Аналіз впливу динамічних характеристик на розвиток прогресуючого обвалення будівельних конструкцій.

Abstract

UK: У роботі досліджено вплив динамічних характеристик будівельних конструкцій на механізми розвитку прогресуючого обвалення. Показано, що власні частоти, форми коливань та рівень демпфування істотно впливають на характер поширення обвалення після первинного руйнування одного або кількох несучих елементів. На основі отриманих результатів сформульовано критерії оцінки вразливості конструкцій до прогресуючого обвалення з урахуванням їх динамічних характеристик. Мета статті. Метою дослідження є встановлення взаємозв’язку між динамічними характеристиками будівельної конструкції та механізмами розвитку прогресуючого обвалення. Особлива увага приділяється впливу власних частот, форм коливань та рівня демпфування на ймовірність збудження конструкції до стану втрати стійкості або подальшого руйнування. На прикладі чисельного аналізу будівлі зі сталевим каркасом показано, що існує пряма залежність між локальними пошкодженнями та перерозподілом жорсткості конструктивної системи. Аналіз змін динамічних характеристик дає змогу ідентифікувати потенційно небезпечні зони зі зниженим опором до прогресуючого руйнування. Для оцінки вразливості до обвалення доцільно визначати перші 3–5 власних частот коливань, відповідні форми коливань, а також показники демпфування. Значне зниження жорсткості призводить до локалізації коливань, зростання амплітуд і потенційного накопичення енергії. Якщо система не в змозі погасити коливання через недостатнє демпфування, можливе каскадне руйнування. Критичними сигналами є зниження частоти більш ніж на 30 %, зростання амплітуди деформацій понад 50 %, поява локалізованих форм коливань, зменшення демпфування. Запропоновано уточнення до умов енергетичного підходу при оцінюванні поширення прогресуючого обвалення з урахуванням динамічних характеристик та локалізації деформацій у формах коливань (тобто структурної вразливості). Уточнено умови визначення динамічного коефіцієнта з урахуванням спектра частот і демпфування. Сформульовано завдання конструктивного формоутворення на основі динамічного аналізу з метою підвищення опору прогресуючому обваленню. Висновки. Використання динамічних коефіцієнтів (ударних множників), рекомендованих нормативними документами, є виправданим, але недостатнім без урахування індивідуальних характеристик конкретної конструкції. Аналіз власних форм коливань конструкцій будівлі можуть відображати потенційно слабкі місця, де деформації та напруження в конструкціях будуть найбільшими. Це важливо при прогнозуванні механізму розвитку прогресуючого обвалення. Результати дослідження можуть бути використані при оцінці вразливості існуючих будівель, а також при проєктуванні нових конструкцій, стійких до прогресуючого обвалення згідно з сучасними вимогами безпеки.

EN: The paper investigates the influence of dynamic characteristics of building structures on the mechanisms of progressive collapse development. It is shown that natural frequencies, mode shapes, and damping levels significantly affect the propagation pattern of collapse following the initial failure of one or more load-bearing elements. Based on the obtained results, vulnerability assessment criteria are formulated that take into account the dynamic properties of structures. Purpose of the article. The purpose of this study is to establish the relationship between the dynamic characteristics of a structural system and the mechanisms of progressive collapse development. Special attention is given to the effect of natural frequencies, vibration modes, and damping level on the likelihood of structural excitation leading to instability or further collapse. Based on a numerical analysis of a steel-framed building, a direct relationship is demonstrated between local damage and the redistribution of stiffness in the structural system. The analysis of changes in dynamic characteristics makes it possible to identify potentially vulnerable zones with reduced resistance to progressive collapse. To assess collapse vulnerability, it is advisable to determine the first 3–5 natural frequencies and corresponding mode shapes, as well as damping properties. A significant reduction in stiffness leads to the localization of vibrations, increased amplitudes, and potential energy accumulation. If the system is unable to dissipate vibrations due to insufficient damping, cascading failure may occur. Critical warning signs include a frequency decrease of more than 30 %, an increase in deformation amplitude by over 50 %, the emergence of localized vibration modes, and a reduction in damping. Clarifications are proposed to the conditions of the energy-based approach for evaluating the propagation of progressive collapse, taking into account dynamic characteristics and the localization of deformations within vibration modes (i. e., structural vulnerability). The criteria for determining the dynamic coefficient are refined to consider the frequency spectrum and damping. Design tasks are formulated based on dynamic analysis to enhance resistance to progressive collapse. Conclusions. The use of dynamic coefficients (impact factors) recommended by building codes is justified but insufficient without considering the individual properties of the specific structure. The analysis of structural vibration modes can reveal potential weak spots where deformations and stresses are expected to be the highest. This is crucial for predicting the mechanisms of progressive collapse propagation. The results of this research can be applied in assessing the vulnerability of existing buildings and in designing new structures resistant to progressive collapse in accordance with modern safety requirements.