ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ ЗДАНИЯ ПОСЛЕ ПОЖАРА
1. Описание
Здание, построенное в г. Кемерово в 1955 году, является строительным объектом промышленного назначения (рис.1.1). Основными конструкциями здания является металлический каркас (стальные конструкции), кирпичные стены (неармированные каменные конструкции) и крыша (железобетонные ребристые плиты).
Рис.1.1. Общий вид здания |
Здание имеет смешанную конструктивную схему и состоит из нескольких помещений. Все помещения кроме административно-бытового корпуса (далее АБК) – одноэтажные с многоэтажными этажерками, расположенными вокруг технологического оборудования и прикрепленными к основному каркасу здания. Помещения АБК – трехэтажные. План здания представлен на рис.1.2.
Рис.1.2. План здания на отметке 0.000 |
После инцидента, произошедшего в здании (возгорание продукта с последующим взрывом), было проведено его натурное обследования. В результате обследования были выявлены многочисленные дефекты кирпичной кладки и железобетонных плит в виде трещин и коробления металлического каркаса.
2. Критерии оценки
В соответствии с [1], п.5.1.1 строительные объекты должны удовлетворять требованиям первой и второй группы предельных состояний, для чего проводятся расчеты по несущей способности и по пригодности к эксплуатации, соответственно.
В качестве примера в данной работе приведены результаты расчетов только по несущей способности. Таким образом, в соответствии с [2], п.9.11 при расчете стен горизонтальные сечения должны быть проверены на сжатие, а наклонные сечения - на главные растягивающие напряжения при изгибе. В свою очередь, в соответствии с [3] элементы стальных конструкций, относящиеся к колоннам, должны быть проверены на центральное растяжение и сжатие, а относящиеся к балкам – на изгиб.
3. Создание модели
Техническая и проектная документация на здание отсутствует, поэтому при построении модели были использованы эскизы, выполненные по результатам натурного обследования.
В системе трехмерного твердотельного и поверхностного проектирования Autodesk Inventor была создана поверхностная модель стен здания. Затем данная модель была импортирована в универсальную программную систему конечно-элементного анализа ANSYS (далее ANSYS), где дополнительно была создана стержневая модель металлического каркаса и поверхностная модель крыши здания, что в совокупности представляет собой геометрическую модель здания (рис.3.1).
Рис.3.1. Геометрическая модель |
Для получения континуальной модели поверхностным элементам геометрической модели были присвоены значения толщин, а стержневым элементам – соответствующие геометрические сечения, в соответствии с результатами натурного обследования. Всем элементам также были присвоены необходимые физико-механические и прочностные свойства.
Переход к расчетной модели был осуществлен разбиением ее на конечно-элементную сетку (рис.3.2) с последующим приложением граничных условий, нагрузок и воздействий (далее нагрузок).
Рис.3.2. Конечно-элементная сетка здания |
Общая вычислительная размерность расчетной модели составила 163320 узлов и 188782 элементов.
4. Нагрузки и воздействия
На здание действуют следующие нагрузки, значения которых были определены в Mathcad:
- Собственный вес (G),
- Температура в летнем (L) и зимнем сезоне (Z),
- Ветер при различных направлениях* и распределениях давления (WI, WII),
- Снег с учетом (SI) и без учета (SII) снеговых мешков.
* В примере рассмотрено только одного направления ветра, однако при проведении расчетов необходимо учитывать и другие возможные направления.
В табл.4.1 приведена классификация действующих нагрузок в соответствии с [4], п.5.
Табл.4.1. Классификация нагрузок
Постоянные | Длительные | Кратковременные | Особые |
Собственный вес | - | Температура Ветер Снег |
- |
В соответствии с [4], п.6.1 расчет здания должен быть проведен с учетом неблагоприятных расчетных сочетаний нагрузок из анализа реальных вариантов одновременного действия различных нагрузок. В табл.4.2 приведены их возможные сочетания.
Табл.4.2. Сочетания нагрузок
Коэффициенты сочетания для этих нагрузок приведены в табл.4.3.
Табл.4.3. Коэффициенты сочетания
Согласно вышеприведенной таблице для проверки здания по первой группе предельных состояний необходимо провести 28 расчетов. Следовательно, для проверки здания по первой и второй группе предельных состояний необходимо провести 56 расчетов*.
* При проведении 56 расчетов будут учтены все возможные комбинации ветровых нагрузок, но только при одном направлении ветра.
Для минимизации количества расчетов были выполнены только 6 расчетов. Расчеты были выполнены с консервативным подходом, поэтому коэффициент сочетания у всех нагрузок равен единице (табл.4.4).
Табл.4.4. Коэффициенты сочетания (консервативный подход)
Области приложения некоторых вариантов нагрузок приведены в табл.4.5. Собственный вес был учтен автоматически при задании плотности материалов и ускорения свободного падения.
Табл.4.5. Области приложения некоторых вариантов нагрузок
Нагрузка | Области приложения |
Температура в зимний сезон, [°С] |
|
Ветер при одном из вариантов |
|
Снег с учетом снеговых мешков, [Па] |
5. Расчет здания
В данном разделе представлены результаты расчета только при сочетании нагрузок под номером 2.7, т.к. при данном сочетании нагрузок в конструкциях здания наблюдаются наибольшие напряжения.
Результаты расчета стальных конструкций представлены на рис.5.1.
Рис.5.1. Карта распределения эквивалентных напряжений в каркасе, [Па] |
Т.к. колонны работают на сжатие, а балки на изгиб, они имеют различные допускаемые напряжения. Поэтому для более удобной оценки полученных результатов карты напряжений для них необходимо выводить по отдельности.
Результаты расчета каменных конструкций представлены на рис.5.2 и рис.5.3.
Рис.5.2. Карта распределения растягивающих напряжений в стенах, [Па] |
Рис.5.3. Карта распределения сжимающих напряжений в стенах, [Па] |
При анализе растягивающих напряжений в кирпичной кладке оценивается трещинообразование, а при анализе сжимающих напряжений – смятие.
6. Выводы
По результатам поверочного расчета были определены наиболее опасные зоны и проанализировано их напряженно-деформированное состояние.
По результатам анализа получено, что необходимое условие прочности полностью выполняется только в стальных конструкциях. В каменных конструкциях это условие выполняется только для сжимающих напряжений, а для растягивающих напряжений не выполняется. Вследствие этого, в стенах здания имеются зоны, склонные к растрескиванию и последующему разрушению.
В связи с этим рекомендуется проведение специальных мероприятий для снижения уровня напряжений в каменных конструкциях здания с целью обеспечения возможности его безопасной эксплуатации.
7. Список литературы
- ГОСТ 27751-2014. «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».
- СП 15.13330.2012. «Каменные и армокаменные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-22-81*».
- СП 16.13330.2011. «Стальные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-23-81*».
- СП 20.13330.2011. «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*».
скачать "Прочностной расчет здания после пожара" |