Особенности оценки стойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара

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).