчетная модель здания

Расчет выполнен методом конечных элементов в ПК «ЛИРА-САПР» [5]. Для анализа поведения здания при аварийной расчетной ситуации рассмотрены три расчетных состояния: исходная конструктивная схема, вторичная расчетная схема с локальным удалением колонны, а также вторичная расчетная схема с локальным удалением колонны и устройством разгружающей монолитной железобетонной плиты. Такой подход позволяет оценить изменение напряженно-деформированного состояния конструктивной системы после выключения одного из несущих элементов и определить эффективность мероприятий по ограничению развития повреждений [4].

По результатам численного моделирования наиболее неблагоприятным сценарием признано локальное удаление колонны Б/2, расположенной в зоне между ядром жесткости и угловой колонной. При данном расчетном сценарии происходит существенное перераспределение усилий в смежных вертикальных и горизонтальных элементах. Полного обрушения здания не зафиксировано, однако в отдельных конструкциях возникают повреждения и признаки недостаточного резерва несущей способности. Характер повреждений плиты на отметке +3,000 после удаления колонны Б/2 показан на рисунке 2.

Рис. 2. Разрушения в +3,000 после удаления колонны Б/2: а) Трещины в верхнем слое плиты; б) Трещины в нижнем слое плиты; в) Мозаика максимальных напряжений

Для повышения живучести конструктивной системы рассмотрены два варианта конструктивных мероприятий. Первый вариант предусматривает резервирование прочности плит перекрытия за счет увеличения площади рабочей арматуры. Данное решение направлено на повышение несущей способности горизонтальных элементов, воспринимающих увеличенные изгибающие моменты после локального выключения колонны [3]. Второй вариант предусматривает устройство разгружающей монолитной железобетонной плиты в уровне второго этажа, которая включается в пространственную работу здания и способствует перераспределению усилий между элементами конструктивной системы.

Анализ усилий в вертикальных элементах показал, что удаление колонны Б/2 вызывает резкое изменение работы смежных колонн. Для колонны А/2 на отметке ±0,000 при удалении колонны Б/2 значение момента M _z возрастает до 126,95 кН·м, при этом элемент переходит в разрушенное состояние. После устройства разгружающей плиты момент M _z в данном сечении снижается до 5,98 кН·м. При этом повреждение элемента полностью не исключается, что показывает ограниченный характер влияния разгружающей плиты на работу отдельных вертикальных конструкций.

Наиболее выраженный положительный эффект получен при анализе плит перекрытия. При локальном удалении колонны Б/2 максимальные прогибы плит составляют порядка 149–153 мм. После устройства разгружающей плиты прогибы снижаются примерно до 51 мм, то есть почти в три раза. Одновременно отмечается снижение главных напряжений в плите, что свидетельствует о более благоприятном перераспределении усилий в горизонтальных элементах конструктивной системы. Сравнение расчетных схем приведено на рисунке 3.

Рис. 3. Расчетные схемы работы здания при локальном удалении колонны Б/2: а — схема с удалением колонны; б — схема с удалением колонны и устройством разгружающей плиты

Для проверки достаточности принятых конструктивных мероприятий выполнена оценка резерва несущей способности колонн и подбор рабочей арматуры плиты перекрытия по максимальным усилиям, полученным во вторичной расчетной схеме. Расчет плиты перекрытия толщиной 200 мм выполнен для полосы шириной 1 м. По максимальному изгибающему моменту требуемая площадь рабочей арматуры составила не менее 14,82 см²/м. В качестве расчетного решения принято армирование Ø16 А400 с шагом 125 мм, обеспечивающее фактическую площадь арматуры 16,09 см²/м. Условие подбора арматуры выполняется. Для колонн сечением 600 × 600 мм выполнена проверка двух вариантов продольного армирования. Результаты проверки приведены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты проверки армирования элементов

Результаты проверки показывают, что принятое армирование колонн обеспечивает несущую способность сечений при работе во вторичной расчетной схеме. Для плиты перекрытия требуется усиленное армирование Ø16 А400 с шагом 125 мм в обоих направлениях, что связано с увеличением изгибающих моментов после локального выключения колонны [3].

Для оценки рациональности конструктивных решений выполнено укрупненное экономическое сравнение двух вариантов повышения устойчивости здания: резервирования прочности плит перекрытия и устройства разгружающей плиты. Сравнение выполнено относительно исходного варианта здания без дополнительных мероприятий по защите от прогрессирующего обрушения. В базовом варианте принято армирование плит А400 Ø12 с шагом 200 мм, а в надколонных зонах — А400 Ø12 с шагом 100 мм. Для варианта резервирования прочности принято армирование А400 Ø16 с шагом 125 мм на восьми расчетных уровнях. Для варианта устройства разгружающей плиты принято армирование А400 Ø18 с шагом 200 мм в верхней и нижней зонах одной дополнительной плиты.

Таблица 2

Сравнение дополнительных материальных затрат по вариантам повышения устойчивости здания

По результатам укрупненного сравнения устройство разгружающей плиты экономичнее на 6,1 млн. руб. (в ценах 2026 г) или 52 % по сравнению с вариантом резервирования прочности. Данный результат следует рассматривать как предварительную технико-экономическую оценку, поскольку в расчете учтены только основные материальные затраты.

Выводы

1. Наиболее неблагоприятным расчетным сценарием является локальное выключение колонны между ядром жесткости и угловой колонной, вызывающее значительное перераспределение усилий в смежных элементах.
2. Резервирование прочности плит обеспечивает требуемую несущую способность, но приводит к существенному увеличению расхода арматуры на всех расчетных уровнях.
3. Устройство разгружающей плиты снижает максимальные прогибы плит примерно в 3 раза и ограничивает распространение повреждений.
4. По укрупненной оценке материальных затрат устройство разгружающей плиты экономичнее резервирования прочности на 52 %, поэтому может рассматриваться как более рациональное конструктивное мероприятие.

Литература:

1. ГОСТ 27751–2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения. — Введ. 2015–07–01.
2. СП 385.1325800.2018. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения. — Введ. 2019–01–06. — С изм. № 1–4.
3. СП 63.13330.2018. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения.
4. Федорова Н. В., Савин С. Ю. Анализ особенностей сопротивления прогрессирующему обрушению конструктивных систем зданий и сооружений при внезапных структурных перестройках: аналитический обзор научных исследований // Строительство и реконструкция. — 2021. — № 3(95). — С. 76–108.
5. Малахова А. Н., Мухин М. А. Проектирование железобетонных конструкций с использованием программного комплекса ЛИРА: учебное пособие. — 2-е изд. — Москва: НИУ МГСУ, 2016. — 120 с.