CC BY
61
ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ЗДАНИЙ, СООРУЖЕНИЙ, ОБЪЕКТОВ
УДК 614.842.242
НОРМИРОВАНИЕ ЗАЩИТЫ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ
ОТ ПРОГРЕССИРУЮЩЕГО РАЗРУШЕНИЯ
ПРИ КОМБИНИРОВАННЫХ ОСОБЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Рассмотрена необходимость учета в нормировании безопасности высотных зданий системы мер противопожарной защиты для более широкого круга особых, в том числе комбинированных, воздействий, которые могут приводить к прогрессирующему разрушению этих уникальных объектов.
Введение
Трагические события в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г., связанные с атакой террористов зданий Всемирного торгового центра (WTC), поставили перед человечеством ряд политических, социальных, технических проблем.
Среди технических проблем основное место заняли проблемы комплексной безопасности, связанные с защитой уникальных объектов от чрезвычайных ситуаций в виде комбинированных особых воздействий (СНЕ) удара, взрыва, пожара (IEF). Исследования указанных проблем [1-3] показали, что одной из важнейших задач является "улучшение характеристик зданий по замедлению или предупреждению коллапса зданий в этих условиях".
1. Состояние вопроса
В современных нормах [4-6] в системе противопожарной защиты (СПЗ) зданий уже регламентируется защита от прогрессирующего разрушения конструкций и зданий, в том числе высотных, при комбинированном воздействии на них рабочих нагрузок и высоких температур пожара. Именно эти комбинированные воздействия в подавляющем большинстве случаев являются причиной и определяют возможность прогрессирующего обрушения конструкций и зданий [7, 8].
Основным показателем, определяющим уровень безопасности объекта в рассматриваемых условиях, принимается огнестойкость — время (в мин) сопротивления основных конструкций объекта особым воздействиям рабочей нагрузки и
пожара. Например, МГСН 4.04 [5] регламентирует величину огнестойкости основных конструкций зданий выше 16 этажей значением 180 мин. Это показывает, что после возникновения пожара в высотном здании оно в течении 3 ч не должно утратить свою устойчивость или геометрическую неизменяемость.
События 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке выявили необходимость обеспечения защиты высотных зданий для более широкого круга особых воздействий, которые могут приводить к прогрессирующему разрушению этих уникальных объектов.
Решение этих проблем невозможно без разработки в нормах по проектированию высотных зданий и других уникальных объектов специальных мер, регламентирующих их сопротивление прогрессирующему разрушению при различных особых воздействиях.
2. Понятие о прогрессирующем разрушении зданий
Несмотря на то, что понятие "прогрессирующее разрушение зданий" у всех "на слуху", его смысл и содержание требуют специального рассмотрения и уточнения [7, 8].
Физической основой разрушения твердых тел является развивающийся во времени процесс накопления повреждений и деформаций в их структурных элементах [9, 10]. С учетом этих представлений прогрессирующее разрушение объекта — это последняя лавинообразная стадия развивающегося во времени процесса последовательного накопления повреждений или деформаций структур-
ных элементов объекта, приводящих к потере общей устойчивости и геометрической неизменяемости объекта в целом.
В таком сложном объекте, как здание, может быть несколько уровней структурных элементов, испытывающих прогрессирующее разрушение [7, 8].
Уровень 1. Отдельные конструктивные элементы здания. Прогрессирующее разрушение на этом уровне представляет собой последнюю стадию накопления нарушений структуры и деформаций элемента в виде потери его несущей способности.
Уровень 2. Характерные группы конструктивных элементов здания при СНЕ. Все элементы, входящие в ту или иную характерную группу, находятся в одном и том же состоянии и подвергаются одинаковым воздействиям при СНЕ. В этом случае прогрессирующее разрушение происходит одинаково и одновременно для всей группы элементов, входящих в характерную группу.
Уровень 3. Пространственная система, состоящая из нескольких групп конструктивных элементов. В условиях СНЕ прогрессирующее разрушение такого объекта представляет собой цепную реакцию последовательной потери несущей способности группами структурных элементов уровня 2, имеющих различную стойкость при СНЕ.
Уровень 4. Здание в целом как объект, состоящий из нескольких пространственных систем, тем или иным способом связанных друг с другом. В условиях СНЕ прогрессирующее разрушение здания в целом будет представлять собой последнюю стадию исчерпания ресурса стойкости каждой из пространственных систем конструктивных элементов здания, что приводит к потере общей устойчивости или геометрической неизменяемости здания в целом.
Таким образом, прогрессирующее разрушение здания в целом в условиях СНЕ представляет собой последнюю стадию процесса последовательной утраты несущей способности структурных элементов здания, начиная с уровня 1, затем 2, 3 и 4.
3. Необходимость введения в нормы характеристики особого характера пожарной и взрывопожарной опасности высотных зданий
Пожары, взрывы и другие ЧС представляют собой особую опасность для высотных зданий в силу особенностей их конструктивно-планировочных решений, назначения, возведения и последующей эксплуатации. Этот особый характер пожарной и взрывопожарной опасности высотных зданий определяется:
• наличием условий, способствующих возникновению пожара;
• возможностью массового пребывания людей в здании;
• высотой здания, превышающей возможности использования для спасения людей механических лестниц, имеющихся в гарнизонах пожарной охраны;
• интенсивным распространением при пожаре в высотном здании пламени, дыма, токсических веществ по помещениям, коридорам, лестничным клеткам, шахтам лифтов и техническим коммуникациям, а также через неплотности и зазоры в строительных конструкциях;
• блокированием лифтов и выходом из строя управления лифтами;
• возможностью частичного или полного разрушения при ЧС отдельных элементов здания, определенной его зоны или прогрессирующего разрушения всего здания в целом;
• отсутствием или недостаточностью средств для спасения людей внутри здания.
В современных нормах [4] уровень пожарной опасности для различных зданий, их частей, помещений или групп помещений, функционально связанных между собой, подразделяется на классы по функциональной пожарной опасности. По этой классификации высотные здания в зависимости от назначения могут быть отнесены как к классу Ф1 — зданий для постоянного проживания и временного (в том числе круглосуточного) пребывания людей, так и классам Ф2, Ф3, Ф4 — здания культурно-просветительских учреждений, учреждений управления и др.
Анализ причин и трагических последствий чрезвычайных ситуаций с высотными зданиями [11] привел к пониманию того, что высотные здания являются особо опасными многофункциональными объектами, требующими особых мер по обеспечению их противопожарной защиты (ППЗ). В связи с этим необходимо в нормах для высотных зданий предусмотреть дополнительный, "особый класс функциональной пожарной опасности". Предлагается обозначить этот класс "Ф 0с" и соответствующим образом регламентировать в нормах особые меры по обеспечению ППЗ объектов данного класса [11].
4. Нормирование сопротивления высотных зданий прогрессирующему разрушению при различных типах особых воздействий
4.1. Предлагаемые термины и определения [7, 8]
Особое воздействие на объект — исключительное воздействие, резко отличающееся от обычных условий существования объекта.
Комбинированное особое воздействие (СНЕ) — чрезвычайная ситуация, связанная с возникновени-
ем и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательностях.
Основные особые воздействия техногенного характера на строительные объекты: удар (I), взрыв (Е), пожар (F), нагрузка (S) и т.д.
Стойкость конструкции при СНЕ — время, в течение которого конструкция сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях CHE.
Стойкость здания против прогрессирующего обрушения — время, в течение которого здание в целом сопротивляется воздействию опасных факторов СНЕ без потери общей устойчивости и геометрической неизменяемости, определяется стойкостью при СНЕ его основных конструкций.
4.2. Блок мер по защите высотных зданий от прогрессирующего разрушения [7, 8]
В этот блок с учетом практики нормирования [4-6, 12] предлагается включить следующие меры защиты.
1. Обеспечение огнестойкости конструкций (стойкости конструкций при комбинированном воздействии эксплуатационных (нормативных) нагрузок и высоких температур пожара).
2. Обеспечение огнестойкости зданий (стойкости зданий против прогрессирующего разрушения при пожаре).
3. Обеспечение взрывозащиты здания, в котором есть или могут быть взрывоопасные помещения (стойкости здания против прогрессирующего разрушения при внутренних взрывах).
4. Обеспечение стойкости зданий против прогрессирующего разрушения при CHE типа "удар -взрыв - пожар".
Следует особо отметить, что данный блок мер защиты высотных зданий от прогрессирующего разрушения фактически является базовым в системе противопожарной защиты (СПЗ) высотных зданий. Именно он обеспечивает так называемую первоочередную безопасность [13] объекта или, иначе говоря, его способность сопротивляться в течение определенного времени не только воздействию пожара, но и другим, в том числе комбинированным, особым воздействиям [7, 8].
Кроме того, огнестойкость конструкций и зданий, помимо своей прямой функции обеспечения требуемого сопротивления объекта воздействию пожара, является определяющим параметром для выбора остальных элементов защиты [11].
способность конструкций и зданий сопротивляться воздействию пожара. Для высотных зданий в нормах [5] регламентируется "особая" степень огнестойкости. В соответствии с этим к конструкциям зданий, относящихся к особой степени огнестойкости, предъявляются также особые требования по огнестойкости.
Минимальные пределы огнестойкости конструкций многофункциональных зданий повышенной этажности, имеющих особую степень огнестойкости, должны быть не менее:
• несущие стены — REI 180;
• противопожарные стены — REI 180;
• колонны — R 180;
• стены лестничных клеток — REI 180;
• элементы перекрытий (балки, ригели, рамы, фермы) —R 180;
• противопожарные перекрытия — REI 180;
• ограждающие конструкции лифтовых шахт — REI 90;
• ограждающие конструкции шахт пожарных лифтов — REI 120;
• ограждающие конструкции коммуникационных шахт — REI 60.
Для зданий высотой более 100 м предел огнестойкости, как правило, должен увеличиваться от 180 до 240 мин [5, 6]. Как показывает анализ [11], требование норм [5, 6] об увеличении пределов огнестойкости основных конструкций зданий высотой более 100 м до 4 ч является избыточным.
Результаты экспериментальных исследований (рис. 1) свидетельствуют о том, что длительность стандартного огневого испытания в течение 4 ч соответствует пожарной нагрузке в помещении более 200 кг/м2 в пересчете на древесину. Это во много раз превышает реальные значения пожарной нагрузки в помещениях многофункциональных высотных зданий и противоречит положению норм
Стандартная кривая "температура - время"
200 0
150 кг/м2 100 кг/м2 50 кг/м2
30
60 90
Время, мин
120
150
4.3. Нормирование огнестойкости конструкций высотных зданий
Огнестойкость является международной по-жарно-технической характеристикой и определяет
Рис. 1. Влияние пожарной нагрузки в помещении на продолжительность пожара в нем в соотношении со стандартной кривой "температура - время", используемой при оценке огнестойкости конструкций (данные ВНИИПО МЧС РФ)
0
[8, п. 2.25] о том, что "средняя пожарная нагрузка в зданиях более 16 этажей не должна превышать 50 кг/м 2 (при пересчете на древесину)".
Рис. 1 показывает, что при ограничении величины пожарной нагрузки в помещениях зданий выше 16 этажей значением 50 кг/м2 [9], продолжительность реального пожара в этих помещениях жилых и общественных зданий не может превышать 1,5-2,0 ч. Поэтому требуемая степень огнестойкости высотных зданий будет обеспечена с большим запасом, если минимальные значения пределов огнестойкости основных конструкций этих объектов будут равны для зданий высотой до 100 м — 150 мин, более 100 м — 180 мин.
4.4. Обеспечение взрывозащиты высотных зданий от возможных внутренних взрывов
События 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке и ряд других прецедентов показали, что в помещениях высотных зданий при определенных обстоятельствах могут иметь место внутренние взрывы.
Во время атаки террористами башен Всемирного торгового центра обломки самолетов, пробив наружную оболочку зданий, проникли внутрь. В помещения башен в зоне удара попало авиатопливо из разрушенных топливных баков самолетов, и как следствие этого, в зоне удара самолета внутри башен произошли взрывы смеси распыленного и испарившегося авиатоплива с воздухом (рис. 2).
Рис. 2. Прогрессирующего разрушения зданий ВТЦ-1 (справа) и ВТЦ-2 в момент удара самолета и взрыва его топлива в зоне удара 11 сентября 2001 г. не произошло, так как вскрывшееся остекление окон сыграло роль взрывозащиты здания
Избыточные давления при взрывах такого рода внутри здания могут оказаться достаточными для разрушения его основных несущих конструкций и привести к прогрессирующему разрушению здания.
При проектировании зданий, в которых имеются взрывоопасные помещения, предусматриваются специальные меры по их взрывозащите, которые регламентированы соответствующими нормами [13]. Например, указанные СНиП определяют, что во взрывоопасных помещениях следует предусматривать наружные легкосбрасываемые ограждающие конструкции, в качестве которых следует, как правило, использовать остекление окон.
Эффективность указанной меры защиты высотных зданий от прогрессирующего разрушения при внутреннем взрыве показало поведение башен ВТЦ 11 сентября 2001 г. Именно благодаря вскрытию остекления, пробоинам в наружной оболочке башен после удара самолета большое количество взрывоопасной смеси топлива с воздухом было выброшено и сгорело в окружающей среде в виде гигантских "огненных шаров" (см. рис. 2). Это снизило избыточное давление взрыва внутри здания до уровня, безопасного для основных несущих конструкций здания, и прогрессирующего разрушения башен в этот момент времени не произошло [7, 8].
В связи с вышеизложенным представляется необходимым для высотных знаний и ряда других уникальных объектов предусмотреть в нормах проверку наружного остекления этих объектов на возможность их использования в качестве взрыво-защиты здания.
По аналогии со СНиП [12] для высотных зданий требуемую площадь легкосбрасываемых конструкций следует определять расчетом. При отсутствии расчетных данных площадь легкосбрасываемых конструкций должна составлять не менее 0,05 м2 на 1 м3 объема потенциально взрывоопасного помещения.
4.5. Обеспечение стойкости зданий против
прогрессирующего разрушения при СНЕ
4.5.1. Исходные предпосылки
В основу предлагаемого [7, 8,14] общего подхода оценки стойкости зданий против прогрессирующего обрушения легли положения хорошо разработанной теории стойкости конструкций и зданий против прогрессирующего разрушения при воздействии пожара, которые являются частным случаем общей теории стойкости.
Доказанная общность методических и физических принципов, лежащих в основе представлений о долговечности, огнестойкости, стойкости объектов [9, 10], послужила основой использования данного подхода для более широкого класса задач,
связанных с CHE на конструкции и здания типа "удар - взрыв - пожар" [7, 8]. В силу этой общности решения такого рода задач должны являться элементами общей СПЗ зданий и сооружений (в том числе высотных).
4.5.2. Предложения в нормирование
Стойкость зданий против прогрессирующего разрушения при CHE следует определять расчетом [7, 8]. При отсутствии расчетных данных этот показатель должен оцениваться в эквивалентном увеличении минимальных пределов огнестойкости основных конструкций здания.
При необходимости учета стойкости высотных зданий против прогрессирующего разрушения при CHE следует: для зданий высотой до 100 м — повышать пределы огнестойкости основных конструкций зданий до 180 мин, выше 100 м—до 240мин.
4.5.4. Расчетный метод оценки
стойкости конструкций и зданий против
прогрессирующего разрушения при CHE
Суть предлагаемого метода оценки стойкости конструкций и зданий против прогрессирующего разрушения при СНЕ заключается в расчете изменения несущей способности уцелевших и частично поврежденных конструкций и нагрузок на них при заданном сценарии СНЕ с учетом особенностей поведения материалов конструкций в рассматриваемых условиях [7, 8]. На рис. 3 представлена общая схема такого рода оценки при СНЕ.
Кривая 1 рис. 3 характеризует изменение несущей способности конструкции при комбинированном воздействии эксплуатационной S и термической нагрузок пожара, приводящее к наступлению ее прогрессирующего обрушения (точка А — предел огнестойкости конструкции по потере несущей способности).
R 4
U з "<Rf(Xf)
R Ф------•
э
S&
2'
'.•<Rief (q2; Xf )\ , \
S. Ф------
S YS«
Re (q1; V) .
AR:
ief
S
\A
x i; xie x ief, r
A I Время x
xf = 0---—-
J Время пожара Xf
Рис. 3. Общая схема изменения несущей способности Я конструкций зданий и нагрузок 5 на них при различных СНЕ
Кривая 2 рис. 3 демонстрирует изменение несущей способности конструкции при CHE типа "удар - взрыв - пожар", вызванном столкновением самолета со зданием, приводящее к наступлению ее прогрессирующего обрушения (точка В — предел стойкости при СНЕ IEF).
Кривая 3 рис. 3 характеризует изменение несущей способности конструкции при СНЕ IEF, не приводящее к наступлению ее прогрессирующего разрушения и сохраняющее некоторый остаточный "резерв" прочности.
На основании общего подхода и метода оценки стойкости зданий против прогрессирующего разрушения при CHE разработаны инженерные методы [7, 8] и программная система для анализа опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в городском окружении на основе технологии "виртуальной реальности" [15].
5. Классификация мер СПЗ высотных зданий с учетом обеспечения их стойкости
против прогрессирующего разрушения
СПЗ зданий высотой 16 этажей и выше будет включать с учетом вышеизложенного в общем случае 16 элементов защиты, которые по назначению предлагается сгруппировать в 4 блока [7, 8, 11].
Блок 1. Меры по обеспечению стойкости зданий или их частей против прогрессирующего разрушения.
Блок 2. Меры по ограничению распространения пожара в высотных зданиях.
Блок 3. Меры по обеспечению безопасности людей при ЧС в высотных зданиях.
Блок 4. Меры активной защиты высотных зданий от пожара (пожарная сигнализация, средства пожаротушения, опорные пункты пожаротушения, центральный пульт управления системой противопожарной защиты (ЦПУ СПЗ)).
Заключение
1. В современных нормах [4-6] в СПЗ уже регламентируется защита от прогрессирующего разрушения конструкций и зданий, в том числе высотных, при комбинированном воздействии на них рабочих нагрузок и высоких температур пожара. Именно эти комбинированные воздействия в подавляющем большинстве случаев являются причиной и определяют возможность прогрессирующего обрушения конструкций и зданий [7, 8].
2. События 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке показали необходимость учета в нормировании безопасности высотных зданий для более широкого круга особых, в том числе комбинированных, воздействий, которые могут приводить к прогрессирующему разрушению этих уникальных объектов.
3. Показаны особый характер пожарной и взры-вопожарной опасности высотных зданий и необходимость введения в нормы для этих объектов "особого класса функциональной пожарной опасности".
4. Предлагается ввести в нормы обеспечения пожарной безопасности высотных зданий для удобства пользования ими классификацию элементов СПЗ, согласно которой все элементы этой системы в зависимости от их назначения подразделяются на 4 блока.
5. Особо отмечается, что блок мер защиты высотных зданий от прогрессирующего разрушения должен относиться к СПЗ высотных зданий, так как фактически этот блок является базовым во всей системе и обеспечивает так называемую первоочередную безопасность объекта.
6. Дается обоснование возможности ограничения минимальных значений пределов огнестойкости основных конструкций высотных зданий сле-
дующими величинами: для зданий высотой до 100 м — 150 мин, более 100 м — 180 мин.
7. Обоснована необходимость для высотных знаний и ряда других уникальных объектов предусмотреть в нормах проверку их наружного остекления на возможность его использования в качестве взрывозащиты здания.
8. Сформулированы предложения в нормирование по регламентации и оценке стойкости высотных зданий против прогрессирующего разрушения при СНЕ типа "удар - взрыв - пожар".
9. Предлагаемые общий подход и инженерный метод оценки стойкости зданий против прогрессирующего разрушения при CHE дают возможность оценить время сопротивления объектов до начала их прогрессирующего разрушения в рассматриваемых условиях. Разработана программная система для анализа опасностей и рисков ЧС в городском окружении на основе технологии "виртуальной реальности".
ЛИТЕРАТУРА
1. Latest Findings from NIST World Trade Center Investigation Released (April 5, 2005).
2. World Trade Center Building Performance Study: Data Collection, Preliminary Observations, and Recommendations / Federal Emergency Management Agency (FEMA) 403, May 2002, New York.
3. Дмитриев A. H. Успехи и перспективы строительной науки // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. — 2004. — №3. — C. 8-9.
4. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
5. МГСН 4.04-94. Многофункциональные здания и комплексы.
6. МГСН 4.19-2005. Временные нормы и правила проектирования многофункциональных высотных зданий и зданий-комплексов в городе Москве.
7. Ройтман В. М. Инженерные аспекты событий 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке при атаке террористами башен Всемирного торгового центра // Глобальная безопасность. — Сентябрь 2006 г. — C. 30-35.
8. Ройтман В. М. Стойкость высотных зданий против прогрессирующего разрушения — базовый блок системы противопожарной защиты этих объектов // 4-я Международная научно-практическая конференция "Современные системы и средства комплексной безопасности и противопожарной защиты объектов строительства" (Стройбезопасность-2006): Сб. материалов. — М., 2006. — C. 37-39.
9. Бетехтин В. И., Ройтман В. М., Слуцкер A. И., Кадомцев A. Г. Кинетика разрушения нагруженных материалов при переменной температуре // Журнал технической физики. — 1998. —Т. 68, №11. — С. 76-81.
10. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируе-мыхзданий. — М.: Пожнаука, 2001. — 383 с., ил.
11. Ройтман В. М. Особенности обеспечения противопожарной защиты высотных зданий // Современное высотное строительство. Эффективные технологии и материалы: 2-й Международный симпозиум по строительным материалам: Сб. докл. — М.: МГСУ, 2005. — С. 173-180.
12. СНиП 31-03-2001. Производственныездания.
13. Николаев С. В., Граник Ю. Г. Проблемные вопросы пожарной безопасности высотных зданий // Современные системы и средства комплексной безопасности и противопожарной защиты объектов строительства: Третья Международная конференция-выставка. — М.: Стройбезопасность, 2005. — C. 12-13.
14. Pasman Н. J., Kirillov I. A., Roytman V. M. et al. NWO project 047.011.2001.035 "Hazards and Risk Analysis for Aircraft Collision wish High-Rise Building", TNO, Netherlands.
15. Лукашевич И. E., Кириллов И. A., Ройтман В. М. и др. Программная система для анализа опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в городском окружении на основе технологии "виртуальной реальности" // Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан: Сб. докл. — М.: МГСУ, 2005. — C. 21-28.
Поступила в редакцию 21.02.07.
