Основы теории живучести железобетонных конструктивных систем при запроектных воздействиях

На правах рукописи

КЛЮЕВА НАТАЛИЯ ВИТАЛЬЕВНА

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЖИВУЧЕСТИ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ

КОНСТРУКТИВНЫХ СИСТЕМ ПРИ ЗАПРОЕКТНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции и материалы» в ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет».

Научный консультант	- доктор технических наук, профессор Федоров Виктор Сергеевич
Официальные оппоненты	- доктор технических наук, профессор Травуш Владимир Ильич
	- доктор технических наук, профессор Назаренко Виталий Григорьевич
	- доктор технических наук, профессор Меркулов Сергей Иванович
Ведущее предприятие	- ГОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (МГСУ)

Защита состоится «23» сентября 2009 года в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.153.01 в ГОУ ВПО «Московская государственная академия коммунального хозяйства и строительства» по адресу: 109029, г. Москва, Средняя Калитниковская ул., д. 30, зал диссертационных советов, 407.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства

Автореферат разослан 27 мая 2009 года.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Ежегодный рост числа техногенных и природных катастроф, значительный износ основных фондов в стране выдвигают на проблему обеспечения безопасности зданий и сооружений в ряд важнейших. Значительную часть существующих конструктивных систем зданий и сооружений составляют железобетонные конструкции с длительными сроками эксплуатации. Традиционное решение задач конструктивной безопасности базируется на методе предельных состояний. При этом учитываются различные аспекты деформирования и разрушения железобетона, в том числе предыстория нагружения, режим силового нагружения, воздействия среды и другие особенности. Тем не менее, решение задач конструктивной безопасности в традиционной постановке уже не отвечает современным вызовам, которые относят к так называемым запроектным воздействиям. Такие воздействия часто ведут к непропорциональным отказам сооружений и, как следствие, к значительному ущербу и даже гибели людей.

На чувствительность конструктивных систем к таким воздействиям большое влияние оказывает неоднородность структуры сечений элементов и самой конструктивной системы, степень ее статической неопределимости и интенсивность армирования, уровень предварительного напряжения элементов, коррозионные повреждения конструкций и другие факторы. Анализ причин возникновения отказов и так называемых прогрессирующих обрушений сооружений указывают на актуальность и большое практическое значение постановки задач конструктивной безопасности в более широкой постановке, чем только оценка предельных состояний первой и второй групп. Если исходить из современной концепции приемлемого риска и допускать возможность разрушения конструктивных систем при внезапных запроектных воздействиях, то важнейшим показателем их безопасности становится не только конструктивная безопасность - как характеристика неразрушимости несущей системы в течение определенного проектом периода эксплуатации объекта недвижимости, но и живучесть – как характеристика неразрушимости конструктивной системы или большей ее части в течение расчетного эвакуационного промежутка времени.

Методы решения задач живучести железобетонных конструктивных систем, которые учитывали бы внезапные изменения конструктивной и, соответственно, расчетной схем конструкции при внезапном разрушении их элементов или отдельных связей недостаточно совершенны. В то же время, накопленный уровень знаний в области статики и динамики сооружений позволяет перейти от общих концептуальных положений теории живучести конструктивных систем из железобетона и других упруго–хрупко–пластических материалов к созданию основ теории и построению аналитических и полуаналитических методов анализа деформирования и разрушения физически и конструктивно нелинейных систем в запредельных состояниях.

Цель работы: создание основ теории живучести железобетонных балочных и рамно–стержневых конструктивных систем при одновременных силовых и коррозионных запроектных воздействиях и развитие методов расчета адаптационно приспособляемых к таким воздействиям сооружений.

В процессе реализации сформулированной проблемы были поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:

- разработана концепция и сформулированы исходные гипотезы и предпосылки о деформировании железобетонных физически и конструктивно нелинейных рамно–стержневых систем при внезапном выключении из работы их элементов или отдельных связей;

- построена расчетная модель силового сопротивления эксплуатируемого железобетона, учитывающая процессы накопления коррозионных повреждений и внезапные видоизменения конструктивной системы, вызванные этими повреждениями;

- на энергетической основе, без привлечения аппарата динамики сооружений разработана теория расчета динамических догружений в элементах конструктивных систем из хрупко–пластических материалов с внезапно выключающимися связями;

- сформулированы критерии живучести внезапно повреждаемых железобетонных рамно – стержневых конструктивных систем с выключающимися и односторонними связями, с учетом длительной и динамической прочности материалов;

- выполнены экспериментальные исследования живучести железобетонных конструктивных систем в виде неразрезных балок и рам с элементами сплошного и составного сечения;

- разработаны методы и алгоритмы расчета эксплуатируемых коррозионно повреждаемых железобетонных конструктивных систем при внезапных запроектных воздействиях;

-выполнены численные исследования живучести физически и конструктивно нелинейных железобетонных рамно–стержневых конструктивных систем при совместном проявлении силовых и коррозионных запроектных воздействий и дана оценка эффективности и достоверности предложенной теории и методов расчета;

-разработаны рекомендации по проектированию конструктивных систем из железобетонных элементов, адаптационно приспособляемых к внезапным запроектным воздействиям.

На защиту выносятся:

-разработанные основы теории живучести конструктивно нелинейных стержневых систем из железобетона, включающие формулировки исходных гипотез, расчетные модели силового сопротивления нагруженных железобетонных элементов при коррозионных повреждениях и динамических догружениях, критерии живучести внезапно повреждаемых конструктивно нелинейных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем, методы и алгоритмы их расчета при запроектных воздействиях;

-методика и результаты специально поставленных экспериментальных исследований по определению динамических догружений железобетонных элементов конструктивных систем в виде неразрезных балок и рам с элементами сплошного и составного сечения при моделировании силового нагружения коррозионных повреждений и догружений, вызванных внезапными выключениями элементов конструктивной системы, а так же по проверке параметров живучести;

-результаты численных исследований и анализа живучести нагруженных физически и конструктивно нелинейных железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем при совместном учете коррозионных повреждений и внезапного силового догружения;

-рекомендации по расчету железобетонных конструктивных систем, адаптационно приспособляемых к внезапным догружениям, а также проектированию конструкций, устойчивых к прогрессирующим разрушениям.

Научная новизна работы состоит в решении актуальной научно-технической проблемы – создании основ теории и методов расчета живучести конструктивных систем из железобетона, в частности:

- сформулированы исходные гипотезы для построения основ теории живучести конструктивных систем из железобетона, касающиеся физических соотношений для силовых и коррозионных воздействий, особенностей процесса нагружения, критериальных характеристик деформирования конструктивно и физически нелинейных систем;

- построена расчетная модель силового сопротивления эксплуатируемого железобетона, учитывающая одновременно протекающие коррозионные процессы изменения прочностных и деформативных характеристик материалов в нагруженных элементах конструкций и дополнительные динамические догружения от структурных изменений в конструктивной системе при внезапных выключениях из работы ее элементов;

- установлены критерии живучести внезапно повреждаемых железобетонных балочных и рамно-стержневых систем, в том числе с односторонними связями, при запроектных воздействиях;

-получены новые результаты экспериментальных и численных исследований живучести физически и конструктивно нелинейных железобетонных балочных и рамных систем при совместном проявлении силового нагружения, коррозионных воздействий и догружений, вызванных внезапными структурными изменениями в элементах таких систем;

- разработаны рекомендации по проектированию железобетонных конструктивных систем, устойчивых к прогрессирующим обрушениям при внезапных запроектных воздействиях.

Практическая значимость работы. Разработанный теоретический аппарат по расчету живучести железобетонных балочных и рамно-стержневых конструктивных систем при средовых, силовых и деформационных запроектных воздействиях позволяет выполнить расчет живучести и прогнозировать состояние конструктивных систем из железобетона в запредельных состояниях. Учет такого прогноза при проектировании физически и конструктивно нелинейных систем из железобетона, в дополнение к традиционным методам оценки конструктивной безопасности строительных систем по предельным состояниям, оценить возможные перераспределения силовых потоков в сооружениях и, как результат, проектировать конструктивные системы зданий и сооружений, адаптационно приспособляемые к внезапным запроектным воздействиям.

Достоверность полученных результатов исследований подтверждается использованием фундаментальных положений строительной механики и механики железобетона при построении исходных предпосылок и расчетных зависимостей теории живучести железобетона, сопоставлением результатов расчета с данными экспериментальных исследований, выполненных как автором так и другими специалистами, а так же практикой проектирования конкретных объектов с расчетом их живучести по предложенной теории.

Доклады и публикации. Материалы исследований докладывались и обсуждались на VII международном научно-практическом семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров республики Беларусь» (Брест, Брестский ГТУ, 2001), международной научно-практической конференциия «Строительство 2002» (Ростов на Дону, РГСУ 2002), шестой традиционной (первой международной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов (Москва, МГСУ, 2002), вторых международных академических чтениях РААСН «Новые энерго-ресурсосберегающие архитектурно-конструктивные решения жилых и гражданских зданий» (Орел, ОрелГТУ, 2003), III международных академических чтениях РААСН «Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России» (Курск, КурскГТУ, 2004), третьей международной научно-практической конференции «Развитие современных городов и реформа жилищно-коммунального хозяйства» (Москва, МИКХиС, 2005), международном научно-практическом семинаре «Актуальные проблемы проектирования и строительства в условиях городской застройки» (Пермь, Пермь ГТУ, 2005), на II академических чтениях им.проф. А.А. Бартоломея «Геотехнические проблемы XXI века в строительстве зданий и сооружений» (Пермь, Пермь ГТУ, 2007), на заседании ученого совета отделения строительных наук РААСН (Москва, РААСН, 2007), на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве» SIB – 2008 (Воронеж, ВГАСУ, 2008), научной сессии «Особенности проектирования пространственных конструкций на прочность, устойчивость и прогрессирующие разрушения» (Москва, МОО «Пространственные конструкции», 2009), на кафедре «Строительные конструкции и материалы» Орловского государственного технического университета (Орел ГТУ, 2009), на кафедре «Железобетонные конструкции» Московской государственной академии коммунального хозяйства и строительства (Москва, МГАКХиС, 2009).

Исследования проводились в рамках наиболее важных НИР плана РААСН на 2004 – 2008 гг (№ ГР 0120.0 704533; 0120.0 507531; 0120.0 612532); федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008 гг)» (проект «Разработка концепции обеспечения безопасности объектов системы высшего профессионального образования и целевой программы предупреждений и защиты от чрезвычайных и кризисных ситуаций», № ГР 0120.0 603654), плана фундаментальных НИР ГОУ ВПО «Орловский государственный технический университет» на 2007-2009 (№ ГР 01.2.007 05083), грантов РФФИ № 09-08-99024-Р-ОФИ, № 06-08-96321 и гранта молодых ученых РААСН: 2.2.32. «Разработка элементов теории и эффективных алгоритмов расчета живучести внезапно повреждаемых железобетонных стержневых конструкций (2007 г)».

Результаты исследований опубликованы в 37 научных публикациях, в том числе монографии и 16 научных работах из Перечня периодических изданий рекомендованных ВАКом России для публикации материалов докторских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 450 страницах, в том числе 119 рисунков, 16 таблиц, 292 наименования литературных источников (25 страниц).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследований и определена область практического использования полученных результатов. Приведена общая характеристика работы и ее основные положения, которые автор выносит на защиту. Обосновывается принятый в работе концептуально – методологический подход к анализу живучести конструктивных систем из железобетона при запроектных воздействиях.

В первой главе диссертации дан анализ современной теории и существующих оценок конструктивной безопасности зданий и сооружений. Показано, что в настоящее время теория расчета строительных конструкций и нормативная база для их проектирования опираются, в основном, на базовые положения метода предельных состояний. Главной задачей такого расчета является исключение наступления предельных состояний для эксплуатируемых объектов недвижимости. Между тем, такой подход уже не отвечает современным вызовам. Помимо участившихся катастроф природного характера, значительно возросла вероятность возникновения опасностей техногенного характера, в том числе опасностей, связанных с террористическими проявлениями. Необходимы новые, адекватные этим вызовам, концептуально – методологические подходы к обеспечению конструктивной безопасности строительных систем, с оценкой их силового и средового сопротивления в расширенном функциональном пространстве. Если при формулировке понятия «безопасность» исходить из императива приемлемого риска, то в более широком смысле этого термина в понятие «конструктивная безопасность» должно включаться также и понятие «живучесть» конструктивной системы. Под термином «живучесть» в работе понимается свойство конструктивной системы выполнять заданные функции в течение эвакуационного промежутка времени в полном или ограниченном объеме при отказе одного или нескольких элементов, т.е. характеризующееся количеством локальных разрушений конструктивной системы.

По мере изучения проблемы установлено, что одним из наиболее эффективных на данном этапе подходов к анализу живучести зданий и сооружений при запроектных воздействиях является обобщение и развитие базовых положений теории расчета строительных конструкций по предельным состояниям. В настоящее время отдельные предложения в этом направлении уже содержатся в исследованиях отечественных и зарубежных ученых, в числе которых можно отметить работы А.В. Александрова, В.В. Болотина, В.М. Бондаренко, М.В. Берлинова, Г.А. Василькова, Г.А. Гениева, П.Г. Еремеева, Н.Н. Стрелецкого, Э.Н. Кодыша, Н.И. Карпенко, В.И Колчунова, И.Е. Милейковского, А.Е. Ларионова, А.В. Перельмутера, Б.С. Расторгуева, В.И. Травуша, А.Г. Тамразяна, В.П. Чиркова, Г.И. Шапиро, В.С. Уткина, В.С. Федорова и др.

Использование обозначенного концептуально – методологического подхода развития теории конструктивной безопасности связано с применением современных деформационных моделей силового и средового сопротивления железобетона. В этом направлении в стране и за рубежом накоплены значительные экспериментально и теоретические исследования, в числе которых можно отметить работы Н.Х. Арутюняна, С.В. Александровского, В.М. Бондаренко, С.В. Бондаренко, Т.И. Барановой, В.Н. Байкова, А.А. Гвоздева, Г.А. Гениева, А.Б. Голышева, Г.И. Васильева, А.С. Залесова, А.В. Забегаева, Н.И. Карпенко, С.И. Меркулова, В.И. Мурашева, А.Г. Назаренко, В.И. Римшина, Р.С. Санжаровского, С.М. Скоробогатова, Б.С. Соколова, Г.А. Смоляго, С.Н. Шоршнева, Е.А. Чистякова, Р.Л. Маиляна и др. Благодаря этим и другим исследованиям к настоящему времени накоплен значительный опыт по анализу отказа элементов конструкций при различных воздействиях.