CC BY
47
УДК 614.841.332
ЕЩЕ РАЗ О ПРИЧИНАХ АВАРИИ ВОДОНАПОРНОЙ БАШНИ РОЖНОВСКОГО
В. М. Ройтман
Московский государственный строительный университет
Приведены результаты анализа исходных предпосылок и подходов, использованных при экспертизе причины обрушения водонапорной башни Рожновского. Показано, что неправильное понимание механизма основных процессов, приводящих к быстрой утрате строительными объектами своих эксплуатационных качеств при чрезвычайных ситуациях, приводит к использованию неудачных физических и математических моделей аварийной ситуации и некачественной экспертизе. Предлагается ряд мер по повышению качества экспертизы причин и последствий чрезвычайных ситуаций.
Введение
Экспертиза последствий чрезвычайных ситуаций, в том числе связанных с высокотемпературными воздействиями на строительные объекты, играет важнейшую роль в разработке системы мероприятий по предотвращению повторения этих ситуаций и защите от них. Следовательно, случаи некачественной или неправильной экспертизы могут приводить к непредсказуемым негативным последствиям при решении различных задач в инженерной практике.
В данной статье, на основе анализа результатов экспертизы причин аварии водонапорной башни Рожновского [1], высказывается ряд соображений о методологии экспертной работы по оценке причин и последствий ЧС на строительных объектах и повышению качества этой работы.
Характеристика водонапорной башни Рожновского и обстоятельства аварии
Водонапорная башня Рожновского (рис. 1) состояла из несущей колонны диаметром 1,4 м, высотой 9 м с верхней расширенной частью диаметром 2,4 м и высотой 3 м. Толщина металлической стенки несущей колонны башни 4 мм [1].
Обстоятельства аварии были следующими. В условиях отрицательных температур наружного воздуха (-27°С) и случайного перекрытия во-доотводящего крана вода в башне замерзла. Чтобы растопить лед, был произведен нагрев несущей колонны башни с наветренной стороны. Очаг нагрева представлял собой три автомобильные покрышки, размещенные у наветренной стороны несущей колонны башни, облитые соляркой. После поджога этих покрышек пламя, подхваченное ветром, полукругом охватило нижнюю часть несущей колонны башни. Через 20-30 мин такого температурного воздействия на башню произошло ее падение в
сторону очага нагрева. Авария сопровождалась несчастным случаем с летальным исходом. На фотографии обрушевшейся башни (рис. 2) отчетливо видно, что ее падение произошло за счет отрыва основания несущей трубы башни от фундамента и что в зоне прогрева несущая колонна башни была прогнута в сторону очага прогрева примерно на 35-40°.
РИС.2. Вид башни Рожновского после обрушения (из работы [1])
СТАТИСТИКА И АНАЛИЗ ПОЖАРОВ
Исходные предпосылки для оценки причин аварии башни по версии [1]
В качестве исходных предпосылок для расчетных оценок обстоятельств и причин аварии башни в работе [1] были приняты следующие:
температура пламени очага внешнего нагрева башни изменялась по температурному режиму "стандартного" пожара Т^ (т);
• оценка температуры прогрева ограниченной поверхности металлической оболочки несущей колонны башни от внешнего очага горения производилась с помощью аналитического решения для случая одномерной задачи теплопроводности;
• падение башни обусловлено наступлением ее "предела огнестойкости";
• наступление "предела огнестойкости" башни обусловлено прогревом определенного "сектора" металла несущей колонны по всей ее высоте до "критической температуры", значение которой было принято равным 500°С;
• после прогрева металла несущей колонны башни до "критической температуры" в некотором "секторе" по всей ее высоте этот "сектор" несущей колонны башни выключился из работы;
• после выключения некоторого "сектора" прогретого металла несущей колонны из работы центр тяжести воспринимающего нагрузку сечения сместился относительно исходного (рис. 3) на величину Ус в сторону необогреваемой поверхности несущей колонны;
• сжимающие напряжения в воспринимающей нагрузку части сечения несущей трубы башни после выключения "сектора" прогретого металла достигли предела прочности металла, и наступил "предел огнестойкости" башни. Расчеты, проведенные в работе [1] на основе показанных выше предпосылок, позволили авторам сделать вывод о том, что "обрушение башни произошло в результате потери устойчивости из-за прогрева металла до критической температуры, характеризующей наступление предела ее огнестойкости".
Анализ экспертизы причин аварии башни по версии [1]
"Стандартный температурный режим пожара", как известно [2, 3], близок к режиму пожаров в помещениях жилых и общественных зданий. Использование этого режима для описания воздействия костра из горящих автопокрышек на открытом воздухе на наружную металлическую поверхность цилиндрической колонны нуждается в обосновании. Тем более, что расчеты самих авторов [1] подтверждают неправомерность этой предпосылки.
м
N
А-А
ад
РИС.3. Расчетная схема задачи по оценке причин падения башни Рожновского, основанная [1] на выключении из работы "сектора" металла несущей колонны башни при его прогреве до критической температуры от внешнего источника тепла: 1 — несущая колонна; 2 — верхняя расширенная часть; 3 — фундамент; 4 — "сектор" металла, прогретый до критической температуры; 5 — сечение колонны, продолжающее воспринимать нагрузку после выключения из работы "сектора" (4); 6 — центр тяжести сечения вышеуказаной колонны
"Предел огнестойкости" конструкций — это понятие, которое используется для оценки сопротивления конструкции "стандартному температурному режиму пожара". При других режимах пожара использование этого понятия некорректно [2, 3].
Воздействие наружного очага горения на ограниченную площадь наружной поверхности несущей колонны башни не подходит под случай одномерной задачи теплопроводности, который используется в работе [1]. Соответственно, выражение для определения времени прогрева ограниченной площади несущей колонны до критической температуры, полученное из представления об одномерности распространения тепла в металлической оболочке башни, некорректно.
Некорректно также использование в рассматриваемом случае понятия "критическая температура" прогрева металла. Дело в том, что "критическая температура" металла зависит от уровня нагруже-ния металла и режима его прогрева [2, 3]. Принятое в [1] значение "критической температуры" металла башни (Т^ = 500°С) характерно для уровня нагру-жения примерно 0,6-0,7 от разрушающей нагрузки и температурного режима стандартного пожара. Ни того, ни другого в рассматриваемом случае не наблюдалось.
Предпосылка о том, что в некотором секторе сечения несущей трубы башни нагретый металл выключился из работы, и произошло перераспределение нагрузки на сохранившую несущую способность часть сечения трубы, противоречит фактической картине аварии.
6
2
4
РИС.4. Общая схема изменения состояния башни Рожнов-ского при воздействии внешнего источника горения Т (т): а — положение башни в процессе теплового воздействия внешнего источника горения; б — положение башни в процессе теплового воздействия на нее, в момент отрыва основания башни от фундамента; 1 — несущая колонна; 2 — верхняя расширенная часть; 3 — фундамент; 4 — элементы крепления башни к фундаменту; 5 — очаг нагрева; 6 — "пятно" наибольшего нагрева металла несущей колонны и наибольшего развития деформации ползучести металла
Очевидная причина аварии
На фотографии упавшей башни, приведенной в [1] (см. рис. 2), отчетливо видно, что:
• падение башни произошло за счет отрыва основания несущей колонны башни от фундамента;
• несущая колонна башни изогнулась в зоне воздействия высоких температур от внешнего очага нагрева чуть ли не на 45° в сторону очага нагрева.
Единственный тип необратимой деформации металлических конструкций в условиях высокотемпературного воздействия, который мог привести к столь значительному изгибу несущей колонны башни, это деформация ползучести [2, 3]. С учетом этих очевидных факторов, очевидная причина аварии водонапорной башни Рожновского, при ее отогревании, выглядит следующим образом (рис. 4).
После того, как около башни с подветренной стороны разожгли костер из трех автомобильных покрышек, облитых соляркой, нижняя часть несущей колонны башни была полукругом охвачена пламенем за счет ветра.
В зоне прямого воздействия пламени от костра на наружной поверхности несущей колонны башни образовалось "пятно" максимального прогрева металла несущей колонны. Это "пятно" могло расползтись на большую площадь поверхности несущей
колонны за счет высокой теплопроводности металла (трехмерная задача теплопроводности).
При достижении температуры "пятна" прогретого металла порядка 300°С доминирующим процессом изменения состояния несущей трубы башни стал процесс развития деформации ползучести металла во времени огневого воздействия.
Развитие во времени огневого воздействия деформации ползучести металла, в зоне его наибольшего прогрева ("пятна") привело к соответствующему развитию процесса смещения оси башни в сторону очага горения, образованию и развитию во времени т эксцентриситета Ус (т) вертикальной силы Ы, образованию и увеличению во времени т огневого воздействия изгибающего момента Ма ) = тс (т) (см. рис. 4).
В момент времени т огневого воздействия, когда деформация ползучести несущей трубы башни привела к ее изгибу почти на 40°, значение изгибающего момента М(т) в несущей трубе башни достигло такого уровня, что превысило уровень прочности крепления башни к фундаменту. В этот момент времени, деформированная в зоне "пятна" максимального нагрева башня, оторвавшись от фундамента, упала в сторону очага горения.
Заключение
Приведенный выше анализ показывает, что при экспертизе причин и последствий аварий и пожаров главным является выявление и понимание механизма основных процессов, приводящих к быстрой утрате строительными объектами своих эксплуатационных качеств в рассматриваемых условиях.
Вторым элементом качественной экспертизы последствий чрезвычайных ситуаций является выбор и использование таких физических и математических моделей, которые достаточно полно соответствуют механизму основных процессов, приводящих к утрате объектами своих эксплуатационных качеств. При невыполнении этих двух условий экспертизы ее результаты могут быть ошибочными с соответствующими последствиями для инженерной практики.
Представляется необходимым, в силу особой ответственности работы экспертов по ЧС, разработать и реализовать программу повышения квалификации экспертов в сфере ЧС, а также предусмотреть выдачу специальных лицензий (допусков) на выполнение этого вида работ.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зайцев А. М., Колодежнов С. Н., Щербаков В. И. Анализ причин обрушения водонапорной башни Рожновского // Пожаровзрывобезопасность. 2004. Т. 13.№ 1. С. 73-79.
2. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. — М.: Стройиздат, 1988. — 143 с.
3. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М.: Асс. "Пожарная безопасность и наука", 2001. — 382 с.
Поступила в редакцию 25.05.04.
