Оценка стойкости зданий при прогрессирующем разрушении при комбинированных особых воздействиях с участием пожара

Существующие методы оценки возможности прогрессирующего разрушения зданий и сооружений не позволяют оценить время сопротивления объекта комбинированным особым воздействиям с участием пожара как основного, важнейшего фактора, определяющего уровень безопасности объекта в этих условиях. Предлагается метод оценки стойкости зданий при прогрессирующем разрушении при комбинированных особых воздействиях с участием пожара, который позволяет определять время сопротивления объектов в рассматриваемых условиях

Оценка стойкости зданий

Трагические события в Нью-Йорке 11 сентября 2001 г., связанные с атакой террористов зданий Всемирного торгового центра (WTC), поставили перед специалистами ряд технических проблем, связанных с защитой уникальных объектов при прогрессирующем разрушении при комбинированных особых воздействиях [1-3].

В настоящее время не существует единой методики расчета на прогрессирующее разрушение даже для обычных зданий. Это объясняется тем, что теория живучести систем находится на стадии становления и оформления в самостоятельную научную дисциплину [2-4].

Специалисты МГСУ и Академии ГПС МЧС России [2, 3] разрабатывают теории и методы оценки стойкости зданий против прогрессирующего обрушения при комбинированных особых воздействиях с участием пожара, которые позволяют оценить время сопротивления (стойкость) объекта.

Причиной прогрессирующего разрушения того или иного объекта всегда является внезапное возникновение новой, не предусмотренной нормальными условиями эксплуатации комбинации нагрузок. Это происходит, когда на конструкции объекта помимо рабочих (эксплуатационных) нагрузок в результате чрезвычайной ситуаци, внезапно начинают действовать дополнительные особые воздействия.

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.

Комбинации рабочих нагрузок и форс-мажорных дополнительных воздействий на строительные объекты во время чрезвычайных ситуаций предлагается называть комбинированными особыми воздействиями. В качестве аббревиатуры этого понятия используется английский вариант названия «combined hazardous effect» — СНЕ.

Комбинированное особое воздействие (СНЕ) — чрезвычайная ситуация, связанная с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательностях.

Таким образом, при различных чрезвычайных ситуациях необходимо рассматривать различные варианты комбинированных особых воздействий. Например:
— при рассмотрении угрозы прогрессирующего разрушения объекта при пожаре необходимо иметь в виду СНЕ типа «рабочая нагрузка — высокотемпературное воздействие пожара» (СНЕ SF);
— при рассмотрении угрозы прогрессирующего разрушения при столкновении самолета со зданием необходимо рассматривать комбинированное особое воздействие типа «удар-взрыв-пожар» («combined hazardous effect of the impact-explosion-fire type») (CHE IEF) и т. д.
Наиболее распространенным и опасным сочетанием комбинированных особых воздействий являются СНЕ с участием пожара [2, 3, 5].

ARCHE

Рис. 1. Несущая способность конструкций зданий и нагрузок на них при различных СНЕ с участием пожара: 1 — изменение несущей способности конструкции Rf(y) во времени у воздействия пожара, приводящее к исчерпанию предела огнестойкости по потере несущей способности (точка А); 2 — изменение несущей способности конструкции RCHE в зависимости от времени СНЕ IEF, приводящее к исчерпанию стойкости при СНЕ (точка В); 3 — изменение несущей способности конструкции R-ГДЕ пРи CHEIEF, не приводящее к исчерпанию стойкости при СНЕ при этом сохраняется некоторый остаточный резерв прочности (ARCHE)



Особый характер опасности комбинированных особых воздействий с участием пожара подтверждается тем, что в международных нормах по пожарной безопасности зданий и сооружений введены специальные регламентации времени, в течение которого конструкции, здания и сооружения должны сопротивляться комбинированным воздействиям рабочих нагрузок и высокотемпературному воздействию пожара. Причем это регламентируемое время сопротивления объекта увязывается в нормах с другими элементами системы противопожарной защиты объектов, такими как противопожарные преграды, противопожарные разрывы, меры по эвакуации людей и т. д.
Анализ событий 11 сентября 2001 г. выявил [2, 3] необходимость при решении вопросов обеспечения безопасности объектов при прогрессирующем разрушении, выделять специальный класс комбинированных особых воздействий, для которого необходимо оценивать время сопротивления объектов до наступления прогрессирующего разрушения.
Этот класс комбинированных особых воздействий предлагается назвать «комбинированные особые воздействия с участием пожара». Это понятие должно обозначать, что при рассмотрении возможности прогрессирующего разрушения объектов при такого рода комбинированных воздействиях необходимо оценивать время сопротивления объекта до наступления прогрессирующего разрушения.
В здании или сооружении может быть несколько уровней структурных элементов, в которых процесс накопления нарушений структуры и деформаций может приводить к наступлению предельного состояния в виде потери несущей способности:
-уровень 1 — отдельные конструктивные элементы здания;
— уровень 2 — характерные группы конструктивных элементов здания;
— уровень 3 — пространственная система, состоящая из нескольких характерных групп конструктивных элементов;
— уровень 4 — здание в целом как объект, состоящий из нескольких пространственных систем, тем или иным способом связанных друг с другом.

Время тСНЕ, в течение которого здание в целом сопротивляется воздействию опасных факторов СНЕ, до начала прогрессирующего разрушения, предлагается называть «стойкость здания при прогрессирующем разрушении при СНЕ (DCHE).
Таким образом, прогрессирующее разрушение здания или сооружения в целом в условиях СНЕ представляет собой последнюю, лавинообразную стадию процесса последовательной утраты несущей способности структурными элементами здания, начиная с уровня 1, затем 2, 3 и 4, приводящего к потере общей устойчивости и геометрической неизменяемости объекта в целом.
На рис. 1 представлена общая схема оценки стойкости объектов при СНЕ с участием пожара.

Стойкость конструкции при СНЕ (ТСНЕ,Г) определяют путем расчета изменения её несущей способности (RCHE) и приложенной к ней нагрузки (SCHE) на различных стадиях СНЕ в соответствии с рассматриваемым сценарием СНЕ IEF.

Все конструктивные элементы рассматриваемого здания разбиваются на несколько характерных групп в зависимости от их состояния в условиях СНЕ и способности этих элементов сопротивляться СНЕ.

Защита здания от самалёта

2. Вариант реконструкции состояния, количества и местоположения различных характерных групп ключевых конструкций здания ВТЦ-1, обеспечивших фактическую стойкость здания при прогрессирующем разрушении (1 час 42 минуты) во время событий 11 сентября 2001 года: О — число и положение колонн наружной оболочки, разрушенных после удара самолета и взрыва топлива; • — число и зона разрушения колонн ядра здания; □ — число и положение колонн наружной оболочки, охваченных пожаром; ■ — число и положение колонн ствола здания, охваченных пожаром

С учетом различной стойкости характерных групп ключевых конструктивных элементов при СНЕ исчерпание стойкости здания при прогрессирующем разрушении будет происходить по стадиям с последовательной утратой стойкости различными характерными группами ключевых конструктивных элементов.
Каждая из выделенных расчетных стадий развития СНЕ должна соответствовать утрате стойкости определенной характерной группой ключевых конструктивных элементов.

Здание, таким образом, исчерпает свою стойкость при прогрессирующем разрушении (DCHEr) и будет полностью разрушено при выбранном сценарии СНЕ IEF, 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 СНЕ.

Время тСНЕ, когда это произойдет, и будет определять фактическую стойкость здания при прогрессирующем разрушении (DcHE.r) Д™ выбранного сценария СНЕ.

Здание сохранит определенную долю своей стойкости и прогрессирующего разрушения не произойдет, если отдельные группы ключевых конструктивных элементов здания не исчерпают своей стойкости (не достигнут предельного состояния по потере несущей способности) после рассмотрения всех расчетных стадий СНЕ. В этом случае здание сохранит свою целостность, но получит тот или иной уровень повреждений.

Задача I типа (прямая задача). Оценка стойкости здания при прогрессирующем разрушении при различных сценариях комбинированного особого воздействия.

Задача II типа (обратная задача). Определение допустимого числа ключевых конструкций здания, которые могут быть разрушены или повреждены при СНЕ, исходя из заданной (нормируемой) стойкости здания при прогрессирующем разрушении (DcHE]r).

На рис. 2 представлен вариант реконструкции, с помощью предлагаемого метода, состояния, количества и местоположения различных характерных групп ключевых конструкций башни ВТЦ-1 Всемирного торгового центра, обеспечивших фактическую стойкость здания при прогрессирующем разрушении (1 час 42 минуты) при СНЕ IEF 11 сентября 2001 года.

Существующие методы оценки возможности прогрессирующего разрушения зданий и сооружений не позволяют оценить время сопротивления объекта СНЕ с участием пожара как основного, важнейшего фактора, определяющего уровень безопасности объекта в этих условиях. Предлагаемый метод оценки стойкости зданий при прогрессирующем разрушении при СНЕ с участием пожара позволяет определять время сопротивления объектов при прогрессирую-щемо разрушении в рассматриваемых условиях.

Список литературы
1. Debunking 9/11 Myths: Why conspiracy theories can’t stand up to the Facts / Edited by David Dunbar & Brad Reagan. Hearst Books. 2006. 170 p.
2. Roytman V.V., Pasman H.J., Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects «Impact-Explosion-Fire» after Aircraft Crash // Fire and Explosion Hazards: Proceedings of the Fourth International Seminar, 2003, Londonderry, Nl, UK, Pp. 283-293.
3. Ройтман B.M. Общий подход и инженерный метод оценки стойкости зданий при комбинированных особых воздействиях типа «удар-взрыв-пожар» // Пожаровзрыво-безопасность. 2003. № 4. С. 62-67.
4. Общие положения к техническим требованиям по проектированию жилых зданий высотой более 75 м. Мос-комархитектуры, 2002. 69 с.
5. Лукашевич И.Е., Кириллов И.А., Ройтман В.М. и др. Программная система для анализа опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в городском окружении на основе технологии «виртуальной реальности»: Сб. докладов научно-практической конференции «Городской строительный комплекс и безопасность жизнеобеспечения граждан». М.: МГСУ, 2005. С. 21-28.

В.М. РОЙТМАН, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет

Источник: Журнал «Жилищное строительство»