Воспринятия кратковременных динамических нагрузок

●Кратковременные динамические нагрузки в гражданском и промышленном строительстве возникают в результате взрыва пыле- и газовоздушной смеси, падения грузов на конструкции и т. п. В сооружениях гражданской обороны динамическая нагрузка создается при взрыве ядерного или обычного боеприпаса. Эти нагрузки характеризуются высокой интенсивностью (давлением), малой продолжительностью действия (t≤1 с) и могут быть отнесены к аварийным воздействиям, однократно действующим на конструкцию. В этих случаях к сооружению может быть предъявлено основное требование: оно должно выдержать нагрузки без обрушения. При этом в конструкциях допускается возникновение значительных деформаций, из-за которых они могут оказаться непригодными к дальнейшей нормальной эксплуатации, однако сооружение в целом уже выполнило свою функцию, обеспечив защиту людей и оборудования. Допущение же работы конструкции в пластической стадии позволяет полностью использовать их несущую способность и запроектировать экономическое сооружение.

Проблема расчета сооружений на кратковременные динамические нагрузки высокой интенсивности возникла в 50-е годы в связи с необходимостью проектирования специальных сооружений для защиты населения от ядерного оружия. В эти же годы были получены данные о параметрах взрывных нагрузок (интенсивность, давление, продолжительность действия и закон изменения давления во времени). Реальные законы изменения давления весьма разнообразны, в практических расчетах их заменяют несколькими обобщенными зависимостями (рис. 15.2, а...е).

В настоящем разделе рассматриваются специальные сооружения, предназначенные для защиты населения от взрывных нагрузок (убежища ГО). Такие сооружения могут быть встроенными, устраиваемыми в подвальном этаже зданий, и отдельно стоящими. Встроенные убежища предпочтительнее, поскольку не занимают свободной территории, стоимость их меньше стоимости отдельно стоящих и они более удобны с точки зрения их заполнения.

Рис. 15.2. К расчету сооружений на динамические нагрузки:

а...в — изменения динамической нагрузки во времени; конструктивные схемы убежищ: г — с полным каркасом: д — с неполным каркасом; е — бескаркасная; ж — установка надопорной арматуры в неразрезном сборно-монолитном перекрытии; з —схема опирания надземного каркаса здания на перекрытие убежища; и — расчетная диаграмма деформирования изгибаемого элемента, армированного сталями классов A-II, A-II; к — то же, стержневой арматурой класса A-IV и рыше; л — расчетная схема изгибаемого железобетонного элемента; 1 — сборные элементы; 2 — монолитный бетон; 3 — надопорная арматура

Убежища располагаются в сооружениях, которые в мирное время используются для нужд народного хозяйства (предприятия культурно-бытового назначения, гаражи, бытовые помещения и т. п.), что в значительной мере определяет объемно-планировочные и конструктивные решения. Наряду с этим к убежищам предъявляется ряд дополнительных требований по обеспечению защиты укрываемых от поражающих факторов ядерного взрыва (прочность, жесткость, сопротивляемость действию высоких температур, проникающей радиации и т. п.).

Элементами убежищ являются несущие конструкции основного сооружения (перекрытия, наружные и внутренние стены, колонны, фундаменты), а также конструктивные элементы входов и аварийных выходов. Несущие конструкции выполняются из сборного, монолитного или сборно-монолитного железобетона. Для изгибаемых элементов применяют бетон классов не ниже В15, для сжатых — не менее В25. Стены убежищ выполняют из бетонных блоков, каменных или армокаменных конструкций. В качестве рабочей арматуры ненапрягаемых железобетонных элементов используют сталь классов А-II, А-III. Арматура этих классов обладает достаточно высокими пластическими свойствами, а при кратковременных динамических воздействиях ее прочностные характеристики повышаются. В предварительно напряженных железобетонных конструкциях применяют арматуру классов A-IV.A-V.

При возведении убежищ используют каркасную конструктивную схему (с полным и неполным каркасом) и бескаркасную (рис. 15.2, г...е).

Горизонтальные нагрузки на сооружение воспринимают поперечные стены, а если их устройство недопустимо по условиям технологии, то делают поперечные рамы с жесткими узлами. В сооружениях с полным каркасом допускается продольное и поперечное расположение ригелей, в последнем случае поперечная жесткость выше. В сооружениях с неполным каркасом рекомендуется продольное размещение ригелей, поскольку при этом уменьшается число сложных узлов сопряжений ригелей со стенами и улучшается работа наружных стен при совместном действии горизонтальных и вертикальных нагрузок. Поскольку объем ограждающих конструкций, рассчитанных на воздействие ударной волны, мал по сравнению с объемом всех конструкций здания, для убежищ целесообразно использовать типовые сборные железобетонные конструкции с повышенной несущей способностью, применяемые в промышленном и гражданском строительстве (пешеходных и производственных туннелей и т. п.). Для увеличения несущей способности типовых сборных железобетонных конструкций повышают класс бетона и увеличивают армирование с сохранением опалубочных размеров.

В настоящее время при проектировании убежищ широко применяют сборно-монолитные конструкции из типовых сборных элементов и монолитного бетона, который укладывают над сборными элементами и в промежутках между ними. В эти промежутки устанавливают также дополнительную рабочую (продольную и поперечную) арматуру. Сборно-монолитные конструкции целесообразно проектировать неразрезными с установкой надопорной арматуры в слое монолитного бетона (рис. 15.2, ж). Для надежной связи между сборными элементами и дополнительно уложенным бетоном поверхность сборных элементов делают шероховатой и устраивают шпонки. В послед­ние годы для покрытий убежищ широко применяют сборно-монолитные безбалочные конструкции.

При проектировании убежищ из монолитного железобетона рекомендуется использовать наиболее рациональные по характеру работы конструктивные решения: своды, оболочки, безбалочные перекрытия. Для обеспечения пространственной жесткости все элементы убежищ должны быть надежно соединены между собой с помощью сварки закладных деталей или выпусков арматуры. При решении сопряжения элементов каркаса наземной части зданий с покрытиями встроенных убежищ предусматривают свободные опирания наземных конструкций на покрытие встроенного убежища (рис. 15.2, з). В этих случаях деформации наземного каркаса не вызывают значительных усилий в конструкциях убежищ.

Расчет железобетонных конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок производят по первой группе предельных состояний, однако последние существенно отличаются от предельных состояний при статических нагрузках. Это объясняется как особенностью действия кратковременной динамической нагрузки (быстро убывающей во времени), так и особыми требованиями, предъявляемыми к сооружению, согласно которым в конструкциях могут быть допущены большие пластические деформации. В соответствии с изложенным установлены следующие предельные состояния: 1а—для конструкций, в которых допускаются значительные остаточные деформации, в этом случае потребуется их восстановительный ремонт или частичная замена; состояние характеризуется началом разрушения бетона сжатой зоны в наиболее напряженных сечениях, растянутая арматура при этом находится в стадии пластического течения; 1б — для конструкций, в которых не допускаются остаточные деформации и не требуется востановительного ремонта; состояние характеризуется достижением в арматуре физического или условного предела текучести.

Условие ненаступления предельного состояния 1б для изгибаемых элементов

где М_maх(х, t) — максимальный момент в сечении элемента, вызванный динамической нагрузкой; M_q(x) — то же, от постоянных и длительных нагрузок при γ_f=l; М_0,d — изгибающий предельный момент внутренних сил в том же сечении, определяемый с учетом повышения прочностных характеристик бетона и арматуры при высоких скоростях деформирования (см. гл. 1). Для растянутой арматуры вводится динамическое расчетное сопротивление R_s,d=R_sγ_s,d, для бетона сжатой зоны R_b,d = R_bγ_b,d, где γ_s,d = l,2, для арматуры класса А-III, γ_s,d = 1,3 для арматуры класса А-II; для бетона γ_b,d=1,2.

В конструкциях, армированных мягкими сталями, после достижения в арматуре динамического предела текучести в наиболее напряженном сечении образуется шарнир пластичности — участок элемента, где момент остается постоянным и не может использоваться в качестве критерия предельного состояния 1а. В этом случае нормирование предельного состояния осуществляется углом раскрытия в шарнире пластичности

где φmax(t)—максимальный угол раскрытия в шарнире пластичности, определяемый в результате динамического расчета; φ_u — предельный допустимый угол раскрытия, зависящий от предельных деформаций сжатого бетона, содержания арматуры и других факторов, φ_u = 0,04...0,08 [22]. Для шарнирно опертых балочных конструкций наряду с (15.4) часто используется условие [22]:

где y_max(t) — максимальный прогиб балки, полученный в результате динамического расчета; у₀ — прогиб конструкции в момент достижения в арматуре динамического предела текучести; у_u — прогиб конструкции, при котором наступает заданное предельное состояние. Во всех случаях конструкция должна быть запроектирована таким образом, чтобы не произошло обрыва растянутой арматуры.

В настоящее время для расчета железобетонных конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок с учетом пластической работы наибольшее распространение получили инженерные методы, основанные на использовании обобщенных диаграмм деформаций железобетонных элементов, характеризующих их сопротивляемость внешним динамическим воздействиям. Для изгибаемых элементов указанной диаграммой деформации является зависимость изгибающего момента от прогиба или кривизны. Такие диаграммы в зависимости от содержания и свойств арматуры в сечении элемента имеют вид, показанный на рис. 15.2, и, к. Диаграмма идеального упругопластического материала (рис. 15.2, и) принимается для изгибаемых железобетонных конструкций, армированных сталями, имеющими площадку текучести достаточной длины (классов А-II, А-III). Правомерность такой диаграммы основывается на том, что практически при любом проценте армирования (за исключением переармированных конструкций) к моменту разрушения бетона напряжения в арматуре находятся на площадке текучести. При применении арматуры без площадки текучести (классов A-IV и выше) работа изгибаемых элементов представляется диаграммами, приведенными на рис. 15.2, к. При расчете с использованием диаграммы рис. 15.2, и предполагается, что конструкция работает упруго до достижения динамического предела текучести в растянутой арматуре. После образования пластического шарнира происходит перемещение конструкции как механизма, состоящего из жестких дисков, соединенных пластическими шарнирами (рис. 15.2, л). Положение пластических шарниров определяется из эксперимента или расчетом в упругой стадии.

При расчете в упругой стадии применяют общие методы динамики упругих систем с конечным или бесконечным числом степеней свободы. Для балочных конструкций уравнение движения имеет вид

где В — жесткость конструкции с учетом образования трещин; у — поперечное перемещение балки; m — погонная масса конструкции; p(t) — действующая на конструкцию равномерно распределенная погонная динамическая нагрузка (рис. 15.2, а...в).

Решая уравнение (15.6) относительно у, определяют возникающие в конструкции изгибающие моменты М(х, t) = —В , которые при расчете по предельному состоянию 16 должны удовлетворять условию (15.3).

При расчете по предельному состоянию 1а необходимо рассмотреть движение конструкции в пластической стадии. В этом случае движение балки описывается уравнением

где ¨φ = d²φ/dt² — угловое ускорение; M_0,d — предельный изгибающий момент внутренних сил в шарнире пластичности; φ — угол поворота половины балки; точкой обозначена производная по времени.

Уравнение (15.7) решается при начальных условиях: при t=t₀, φ = 0, φ = φ₀(t₀), здесь t₀ — момент окончания упругой стадии; φ₀(t₀) — начальная угловая скорость, определяемая из условия равенства количества движения в конце упругой и начале пластической стадий.

Максимальный угол поворота φ_mах будет достигнут в момент остановки конструкции t_max, который может быть найден из условия равенства нулю угловой скорости φ(t_mах)=0. Для обеспечения прочности балки по предельному состоянию 1а φ_mах (t_max) должен удовлетворять условию (15.4).

Полный прогиб шарнирно опертой балки y = y₀(t₀)+φ_mах(t_mах)l/2 при действии внезапно приложенной постоянной во времени нагрузки (рис. 15.2, л) с учетом решения (15.6) и (15.7) будет [22]

y_mах = y₀ (0,3М_p+0,35M_0,d)/(M_o,d - М_р), (15.8)

откуда

M_0,d = (k + 0,3) M_p/(k - 0,35) = k_d M_p, (15.9)

где k_d — динамический коэффициент; k_d = (k+0,3)/(k - 0,35);M_p=pl²/8.

При расчете в упругой стадии k=1, k_d=2. Допуская в балке появление пластических деформаций, получим при k = 2 k_d=l,4; при k=4 k_d=l,07. Таким образом, допущение и учет работы конструкции в пластической стадии приводит к существенному снижению коэффициента динамичности k_d и момента М_0,d, по которому производится подбор сечений элемента. Влияние статической нагрузки учитывается повышением предельного момента в сечении М_0,d на значение М_q.

К настоящему времени разработаны методы расчета балок, плит, колонн, арок, оболочек и других конструкций при действии нагрузок, изменяющихся во времени по различным законам. Для удобства расчетов составлены графики [22].