Прогрессирующее обрушение – серьёзная угроза для строительных конструкций, когда локальный отказ элемента может вызвать цепное разрушение. Вопрос защиты зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения стал особенно актуальным с принятием нормативных документов, регламентирующих методы расчёта и проектирования с учётом этого риска. Особое внимание уделено нормативной базе, причинам возникновения прогрессирующего обрушения и подходам к его расчёту в SCAD++.

Нормативные требования

Расчёт на прогрессирующее обрушение обязателен для производственных зданий КС-3, а также КС-2 с массовым пребываниям граждан и в случаях, предусмотренных заданием на проектирование согласно ГОСТ 27751-2014. В остальных случаях, когда расчёт необязателен, предусмотрены альтернативные мероприятия по пунктам 5.11 и 5.12 СП 296.1325800.2017. Согласно СП 539.1325800.2024 для зданий повышенного уровня ответственности должна быть выполнена проверка аварийной расчётной ситуации, связанной со взрывом, столкновением, аварией, пожаром и отказом одной из несущих конструкций. Подробнее про проведение НТС специалистами АО «ЦИФРА» можно ознакомиться по ссылке.
Прогрессирующее обрушение, как аварийная ситуация может возникнуть по ряду причин согласно пунктам 4.1, 4.2 и 4.5 СП 296.1325800.2017:

• локальные дефекты конструкций (повреждение колонн или несущих стен);
• воздействие внешних факторов (взрывы, пожары, природные катаклизмы);
• ошибки проектирования или монтажа;
• нарушение эксплуатационных требований;

Есть два основных сценария при внезапном отказе одного из несущих элементов конструкции:

• Динамический, в случае взрывов или аварийных перегрузок, где необходимо учитывать динамическое поведение системы.
• Статический, когда элемент исключается из работы из-за ошибки или производственного дефекта, динамические эффекты обычно не рассматриваются.

Моделирование и расчёты

При расчёте на прогрессирующее обрушение применяются подходы:

• Pulldown: в первичной схеме рассчитываются усилия, которые прикладываются с обратным знаком в месте отказа элемента во вторичной схеме.
• Pushdown предполагает увеличение нагрузок на конструкции, примыкающие к удаляемому элементу.

Для расчёта на устойчивость против прогрессирующего обрушения по СП 385.1325800.2018 рекомендуется использовать квазистатический и динамический методы.

Способы моделирования удаления элемента по СП 385.1325800.2018

Подробнее о методах, основанных на pushdown-анализе написано в статье Comparison of Different Procedures for Progressive Collapse Analysis of RC Flat Slab Structures under Corner Column Loss Scenario.

Квазистатический метод

Этот метод предполагает использование статического подхода для моделирования внезапного выхода из строя элемента.
В SCAD++ квазистатический метод реализован в специальном режиме "Прогрессирующее обрушение", который позволяет удалить элемент из схемы с учётом перераспределения нагрузок на оставшиеся элементы.

Значения узловых нагрузок после удаления колонны

Для учёта внезапности удаления элементов применяется коэффициент динамичности Kдин, который увеличивает нагрузку, действующую на конструкцию, для компенсации динамических воздействий. Таким образом, квазистатический метод даёт приближенный результат, но позволяет оценить последствия локального отказа без сложного моделирования динамических эффектов.
По результатам расчётов получены критические факторы для здания с учётом и без прогрессирующего обрушения. 

Критические факторы

Динамический метод

Динамический метод учитывает временной фактор и характер внезапного разрушения. В этом случае моделируются динамические эффекты, такие как импульсные нагрузки и колебания, которые возникают в конструкции вследствие мгновенного отказа элемента. Это позволяет получить более точную оценку реакции всей конструкции на аварийную ситуацию, но требует более сложных расчётов и большего объёма вычислительных ресурсов.
Для выполнения динамического расчёта можно воспользоваться режимом «Прямое интегрирование уравнений движения», для которого предварительно необходимо создать текстовый файл с описанием закона изменения сил, возникающих при внезапном удалении элемента.
В результате анализа динамическим методом получены графики изменения перемещений, усилий во времени.

График зависимости перемещений, мм от времени, с по оси Z

Деформации системы от прогрессирующего обрушения

Заключение

Расчёт на возможность прогрессирующего обрушения является важной частью проектирования, учитывая нормативные документы, такие как СП 385.1325800.2018. На сегодняшний день существует несколько способов проверить здание на стойкость к обрушению, основными являются квазистатический и динамический методы анализа.
Инженеры АО «ЦИФРА» обладают компетенциями в расчётах на прогрессирующее обрушение, что в свою очередь способствует учёту необходимых факторов для повышения надёжности зданий и сооружений.

Список использованных источников

1. СП 296.1325800.2017 Здания и сооружения. Особые воздействия, 2017
2. ГОСТ 27751-2014 Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения
3. СП 385.1325800.2018 Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения. Правила проектирования. Основные положения, 2018
4. СП 539.1325800.2024 Научно-техническое сопровождение инженерных изысканий, проектирования и строительства. Общие положения, 2024

Изображение заголовка Micah Williams на Unsplash