Сопротивляемость прогрессирующему разрушению монолитных каркасов зданий при локальных повреждениях узлов от продавливания

Введение. При проектировании зданий и сооружений необходимо обеспечивать механическую безопасность на протяжении всего жизненного цикла объекта. Во время эксплуатации зданий возникают ситуации, при которых монолитные несущие конструкции приобретают дефекты в зоне узла сопряжения колонн и плит (УСКП) в безбалочных перекрытиях. Это прежде всего трещины, обусловленные изгибом плит и продавливанием плит колоннами. Проблема учета работы конструкций с учетом таких данных локальных повреждений при аварийных ситуациях недостаточно изучена. В ряде случаев потеря несущей способности узлов носит хрупкий характер, что не допускается нормативными документами, так как может привести к прогрессирующему, в том числе лавинообразному, разрушению соседних элементов.

Материалы и методы. Определяется несущая способность элементов и степень устойчивости к прогрессирующему разрушению 9-этажного монолитного безбалочного каркаса при различных сценариях начальных локальных повреждений. Вводится три уровня таких повреждений, при этом осуществляется моделирование узлов соединения плит и колонн объемными конечными элементами. Верификация расчетной модели выполняется экспериментально путем натурных испытаний УСКП на продавливание при центральном приложении нагрузки. С целью расчетов используется программный комплекс Simulia Abaqus. Для моделирования деформаций бетона применяется модель СDP, деформаций арматуры — билинейные диаграммы с упрочнением.

Результаты. Получены экспериментальные данные о деформациях узла соединения плиты и колонны при нагружении продольной силой и реализации режима продавливания. С учетом выделенных уровней повреждений и экспериментальных сведений проведены расчеты монолитного каркаса с различными сценариями повреждений в исследуемых узлах. Установлен характер перераспределения усилий для каркасов с разными уровнями таких повреждений и степень их опасности при реализации прогрессирующего разрушения.

Выводы. Определено, что повреждения в узлах соединения колонн и безбалочных перекрытий могут приводить к перераспределению усилий и изменению характера работы плиты перекрытия. Эти изменения в аварийных ситуациях при конструктивных решениях узлов, предусматривающих двухсторонние и трехсторонние расчетные контуры в терминах СП 63.13330 при расчетах на продавливание, могут инициировать прогрессирующее разрушение. Для таких узлов требуется дополнительное расчетное обоснование.

1. Adam J.M., Parisi F., Sagaseta J., Lu X. Research and practice on progressive collapse and robustness of building structures in the 21st century // Engineering Structures. 2018. Vol. 173. Pp. 122–149. DOI: 10.1016/j.engstruct.2018.06.082

2. Тамразян А.Г., Алексейцев А.В. Оптимальное проектирование несущих конструкций зданий с учетом относительного риска аварий // Вестник МГСУ. 2019. Т. 14. № 7. С. 819–830. DOI: 10.22227/1997-0935.2019.7.819-830. EDN HUIEAL.

3. Тамразян А.Г. К анализу узла сопряжения монолитных плит и колонн при продавливании // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения : мат. Междунар. академических чтений. 2020. С. 101–109. EDN HSMPUN.

4. Залесов А.С., Дорофеев В.С., Шеховцов И.В. Прочность и деформативность плит на продавливание // Бетон и железобетон. 1992. № 8. С. 14–17. EDN OUCCKB.

5. Филатов В.Б., Бубнов Е.П. Экспериментальные исследования прочности плоских железобетонных плит при продавливании // Промышленное и гражданское строительство. 2017. № 2. С. 86–91. EDN YFPWRB.

6. Muttoni A. Punching shear strength of reinforced concrete slabs without transverse reinforcement // ACI structural Journal. 2008. Vol. 105. Issue 4. DOI: 10.14359/19858

7. Gardner N.J., Huh J., Chung L. Lessons from the Sampoong department store collapse // Cement and Concrete Composites. 2002. Vol. 24. Issue 6. Pp. 523–529. DOI: 10.1016/s0958-9465(01)00068-3

8. Wood J.G.M. Pipers row car park collapse: Identifying risk // Concrete. 2003. Vol. 37. Issue 9. Pp. 29–31.

9. Кабанцев О.В., Горбатов С.В., Песин К.О. Оценка влияния локальных дефектов перекрытия на основе учета поэтапного изменения расчетной схемы под нагрузкой // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2015. № 2 (49). С. 89–108. EDN TOLUXH.

10. Liu J., Tian Y., Orton S.L., Said A.M. Resistance of flat-plate buildings against progressive collapse. I: Modeling of slab-column connections // Journal of Structural Engineering. 2015. Vol. 141. Issue 12. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0001294

11. Yi W.J., Zhang F.Z., Kunnath S.K. Progressive collapse performance of RC flat plate frame structures // Journal of Structural Engineering. 2014. Vol. 140. Issue 9. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0000963

12. Russell J.M., Owen J.S., Hajirasouliha I. Experimental investigation on the dynamic response of RC flat slabs after a sudden column loss // Engineering Structures. 2015. Vol. 99. Pp. 28–41. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.04.040

13. Кабанцев О.В., Митрович Б. К выбору характеристик предельных состояний монолитных железобетонных несущих систем для режима прогрессирующего обрушения // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2018. № 6 (378). С. 234–241. EDN TTXZYZ.

14. Колчунов В.И., Клюева Н.В., Бухтиярова А.С. Сопротивление пространственных узлов сопряжения железобетонных каркасов многоэтажных зданий при запроектных воздействиях // Строительство и реконструкция. 2011. № 5 (37). С. 21–32. EDN OIRNVV.

15. Трекин Н.Н., Саркисов Д.Ю., Крылов В.В., Евстафьева Е.Б., Андрян К.Р. Несущая способность монолитных железобетонных плит на продавливание при статическом и динамическом нагружении // Строительство и реконструкция. 2022. № 5 (103). С. 67–79. DOI: 10.33979/2073-7416-2022-103-5-67-79. EDN HCBULC.

16. Micallef K., Sagaseta J., Ruiz M.F., Muttoni A. Assessing punching shear failure in reinforced concrete flat slabs subjected to localised impact loading // International Journal of Impact Engineering. 2014. Vol. 71. Pp. 17–33. DOI: 10.1016/j.ijimpeng.2014.04.003

17. Ulaeto N. Numerical modelling of symmetric and asymmetric punching and post-punching shear responses of RC flat slabs // 11th European LS-DYNA Conference 2017. 2017.

18. Melo G., Regan P.E. Post-punching resistance of connections between flat slabs and interior columns // Magazine of Concrete Research. 1998. Vol. 50. Issue 4. Pp. 319–327. DOI: 10.1680/macr.1998.50.4.319

19. Fernández Ruiz M., Mirzaei Y., Muttoni A. Post-punching behavior of flat slabs // ACI Structural Journal. 2013. Vol. 110. Issue 5. DOI: 10.14359/51685833

20. Тамразян А.Г. Концептуальные подходы к оценке живучести строительных конструкций, зданий и сооружений // Железобетонные конструкции. 2023. Т. 3. № 3. С. 62–74. DOI: 10.22227/2949-1622.2023.3.62-74. EDN IKRNWX.

21. Kolchunov V.I., Savin S.Yu. Survivability criteria for reinforced concrete frame at loss of stability // Magazine of Civil Engineering. 2018. Nо. 4 (80). Pp. 73–80. DOI: 10.18720/MCE.80.7. EDN XYLDTF.

22. Lubliner J., Oliver J., Oller S., Onate E. A plastic-damage model for concrete // International Journal of Solids and Structures. 1989. Vol. 25. Issue 3. Pp. 299–326. DOI: 10.1016/0020-7683(89)90050-4

23. Rasoul Z.M.R.A., Mtaher H.M.A. Accuracy of concrete strength prediction behavior in simulating punching shear behavior of flat slab using finite element approach in Abaqus // Periodicals of Engineering and Natural Sciences. 2019. Vol. 7. Issue 4. P. 1933. DOI: 10.21533/pen.v7i4.943

24. Genikomsou A.S., Polak M.A. Finite element analysis of punching shear of concrete slabs using damaged plasticity model in ABAQUS // Engineering Structures. 2015. Vol. 98. Pp. 38–48. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.04.016

25. Алексейцев А.В., Антонов М.Д. Динамика безбалочных железобетонных каркасов сооружений при повреждениях плит продавливанием // Строительство и реконструкция. 2021. № 4 (96). С. 23–34. DOI: 10.33979/2073-7416-2021-96-4-23-34. EDN UJXFML.