CC BY
31
Пожарная безопасность зданий, сооружений, территорий
УДК 614.842.242
ОБЩИЙ ПОДХОД И ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ ПРИ КОМБИНИРОВАННЫХ ОСОБЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ ТИПА "УДАР-ВЗРЫВ-ПОЖАР"
В. М. Ройтман
Московский государственный строительный университет
На основе общих физических представлений о механизме процессов быстрой утраты строительными материалами и конструкциями своих эксплуатационных качеств в условиях чрезвычайных ситуаций предложен общий подход для оценки сопротивления конструкций и зданий в условиях комбинированных особых воздействий (СНЕ), типа "удар-взрыв-пожар" (1ЕР). В основу предлагаемого подхода положено понятие о 1ЕР стойкости конструкций сопротивляться тем или иным комбинациям особых воздействий. 1ЕР стойкость зданий в целом определяется 1ЕР стойкостью его основных конструкций. Суть предлагаемого подхода состоит в оценке 1ЕР стойкости основных конструкций здания при тех или иных комбинациях особых воздействий путем расчета изменения несущей способности уцелевших или частично поврежденных конструкций и рабочих нагрузок на них с учетом особенностей поведения материалов конструкций в рассматриваемых условиях. Для реализации предлагаемого подхода разработан инженерный метод оценки 1ЕР стойкости конструкций и зданий. Приведен пример использования предлагаемого подхода и метода для анализа поведения здания №ТС-1 во время событий 11 сентября 2001 г.
ВВЕДЕНИЕ
Трагические события в Нью-Йорке, связанные с
атакой террористов против зданий Всемирного торгового центра (WTC), поставили перед человечеством ряд политических, социальных, технических проблем.
Среди технических проблем основное место заняли проблемы инженерной безопасности, связанные с защитой уникальных зданий и сооружений от чрезвычайных ситуаций в виде комбинированных особых воздействий типа "удар-взрыв-пожар" [1,2].
1. ПОНЯТИЕ О IEF СТОЙКОСТИ
Одной из основных предпосылок оценки стойкости конструкций и зданий при "СНЕ IEF" являются понятия о IEF стойкости конструкций и зданий [4].
IEF стойкость конструкции характеризует ее способность сохранять свои несущие или ограждающие функции в условиях комбинированных особых воздействий (СНЕ) типа "удар-взрыв-пожар" (IEF).
Исходя из особого и комбинированного характера рассматриваемых воздействий на здание, оценка IEF стойкости конструкции, как правило, должна производиться по предельному состоянию,
характеризуемому потерей их несущей способности, т.е. полным разрушением или недопустимой деформацией.
С учетом этих соображений IEF стойкость конструкций можно рассматривать как показатель, который характеризуется двумя критериями:
1) недостижение конструкцией при "CHE IEF" предельного состояния, характеризуемого потерей несущей способности:
Rief (Xf) - Sief (Xf) = ARe (Xf ) > 0, (1)
где (x f) — остаточный ресурс ("резерв") несущей способности конструкции на момент времени xief "CHE IEF";
2) конструкция при "CHE IEF" достигает своего предельного состояния, но перед этим должна сопротивляться в течение периода времени xief, достаточного для эвакуации, спасения людей и других необходимых мер, т.е. если
Rief (xief) - sief (x i6f)=AR^ (xf)=o,
то
,iefK4ef
x if X ief, r,
ief\4f,
(2)
где x af r — фактическая IEF стойкость конструкции, характеризуемая временем (мин) "CHE IEF" до потери конструкцией несущей способности.
IEF стойкость здания характеризует способность здания в целом сопротивляться воздействию опасных факторов IEF и определяется IEF стойкостью его основных конструкций. IEF стойкость конструкций и зданий является важнейшей характеристикой, определяющей риск и опасность столкновения самолета со зданием.
Подтверждением этому является поведение башен WTC в Нью-Йорке после атаки террористов 11 сентября 2001 г. Конструкции башни WTC-2 сопротивлялись комбинированному воздействию удара самолета, взрыва топлива и последующего пожара в течение 56 мин, т.е. фактическая IEF стойкость этого здания составила R56. Башня WTC-1 сопротивлялась "CHE IEF" еще дольше и ее фактический предел IEF стойкости составил R 103 (1 ч 43 мин).
Именно эти десятки минут IEF стойкости конструкций башен спасли жизни десятков тысяч людей, которые за это время были эвакуированы и спасены из атакованных и других оказавшихся в опасной зоне зданий.
2. ОБЩИЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ IEF СТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ
Суть предлагаемого подхода к оценки стойкости конструкций зданий при "CHE IEF" заключается в расчете изменения несущей способности уце-
r
=
ü §
3
R■
iR
' Re
-Lr^
Rf (V)
Sie
т с
Ret (q2; Xf)\
\......... \
w
Rief (q1; v)
ar:
•ief
— X,'; X,e
Xief, r Время x
Время пожара Xf
РИС.1. Общая схема оценки ШБ стойкости несущих конструкций здания при комбинированных особых воздействиях типа "удар-взрыв-пожар", вызванных падением самолета на здание:
-несущая способность К конструкции и нагрузки 5 на
конструкцию до падения самолета на здание; ........изменение несущей способности конструкций при воздействии только пожара Ку(ту);
---изменение несущей способности конструкции К и нагрузки на нее « после удара самолета в здание; ---изменение несущей способности конструкции Кее и нагрузки на нее после удара самолета в здание, взрыва и последующего пожара
левших и частично поврежденных конструкции и нагрузок на них при тех или иных комбинациях CHE с учетом особенностей поведения материалов конструкции в рассматриваемых условиях.
Целью расчета является определение минимальных значении несущеИ способности основных конструкции здания Rf и максимальных значении нагрузок на них S™ (рис. 1).
Если минимальное значение несущеи способности конструкции не снижается при "CHE IEF" до максимальных значении нагрузок на нее (см. рис. 1, кривая Rief (q2; Xf)), то предельное состояние конструкции не наступает. Конструкция сохраняет некоторый запас несущеи способности ARef (см. рис. 1). В этом случае IEF стоикость конструкции определяется в соответствии с критерием (1).
Если минимальное значение несущеи способности конструкции Rf достигает максимального уровня нагрузокSf на конструкцию, то IEF стои-кость конструкции будет определяться в соответствии с критерием (2).
3. ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ IEF СТОЙКОСТИ КОНСТРУКЦИЙ И ЗДАНИЙ [4]
В основу предлагаемого инженерного метода оценки IEF стоикости конструкции и здании заложено понятие о "базовои" несущеи конструкции здания. Это несущие конструкции, участвующие и играющие определяющую роль в обеспечении об-щеи устоичивости и геометрическои неизменяемости здания в рассматриваемых условиях. В качестве таких "базовых" конструкции, исходя из конструктивных схем современных здании, могут рассматриваться: колонны, несущие стены, рамы и т.д.
Логично представить, что исчерпание IEF стои-кости здания будет наступать при потере несущеи способности в рассматриваемых условиях некоторого "критического числа" "базовых" несущих конструкции с учетом их совместнои работы.
Блок-схема инженерного метода оценки IEF стоикости конструкции и здании представлена на рис. 2. Данная блок-схема учитывает тот факт, что объекты, которые могут явиться источниками "CHE IEF", способны иметь весьма широкии диапазон весовых, геометрических, конструктивных и прочих характеристик. В весьма широких пределах могут также изменяться условия воздеиствия объекта на здание: скорость, угол атаки, количество взрывопожароопасных веществ и т.д.
В связи с этим представляется целесообразным для инженерных оценок выражать все многообразие "CHE IEF" на здание через: • количество "базовых" конструкции, которые
могут полностью или частично утратить свою
e
S
A
РИС.2. Блок-схема инженерного метода оценки IEF стойкости зданий при "CHE IEF"
несущую способность после удара заданного объекта и последующего взрыва;
• количество уцелевших после удара и взрыва "базовых" конструкций, которые были охвачены последующим пожаром;
• характеристики условий развития пожара в здании с учетом последствий удара заданного объекта и взрыва.
Предлагаемый метод может быть использован для решения 2-х типов задач.
Задача 1-го типа (прямая). Оценка IEF стойкости "базовых" конструкций и здания в целом при различных сценариях падения самолета на здание.
При решении этой задачи должны быть рассмотрены три вопроса:
— определение IEF стойкости "базовых" конструкций здания для заданного сценария "CHE IEF";
- определение фактической IEF стойкости здания в целом для заданного сценария "CHE IEF";
- оценка соответствия полученного значения фактической IEF стойкости здания требованиям допустимого риска, безопасности людей и необходимости сохранения здания.
Задача 2-го типа (обратная). Определение допустимого числа "базовых" конструкций здания, которые могут быть разрушены или повреждены при столкновении самолета со зданием, исходя из заданной (нормируемой) IEF стойкости здания. Нормируемый уровень IEF стойкости здания определяется исходя из допустимых уровней риска, безопасности людей и сохранения здания.
К этому типу задач относится также изучение последствий CHE, связанных с падением самолета на здание.
4. АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЯ WTC-1
Исходные данные
Характеристики "базовых" конструкций:
- колонны наружной оболочки (по периметру здания) [2]: пр = 240; ар = 0,35 м; 5р = 0,0076 м; 5 р = 0,04 м (вермикулит);
- колонны внутреннего ствола здания: пс = 47; ас = 0,40 м; 5с = 0,03 м; 5 С = 0,03 м (вермикулит);
— огнестойкость колонны %<, г = Я 180 [1];
- критическая температура прогрева металла колонн при пожаре Т^ = 500 °С [2]. Характеристики самолета, врезавшегося в здание [2]: самолет Б-767-200БЯ; максимальный вес — 179200 кг; скорость — 850 км/ч; размах крыльев — 47,5 м; длинасамолета—48,5 м. Максимальное количество горючего — 9100 л. Высота (от земли до верха хвостового оперения) — 16,15м. Расстояние между двигателями — 15 м. Размер топливных баков — 19 х 4,5 х 0,85 м.
Особенности столкновения самолета со зданием ШТС-1 [2]. 1БР стойкость здания ШТС-1 во время событий 11 сентября 2001 г.: г = Я103:
пр = 55;
Kä =185;
n
ud (+ f)
= 100;
ief ,r
nUd(- f) =85
(рис. 3).
Разрушение башни началось с разрушения ствола здания.
Требуется оценить количество "базовых" конструкций наружной оболочки и внутреннего ядразда-ния в различных состояниях, которые обеспечили заданное значение 1БР стойкости здания (О"?г = Я103) после удара самолета, взрыва
' с с с
топлива и последующего пожара: пл ; пис1; пиЛ(+ f);
с с(-гУ) с(+ й)
пи4 (-/); (+ f); пий (+ /).
Расчетный сценарий последствий
удара самолета
Количество "базовых" конструкций здания ШТС-1 в различных состояниях после удара самолета, взрыва и последующего пожара, которое рассматривалось в расчетном сценарии данного примера, показано на рис. 3.
UD
u©
West
East
South
Условные обозначения
Число и расположение на плане здания колонн наружной оболочки, разрушенных ударом самолета и взрывом
Предполагаемые число и зона расположения на плане здания колонн ядра, разрушенных ударом самолета и взрывом
Число и расположение на плане здания колонн наружной оболочки, охваченных пожаром
Предполагаемые число и расположение колонн ядра здания, охваченных пожаром
РИС.3. Расчетный сценарий развития событий в зоне удара самолета в здание WTC-1 11 сентября 2001 г.
В данном случае предполагаемый инженерный метод оценки состояния и поведения строительных объектов в условиях "СНЕ ШЕ" используется для решения обратной задачи. Это значит, что исходя из заданной ШЕ стойкости здания, необходимо оценить количество "базовых" конструкций в различных состояниях, которые обеспечили эту стойкость после удара самолета, взрыва топлива и последующего пожара.
Решение задачи
Включало рассмотрение пяти основных этапов развития "СНЕ ШЕ", вызванных столкновением самолета со зданием (рис. 4).
Этап 1. В момент времени т = те происходит столкновение самолета со зданием. В результате удара и последующего взрыва разрушено:
т. , = 0 17
ief
R 150
S
^ 500
S ч и §
& Ш
И
о 400 - 423
300*--
310
Da r =r103
• ••
I.
600
500
= 0 17
12 3
60
120
180 т.
400
300
ah
200
100
РИС.4. Расчетная оценка поведения базовых конструкций здания WTC-1 при "СНЕ 1ЕБ", вызванных столкновением самолета со зданием: а — изменение относительной нагрузки на колонны оболочки (-) и ядра (—) здания после удара самолета, взрыва топлива и последующего пожара; б — изменение критической температуры нагрева колонны оболочки (-) и ядра (—) здания на различных этапах "СНЕ
1ЕБ"; в — изменение температуры нагрева колонн здания, охваченных пожаром после удара самолета и взрыва топлива. 1 — рассматриваемый температурный режим пожара;
2 — прогрев при пожаре колонны наружной оболочки здания, утратившей огнезащиту после удара самолета и взрыва;
3 — прогрев при пожаре колонны ядра здания, утратившей огнезащиту после удара самолета и взрыве; 4 — прогрев при пожаре колонн здания, сохранивших огнезащиту
— колонн наружной оболочки п^^ = 55;
— колонн внутреннего ядра пС= 10. Нагрузка от разрушенных колонн перераспределяется на уцелевшие и увеличивает нагрузку на них до величины (рис. 4, а):
- для колонн наружной оболочки Б^/б = 1,27;
- для колонн внутреннего ядра Б^/б = 1,29. Увеличение нагрузки на уцелевшие колонны
приводит к понижению критической температуры прогрева этих колонн Т£ (Бы/Б) = 428 °С, при которой они теряют свою несущую способность в условиях возможного пожара (см. рис. 4, б).
а
б
№
0
Этап 2. В момент времени т = тг-е = т^ = 0 начинается пожар в помещениях здания, оказавшихся в зоне удара и взрыва.
Часть уцелевших после удара и взрыва конструкций охвачена пожаром пРа(+ f) = 100; пспЛ(+ f) = 20.
Начинается процесс прогрева металла уцелевших колонн во время развития пожара Тт (т^) (рис. 4, в, кривые 2 - 4).
Процесс прогрева при пожаре уцелевших колонн происходит по разному для колонн, утративших (-и) и сохранивших (+«) огнезащиту после удара и взрыва (см. рис. 4, в, кривые 2, 3 и 4). Первые прогреваются гораздо быстрее, чем вторые. Они быстрее достигают критической температуры прогрева при пожаре и быстрее утрачивают свою несущую способность.
Этап 3. В момент времени т = те- = тас(-и)
ief ief, r
колонны без огнезащиты, охваченные пожаром, достигают критической температуры прогрева Тт! (Бе/Б) = 428 °С и утрачивают свою несущую способность. Нагрузка от этих конструкций также перераспределяется на оставшиеся колонны, еще более увеличивая нагрузку на них до величины Б^/Б = 1,76 (см. рис. 4, а). Увеличение нагрузки на оставшиеся колонны приводит к дальнейшему снижению их критической температуры прогрева при пожаре Ттг (БеТ/Б) = 310 °С (см. рис. 4, в).
Этап 4. В момент времени т = т¡^ = т а,д+") оставшиеся колонны, сохранившие огнезащиту и охваченные пожаром, достигают критической температуры прогреваТтг (Бщ /Б) = 310 °Си также теряют свою несущую способность (см. рис. 4).
Нагрузка от этой новой группы колонн, утративших свою несущую способность, вновь перераспределяется на оставшиеся колонны, сохранившие свою несущую способность. Это — группа колонн, которые уцелели после удара самолета, взрыва топлива и не были охвачены пожаром.
Число указанных колонн:
а) оболочки здания д = 85;
б) ядра здания п^(- f) = 17.
Этап 5. В момент времени т = iief = т
ef ief, r
послед-
няя группа "базовых" конструкций, сохранивших несущую способность, вновь принимает на себя дополнительную нагрузку от колонн, утративших свою несущую способность на этапе 4 "СНЕ 1БР".
Величина относительной нагрузки на последние уцелевшие колонны в результате составила (см. рис. 4, а ):
а) для оболочки здания (БРТ Бр) (+f) = 2,82;
е' т=тТ г
б) для ядра здания (Б^ Бс) = (+Л = 2,76.
т=т ¡еТ, г
Так как в момент времени т = т^ = 103 мин фактическая стойкость здания была исчерпана (Бе, г = Я103), то это свидетельствует о том, что изменение дополнительных нагрузок на последние
уцелевшие колонны здания превысили их несущую способность. Это привело к их разрушению и началу коллапса здания, т.к. в зоне развития "CHE IEF" здание WTC-1 больше не располагало другими "базовыми" конструкциями, сохранившими способность сопротивляться "CHE IEF".
Таким образом, проведенный с помощью предлагаемого метода анализ состояния и поведения здания WTC-1 при "CHE IEF", являющихся следствием столкновения самолета со зданием 11 сентября 2001 г., показал, что при рассмотренном варианте сценария этих событий время сопротивления здания "CHE IEF" (его IEF стойкость) т f r = R103 было обусловлено следующим количеством "базовых" несущих конструкций здания в том или ином состоянии (таблица).
№ Состояние "базовых" п/п конструкций здания
Количество "базовых" конструкций
наружной
внутреннего
оболочки
ядра здания здания г
1 Нормальное состояние колонн до столкновения самолета со зданием
np = 240 nc = 47
2 Колонны, разрушенные ударом самолета и взрывом
nPp =55 nä = 10
3 Колонны, уцелевшие после удара самолета и взрыва
nPd = 185 näd = 37
4 Колонны, охваченные пожаром
nPd(+ f) = 100 nUd(+ f) = 20
5 Колонны, охваченные пожаром, утратившие огнезащиту после удара самолета и взрыва
np(-&) = 47 nc(-is) = 10 nud (+ f) ~ 47 nud (+ f) ~ 10
6 Колонны, охваченные пожаром, сохранившие огнезащиту после удара самолета и взрыва
np(+ is) = 53 nc(+ is) = 10
nud (+ f )~53 nud (+ f )~10
7 Колонны, уцелевшие после удара самолета и взрыва и не охваченные пожаром
nPd (-f) = 85 näd (- f) = 17
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенный анализ состояния и поведения зданий WTC при "CHE IEF", вызванных столкновением самолетов со зданиями, позволил определить количество "базовых" конструкций этих зданий, разрушенных ударом самолета и взрывом, охваченных пожаром, утративших или сохранивших огнезащиту, обусловивших известную IEF стойкость зданий WTC.
Фактически речь идет о возможности "реконструкции" картины изменения состояния основных конструкций зданий в рассматриваемых условиях с точностью, достаточной для инженерных оценок.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
К — несущая способность конструкции; Б — нагрузка на конструкцию; т — время;
— огнестойкость конструкции; ту г — 1ЕБ стойкость конструкции; О у г — 1ЕБ стойкость здания; Т — температура;
п — количество "базовых" конструкций; пС — количество разрушенных базовых конструкций;
nud — количество уцелевших базовых конструкций.
Индексы
i — удар;
e — взрыв;
f — пожар;
r — сопротивление, стойкость;
(+f) — охваченный пожаром;
(f) — не охваченный пожаром;
(+is) — сохранивший огнезащиту;
(-is) — утративший огнезащиту;
р — колонны наружной оболочки здания;
с — колонны внутреннего ствола здания;
act — фактический;
req — требуемый;
cr — критический.
ЛИТЕРАТУРА
1. Забегаев А. В., Ройтман В. М. Анализ стойкости башен Всемирного торгового центра против комбинированных особых воздействий типа "удар-взрыв-пожар" при атаке террористов 11 сентября 2001 г. // Пожаровзрывобезопасность. 2001. Т. 10. № 6. С. 54 - 59.
2. World Trade Center Building Performance Study: Data Collection, Preliminary Observations, and Recommendations // Federal Emergency Management Agency (FEMA) 403 / May 2002. New York.
3. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М.: Пожнаука, 2001. — 382 с., ил.
4. Roytman V. M. Engineering Method for Building Resistance against Combined Hazardous Effects. "Hazards and Risks during Aircraft Impact with High-Rise Building". Project NOW-RFBR, Moscow, Kurchatov Institute, 20 - 21 May, 2003.
Поступила в редакцию 08.08.03.
