Пожаровзрывобезопасность, N 7, 2010 год

(см. ярлык "Примечания")     

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

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 главный 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 года [3]. Останкинская телевизионная башня была построена в 1967 году 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 напрягаемых 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 года (рис.1) в районе отметок +454...+430 м антенной части башни. Распространение огня происходило сверху вниз до отметки +80 м.

Рис.1. Пожар на Останкинской телебашне, г.Москва, 27 августа 2000 г.

          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)?

Рис.2. Зона возможного падения обломков Останкинской телевизионной башни в случае утраты ею устойчивости при пожаре 27 августа 2000 г.

От ответа на этот вопрос зависел целый комплекс весьма ответственных решений, в том числе о 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 года [3-5]. Здание Пентагона является одним их самых больших офисных зданий в мире. Площадь одного этажа составляет 613 тыс.м. 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.

Рис.3. Общий вид здания Пентагона и направление движения самолета перед столкновением со зданием [2]

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.

Предел огнестойкости такого рода колонн по потере несущей способности составляет более 180 мин.

Столкновение самолета с рассматриваемым зданием во время событий 11 сентября 2001 года 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).

Рис.4. Прогрессирующее обрушение наружного кольца здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г.

Таким образом, несмотря на то что предел огнестойкости ключевых элементов здания Пентагона (несущих колонн) по потере несущей способности превышал 180 мин, наружное кольцо здания Пентагона в зоне ЧС утратило свою устойчивость через 19 мин.

Поведение башен Всемирного торгового центра во время событий 11 сентября 2001 года [2-6]. Аналогичным образом развивались события 11 сентября 2001 года в Нью-Йорке, во время террористической атаки на башни Всемирного торгового центра (ВТЦ).

Высота башен составляла 415 и 417 м. 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 СНЕ - 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.Мурашева, А.И.Яковлева, А.Ф.Милованова, К.Коrdina, T.Harmathy 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 П(R) определяется как момент времени воздействия пожара , при котором несущая способность Ф[Т()] конструкции под действием температуры пожара Т() снизится до величины действующих на нее рабочих нагрузок N (M).

Огнестойкость конструкции в этом случае определяется из условия: