CC BY
129
В. М. Ройтман
д-р техн. наук, профессор Московского государственного строительного университета, г. Москва, Россия
Д. Н. Приступюк
преподаватель Академии Государственной противопожарной службы МЧС России, г. Москва, Россия
УДК 614.841
ОСОБЕННОСТИ ОЦЕНКИ СТОЙКОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ КОМБИНИРОВАННЫХ ОСОБЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ С УЧАСТИЕМ ПОЖАРА
Рассматриваются проблемы обеспечения безопасности зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях (СНЕ) с участием пожара. Приводятся основы теории стойкости конструкций и зданий при такого рода воздействиях. Рассматривается возможность применения этой теории для проведения оценки стойкости объектов из железобетонных конструкций при СНЕ с участием пожара. Даются предложения по учету особенностей обеспечения безопасности людей в зданиях и сооружениях при СНЕ с участием пожара при оценке риска. Ключевые слова: прогрессирующее обрушение здания, огнестойкость, комбинированные особые воздействия типа удар - взрыв - пожар, риск.
Введение
Проблема обеспечения безопасности зданий и сооружений при ЧС с участием пожара во всем мире является весьма актуальной, так как строительный комплекс представляет собой один из самых уязвимых видов объектов для такого рода воздействий [1-3].
Различные здания и сооружения по-разному ведут себя при воздействии пожара. Одни из них хорошо сопротивляются опасным факторам пожара и при воздействии пожара сохраняют свою конструктивную целостность и функциональное назначение в течение времени, достаточного для эвакуации, спасения людей, ликвидации пожара и его последствий.
Другие здания и сооружения при пожаре быстро утрачивают свою конструктивную целостность (вплоть до прогрессирующего обрушения), перестают соответствовать своему функциональному назначению, что приводит к тяжелым человеческим жертвам и огромному материальному ущербу.
Изучение проблемы обеспечения необходимого сопротивления зданий и сооружений в условиях ЧС с участием пожара, разработка способов ее решения являются в настоящее время составной частью современного инновационного развития МГСУ и Академии ГПС МЧС России в научном, прикладном и образовательном аспектах [1-6].
Время сопротивления объекта до потери его устойчивости при воздействии пожара — это глав-
ный показатель, обеспечивающий безопасность людей в этих условиях.
В данной работе рассматриваются результаты исследований, проводимых в Центре комплексной безопасности строительных систем МГСУ совместно с Академией ГПС МЧС России в научном направлении "Оценка стойкости объектов при комбинированных особых воздействиях с участием пожара", в том числе связанных с террористической угрозой [1-6].
1. Характерные примеры различного поведения зданий и сооружений при воздействии пожара
Поведение Останкинской телевизионной башни во время пожара 27 августа 2000 г. [3]. Останкинская телевизионная башня была построена в 1967 г. по проекту гениального советского и российского ученого и инженера Н. В. Никитина. Высота башни — 533 м. Основная конструкция башни — пустотелая железобетонная коническая оболочка с сильно развитым основанием. Толщина кольцевых стенок ствола башни — 350-400 мм. Верхняя часть башни (с отметки 385 м) выполнена в виде стальной телескопической трубы высотой 148 м.
По всей высоте башни оболочка ее ствола обжата предварительно напряженной канатной арматурой, которая устанавливалась на специальных упорах с внутренней поверхности ствола. Система на-
© Ройтман В. М., Приступюк Д. Н., 2010
прягаемых канатных элементов была запроектирована открытой и располагалась внутри ствола башни, на расстоянии 2-5 см от внутренней поверхности его стенки.
Пожар на Останкинской телевизионной башне начался 27 августа 2000 г. (рис. 1) в районе отметок +454...+430 м антенной части башни. Распространение огня происходило сверху вниз до отметки +80 м.
Во время пожара на Останкинской телевизионной башне специалистам, противопожарным службам и инженерам пришлось столкнуться с проблемой оценки ее устойчивости и ответить на вопрос: потеряет ли башня свою устойчивость, произойдет ли прогрессирующее обрушение ее во время пожара или непосредственно после него либо такой опасности нет (рис. 2)?
От ответа на этот вопрос зависел целый комплекс весьма ответственных решений, в том числе о
Рис. 1. Пожар на Останкинской телебашне, г. Москва, 27 августа 2000 г.
срочной эвакуации людей из зоны возможного падения обломков башни.
Оценки специалистов по этому вопросу разделились, но, в конце концов, возобладало мнение, что башня устоит и прогрессирующего обрушения ее не произойдет. Это непростое решение оказалось верным — прогрессирующего обрушения башни действительно не произошло. Его удалось избежать благодаря принятию правильных решений по обеспечению огнестойкости ствола башни.
Фактический предел огнестойкости ствола башни по потере несущей способности составляет более 180 мин. Этот предел огнестойкости с запасом обеспечил необходимое сопротивление башни при воздействии реального пожара, температурный режим которого был более "мягким" по сравнению с режимом "стандартного" пожара.
Именно огнестойкость ствола башни обеспечила конструктивную целостность этого сооружения во время пожара. Это позволило продолжить эксплуатацию башни до восстановления большинства предварительно напряженных канатов внутри ствола, которые утратили при пожаре свое функциональное назначение.
Поведение здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г. [3-5]. Здание Пентагона является одним их самых больших офисных зданий в мире. Площадь одного этажа составляет 613 тыс. м2. Здание пятиэтажное, имеет пять фасадов. Внутри здание выполнено в виде пяти концентрических колец (рис. 3). Конструкции — монолитный железобетон. Бетон — обычный тяжелый. Перекрытия состоят из плит, ригелей и системы балок, опирающихся на колонны.
Большая часть колонн имеет квадратное сечение. Размеры сечения колонн на первом этаже — 0,53 х 0,53 м. Почти все колонны имеют спиральное армирование по вертикальной рабочей арматуре.
Рис. 2. Зона возможного падения обломков Останкин ской телевизионной башни в случае утраты ею устойчи вости при пожаре 27 августа 2000 г.
Рис. 3. Общий вид здания Пентагона и направление движения самолета перед столкновением со зданием [2]
Рис. 4. Прогрессирующее обрушение наружного кольца здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г.
Предел огнестойкости такого рода колонн по потере несущей способности составляет более 180 мин.
Столкновение самолета с рассматриваемым зданием во время событий 11 сентября 2001 г. произошло в зоне 1-го этажа наружного фасада здания (см. рис. 3) и привело к возникновению комбинированных особых воздействий типа удар - взрыв - пожар (CHE IEF).
Первое особое воздействие — удар (I) — привело к разрушению и повреждению части конструктивных элементов 1-го этажа наружного кольца здания Пентагона. Обломки самолета проникли внутрь здания. Из разрушенных баков самолета, размещенных в его крыльях, топливо было выброшено внутрь здания в зону удара. Это привело к возникновению второго особого воздействия на конструкции здания — взрыва (Е) смеси топлива с воздухом. Взрывом была разрушена и повреждена еще часть конструктивных элементов здания. После удара и взрыва внутри здания, в зоне поражения, возникает и развивается третье особое воздействие — пожар (F). Огонь охватывает при этом часть уцелевших "ключевых" конструктивных элементов.
Здание Пентагона в первые минуты СНЕ IEF, несмотря на значительные повреждения конструкций в трех первых кольцах здания, в целом сохранило свою устойчивость.
Однако через 19 мин после начала комбинированного особого воздействия типа удар - взрыв -пожар произошло прогрессирующее обрушение конструкций наружного кольца здания Пентагона в зоне СНЕ IEF (рис. 4).
Таким образом, несмотря на то что предел огнестойкости ключевых элементов здания Пентагона (несущих колонн) по потере несущей способности превышал 180мин, наружное кольцо здания Пентагона в зоне ЧС утратило свою устойчивость через 19 мин.
Поведение башен Всемирного торгового центра во время событий 11 сентября 2001 г. [2—6]. Аналогичным образом развивались события 11 сентября 2001 г. в Нью-Йорке, во время террористической атаки на башни Всемирного торгового центра (ВТЦ).
Высота башен составляла 415и417м. В плане каждая башня имела форму квадрата размерами 63,5 х 63,5 м [2-5]. Несущие конструкции башен были выполнены из металла и имели пределы огнестойкости по потере несущей способности с учетом огнезащиты 180 мин.
Несмотря на высокий предел огнестойкости несущих конструкций, потеря устойчивости этих башен во время событий 11 сентября произошла гораздо быстрее: Южная башня (ВТЦ-2) утратила свою устойчивость через 56 мин, а Северная башня (ВТЦ-1) — через 102 мин после начала пожара.
Явление повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах при комбинированных особых воздействиях с участием пожара
Рассмотренные выше прецеденты свидетельствуют о том, что во время комбинированных особых воздействий с участием пожара наблюдаются явления повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах [1-6]. Эти явления и приводили к преждевременной потере устойчивости зданий в рассматриваемых условиях по сравнению с сопротивлением (огнестойкостью) строительных объектов воздействию только пожара.
Очевидно, что возникновение этих, ранее не учитывавшихся, опасных явлений связано с особенностями комбинированных особых воздействий с участием пожара.
Понятие о комбинированных особых воздействиях (СНЕ) с участием пожара
Комбинации рабочих (эксплуатационных) нагрузок и форс-мажорных дополнительных нагрузок на строительные объекты во время чрезвычайных ситуаций предлагается называть комбинированными особыми воздействиями. В качестве аббревиатуры этого понятия был предложен английский вариант CHE — от названия Combined Hazardous Effect [2]. В работах [1-6] были сформулированы определения для понятий такого рода:
Особое воздействие на объект — исключительное воздействие, резко отличающееся от обычных условий существования объекта. Основные особые воздействия техногенного характера на строительные объекты: удар (I), взрыв (Е), пожар (F), нагрузка (S) и т. д.
Комбинированное особое воздействие (СНЕ) — чрезвычайная ситуация, связанная с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательности.
Комбинированные особые воздействия с участием пожара — чрезвычайные ситуации, связанные с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательности, причем одним из таких воздействий является пожар. Например:
- при рассмотрении угрозы прогрессирующего обрушения здания при столкновении с ним самолета необходимо рассматривать комбинированное особое воздействие типа удар - взрыв -пожар (CHE IEF — от Combined Hazardous Effect of the Impact-Explosion-Fire Type [3]);
- при аварии на Чернобыльской АЭС имели место СНЕ типа взрыв - удар - пожар и т. д.
2. Теоретические подходы к оценке сопротивления конструкций и зданий при ЧС с участием пожара
Теория огнестойкости конструкций и зданий
Особый характер опасности воздействия пожара на здания и сооружения подтверждается тем, что в международных нормах по пожарной безопасности зданий и сооружений введены специальные показатели, характеризующие способность объектов сопротивляться воздействию пожара, причем в этих показателях главной характеристикой, обеспечивающей безопасность людей в этих условиях, является время сопротивления объектов в явном виде.
Показатель, характеризующий способность строительных конструкций сопротивляться воздействию пожара, в отечественных нормах [7-13] называется пределом огнестойкости. Показатель, который характеризует способность здания в целом сопротивляться воздействию пожара, называется степенью огнестойкости.
С помощью этих показателей в нормах регламентируется время, в течение которого конструкции, здания и сооружения должны сопротивляться комбинированным воздействиям рабочих нагрузок и высокотемпературного фактора пожара.
Необходимость решения комплекса научных и инженерных задач по оценке огнестойкости зданий и сооружений стимулировала развитие комплекса международных исследований, результаты которых сложились в теорию огнестойкости [7-12].
Принципы расчета строительных конструкций на огнестойкость были заложены в работах В. И. Му-
рашева, А. И. Яковлева, А. Ф. Милованова, К. Ког-dina, Т. НагшаШу и др. [7-13].
Сущность расчета конструкций на огнестойкость заключается в определении момента времени, по истечении которого в условиях воздействия пожара конструкции утрачивают свою несущую или теплоизолирующую способность.
Огнестойкость конструкции по признаку потери несущей способности Пф(Я) определяется как момент времени воздействия пожара т, при котором несущая способность Ф[Т(т)] конструкции под действием температуры пожара Т(т) снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок
Нн(Ын).
Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия:
если Ф[Т(т)] < Ын(Ин), то т = Пф(Я), (1)
где Жн, Мн — соответственно продольная сила и изгибающий момент от нормативной рабочей нагрузки.
Расчеты строительных конструкций на огнестойкость являются одной из разновидностей расчета конструкций по предельным состояниям [7-11].
Например, при расчетах строительных конструкций на огнестойкость используется коэффициент условий работы материала конструкции при пожаре уТ [7-13]. Этот коэффициент учитывает особенности изменения сопротивления обычных строительных материалов при их нагреве в условиях пожара.
В соответствии с этим подходом коэффициент условий работы материалов обычных конструкций при пожаре представляет собой зависимость между сопротивлением материалов Я(Т) и температурой их прогрева Т.
В относительном виде эта зависимость имеет вид:
Ут = Я(Т )/Я = /(Т), (2)
где Я(Т) — прочность материала при температуре Т;
Я — начальная прочность материала.
Зависимости типа (2) были получены в результате многолетних специальных экспериментальных исследований [7-13] для всех основных строительных материалов. Эти исследования показывают, что сопротивление обычных материалов строительных конструкций при прогреве в условиях пожара после определенной температуры начинает быстро уменьшаться. В настоящее время эти зависимости используются в качестве справочных данных при расчетах строительных конструкций на огнестойкость [7-13].
Огнестойкость строительных конструкций в ряде случаев можно оценивать также с помощью
другого показателя — критическои температуры прогрева материалов Ткр в условиях пожара.
Критической температурой прогрева материала конструкции при пожаре называется такая температура его нагрева, при которой материал утрачивает способность сопротивляться воздействию пожара.
Понятие критической температуры прогрева материалов конструкций является одним из базовых показателей, используемых в теории расчета строительных конструкций на огнестойкость [7-13].
При использовании этого показателя расчет строительных конструкций на огнестойкость также включает в себя решение двух задач:
1) прочностной задачи огнестойкости: определение нормативной рабочей нагрузки на рассматриваемую конструкцию, затем соответствующего значения коэффициента условий работы материалов конструкции при пожаре и, далее, значения их критической температуры нагрева при данном уровне рабочей нагрузки;
2) теплофизическои задачи огнестойкости: определение момента времени воздействия пожара на строительную конструкцию, при котором ключевые элементы конструкции прогреваются до критической температуры.
Например, при расчетах пределов огнестойкости изгибаемых железобетонных конструкций по потере несущей способности решение задачи сводится к определению времени воздействия пожара т, в течение которого температура рабочей арматуры растянутой зоны конструкции Т. (т) достигает крити-
Тг сг
.1 .
Тогда предел огнестойкости конструкции по признаку утраты несущей способности Я определяется из следующего условия:
если Ts (т) > Tscr, то т = ПФ(Я),
(3)
где Т. (т) — температура прогрева рабочей арматуры растянутой зоны изгибаемого железобетонного элемента в момент времени т развития пожара;
ТС — критическая температура прогрева рабочей арматуры растянутой зоны конструкции; Пф(Я) — значение предела огнестойкости конструкции по потере несущей способности. Таким образом, особенностью теории расчета пределов огнестойкости строительных конструкций является то, что коэффициент условий работы и критическая температура нагрева материала конструкции при оценке пределов огнестойкости конструкций имеют фиксированные значения, соответствующие расчетному уровню нормативной рабочей нагрузки на эту конструкцию.
Теория стойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара
Как было показано выше, во время событий 11 сентября 2001 г. имели место явления повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах при СНЕ с участием пожара [1-6]. Эти явления и приводили к преждевременной потере устойчивости зданий по сравнению с сопротивлением строительных объектов воздействию только пожара.
Результаты исследований инженерных аспектов событий 11 сентября 2001 г. [1-6] дают представление о том, что при комбинированных особых воздействиях с участием пожара имеют место следующие характерные особенности в состоянии и поведении строительных объектов:
а) возникает несколько групп конструкций, имеющих различную степень повреждения;
б) конструкции с различной степенью повреждения утрачивают свою несущую способность не одновременно, а в различные моменты времени развития ЧС;
в) на различных стадиях развития ЧС, по мере последовательного выхода из строя более поврежденных групп несущих конструкций, нагрузка на оставшиеся конструкции возрастает;
г) повышение нагрузки на уцелевшие строительные конструкции на соответствующих стадиях развития СНЕ с участием пожара приводит к развитию опасного эффекта — снижения критической температуры нагрева конструкций. Особая опасность этого эффекта для зданий и сооружений определяется очевидным соображением о том, что чем ниже критическая температура прогрева конструкций, тем быстрее они утрачивают свою несущую способность в условиях СНЕ с участием пожара и тем быстрее наступает потеря устойчивости (прогрессирующее обрушение) здания в целом в этих условиях;
д) соответственно, снижение критической температуры нагрева конструкций приводит к повышению интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах при СНЕ с участием пожара.
В связи с этим возникает необходимость разработки более общих методов оценки времени сопротивления объектов при ЧС, которые давали бы возможность учитывать специфику СНЕ с участием пожара. Результаты проведенных исследований [1-6] позволяют рассматривать их как основы теории стойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара.
Основой теории стойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара послужила общность методиче-
ских и физических принципов, лежащих в основе представлений о долговечности и огнестойкости объектов, а также кинетической концепции прочности [1-6, 13].
Сформулируем основные понятия, используемые в этой теории:
Стойкость конструкции при СНЕ с участием пожара (tche,R) — время, в течение которого конструкция сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях комбинированных особых воздействий СНЕ с участием пожара.
Стойкость здания при СНЕ с участием пожара (Dche r) — время, в течение которого здание в целом сопротивляется воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара без потери общей устойчивости и геометрической неизменяемости. Стойкость здания при СНЕ с участием пожара определяется стойкостью его основных конструкций в этих условиях.
Суть предлагаемого метода оценки стойкости зданий при СНЕ с участием пожара заключается в расчете изменения во времени несущей способности различных характерных групп структурных элементов объекта и нагрузок на них при заданном сценарии СНЕ с участием пожара, с учетом особенностей поведения материалов конструкций в рассматриваемых условиях.
Особенности поведения материалов конструкций при проведении оценки стойкости конструкций и зданий при СНЕ с участием пожара можно учитывать в виде эффекта уменьшения критической температуры нагрева материалов конструкций при СНЕ с участием пожара [1-6].
В таком сложном объекте, как здание или сооружение, может быть несколько уровней структурных элементов, в которых процесс накопления нарушений структуры и деформаций может приводить к наступлению их предельного состояния в виде потери их несущей способности.
С учетом вышеизложенного прогрессирующее обрушение объекта — это последняя лавинообразная стадия развивающегося во времени процесса последовательного исчерпания стойкости различными структурными элементами объекта, что приводит к потере общей устойчивости объекта в целом.
Источники CHE могут иметь весьма широкий диапазон характеристик опасных воздействий. В весьма широких пределах могут также изменяться и сценарии CHE.
В связи с этим все многообразие воздействий CHE на здание предлагается выражать через последствия этих воздействий на состояние "ключевых" конструктивных элементов здания, которые определяют его устойчивость в этих условиях.
Ключевые конструктивные элементы здания при СНЕ — конструктивные элементы здания, играющие определяющую роль в обеспечении общей устойчивости и геометрической неизменяемости здания в рассматриваемых условиях.
В качестве "ключевых" конструктивных элементов, исходя из конструктивных схем современных зданий, могут рассматриваться: колонны, несущие стены, рамы и т. д.
Все "ключевые" конструктивные элементы рассматриваемого здания разбиваются на несколько характерных групп в зависимости от их состояния в условиях CHE и способности этих элементов сопротивляться CHE.
С учетом различной стойкости характерных групп "ключевых" конструктивных элементов при СНЕ процесс исчерпания стойкости здания при заданном сценарии CHE будет происходить "поста-дийно", в результате последовательной утраты стойкости различными выделенными характерными группами "ключевых" конструктивных элементов.
Наличие этих процессов приводит к необходимости рассмотрения ряда расчетных стадий развития CHE. Каждая из выделенных расчетных стадий развития CHE будет соответствовать утрате стойкости при СНЕ определенной характерной группой "ключевых" конструктивных элементов.
Стойкость строительной конструкции при комбинированных особых воздействиях определяется временем tche от начала комбинированного особого воздействия (СНЕ) до момента, когда несущая способность конструкции Rche становится недостаточной для восприятия нагрузки SCHE, приложенной к ней на различных стадиях СНЕ.
Стойкость конструкции при СНЕ tche R определяется из условия:
если rche(Tche) < »scheUche, r ),
то Tche = Tche, r. (4)
Здание в целом исчерпает свою стойкость к прогрессирующему разрушению DCHE R и потеряет свою устойчивость при выбранном сценарии CHE с участием пожара, если все характерные группы "ключевых" конструктивных элементов здания исчерпают свою стойкость при СНЕ (достигнут своего предельного состояния по потере несущей способности) на какой-либо из расчетных стадий CHE.
Время tche, когда это произойдет, и будет определять фактическую стойкость здания к прогрессирующему обрушению DCHE R для выбранного сценария CHE.
Например, стойкость объекта при СНЕ с участием пожара, если в качестве ключевых конструкций рассматриваются сжатые элементы, можно определить из выражения:
если
Z Rk (тСhe) <Z N,
то т
CHE
= D
CHE, R
(5)
где Z R, (тCHE) — суммарная несущая способ-
i
ность "ключевых" сжатых конструктивных элементов объекта, всех характерных групп k к концу расчетной стадии i; т Ci HE — время комбинированного особого воздействия СНЕ к моменту окончания расчетной стадии i;
Z N — суммарная сжимающая нагрузка на "ключевые" сжатые конструктивные элементы объекта.
Здание сохранит определенную долю своей стойкости и не будет полностью разрушено при заданном сценарии CHE, если отдельные группы "ключевых" конструктивных элементов здания не исчерпают своей стойкости (не достигнут предельного состояния по потере несущей способности) после рассмотрения всех расчетных стадий CHE. В этом случае здание сохранит свою целостность, но получит тот или иной уровень повреждений.
Возможность сохранения зданием своей целостности при заданном сценарии CHE определяется из условия:
если Tche < Tche, r, то Dche, r > Tche. (6)
Предлагаемый подход может быть использован для решения двух типов задач:
прямой задачи — оценки стойкости здания к прогрессирующему обрушению при различных сценариях CHE;
обратной задачи — определения допустимого числа "ключевых" конструкций здания, которые могут быть разрушены или повреждены при СНЕ, исходя из заданной (нормируемой) стойкости здания к прогрессирующему обрушению DhE r . Нормируемый уровень стойкости здания определяется исходя из допустимых уровней рисков, безопасности людей и сохранения целостности здания.
Предлагаемые теория и методы оценки стойкости зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара дают возможность достичь любого уровня детализации исходной модели здания или сооружения и расчетного сценария развития комбинированных особых воздействий с участием пожара.
3. Особенности оценки состояния и поведения строительных объектов при комбинированных особых воздействиях с участием пожара
Решение такого рода задач относится к решениям так называемых "обратных" задач (см. выше) и
производится по заданному (известному) сценарию развития СНЕ с участием пожара, т. е. в этом случае стойкость объекта ПСНЕ Я при известном (или заданном) сценарии СНЕ с участием пожара известна или задана.
В качестве метода решения такого рода задач используется метод последовательного приближения. Реализация метода последовательного приближения в рассматриваемом случае производится по следующей схеме:
1. Выделяются "ключевые" конструкции объекта, которые определяют сопротивление объекта в целом при СНЕ с участием пожара.
2. Выделенные "ключевые" конструкции объекта в соответствии со сценарием СНЕ с участием пожара разбиваются на характерные группы к.
3. Время развития СНЕ с участием пожара разбивается на расчетные стадии п.
4. В качестве первого приближения задаются некими начальными значениями состояния "ключевых" конструкций в каждой из характерных групп к при СНЕ с участием пожара.
5. Определяется стойкость (тСНЕ, Я)кп (время сопротивления) каждой из характерных групп к "ключевых" конструкций на каждой расчетной стадии п развития СНЕ с участием пожара.
6. Определяется расчетная стойкость объекта ЦСНЕ Я при принятых начальных значениях состояния ключевых элементов ^ (т СНЕ Я) П = ПСНЕ Я.
7. Проверяется условие соответствия:
Ц _ пас
ЦСНЕ, Я - пСНЕ, Я .
Если условие ПСНЕ Я _ Ц
act
'CHE, R
не выполняется,
то задается следующее приближение по состоянию
О 5 10 15
Время комбинированных особых воздействий тСНЕ, мин
Рис. 5. Реконструкция изменения числа "ключевых" конструкций наружного кольца здания Пентагона, утративших свою несущую способность до начала прогрессирующего обрушения этой части здания, во время событий 11 сентября 2001 г.
"ключевых" конструкций в каждой из характерных групп к при СНЕ с участием пожара. Все последующие приближения формируются таким образом, чтобы обеспечивать уменьшение разницы между величинами, входящими в условие соответствия, до требуемого допустимого значения.
Вариант состояния "ключевых" конструкций объекта в каждой из характерных групп к при СНЕ с участием пожара, когда выполняется условие _Осне R = DCHE R, является решением рассматриваемой обратной задачи.
На рис. 5 представлены результаты оценки изменения состояния и поведения "ключевых" конструкций здания Пентагона до начала прогрессирующего обрушения наружного кольца здания при СНЕ с участием пожара во время событий 11 сентября 2001 г. [1, 3-5].
4. Особенности оценки стойкости железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара
Оценка стойкости железобетонных колонн при комбинированных особых воздействиях с участием пожара заключается в определении изменения несущей способности колонны Rche(tche) и нагрузок на нее Nche(tche) на каждой из расчетных стадий развития СНЕ, с учетом особенностей изменения прочностных характеристик бетона и арматуры колонны в рассматриваемых условиях.
Несущая способность железобетонных колонн при СНЕ в значительной степени зависит от изменения сопротивления бетона и арматуры в рассматриваемых условиях. Учет этих изменений предлагается производить путем использования специальных коэффициентов условий работы этих материалов при комбинированных особых воздействиях с
участием пожара Ys, ief и Уъ, ief.
Отличие этих коэффициентов условий работы от коэффициентов условий работы материалов в условиях пожара заключается в том, что приходится учитывать изменение рабочей нагрузки на характерные группы "ключевых" конструкций в процессе развития СНЕ с участием пожара.
В ряде случаев целесообразно использовать при оценке изменения несущей способности конструкций при СНЕ с участием пожара показатель критической температуры прогрева материалов конструкций при СНЕ с участием пожара. В этом случае необходимо учитывать эффект уменьшения критической температуры нагрева материала конструкции в рассматриваемых условиях.
Аналогично методам расчета конструкций на огнестойкость [9-13] можно использовать для коэффициента условий работы бетона при СНЕ с участием пожара упрощенную аппроксимацию: уъ f = 1
при Тъ < Tbcr, уъ, ief =0 при Тъ > Тъсг. Фактически это соответствует тому, что площадь бетона колонн Аъ (tche) в условиях СНЕ, прогретая до температур менее критической, не снижает своей прочности, а бетон, прогретый до температур выше критической, теряет прочность и полностью выключается из работы [3-5].
Тогда расчет изменения несущей способности железобетонной колонны, нагруженной центрально приложенной силой и подвергаемой СНЕ по заданному сценарию, производится с помощью выражения
Rief (TCHE ) = Ф(тСНЕ ) Х X [RbA ъ (TCHE ) + Rsc Ys, ief (TCHE ) As, tot ], (7)
где ф(хСНЕ) — коэффициент продольного изгиба колонны на момент времени тСНЕ; Аъ (тСНЕ) — площадь сечения бетона колонны,
сохранившего свою прочность на момент време-,2.
ни T
CHE
м
2
ЛБ ш — площадь сечения арматуры колоны, м Яь — начальное сопротивление бетона, МПа; Я8С — начальное сопротивление арматуры, МПа;
у,, (тСНЕ) — коэффициент условий работы арматуры при СНЕ с участием пожара на момент времени тСНЕ.
Если на какой-либо из расчетных стадий развития СНЕ несущая способность колонны ЯСНЕ(тСНЕ) становится равной уровню нагрузок на нее ^СНЕ(тСНЕ) или меньше его, то колонна достигает своего предельного состояния по потере несущей способности. Момент времени СНЕ тСНЕ, когда это условие выполняется, и определяет искомое значение стойкости колонны при СНЕ:
если Ясне(тсне) < ^сне(тсне), то тШе = Ане,я , (8)
где АСНЕ я — фактическая стойкость колонны при СНЕ, мин.
Если после рассмотрения всех расчетных стадий развития СНЕ несущая способность колонны ЯСнЕ(тСнЕ) превышает уровень нагрузок на нее ^СНЕ(тСНЕ), то колонна сохраняет некоторый остаточный ресурс несущей способности и не достигает своего предельного состояния по потере несущей способности, т. е.
RCHE (тСНЕ ) NCHE (TCHE ) = ^RCHE (тСНЕ ),
(9)
где АЯ,5Н,Е(тСНЕ) — остаточный ресурс несущей способности колонны на момент времени тСНЕ. Целью расчета, таким образом, является определение для заданного сценария СНЕ значения стойкости колонны при СНЕ или значения запаса несущей способности колонны по отношению к нагрузкам, которые на нее действуют в рассматриваемых условиях.
5. Вопросы обеспечения безопасности людей при СНЕ с участием пожара с учетом повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов в этих условиях
Рассмотренные выше прецеденты свидетельствуют о том, что при СНЕ с участием пожара наблюдаются ранее не учитывавшиеся явления повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах при СНЕ с участием пожара.
Эти явления приводят к преждевременной потере устойчивости зданий в рассматриваемых условиях по сравнению с сопротивлением строительных объектов воздействию только пожара, к массовой гибели людей, огромному материальному ущербу.
Возникает острая необходимость рассмотрения вопроса обеспечения безопасности людей с учетом особенностей СНЕ с участием пожара. Особенно большое значение имеет решение этого вопроса при оценке пожарного риска.
Основные особенности СНЕ с участием пожара, с точки зрения обеспечения безопасности людей, заключаются в том, что в этих условиях:
1. Возникает несколько зон с различным уровнем опасности для людей:
а) зона непреодолимой опасности, в которой отсутствует возможность эвакуации и спасения людей;
б) зона, где люди подвергаются воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара. В этой зоне отсутствует возможность своевременной эвакуации людей, а речь может идти только об их спасении;
в) зона, где люди в течение определенного времени не подвергаются воздействию опасных факторов пожара. В этой зоне возможна организация эвакуации людей как самостоятельного движения людей из зоны, где возможно воздействие опасных факторов, в зону, где оно отсутствует.
2. Процедура обеспечения безопасности людей может включать несколько этапов в зависимости от местоположения человека относительно зоны СНЕ с участием пожара. Например, люди в башнях Всемирного торгового центра в Нью-Йорке, оказавшиеся выше зоны СНЕ с участием пожара, во время событий 11 сентября 2001 г. должны были:
— сначала эвакуироваться, двигаясь сверху вниз (до границы зоны СНЕ);
— затем спасаться через зону СНЕ;
- после этого они могли опять нормально эвакуироваться от зоны СНЕ до выхода из здания;
- на последнем этапе движения, на выходе из здания, эти люди вновь должны были спасаться,
подвергаясь опасности попасть под падающие сверху обломки.
3. Время обеспечения безопасности людей на строительных объектах при СНЕ с участием пожара, кроме ОФП, ограничено временем сопротивления объекта при СНЕ с участием пожара, т. е. его стойкостью в этих условиях.
Эти особенности обеспечения безопасности людей в зданиях и сооружениях при СНЕ с участием пожара необходимо учитывать при оценках риска СНЕ с участием пожара. Это можно делать, например, путем введения специальных показателей в известные методики [14] оценки вероятности обеспечения безопасности людей.
Заключение
Проблема обеспечения безопасности зданий и сооружений при ЧС с участием пожара является в нашей стране весьма актуальной, так как строительный комплекс представляет собой один из самых уязвимых видов объектов для такого рода воздействий.
Изучение этой проблемы, разработка способов ее решения являются в настоящее время составной частью современного инновационного развития МГСУ и Академии ГПС МЧС России в научном, прикладном и образовательном аспектах [1-4].
В Центре комплексной безопасности строительных систем МГСУ совместно с Академией ГПС МЧС России проводится комплекс исследований в научном направлении "Оценка стойкости объектов при комбинированных особых воздействиях с участием пожара", в том числе связанных с террористической угрозой [1-4].
В результате проведения этих исследований были выявлены и нашли научное объяснение явления повышения интенсивности развития аварийно-опасных процессов на строительных объектах при СНЕ с участием пожара.
Эти явления и приводят к преждевременной потере устойчивости зданий в рассматриваемых условиях по сравнению с сопротивлением строительных объектов воздействию только пожара.
Возникшая необходимость разработки более общих методов оценки времени сопротивления объектов, которые давали бы возможность учитывать специфику СНЕ с участием пожара, привела к разработке [4] основ более общей, по сравнению с теорией огнестойкости, теории стойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара.
В данной работе рассматриваются: • возможности применения этой теории для оценки стойкости объектов из железобетонных конструкций при СНЕ с участием пожара;
• особенности решения обратных задач по оценке • предложения по учету особенностей обеспече-
1. Теличенко В. И., Ройтман В. М. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара — базовый элемент системы комплексной безопасности // Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации : материалы 1-го Национального конгресса "Комплексная безопасность в строительстве 2010", г. Москва, ВВЦ, 18-21 мая 2010 г. — Вып. 9. — М., 2010.
2. Roytman V. M., Pasman H. J., Lukashevich I. E. The Concept ot Evaluation ot Building Résistance against Combined Hazardous Ettects "Impact-Explosion-Fire" atter Aircratt Crash // Fire and Explosion Hazards : Proceedings otthe Fourth International Seminar. — NI, UK, Londonderry, 2003. — P.283-293.
3. Ройтман В. М. Основы пожарной безопасности высотных зданий : учебное пособие. — М. : МГСУ, 2009. — 107 с.
4. Ройтман В. М., Приступюк Д. Н. Оценка стойкости высотных зданий против прогрессирующего разрушения при комбинированных особых воздействиях //Тезисы межрегиональной конференции "Проектирование инженерных систем и безопасности высотных зданий" (Санкт-Петербург, 28-30 мая 2008 г.). — СПб : ОАО "ЛЕННИИПРОЕКТ", 2008. — С. 57-73.
5. Приступюк Д. Н., Ильина Е. А., Ройтман В. М. Оценка стойкости железобетонных колонн при комбинированных особых воздействиях с участием пожара (на примере поведения здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г.) // Строительство — формирование среды жизнедеятельности : научные труды 12-й Межд. межвуз. науч.-практич. конф. молодых ученых, докторантов и аспирантов (МГСУ, 15-22 апреля 2009 г.). — М. : Изд-во АСВ, 2009. — С.512-516.
6. Финогенова В. В., Родионов Е. А., Ройтман В. М. Влияние эффекта изменения критической температуры прогрева конструкций башен Всемирного торгового центра на их устойчивость во время событий 11 сентября 2001 г. // Междунар. науч.-техн. конф. студентов : c6. докл. (МГСУ, 15-19 марта 2010 г.). — М. : МГСУ, 2010. — С. 139-142.
7. Технический регламент о требованиях пожарной безопасности : Федер. закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ : принят Гос. Думой 4 июля 2008 г. : одобр. Советом Федерации 11 июля 2008 г. — М.: ФГУ ВНИИПО, 2008. — 157 с.
8. СП 2.13130.2009. Системы противопожарной защиты. Обеспечение огнестойкости объектов защиты : утв. Приказом МЧС РФ от 25.03.2009 № 172 : ввод. в действие 01.05.2009. — М. : ВНИИПО, 2009.
9. Бушев В. П., Пчелинцев В. А., Федоренко В. С., Яковлев А. И. Огнестойкость зданий. — М. : Стройиздат, 1970.
10. БартелемиБ., КрюппаЖ. Огнестойкость строительных конструкций. — М. : Стройиздат, 1985.
11. Яковлев А. И. Расчет огнестойкости строительных конструкций. — М. : Стройиздат, 1988.
12. Милованов А. Ф. Огнестойкостьжелезобетонных конструкций. — М. : Строийизат, 1986.
13. Ройтман В. М. Инженерные решения по оценке огнестойкости проектируемых и реконструируемых зданий. — М. : Пожнаука, 2001. — 381 с.
14. Об утверждении методики определения расчетных величин пожарного риска в зданиях, сооружениях и строениях различных классов функциональной пожарной опасности : приказ МЧС России от 30 июня 2009 г. № 382 : зарегистрирован в Минюсте РФ 6 августа 2009 г., рег. № 14486 [электронный ресурс]. URL : http://www.mchs.gov.ru (дата обращения: 10.05.2010).
состояния и поведения конструкций объектов при СНЕ с участием пожара;
ния безопасности людей в зданиях и сооружениях при СНЕ с участием пожара при оценке риска.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Материал поступил в редакцию 10 июня 2010 г. Электронный адрес авторов: dmidob@hotbox.ru.
