К вопросу о несущей способности железобетонных плит на продавливание при динамическом нагружении на объектах наземной космической инфраструктуры
Трекин Николай Николаевич – доктор технических наук, профессор Национального исследовательского Московского государственного строительного университета.
Крылов Владимир Владимирович – аспирант Национального исследовательского Московского государственного строительного университета.
Аннотация: В данной статье приведены описания конструктивных систем объектов наземной космической инфраструктуры, указаны пути совершенствования планировочных и конструктивных решений. Представлен вариант возможного перспективного объемно-планировочного, конструктивного решения объекта космической инфраструктуры. Указан важный узел, отвечающий за механическую безопасность конструктивной системы. Дано предложение по расчету на продавливание плоских плит при динамическом воздействии.
Ключевые слова: Динамическая нагрузка, железобетонные конструкции, продавливание, плоская плита, динамическая прочность, коэффициент динамичности.
В соответствии со статьей 48.1 Градостроительного кодекса Российской Федерации (1) объекты космической инфраструктуры относятся к особо опасным и технически сложным объектам капитального строительства, являясь объектами повышенного уровня ответственности (класс КС-3).
Объекты наземной космической инфраструктуры подлежат идентификации в соответствии с требованиями статьи 4 «Технического регламента о безопасности зданий и сооружений» ФЗ-384 от 30.12.2009 (2).
Сооружения объектов космической инфраструктуры рассчитываются на основные и особые сочетания нагрузок. К основным сочетаниям относятся нагрузки, принятые в соответствии с СП 20.13330.2016 (3) (собственный вес, снеговые, ветровые, вес грунта и т.д.).
В качестве особых сочетаний принимаются нагрузки (особые воздействия) от воздушно-ударной волны при аварии на старте, падение осколка, аварийное выключение двигателей, воздушно-ударная волна от косвенного действия ядерных средств поражения (СП 88.13330.2014) (4), сейсмические нагрузки (СП 14.13330.2014) (5).
В расчетах строительных конструкций и оснований объектов космической инфраструктуры должны учитываются все виды нагрузок, соответствующих функциональному назначению и конструктивному решению зданий и сооружений, климатические, а в необходимых случаях технологические воздействия, а также усилия, вызываемые деформацией строительных конструкций и оснований, включая технологические требования по взаимному расположению блоков стартового сооружения.
Объемно-планировочные и конструктивные решения объектов космической инфраструктуры зависят от возможности строительных конструкций воспринимать особые воздействия и всвязи с этим критерием делятся на две группы:
- сооружения, обеспечивающие сохранность внутреннего объема;
- сооружения, не обеспечивающие сохранность внутреннего объема.
На фотографии 1 представлен общий вид стартового комплекса космодрома «Восточный» РН «Союз».
Фотография 1. Общий вид стартового комплекса космодрома «Восточный» РН «Союз».
Для зданий и сооружений, обеспечивающих сохранность внутреннего объема при особых воздействиях, для которых предусматриваются режимы изоляции от внешней среды (командный пункт, укрытия, центрально-распределительный пункт, насосная станция пожаротушения), в качестве конструктивного решения используются стеновые конструктивные системы, (СП 52-103-2007) (6) выполняемые из монолитного железобетона, с размерами в свету между несущими стенами до 7,2м.
Сооружения, в которых устанавливается технологическое оборудование, требующее больших пролетов и высот этажей, выполняются с несущим полным каркасом, а в качестве ограждающих конструкций применяются навесные панели. Данные сооружения в таком конструктивном исполнении не обладают необходимой несущей способностью для восприятия всех особых воздействий. Следовательно, при аварийной ситуации данные сооружения будут повреждены и работоспособность космодрома в целом снижена до нуля, при этом восстановление работоспособности потребует значительных материальных затрат, сопоставимых и возможно превышающих затраты на строительство объекта.
Фотография 2. Основное помещение технологического сооружения космодрома «Восточный» РН «Союз».
На фотографии 2 представлен вид основного помещения технологического сооружения с размещенным оборудованием.
В связи с чем вполне целесообразно выглядит возможность оптимизации конструктивных решений для вновь создаваемых объектов космической инфраструктуры, позволяющих реализовывать объемно-планировочные решения для размещения сложных технологических процессов, требующих «гибких» планировочных решений, а также наличия возможности модернизации и развития объекта без реконструкции.
Оптимизация объёмно-планировочных и конструктивных решений представляет собой совокупность следующих мероприятий:
- выбор конструктивных решений, обеспечивающих механическую безопасность зданий и сооружений, подбор сечений элементов, выбор материала несущих конструкций;
- компоновка помещений внутри зданий и сооружений, а также подбор материалов несущих и ограждающих конструкций для обеспечения пожарной безопасности;
- учет опасных природных процессов и явления при формировании объёмно-планировочных и конструктивных решений;
- повышение безопасности для пользователей зданиями и сооружениями;
- учет в объёмно-планировочных решениях мероприятий по улучшению энергетической эффективности;
- повышение безопасности воздействия на окружающую среду.
Рисунок 1. Пример плана объекта космической инфраструктуры с перспективным объемно-планировочным и конструктивным решением.
На рис.1 представлен пример плана объекта космической инфраструктуры с перспективным объемно-планировочным и конструктивным решением, позволяющимперейти от стеновой конструктивной системы сооружения к комбинированной и включающей в себя:
- устройство колонн вместо стен во внутреннем объеме;
- введение дополнительных диафрагм жесткости, обеспечивающих пространственную работу конструкций при особых воздействиях;
- сохранение наружной стены, обеспечивающей сохранность внутреннего объема,
- использование безбалочного покрытия.
Данное решение позволяет формировать «гибкое» планировочное решение, способное:
- размещать любой технологический процесс;
- обеспечить возможность модернизации объекта как в рамках уже имеющегося строительного объема, так и в рамках присоединения нового независимого блока;
- обеспечить сохранность внутреннего объема при особых воздействиях;
- обеспечить возможность усиления существующих конструкции при увеличении особых воздействий.
При этом необходимо отметить, что основным узлом в данном перспективном конструктивном решении, обеспечивающим надежность, живучесть, безопасность, является соединение колонны с фундаментной плитой, а также колонны с плитой покрытия, работающий на продавливание в месте соединения с колонной под действием особых, динамических нагрузок.
Современные нормы проектирования развитых стран имеют существенные различия в расчетных положениях по определению несущей способности монолитных железобетонных плит на продавливание. Данные расчетные положения выполнены для статической работы конструкций и не учитывают особенности динамического воздействия и характера работы конструкций.
Отечественные нормы проектирования СП 63.13330.2012 (7) расчет на продавливание производят для плоских железобетонных элементов (плит) при действии на них местных, концентрированно приложенных усилий – сосредоточенных сил и изгибающих моментов при условии статического приложения нагрузок (рис. 2).
Рисунок 2. Расчетная модель для расчета на продавливание.
Требования по расчету с учетом динамических нагрузок представлены в СП 88.13330.2014 (4) при этом динамические нагрузкидопускается сводить к эквивалентным статическим нагрузкам Fэс с учетом коэффициента динамичности kд.
Можно предположить, для расчета плоской железобетонной плиты без поперечной арматуры на продавливание при действии сосредоточенной приложенной силы при динамическом воздействии следующие зависимости:
Fэс<Fb,ultд, (1)
где Fэс – эквивалентная статическая сосредоточенная сила от внешней динамической нагрузки, которую можно представить в виде:
Fэс= kд·Fд, (2)
kд – коэффициент динамичности, который в соответствии с (8) зависит от восстанавливающей силы и для линейно-деформируемых систем определяется как отношение максимального перемещения системы при динамической нагрузке yмах к перемещению системы yst, вызванному статической нагрузкой, равной по величине максимальному значению динамической нагрузки:
kд= yмах/yst;
Fд – сосредоточенная сила от внешней динамически приложенной нагрузки.
Fb,ultд – предельное усилие, воспринимаемое бетоном при динамическом воздействии.
Усилие Fb,ultд определяют по формуле:
Fb,ultд= Rbtд·Аb, (3)
где Аb – площадь расчетного поперечного сечения,
Rbtд – расчетное динамическое сопротивление бетона растяжению.
Подставив в формулу (1) значения (2) и (3) получим:
kд⋅Fд ≤ Rbtд⋅Аb (4)
Полученное условие (4) требует теоретического и экспериментального подтверждения.
Выводы:
- Изучение несущей способности железобетонных плит на продавливание при динамическом нагружении является важным и необходимым шагом на пути к формированию перспективных объемно-планировочных, конструктивных решений как объектов космической инфраструктуры, специальных сооружений, так и гражданских и промышленных зданий.
- Предложенная методика для расчета плоской железобетонной плиты без поперечной арматуры на продавливание при действии сосредоточенной приложенной силы при динамическом воздействии требует теоретического и экспериментального подтверждения.
- Актуальность вопроса данного исследования подтверждается требованиями действующих государственных стандартов (9), предписывающих для оценки реакции строительного объекта при динамических воздействиях использовать соответствующие динамические модели.
Список литературы
- Градостроительный кодекс Российской Федерации;
- «Технического регламента о безопасности зданий и сооружений» ФЗ-384 от 30.12.2009;
- СП 20.13330.2016«Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*
- СП 88.13330.2014«Защитные сооружения гражданской обороны». Актуализированная редакция СНиП II-11-77*;
- СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах». Актуализированная редакция СНиП II-7-81*;
- СП 52-103-2007 «Железобетонные монолитные конструкции зданий»;
- СП 63.13330.2012«Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения». Актуализированная редакция СНиП 52-01-2003;
- Расчет конструкций на динамические специальные нагрузки. Н.Н. Попов, Б.С. Расторгуев, А.В. Забегаев.
- ГОСТ 27751-2014 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».