CC BY
62
ПРОЕКТИРОВАНИЕ СООРУЖЕНИИ С УЧЕТОМ АВАРИЙНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ
В.О. Алмазов
МГСУ
Представление о методах противодействия прогрессирующе- ^^И Я
му разрушению сосредоточено на объекте, а в действительно- ^^Н ^ fl сти должно быть распространено на множество конструктивных форм и объектов различного назначения
The existing methods of fighting with the progressing destroy are focusing on the object, but in fact that should be used onto the many of constructive forms and objects of the various utilization
Необходимость учета аварийных воздействий при проектировании, строительстве и эксплуатации строительных объектов очевидна, и отражена в нормах разных стран, в частности, в нормах России. Принято считать, что в ГОСТ 7751-88 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету» [1] содержатся исчерпывающие требования по этому вопросу. Величины аварийных воздействий приведены во множестве нормативных документов, в той или иной мере отражающих специфику этих воздействий: сейсмических, взрывных, геологических и т. д. В последние десятилетия XX века в мире получила развитие террористическая деятельность. Противодействие этим злонамеренным действиям, а также действиям недостаточно квалифицированных людей при одновременном усложнении технологий потребовало принципиально новых подходов к проектированию жилых и общественных зданий, инженерных сооружений: мостов, большепролетных покрытий, зрелищных, торговых, спортивных и т. п. сооружений. Нельзя утверждать, что сама проблема противодействия аварийным воздействиям или минимизации последствий от этих воздействий является чем-то новым в теории и практике проектирования. Новым, в первую очередь, является отношение общества к этим явлениям. В России это отношение выразилось в жестком требовании государственных экспертных органов к тому, чтобы в обязательном порядке проекты новых зданий и сооружений содержали раздел «Сопротивление прогрессирующим разрушениям (ПР)».
Пока что небольшая практика проектирования сооружений с учетом противодействия ПР постепенно открывает новые экономические, технические и научные аспекты проблемы. Начало, как известно, положено лондонской трагедией 1968 года, когда угол 22-х этажного жилого панельного здания Ронан Пойнт полностью разрушился после взрыва бытового газа в одной из квартир 16-го этажа. Интерес и беспокойство вызвали не столько сам взрыв и разрушение окружающих его стен и перекрытий. Это локальное повреждение вызвало значительно более обширное разрушение. Именно этот факт - распространение очага повреждения до размеров всего здания или существенной его части, впоследствии дал название направлению, которое в переводе с английского одни специалисты называют «прогрессирующим разрушением», другие - «прогрессирующим обрушением», для третьих более привлекательно «лавинообразное разрушение». Существенно то, что появилось совершенно новое направление в области проектирования и прогнозирования поведения строительных объектов. Серьезность этого направления заключается в том, что впервые ставится вопрос не только о том, чтобы конструкция не преодолела предельное состояние
по несущей способности, но о том, что будет происходить с ней после преодоления этого предельного состояния. Изучение этого постпредельного состояния несущих систем и их элементов находится в самом зачаточном состоянии, но вполне вероятно, что оно станет в ближайшем будущем предметом исследований в целях обеспечения безопасности проектируемых, строящихся и эксплуатируемых зданий и сооружений.
Последний печальный пример Саяно-Шушенской ГЭС, на первый взгляд, не вписывается в понятие прогрессирующего разрушения. Мало того, это понятие пока что, не распространяется на промышленные объекты. Сегодня вообще нет единого экспертного мнения о причине трагедии. Но независимо от этого нельзя не признать, что был спусковой механизм: сбой в работе сервоприводов заслонок, приведший к гидроудару, усталостное разрушение турбины или что-то еще, о чем еще долго будут спорить ученые и инженеры. Все последующие события, завершившиеся гибелью множества людей, говорят о том, что при проектировании не изучалась и конструктивно не предотвращалась возможность превращения локального повреждения во всеобщую катастрофу для машинного зала. Обширную аварию могла бы предотвратить альтернативная компоновка сооружения - устройство герметизируемых отсеков в машинном зале и нижележащих помещениях здания ГЭС.
Наибольшее распространение расчеты сопротивления прогрессирующему разрушению получили в проектах и практике строительства несущих каркасов многоэтажных жилых и многофункциональных зданий. Сегодня не меньший интерес возникает при проектировании большепролетных сооружений: мостов, балок, ферм, оболочек покрытий и т. д. Из приведенного примера СШГ очевидно, что в равной степени проблема касается гидротехнических сооружений, в частности:
- многоэтажных складов и холодильников;
- силосных корпусов (подсилосная галерея);
- причальных сооружений на сваях и колоннах (набережные и пирсы);
- платформ для морской добычи нефти и газа;
- речных гидротехнических сооружений (гидроузлов) и т. д.
В настоящее время удалось установить достаточно четкую взаимосвязь между требованиями Градостроительного Кодекса РФ, ред. от 22.07.2008 N 148-ФЗ [2] и методами проектирования зданий и сооружений, подвергаемых аварийным воздействиям, способным привести к ПР (Таблица 1).
Анализ зарубежных, в том числе международных нормативов, отечественного опыта, также сконцентрированного в нормативах, статьях и монографиях, позволяет сформулировать приемлемые пути повышения безопасности зданий, в том числе высотных:
A. Снижение уровня «риска».
Б. Увеличение «лишних» неизвестных в каркасе.
B. Расчетно-конструктивные «ответы» на возможные повреждения.
Для сооружений 1-го класса рекомендуется, чтобы расчет производился на особое сочетание нагрузок при следующих возможных схемах локальных разрушений:
- разрушение (удаление) двух пересекающихся стен одного (любого) этажа на участке от их пересечения (в частности, от угла здания) до ближайших проемов в каждой стене или до следующего пересечения с другой стеной не более 10 м, что соответствует повреждению конструкции в круге площадью до 80 м2 (площадь локального разрушения);
- разрушение (удаление) колонн (пилонов) либо колонн (пилонов) с примыкающими к ним участками стен, расположенных на одном (любом) этаже на площади локального разрушения;
- обрушение участка перекрытия одного этажа на площади локального разрушения.
Спецвыпуск 1/2010_М!^ ™ИК
Таблица 1
Класс Вариант проектирования Тип сооружения
5 Не требуют специальных расчетов ПР и устройства специальной связе-вой системы Здания не более 3-х этажей; объекты, высотой не более 2-х этажей при площади не более 1500 м2
4 Не требуют специальных расчетов ПР Здания высотой 4-5 этажей; жилые и промышленные здания не более 3-х этажей; административные здания не более 4-х этажей, одноэтажные образовательные здания
3 III Жилые здания высотой не более 10-и этажей; жилые и промышленные здания не более 3-х этажей; административные здания не более 4-х этажей; образовательные здания не более 10-и этажей
2 II Жилые и административные здания высотой не более 100 метров. Здания и сооружения, не относящиеся к классам I -III и V.
1 I 1. Уникальные объекты: - здания высотой более чем 100 метров; - пролетные строения мостов, путепроводов, конструкции покрытий с пролетами более чем 100 метров; - наличие консоли более чем 20 метров; - заглубление подземной части (полностью или частично) ниже планировочной отметки земли более чем на 10 метров; - наличие конструкций и конструкционных систем, в отношении которых применяются нестандартные методы расчета с учетом физических или геометрических нелинейных свойств либо разрабатываются специальные методы расчета. 2. Особо опасные и технически сложные объекты: - объекты использования атомной энергии; - гидротехнические сооружения первого и второго классов капитальности, - сооружения связи; - линии электропередачи 330 киловольт и более с соответствующими объектами электросетевого хозяйства; - объекты космической инфраструктуры; - аэропорты и иные объекты авиационной инфраструктуры; - объекты инфраструктуры железнодорожного транспорта общего пользования; - метрополитены; - морские порты; - тепловые электростанции мощностью 150 мегаватт и выше; - опасные производственные объекты, на которых производятся работы с опасными веществами.
Для сооружений 2-го и 3-го классов рекомендуется, чтобы расчет производился на особое сочетание нагрузок при следующих возможных схемах локальных разрушений:
- разрушение (удаление) двух пересекающихся стен одного (любого) этажа на участке от их пересечения (в частности, от угла здания) до ближайших проемов в каждой стене или до следующего пересечения с другой стеной не более 7 м, что соответствует повреждению конструкции в круге площадью до 40 м2 (площадь локального разрушения);
- разрушение (удаление) колонн (пилонов), либо колонн (пилонов) с примыкающими к ним участками стен, которые расположены на одном (любом) этаже в пределах площади локального разрушения;
- обрушение участка перекрытия одного этажа на площади локального разрушения.
Принципиально для сооружений 1 - 3 классов могут быть установлены три уровня требований:
- сооружение после аварийного воздействия не получает повреждений за пределами локального участка;
- сооружение после аварийного воздействия сохраняет несущую способность, но становится непригодным к нормальной эксплуатации;
- сооружение после аварийного воздействия не пригодно к эксплуатации, но сохраняет свою форму настолько, чтобы люди могли безопасно его покинуть. Формально эти требования не связаны с классом сооружения и назначаются для
каждого сооружения в зависимости от политических, экономических, технологических и ряда других соображений. Выбор требований в этом случае принадлежит инвестору, муниципальным, и, нередко, федеральным органам, утверждающим технические условия на проектирование конкретного объекта.
В первые десятилетия изучения проблемы и внедрения рекомендаций в проектирование и строительство специалисты ограничивались аналогией с «домино» и рассмотрением многоэтажных панельных зданий. Углубление и расширение задач привело к более развитой номенклатуре ПР. Она приемлема потому, что позволяет более осознано, опираясь на известные задачи механики, развивать методы противодействия ПР различных типов сооружений. Идея этой классификации принадлежит У. Староссеку [3]. Молния (Рис.1).
Для висячих мостов требуются, чтобы внезапный обрыв троса не вызывал потерю устойчивости конструкции и соответствует случаю «потери троса».
Примером такого разрушения У. Староссек считает аварию Такомского моста (1940 г.). Разрушение типа «молния» не обязательно инициируется обрывом растянутых элементов. Подобная картина разрушения может наблюдаться при недостаточной анкеровке стен, когда дефицит анкеров или их заделки может привести к ПР. Разрушения по типу «молния» характеризуется следующими этапами:
- начальное повреждение одного или нескольких элементов;
- перераспределение усилий на сохранившиеся элементы;
Рисунок 1. Разрушение типа «молния»
- импульсивное воздействие от начального повреждения;
- динамический ответ сохранившихся конструкций на это импульсивное нагружение;
- концентрация сил в очаге повреждения вследствие комбинации статического и динамического нагружения, в результате чего происходит разрушение;
- ПР в поперечном направлении относительно главных сил. Домино (Рис. 2).
После нажатия пальцем на одну кость домино, падают все. Механизм этого типа ПР заключается в следующем:
- начальное движение одного элемента (одного блока домино);
- падение этого элемента - движение жесткого тела вокруг нижней грани;
- переход потенциальной энергии в кинетическую;
- поперечный удар верхней грани этого элемента о плоскость соседнего элемента, горизонтальная сила создает давление и движение соседнегоэлемента;
- процесс ПР.
В явном виде процесс напоминает потерю устойчивости зданий при опрокидывании, если они расположены чрезмерно близко одно к другому. При землетрясениях несинхронные колебания близко расположенных зданий также могут привести к реализации этого эффекта. Неустойчивость (Рис.3).
Она характеризуется малыми возмущениями (несовершенства конструкции, поперечные нагрузки, продольный изгиб), ведущими к большим деформациям или разрушению. Конструкции проектируют так, чтобы неустойчивость не возникала.
Рисунок 2. Разрушение типа «домино»
Рисунок 3. Разрушение типа «неустойчивость»
Разрушение подкрепляющего элемента происходит при очень малом пусковом воздействии. Это применимо к фермам и балкам, где поддерживающие элементы используют для обеспечения устойчивости стержней или поперечных сечений сжатых элементов. Другой пример - неустойчивость или разрушение жесткой плиты при внезапном нагружении, и возможность общего разрушения
Неустойчивость, ведущая к ПР , характеризуется следующими этапами:
- начальное повреждение элементов, которые устойчивы при продольном
сжатии;
- неустойчивость сжатых элементов, которые перестали быть устойчивыми;
- внезапное повреждение этих, потерявших устойчивость элементов, вследствие малых возмущений;
- прогрессирующее разрушение.
Плоское (блинчатое) ПР (Рис.4).
Взрыв, удар самолета или иная причина вызвали повреждение перекрытия - произошло локальное повреждение. Падение перекрытия, участка перекрытия на лежащее ниже вызвало падение этого перекрытия и т. д. - произошло общее разрушение.
Плоское разрушение характеризуется следующими свойствами:
- начальное повреждение вертикальных или горизонтальных несущих элементов;
- частичное или полное расчленение конструкции и падение;
- переход потенциальной энергии в кинетическую;
- удар расчлененных и падающих элементов конструкции на сохранившуюся
часть конструкции;
- разрушение оставшихся вертикальных несущих конструкций;
- ПР в вертикальном направлении.
Классическим примером плоского типа разрушения считают трагедию башен всемирного торгового центра в Нью-Йорке. К плоскому разрушению, по-видимому, относятся аварии типа лондонского Ронан Пойнт и подобные им аварии при взрывах бытового газа (объемный взрыв), когда перекрытия падают одно на другое. ПР сечения (Рис. 5).
Этот вид прогрессирующего разрушения представляется наименее четко распознанным. Он относится к железобетонной балке при изгибе или брусу при осевом
{е) (Ь) (О М
Рисунок 4. «Блинчатое» разрушение
сжатии. Если разрушилась часть расчетного сечения, внутренние усилия перераспределяются на оставшуюся часть сечения.
Рисунок 5. Варианты разрушения типа «ПР сечения».
Возросшие напряжения в некоторых зонах вызовут дальнейшее разрушение вплоть до полного разрушения сечения. Такое разрушение обычно не относят к прогрессирующему. Однако наличие нескольких этапов в этом процессе позволяет представить, что общее разрушение имело начальный очаг поражения, который и привел к полному разрушению сечения балки. К этапам развития ПР можно отнести «стадии» работы сечения. Нормальные трещины «тормозятся» продольной арматурой, а продольные трещины в сжатом бетоне могут привести к преждевременному разрушению сечения. Сегодня в некоторых случаях конструкторы считают целесообразным устанавливать в сжатую зону наиболее нагруженной части балки косвенную арматуру в виде вертикальных сеток.
При проектировании железобетонных конструкций с учетом перераспределения усилий образование в элементе п - 1 пластического шарнира, где п - число лишних неизвестных, соответствует возникновению п - 1 повреждений. Образование п-го пластического шарнира вызывает разрушение.
Аналогичное явление наблюдается в рамах, когда образование п - 1 пластических шарниров в раме не приводит к разрушению.
К сопротивлению типа ПР сечения могут быть отнесены задачи механики разрушения, изучающие поведение трещин в различных материалах.
Разрушение в этом случае подобно типу «молния». Главное различие в том, что сечение рассматривается как аморфное, однородное. Этим оно отличается от висячего моста, структурированного и имеющего элементы с различными свойствами.
Разрушение соответствует лавинному продвижению трещины. ПР смешанного типа (комбинированное) (Рис.6).
Реальные случаи ПР одновременно или последовательно включают один или несколько предыдущих типов. Многозвенность конструктивной схемы взывает при удалении какого либо ее элемента многоступенчатость ПР.
Рисунок 6. Варианты разрушения типа «ПР сечения»
Примером подобного сооружения была конструкция покрытия аквапарка «Трансвааль». На опорную систему из 51-й стальной колонны через мощный железобетонный контурный брус опирается монолитно связанная с ним ребристая железобетонная оболочка двоякой кривизны. Разрушение инициировали горизонтальные (в наружу) деформации оболочки, неизбежные для арок и оболочек. Они достигали 5 см. Крепление колонны к контурному брусу было выполнено из хрупкой стали на сварке. Это место стало очагом повреждения. В первой (№ 8) из колонн не выдержала сварка или «блюмс» (брусок сечением 10 х10 см, выполненный из хрупкой стали марки С30). Других ограничений горизонтальной подвижности колонны не оказалось (не было предусмотрено проектом), и контурный брус продолжил свое горизонтальное смещение. За первой колонной последовали другие. Железобетонная оболочка ждала этого момента. Ее вертикальные деформации и усилия в ней были чрезмерными. Автор проекта проигнорировал фундаментальные свойства железобетона. При порочной геометрии - оболочка изначально оказалась чрезмерно пологой - без проверки ее геометрической и физической нелинейности нельзя было даже приступать к строительству. Связевая система опорного контура также оказалась порочной. Она не только не могла обеспечить устойчивость системы, она провоцировала дальнейшие повреждения. Изложенное позволяет читателю представить цепочку или ступени развития ПР, начавшегося с «блюмса».
Весь процесс занял 20 - 30 секунд. Плита оболочки без видимых причин (трещин, чрезмерных прогибов) упала в бассейн, что не свойственно железобетону вообще.
Из приведенной классификации следует, что сложившееся в настоящее время представление о методах противодействия прогрессирующему разрушению является достаточно узким: оно сосредоточено на объекте - многоэтажное здание, а в действительности должно быть распространено на множество конструктивных форм и объектов различного назначения. Наш опыт применения упругих и упруго-пластических решений при проектировании монолитных железобетонных и стальных многоэтажных каркасов и большепролетных сооружений показывает, что упругие решения с учетом динамики процессов разрушения требуют существенного увеличения несущей способности перекрытий, стен и колонн. Упруго-пластические решения позволяют полу-
чить значительно более экономичные решения. Главной особенностью проектирования с учетом сопротивления прогрессирующему разрушению является требование устройства системы вертикальных и горизонтальных связей, обеспечивающих сохранение геометрии несущего каркаса, несмотря на местные повреждения. Подробное изложение методики проектирования с учетом сопротивления ПР содержится в [4].
Библиография.
1. «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения по расчету», ГОСТ 7751-88.
2. Градостроительный Кодекс РФ, ред. от 22.07.2008 N 148-ФЗ.
3. Starossek U. Typology of progressive collapse// Structural Analysis and Steel Structures Institute, Hamburg University of Technology, Germany.
4. Алмазов В. О. Сопротивление прогрессирующему разрушению: расчеты и конструктивные мероприятия//Вестник ЦНИИСК, 2009.
Ключевые слова: Железобетонные и стальные каркасы, процессы разрушения, упругие решения, упругопластические решения, прогрессирующее разрушение, система связей
Ferry concrete and steel frame works, destroy processes, elastic models, elastic-plastic models, progressing destroy, connection system
Адрес: vxmp@mail.ru
