Прогрессирующее обрушение: нормы, расчет и рекомендации

Тема прогрессирующих обрушений сегодня актуальна и упоминаема. До сих пор людей ужасает известная катастрофа подобного рода, которая произошла 11.09.2011 г. в Нью-Йорке. Миллионы людей наблюдали по видеозаписи эти трагические события, которые унесли жизни 2977 человек.

В 8 часов 46 минут 40 секунд по направлению с севера между 93-м и 95-м этажами северной башни Всемирного торгового центра врезался ведомый террористами «Боинг 767» (рейс 11). В 9 часов 3 минуты 11 секунд между 78 и 85 этажами по направлению с юга Южную башню Всемирного торгового центра на скорости 959 км/час пробил насквозь самолет «Боинг 767» (рейс 175).

Вам будет интересно:Как найти выход, или значение фразеологизма «Между небом и землей»

Прогрессирующее обрушение (ПО) Южной башни ВТЦ произошло через 55 минут и 51 секунду, в 9 часов 58 минут, а Северной башни — через 1 час 41 минуту 51 секунду, в 10 часов 28 минут. В обеих небоскребах были разрушены конструктивные элементы, удерживающие этажные перекрытия, фермы этажей области удара.

К сожалению, большинство ПО случаются из-за ненадлежащего контроля технического обслуживания зданий. Благодаря прессе мы узнаем о фактах обвала жилых подъездов, которые, к сожалению, наиболее часты.

Заметим, что в американском примере разрушение произошло вследствие случая экстраординарного, а конструкция близнецов-башен соответствовала техническим требованиям. Соответственно, ни строители, ни проектировщики не имели возможности предвидеть такого рода направленные удары, которые произвели локальные разрушения, приведшие к критическому цепному разрушению и, как результат, — обрушению зданий. Однако, как утверждает статистика, в большинстве случаев ПО происходит под воздействием факторов, которые просчитать можно. Кроме того, учеными и инженерами разработаны действенные методы расчета конструкции зданий, мало подверженных таким критическим разрушениям.

История категории «прогрессирующее обрушение»

Сам этот термин появился в 1968 году после работы строительной комиссии, изучавшей полное разрушение взрывом бытового газа 22-этажного лондонского здания «Ронан Пойнт». Британские проектировщики восприняли эту трагедию как вызов их профессионализму. Масштаб трагедии, повлекшей в мирное время десятки гражданских жертв, нашел отклик в обществе. В результате инженерных изысканий в 1970 году к парламентскому рассмотрению были предложены изменения в законодательство — новая редакция строительных норм. В основе изменений лежал принцип соразмерности аварии локальному воздействию, приводящему к обрушениям.

Вам будет интересно:Людвиг Нобель: биография, деятельность, наследие

Для этого в обязанность проектантам был вменен расчет на прогрессирующее обрушение. Необходимость его с 1970 г. регламентировалась законом и, соответственно, с тех пор в Британии он выполняется неукоснительно. Таким образом, было нормативно установлено:

Защита зданий от прогрессирующего обрушения производится комплексно, учитывая все эти факторы. Год назад разработан российский свод правил, регламентирующий соблюдение условий живучести зданий и сооружений на этапах их проектирования, реконструкции и капитального ремонта.

Актуальность проблемы. Причины

Как свидетельствует статистика ПО, такое глобальное разрушение возникает из-за воздействий коррозионного, силового или деформационного характера. Вариантами подобных техногенных событий могут быть:

Часто происходит прогрессирующее обрушение вследствие хрупкого разрушения при увеличении количества микротрещин. Очевидно, первый случай подобного разрушения, случившегося в 23 г. н. э. с амфитеатром г. Фидены, описан историком Древнего Рима Корнелием Тацитом. Возникшее ПО в день гладиаторских сооружений в переполненном здании, по свидетельствам этого летописца, забрало жизней столько, как это бы сделала война. Речь идет о нескольких десятках тысяч человек.

Приведем более поздний исторический пример. Прогрессирующее обрушение при увеличении количества микротрещин стало причиной обрушения в 1786 г. арочного моста через реку Уай (Великобритания, графство Херефордшир). Еще один арочный мост под названием Лсен-Бенезе через реку Роне (Франция), построенный в XII веке, столько раз обрушивался вследствие неблагоприятного воздействия среды и внутренней деградации так часто, что в XVII веке его прекратили восстанавливать (разные пролеты моста обваливались 1 раз — в 1603 г., 3 раза — в 1605 г., 1 раз — в 1633 и в 1669 г — окончательно).

Вам будет интересно:Значение фразеологизма "от мала до велика", или как найти общий язык со всеми

Следует отметить, что современные градостроительные технологии, к сожалению, не деактуализировали прогрессирующее обрушение зданий и сооружений. Печальная статистика продолжается и в XXI веке:

Нормативное регулирование

Прежде чем рассмотреть проблему, логично было бы ознакомиться с нормативными документами, ее рассматривающими и организующими соответствующую профилактику. Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения в РФ регламентируется нормативными документами, перечень которых представлен ниже:

В последнее время проблема ПО нашла более полное освещение в новейших отечественных нормативных источниках. Любая строительная документация зданий нормального и повышенного уровня ответственности обязательно должна учитывать требования свода правил (СП) 385.1325800.2018, регламентирующего защиту зданий от прогрессирующего разрушения.

ПО и несущая способность зданий

Согласно п. 4.1 этих правил, заказчик вправе изначально требовать включения в проект строящегося здания (сооружения) дополнительных элементов, обеспечивающих повышение несущей способности конструкции.

Этот же СП «Расчет на прогрессирующее обрушение» наиболее полно представляет в двух вариантах проектирования защиты от ПО при капитальном ремонте. Первый — в случае капремонта зданий и сооружений повышенного уровня ответственности и второй — для этих же объектов нормального уровня ответственности. В первом случае несущая способность повышается кратно относительно второго.

Главным условием соблюдения требований защиты от ПО является соблюдение условия превышения несущей способности конструктивных элементов и их соединений над усилиями, ведущими к локальным обрушениям в этих конструктивных элементах и соединениях. Если какая-либо конструкция не удовлетворяет этому требованию, то ее следует либо усилить, либо заменить.

Если же речь идет о реконструкции зданий (сооружений), то вначале обязательно производится их техническое обследование согласно ГОСТ 31937, а уже затем производят саму реконструкцию в целом, или же в границах деформационных швов (в зависимости от выбранной стратегии реконструкции).

Сектор локального разрушения

Диагностируя живучесть зданий по отношению к ПО, планировщики на стадии проекта детализируют возможные его источники — точки локальных разрушений. Каждое такое разрушение рассматривается ими отдельно и пространственно. В частности, рассматриваемый нами СП расчет на прогрессирующее обрушение начинает с прогноза секторов локального разрушения при проектировании несущих конструкций:

• для зданий и сооружений до 75 м высотой они ограничены кругом диаметра не менее 6 м;
• для зданий и сооружений от 75 м до 200 м высотой — кругом диаметра не менее 10 м;
• для зданий и сооружений более 200 м высотой — кругом диаметра не менее 11,5 м.

Вам будет интересно:Осадить — это... Толкование слова

Для многоэтажных, большепролетных зданий рассматриваются локальные разрушения в виде повреждения любой из несущих конструкций. При этом зона локального разрушения должна локализироваться конструкцией и ни в коем случае не перерастать в ПО.

СП «Защита зданий от прогрессирующего обрушения» предусматривает в качестве профилактических мер, препятствующих глобальным разрушениям подобного рода:

• учет максимального количества вероятных локальных разрушений;
• использование материалов и конструкций, склонных к пластическим деформациям,
• повышение статической неопределимости (СН) конструкции (увеличение уровня ее неразрености, уменьшение количества шарнирных элементов).

Вынужденно употребив специальный термин, поясним его. СН-системы — комплексная характеристика взаимодействия конструкции зданий и приложенных сил к ней. Другими словами, в СН-системах, в отличие от статически-определенных, распределение усилий зависимо не только от приложенных к зданиям (сооружениям) сил внешнего характера, но и от распределения этих усилий на конструктивные элементы, которые, в свою очередь, характеризуются модулями упругости.

Именно действующие несущие конструктивные элементы (так называемые связи) при локальных воздействиях препятствуют превращению цельной статически неопределенной системы в геометрически изменяемую (последнее предполагает возможность ПО). Таким образом, именно связи делают невозможным прогрессирующее обрушение. Нормы строительства — вот, что должно учитывать и регламентировать профилактику ПО.

Кратко о нормативной документации

Вас, очевидно, интересует, какая нормативная документация относительно ПО — самая передовая в мире. Следует признать, несмотря на отечественные разработки последних лет, учет противодействия ПО сегодня наиболее детально представлен (актуальность — 2016 г.) в американских стандартах UFC 4-023-03 и GSA.

Дело в том, что в них учитываются новейшие строительные материалы, а также различные конструкции зданий. В то же время российский сборник Е ТКП 45-3.02-108-2008 составлен на основании рекомендаций, написанных в двухтысячных годах относительно железобетонных конструкций.

Отметим явный прогресс российской нормативной документации последних лет и очевидные усилия по упорядочению имеющихся разрозненных и многочисленных источников норм. Однако будет справедливым сказать о недостатках. Взять хотя бы нормативную документацию. Специалисты отмечают, что сегодня разные источники отечественной нормативной документации часто противоречивы, а также содержат недоработки. Приведем лишь несколько примеров:

Очевидно, что этот список можно продолжить. Значительно ускорившийся в последние годы прогресс строительной индустрии обусловил устаревание большей части имеющихся нормативных документов, регламентирующих область ПО. Очевидно, что действенное предотвращение прогрессирующего обрушения вскоре потребует адаптации к отечественным реалиям уже обобщенного зарубежного опыта. Имеются в виду стандарты США UFC 4-023-03 и GSA, содержащие не размыто, а весьма четко сформулированные требования к конструкциям и материалам конкретных типов зданий.

К сожалению, многие отечественные специалисты считают недостаточно проработанными в этом плане и СП «Защита зданий от ПО...», СП «Здания и сооружения. Особые воздействия»).

Особенности рекомендаций относительно ПО высотных зданий

В частности, регламентирует рассматриваемый нами СП прогрессирующее обрушение для высотных зданий. Особенность расчета ПО высотных зданий определяются более широким шагом в расположении стен или колонн. При этом общая конструкция, в случае аварийном воздействия, допускает локальные обрушения несущих элементов, но лишь в пределах одного этажа, без дальнейшего цепного продолжения данного разрушения. Сборник правил содержит рекомендации, касающиеся проектирования и возведения новых, а также проверки и реконструкции уже построенных высотных зданий и сооружений. (Для справки, критерием высотности является отметка высоты более 75 м, что эквивалентно 25-этажному дому.)

Расчет методом предельного равновесия

Расчет проекта высотного здания выполняется, исходя из предположения, что оно под влиянием локальных разрушений трансформируется в состояние, условно называемое «предельным состояниям первой группы». Поясним этот термин. Предельным называют такое состояние конструкции, когда она перестает противодействовать разрушению или же повреждается (претерпевает деформацию). Всего различают две группы предельных состояний. Первой условно называют состояние полной эксплуатационной непригодности. Второй именуют состояние повреждения, которое позволяет частичную эксплуатацию.

Технически расчет производится при помощи моделирования системой дифференциальных уравнений нелинейных жесткостных характеристик конструкции высотного здания. Расчет высотного здания производится на основании выстраивания пространственной модели, в которой учитываются и элементы ненесущие, но способные взять на себя перераспределение усилий при локальных воздействиях. При этом принимаются во внимание жесткостные характеристики элементов конструкции, примыкающих к месту разрушения. Сама расчетная модель рассчитывается многократно, каждый раз с учетом конкретного локального разрушения. Этот способ позволяет достичь максимально достоверных результатов. При этом в выстраиваемой модели рассматривается фактор уменьшения избыточных материалозатрат.

Как производится анализ пространственной модели? С одной стороны, усилия в конструктивных элементах приравниваются к предельно-возможным, которые могут быть выдержаны ими. Считается, что прогрессирующее обрушение высотных зданий становится невозможным, когда усилия оказываются меньшими, чем несущая способность конструкции. Если не соблюдены требования прочности, то несущая способность здания должна быть усилена за счет дополнительных или усиленных несущих элементов.

Предельные усилия в элементах определяются дифференцировано: для длительной части усилий и кратковременной.

Кинематический метод

В случае, если конструкция высотного здания деформируется пластично, то актуальным для расчета ПО становится кинематический метод. При этом расчет здания производится следующим образом:

Если материал, из которого изготовлен конструктивный элемент, не способен на пластическую деформацию, то этот элемент при расчетах просто не берется во внимание.

Исследование возможного развития ПО после локального разрушения

В рекомендациях по прогрессирующему обрушению советуют проектантам исследовать четыре типовых варианта развития ПО:

СП «Защита от прогрессирующего обрушения» главным образом предусматривает профилактику развития именно этих четырех сценариев.

Рекомендации ПО блочных зданий

При объемно-блочном (модульном) строительстве значительная часть процессов производится в заводских условиях. Монтаж облегчается еще и тем, что блоки обладают определенным объемом. Поэтому модули, составляющие конструкцию, заведомо изготовляются из материалов, мало восприимчивых к разрушению. Коррозии материалов препятствует многослойное их покрытие защитными спецсоставами, использование оцинкованной стали.

В рассматриваемом нами СП прогрессирующее обрушение для блочно-модульных зданий имеет свои особенности. Для этого типа зданий уделяется внимание таким конструктивным элементам, как узлы примыкания блоков рассматриваемых к блокам соседним. Контрольным критерием выступает несущая способность этих узлов, благодаря которой здание в целом противостоит локальным разрушениям и выдерживает приходящиеся на них усилия из-за своей несущей способности.

Прогрессирующее обрушение зданий блочной структуры также может возникнуть из-за локального повреждения блока, выполняющего несущие функции. Чтобы этому противостоять, важна последующая компенсация перераспределения усилий с блока разрушенного на блоки соседние. Такому положению дел должна содействовать значительная несущая способность и способность к пластическим деформациям узловых межблочных соединений, с одной стороны, и качественный заводской монтаж усиленных арматурой блоков, с другой.

Вам будет интересно:Запомните несколько правил приличия. Это несложно

Расчет здания на прогрессирующее обрушение производится методом предельного равновесия, а также методом конечных элементов. Поскольку метод предельного равновесия мы рассмотрели ранее, то подробней расскажем о втором способе.

Метод конечных элементов широко используется в механике твердого тела для расчета деформаций. Его сущность заключается в решении системы дифференциальных уравнений. Затем область решения (в зависимости от различных коэффициентов) разбивается на ряд сегментов, каждый из которых исследуется на оптимальность.

Исходя из выбранных коэффициентов при переменных дифференциальных уравнениях, определяются оптимальные несущие элементы.

Рекомендации ПО монолитных зданий

Расчет на прогрессирующее обрушение монолитных зданий также исходит из того, что локальные разрушения вертикальных несущих конструкций, в случае их возникновения, не должны выходить за пределы одного этажа. В качестве подобного локального разрушения рассматриваются нарушение целостности двух пересекающихся стен (от угла до ближайшего проема), отдельно стоящих колонн, чередующиеся колонн с примыкающими участками стен.

Рекомендации по защите от прогрессирующего обрушения предписывают рассматривать пространственную модель, в которую, кроме несущих, включаются и другие элементы, способные перераспределить на себя несущие функции.

При моделировании учитываются:

• монолитное соединение несущих элементов (наружных стен и внутренних, колонн, шахт вентиляции, лестничных клеток, пилястр);
• монолитные железобетонные пояса, охватывающие перекрытия, являющиеся перемычками, расположенными над окнами.;
• монолитные парапеты из железобетона, связанные с перекрытиями;
• элементы, соединенные с колоннами: железобетонными балками, ограждениями клеток лестничных, стенами;
• проемы в стенах, не превышающие по высоте этаж.

Кроме того, для монолитного здания должны быть соблюдены расчетные значения:

• сопротивления бетона осевому сжатию:
• сопротивление бетона осевому растяжению;
• сопротивление продольной арматуры осевому сжатию;
• сопротивления продольной арматуры растяжению;

Конструктивные требования

Защита зданий и сооружений от прогрессирующего обрушения основана на предусмотрении динамики развития влияния различных локальных разрушений на общую конструкцию здания (сооружения). Сейчас особенно активно изучается ПО различных по своей геометрии каркасов большепролетных высотных зданий как на стадии их проектирования, так и при восстановлении после получения ими локальных повреждений. Разрабатываются сборники рекомендаций и правил, утверждаются обязательные для исполнения стандарты.

Следует упомянуть, что многократно упомянутый нами СП «Защита от прогрессирующего обрушения», как нормативный свод правил, составлен совместно НИИ центр «Строительство» и Федеральным Юго-Западным государственным университетом с учетом федеральных законов № 184-ФЗ и № 384-ФЗ, регламентирующих техническое регулирование и меры безопасности при этом. Он адаптирован для регламентации:

• строительства зданий (сооружений) нормального уровня ответственности и повышенного уровня;
• реконструкции зданий (сооружений) нормального уровня ответственности и повышенного уровня;
• капитального ремонта зданий (сооружений) повышенного уровня ответственности.

В рассматриваемом СП регламентированы:

• используемые строительные материалы и их характеристики;
• возможные нагрузки и их воздействия на здания (сооружения);
• характеристики расчетных моделей;
• конструктивные мероприятия защиты от ПО.

Особенности компьютерного расчета

Как мы уже неоднократно упоминали, защита от прогрессирующего обрушения предполагает компьютерное моделирование методами конечных элементов и предельного равновесия. Полезно знать, что инструментом моделирования методом предельных состояний выступают специализированные программные пакеты СТАДИО, ANSYS, SCAD, Nastran. При этом создается полноценная модель, поскольку благодаря упомянутому методу достигается практически полное соответствие модели динамике реакции здания на локальные разрушения.

Кинематический метод использует те же программы, однако он менее формализован и требует от исполнителя построения личной методики расчета.

В результате вычислений кинематическим методом:

• определяются конструктивные элементы, теряющие свою целостность;
• сами конструктивные элементы объединяются в эквивалентные группы;
• рассчитывается объем проведения строительных работ для каждой группы;
• определяются самые опасные места локальных разрушений, способные вызвать ПО;
• прогнозируются разрушения, что позволяет заранее планировать восстановительные работы.

Заключение

Наше время отличается появлением все большего количества высотных жилых и офисных зданий. В последние годы прослеживается рост интереса общества к проблемам повышения надежности производственных и жилых зданий. В том числе, не последнее место занимает вопрос: «Как наиболее гарантировано можно предотвратить прогрессирующее обрушение?» И это не случайно, ведь такого рода аварии приносят наиболее значительные материальные потери и вызывают глубокие отрицательные социальные последствия. Ведь подобные аварии способны унести сотни, и даже тысячи жизней.

Исследования ведутся в трех направлениях:

• разработка идеальных связей между конструктивными элементами;
• создание конструктивных элементов, обеспечивающих максимальную надежность;
• оптимально препятствующая ПО общая конструкция зданий (сооружений).

Проектные бюро, специальные строительные и научно-исследовательские компании не превращают свои исследования в ноу-хау, последние публикуются и обобщаются. И это понятно, ведь проблема ПО является не только конструктивно, но и социально значимой. Однако пока что нормативная документация требует доработки. Кроме того, разрозненный опыт специалистов в области диагностики возможных ПО должен быть сначала стандартизирован и обновлен, а затем — трансформирован в практическую профилактическую диагностику, проводимую планово, регулярно и на некоммерческой основе.

Очевидно, что сейчас расчет на ПО должен стать для владельцев жилых и производственных фондов более доступным и облегченным в процедуре проведения. Ведь существует проблема старения жилого фонда, а речь при таких авариях идет о потере человеческих жизней.

Налаженная система предварительных расчетов на ПО, будь она обоснована юридически и запущена фактически, стала бы действенным инструментом предотвращения новых трагедий.

Возможно, своевременная профилактика может предотвратить такие ПО, как обрушение подъезда жилого дома 31.12.2018 г. в Магнитогорске, унесшей жизни 39 человек. Нормативно следует установить перечень ситуаций, когда не только обязательно, но и срочно, следует проводить расчет на прогрессирующее обрушение. Необходимость такого расчета особенно насущна, когда владелец квартиры решается произвести перепланировку, часто не подозревая, что затрагивает несущие конструктивные элементы. Именно такое непроконтролированное нарушение послужило причиной вышеупомянутого ПО.

Источник