Проектирование каменных конструкций на случайные повреждения – типы случайных нагрузок

Случайные повреждения в каменных конструкциях возникают из-за непредвиденных нагрузок. Обсуждается проектирование кладочных конструкций для случайных повреждений, вызванных различными типами случайных нагрузок.

Проектирование каменных конструкций на случай случайных повреждений

Как правило, каменные конструкции рассчитаны на нормальные нагрузки, но возможно, что каменная кладка здания подвергается ненормальным условиям нагрузки, и обычно каменная конструкция не рассчитана на такие необычные нагрузки.
В этой статье будет рассмотрена конструкция каменной кладки для случайных повреждений.

Виды случайных нагрузок на каменные конструкции

Случайные нагрузки можно определить как нагрузки, на которые здание обычно не рассчитано, и основные их типы следующие:

Взрывные нагрузки на каменные конструкции

Взрывные нагрузки на каменные конструкции могут возникать как внутри, так и снаружи сооружения. Существуют различные типы взрывных нагрузок, например, детонация бомбы, воспламенение газа или транспортировка взрывоопасных химических материалов или газа.
Кривая зависимости давления от времени для каждого из источников взрывчатых веществ различна. Несмотря на то, что нагрузки, вызванные взрывом, имеют динамическую природу, они рассматриваются как статическая нагрузка, и расчеты проводятся в зависимости от этого предположения.

Ударные нагрузки на каменные конструкции

Источниками этого типа случайных нагрузок могут быть транспортные средства, например, столкновение автомобиля со стеной или колонной многоэтажного сооружения, и строительное оборудование, например, случайный удар груза крана о стену.

Другие нагрузки

Существуют и другие нагрузки, которые могут рассматриваться как случайные. Например, оседание фундамента, внесение изменений в конструкцию из соображений безопасности и т.д.

Риск возникновения случайных нагрузок на каменные конструкции

Риск возникновения случайных нагрузок имеет существенное значение, поскольку возникновение конкретных рисков. Например, осветление может быть приемлемым, а другие риски – нет.
Общая стоимость конструкции увеличивается из-за проектирования с учетом случайных повреждений. Поэтому для того, чтобы предлагаемые методы проектирования стали приемлемыми, крайне важно учитывать соотношение роста затрат и степени опасности.
Опасности, которые общество может принять, можно сравнить численно, рассмотрев вероятность смерти на человека в год для различных типов аварий. Очевидно, что эта оценка меняется не только в зависимости от географического положения, но и от времени.
Пример статистики смертности от несчастных случаев приведен в Таблице-1.
Таблица-1: Статистика смертности в результате несчастных случаев в США
Причина
Риск на человека в год
Автотранспорт
2.7 x 10-4
Падение
1.0 x 10-4
Пожар
4.0 x 10-4
Утопление
2.8 x 10-4
Огнестрельное оружие
1.3 x 10-4
Отравление
1.1 x 10-4
Землетрясение
8.0 x 10-4
Молния
5.5 x 10-4
Показано, что риск случайного повреждения и пожара одинаковы, и в случае пожара устанавливается проектная мера против пожара. Аналогичное обоснование должно применяться для принятия необходимых мер против случайной нагрузки.
Оценка случайных повреждений каменных конструкций зависит от возникновения ненормальных нагрузок.
В таблице-2 приведен нижний предел числа аномальных нагрузок в год.
Таблица-2 Количество нижних пределов аномальных нагрузок в США, 1966 г.
Тип случайной нагрузки
Количество в год
Взрывчатка
204
Взрывы газа
131
Взрыв опасных материалов
177
Столкновение с автомобильным транспортом
190
Итого/год
702

Вероятность прогрессирующего разрушения каменных конструкций

Важно рассмотреть возможность прогрессирующего разрушения кладочных конструкций в случае случайных нагрузок.
В целом, существует три типа несущих кладочных конструкций, которые необходимо исследовать на предмет случайных повреждений, а именно:
Тип A: Когда имеется наружная стена без возвратов или только один внутренний возврат. Если панель снять, то оставшаяся секция будет висеть на перекрытии выше. Конструкция типа А показана на рисунке 1 и рисунке 2.

Вид в плане, наружная стена с небольшим возвратом

Вид в плане, наружная стена без возврата

Тип B: ВЕсли имеется внутренняя стена без возврата. Плита перекрытия будет поддерживать стену над поврежденной стеной, Рисунок-3.

Вид в плане, внутренняя стена без возврата

Тип C: Вкогда возвращающаяся стена или стена подвергается большому местному несущему напряжению из-за удаления части стены, а оставшаяся стена поддерживается возвращающейся стеной.

Высокое местное напряжение, действующее на возвратную стену из-за удаления участка стены

На основе изучения различных высотных и малоэтажных конструкций показано возможное возникновение одного из типов обрушения несущей кладки из-за удаления панели. Кладочные конструкции, отвечающие требованиям частичного обрушения, могут быть спроектированы без значительных трудностей.
На основании результатов испытаний, проведенных на секции пятиэтажной кирпичной конструкции с поперечной стеной, в которой основная часть поперечной стены первого этажа удалена, чтобы показать устойчивость конструкции в поврежденной ситуации, было установлено, что кирпичная конструкция может быть легко спроектирована для обеспечения альтернативного пути передачи нагрузки при случайном повреждении.
Кроме того, отмечается, что вероятность возникновения прогрессирующего обрушения составляет 0,045%.
Наконец, можно сказать, что опасность прогрессирующего обрушения в конструкциях несущих каменных стен значительно мала. Тем не менее, учитывая большие социальные последствия возникновения прогрессирующего обрушения и низкую стоимость мер, необходимых для борьбы с этим разрушением, необходимо предусмотреть дополнительные меры предосторожности при проектировании для предотвращения такого обрушения.
Примером прогрессирующего обрушения является Ronan Point, в котором прогрессирующее обрушение на углу 23-этажного здания произошло в результате случайного взрыва газа.

Методы проектирования каменных конструкций при случайных повреждениях

Существует два метода проектирования, которые могут быть использованы для борьбы со случайными повреждениями:

Проектирование каменных конструкций против возникновения случайных повреждений.

Этот метод является явно дорогостоящим, если он применяется в общем случае. Но в конкретных ситуациях он может быть полезен для снижения вероятности локального разрушения в кладочных конструкциях.
Например, опасность взрыва может быть уменьшена путем ограничения использования газа в здании. Снижение вероятности не гарантирует устранения возможности возникновения прогрессирующего разрушения.

Допустить возникновение случайных повреждений, затем спроектировать конструкцию против прогрессирующего разрушения

Этот метод используется для предотвращения прогрессирующего разрушения кладочных конструкций, когда произошло локальное разрушение. Понятно, что со всеми видами разрушений справиться невозможно, поэтому необходимо определить уровень допустимого местного разрушения, который учитывается при проектировании.
Допустимый уровень локального разрушения наружной стены может быть больше, чем внутренней, и может быть связан с количеством этажей. Что касается степени допустимого местного разрушения, в разных странах используются различные правила.
Когда решено, что локальное разрушение может произойти, тогда необходимо проанализировать конструкцию, чтобы определить, произойдет ли прогрессирующее разрушение или нет, и для этого можно использовать три метода.
– Трехмерный анализ конструкции
– Двухмерный анализ сечений, взятых через здание
– поэтажный подход
Первые два метода не подходят для проектирования. Однако третий метод предполагает удаление несущего элемента в конкретном этаже, и оценка остаточной устойчивости проводится изнутри этого этажа.

Рекомендации по проектированию каменных конструкций, представленные в BS 5628

Теоретические методы анализа, представленные в вышеуказанных разделах, и экспериментальные исследования привели к рекомендациям по проектированию, представленным в BS 5628:

Использование связей в каменных конструкциях

BS 5628 рекомендует использование связей в качестве способа ограничения случайных повреждений кладки. Спецификации по проектированию аварийных повреждений, представленные в кодексе, делятся на четыре этажа или меньше и пять этажей или выше.
Для первого варианта нет никаких спецификаций, в то время как для второго варианта предусмотрены три варианта, которые можно найти в таблице 12 BS 5628.
Различные типы связей, предусмотренные в кладочных конструкциях, следующие:

Вертикальные связи

Это непрерывные связи стен или колонн, за исключением нахлестки или анкеровки от фундамента до крыши, и они должны быть закреплены надлежащим образом на каждом конце и этаже.
Рекомендуется, чтобы вертикальные стяжки были независимыми на каждом этаже и должны быть расположены в шахматном порядке, а не непрерывными, поскольку разрушение стяжек должно быть ограничено этажом, на котором произошел инцидент.
В соответствии с BS 5628 значение силы стяжки равно большему из следующих значений:

Или

Где:
A: площадь горизонтального поперечного сечения, исключая ненесущие листы пустотелой конструкции, но включая пирс.
h: Высота колонны или стены между ограничивающими поверхностями
t: Толщина стены или колонны
Кодекс рекомендует, чтобы толщина сплошной стены или одного несущего элемента пустотелой стены была не менее 150 мм, а характерная прочность кладки на сжатие составляла не менее 5 КН/м2.
Кроме того, стяжки должны быть установлены на максимальном расстоянии 5 м по центру вдоль стены и максимум 2,5 м от ненагруженного конца любой стены. Наконец, соотношение (h/t) составляет 25 для стен из узкой кладки и 20 для других типов стен.

Горизонтальные связи

Существует четыре различных типа горизонтальных связей, а именно:

• Периферийные связи,
• Внутренние связи,
• внешние стеновые связи и
• внешние стяжки колонн.

Для каждого типа применяется свое правило проектирования.
Меньшее из следующих двух значений является горизонтальной силой стяжки:

Ns: является числом этажей, однако фактическое число используется в зависимости от типа стяжки.
Периферийные стяжки устанавливаются в пределах 1,2 м от края пола, крыши или периметра стены. Сила стяжки может быть вычислена с помощью уравнения-2, и стяжки должны быть закреплены в углах с обратным углом или при изменении конструкции.
Внутренние стяжки расположены так, чтобы пролетать в обе стороны, и должны быть закреплены к периметральным связям или продолжены как связующие колонны или стены. Величина усилия стяжки (Ft’) рассчитывается по следующей формуле:

Ft: вычисляется в соответствии с уравнением-2
Gk + Qk: Сумма средней характерной мертвой и приложенной нагрузки в КН/м2
La: является меньшим из наибольшего расстояния в направлении стяжки между центрами колонн или других вертикальных несущих элементов или пятикратной высоты этажа, как определено на рисунке 5.

Высота этажа

Стяжка внешней стены или колонны – Как для внешних стен, так и для колонн, сила стяжки имеет наименьшее значение (2Ft) или (h ? 2.5Ft), h – в метрах, а сила стяжки – в KN для колонн, в то время как для длины несущих стен – в KN/m.
Связи должны применяться в обоих направлениях для внешних колонн, и связи, вероятно, будут частично или полностью обеспечиваться той же арматурой, что и периметральные и внутренние связи.
Связи для кладки стен должны быть распределены равномерно или сосредоточены в центрах с максимальным расстоянием между ними 5 м и максимальным расстоянием 2,5 от конца стены. Стяжки могут частично или полностью обеспечиваться той же арматурой, что и периметральные и внутренние стяжки.
Сила связи может быть основана на прочности на сдвиг или трении, а не на стальных связях.
Читать далее: Причины и типы трещин в каменной кладке зданий и методы их ремонта

• Важные ноу-хау о прогрессирующем обрушении строительных конструкций.
• 3 важных случая обрушения зданий из-за плохого управления строительством.
• Что такое стяжка пола? Ее виды, материалы, конструкция и применение.
• ПРОЕКТИРОВАНИЕ НА СЛУЧАЙ ТЕРРОРИСТИЧЕСКОЙ АТАКИ ДЛЯ НОВОГО СТРОИТЕЛЬСТВА.
• 2 Важные примеры разрушения длиннопролетных стальных конструкций.
• Концепция проектирования высотных зданий из железобетона.
• Всемирный торговый центр: Причины разрушения здания после атаки 9/11.