Тема прогресуючих обвалень сьогодні актуальна і згадується. Досі людей жахає відома катастрофа подібного роду, яка сталася 11.09.2011 р. в Нью-Йорку. Мільйони людей спостерігали за відеозапису ці трагічні події, які забрали життя 2977 осіб.
О 8 годині 46 хвилин 40 секунд у напрямку з півночі між 93-м і 95-м поверхами північної вежі Всесвітнього торгового центру врізався ведений терористами «Боїнг 767» (рейс 11). В 9 годин 3 хвилини 11 секунд між 78 і 85 поверхами за напрямком з півдня Південну вежу Всесвітнього торгового центру на швидкості 959 км/год пробив наскрізь літак «Боїнг 767» (рейс 175).
Прогресуюче обвалення (ПО) Південної вежі ВТЦ сталося через 55 хвилин 51 секунду, в 9 годин 58 хвилин, а Північної башти — через 1 годину 41 хвилину 51 секунду, 10 годин 28 хвилин. В обох хмарочосах були зруйновані конструктивні елементи, які утримують поверхові перекриття, ферми поверхів області удару.
На жаль, більшість З трапляються із-за неналежного контролю технічного обслуговування будівель. Завдяки пресі ми дізнаємося про факти обвалу житлових під’їздів, які, на жаль, найбільш часті.
Зауважимо, що в американському прикладі руйнування сталося внаслідок випадку екстраординарного, а конструкція близнюків-веж відповідала технічним вимогам. Відповідно, ні будівельники, ні проектувальники не мали можливості передбачити такого роду спрямовані удари, які справили локальні руйнування, які призвели до критичного ланцюгового руйнування і, як результат, — обвалення будівель. Однак, як стверджує статистика, у більшості випадків відбувається під впливом чинників, які можна прорахувати. Крім того, вченими та інженерами розроблено дієві методи розрахунку конструкції будівель, мало схильних таким критичним руйнувань.
Історія категорії «прогресуюче обвалення»
Сам цей термін з’явився в 1968 році після роботи будівельної комісії, що вивчала повне руйнування вибухом побутового газу 22-поверхової будівлі лондонського «Ронан Пойнт». Британські проектувальники сприйняли цю трагедію як виклик їх професіоналізму. Масштаб трагедії, яка призвела в мирний час десятки цивільних жертв, знайшов відгук у суспільстві. В результаті інженерних вишукувань у 1970 році до парламентського розгляду були запропоновані зміни до законодавства — нова редакція будівельних норм. В основі змін лежав принцип пропорційності аварії локального впливу, призводить до обвалень.
Для цього в обов’язок проектантам був поставлений розрахунок на прогресуюче обвалення. Необхідність його з 1970 р. регламентувалася законом і, відповідно, з тих пір в Британії він виконується неухильно. Таким чином, було нормативно встановлено:
Захист будівель від прогресуючого обвалення проводиться комплексно, враховуючи всі ці фактори. Рік тому розроблений російський звід правил, що регламентує дотримання умов живучості будівель і споруд на етапах їх проектування, реконструкції та капітального ремонту.
Актуальність проблеми. Причини
Як свідчить статистика, таке глобальне руйнування виникає з-за корозійного впливів, силового або деформаційного характеру. Варіантами подібних техногенних подій можуть бути:
Часто відбувається прогресуюче обвалення внаслідок крихкого руйнування при збільшенні кількості мікротріщин. Очевидно, перший випадок подібного руйнування, що сталося 23 р. н. е. з амфітеатром р. Фідени, описаний істориком Стародавнього Риму Корнелієм Тацитом. Виникло у день гладіаторських споруд в переповненому приміщенні, за свідченнями цього літописця, забрала стільки життів, як це б зробила війна. Мова йде про декілька десятків тисяч чоловік.
Наведемо більш пізній історичний приклад. Прогресуюче обвалення при збільшенні кількості мікротріщин стало причиною обвалення в 1786 р. арочного мосту через річку Уай (Великобританія, графства Херефордшир). Ще один арочний міст під назвою Лсен-Бенезія через річку Рона (Франція), побудований в XII столітті, стільки разів нападав внаслідок несприятливого впливу середовища і внутрішньої деградації так часто, що в XVII столітті його припинили відновлювати (різні прольоти мосту обвалювалися 1 раз — в 1603 р., 3 рази — в 1605 р., 1 раз — у 1633 і в 1669 р — остаточно).
Слід зазначити, що сучасні містобудівні технології, на жаль, не деактуализировали прогресуюче обвалення будинків і споруд. Сумна статистика продовжується і в XXI столітті:
Нормативне регулювання
Перш ніж розглянути проблему, логічно було б ознайомитися з нормативними документами, що її розглядає і організуючими відповідну профілактику. Захист будівель та споруд від прогресуючого обвалення в РФ регламентується нормативними документами, перелік яких наведено нижче:
Посібник з проектування житлових будинків. Вип. 3. Конструкції житлових будівель (до СНиП 2.08.01-85). — ЦНИИЭП житла. — М. -1986.
ГОСТ 27751-88 Надійність будівельних конструкцій і основ. Основні положення з розрахунку. — 1988 р.
ГОСТ 27.002-89 «Надійність в техніці. Основні поняття. Терміни та визначення». — 1989 р.
Рекомендації щодо запобігання прогресуючих обвалень великопанельних будинків. — М.: ГУП НИАЦ. — 1999 р.
МДБН 3.01-01 «Житлові будівлі», — 2001 р. пункти 3.3, 3.6, 3.24.
НП-031-01 Норми проектування сейсмостійких атомних станцій, — 2001 р.
Рекомендації щодо захисту житлових каркасних будівель при надзвичайних ситуаціях. — М.: ГУП НИАЦ. — 2002 р.
Рекомендації по захисту будівель з несучими цегляними стінами при надзвичайних ситуаціях. — М.: ГУП НИАЦ. — 2002 р.
Рекомендації по захисту монолітних житлових будинків від прогресуючого обвалення. — М.: ГУП НИАЦ. — 2005 р.
МДБН 4.19-05 Багатофункціональні висотні будівлі і комплекси. — 2005 р. пункти 6.25, 14.28, додаток 6.1.
Останнім часом проблема знайшла більш повне висвітлення в новітніх вітчизняних нормативних джерелах. Будь-яка будівельна документація будівель нормального і підвищеного рівня відповідальності обов’язково має враховувати вимоги зводу правил (СП) 385.1325800.2018, що регламентує захист будівель від прогресуючого руйнування.
ЗА і несуча здатність будівель
Згідно п. 4.1 цих правил, замовник має право спочатку вимагати включення в проект споруджуваного будівлі (споруди) додаткових елементів, що забезпечують підвищення несучої здатності конструкції.
Цей же СП «Розрахунок на прогресуюче обвалення» найбільш повно представляє в двох варіантах проектування захисту від ПО при капітальному ремонті. Перший — в разі капремонту будівель і споруд підвищеного рівня відповідальності і другий — для цих же об’єктів нормального рівня відповідальності. У першому випадку несуча здатність підвищується кратно щодо другого.
Головною умовою дотримання вимог захисту від є дотримання умови перевищення несучої здатності конструктивних елементів та їх сполук над зусиллями, провідними до локальних обвалень у цих конструктивних елементах і з’єднаннях. Якщо яка-небудь конструкція не задовольняє цій вимозі, то її слід або підсилити, або замінити.
Якщо ж мова йде про реконструкцію будівель (споруд), то спочатку обов’язково проводиться їх технічне обстеження відповідно до ГОСТ 31937, а вже потім виробляють саму реконструкцію загалом, або ж в межах деформаційних швів (в залежності від обраної стратегії реконструкції).
Сектор локального руйнування
Діагностуючи живучість будівель по відношенню до ПО, планувальники на стадії проекту деталізують можливі його джерела — точки локальних руйнувань. Кожне таке руйнування розглядається ними окремо і просторово. Зокрема, розглянутий нами СП розрахунок на прогресуюче обвалення починає з прогнозу секторів локального руйнування при проектуванні несучих конструкцій:
- для будівель і споруд до 75 м заввишки вони обмежені колом діаметру не менше 6 м;
- для будівель і споруд від 75 м до 200 м заввишки — кругом діаметру не менше 10 м;
- для будівель та споруд понад 200 м заввишки — кругом діаметру не менше 11,5 м.
Для багатоповерхових, великопрольотних будівель розглядаються локальні руйнування у вигляді пошкодження будь-якої з несучих конструкцій. При цьому зона локального руйнування повинна локалізувати конструкцією і ні в якому разі не переростати в ПО.
СП «Захист будівель від прогресуючого обвалення» передбачає в якості профілактичних заходів, що перешкоджають глобальних руйнувань такого роду:
- облік максимальної кількості ймовірних локальних руйнувань;
- використання матеріалів і конструкцій, схильних до пластичних деформацій,
- підвищення статичну невизначеність (СН) конструкції (збільшення рівня її неразрености, зменшення кількості шарнірних елементів).
Вимушено вживши спеціальний термін, пояснимо його. СН-системи — комплексна характеристика взаємодії конструкції будівель і доданих сил до неї. Іншими словами, в СН-системах, на відміну від статично-визначених, розподіл зусиль залежно не тільки від прикладених до будівель (споруд) сил зовнішнього характеру, але і від розподілу цих зусиль на конструктивні елементи, які, в свою чергу, характеризуються модулями пружності.
Саме діючі несучі конструктивні елементи (так звані зв’язки) при локальних впливах перешкоджають перетворенню цілісної статично невизначеної системи в геометрично змінну (останнє припускає можливість). Таким чином, саме зв’язки роблять неможливим прогресуюче обвалення. Норми будівництва — ось, що повинно враховувати і регламентувати профілактику.
Коротко про нормативної документації
Вас, очевидно, цікавить, яка нормативна документація щодо ПО — передова в світі. Слід визнати, незважаючи на вітчизняні розробки останніх років, облік протидії ПО сьогодні найбільш детально представлений (актуальність — 2016 р.) в американських стандартах UFC 4-023-03 і GSA.
Справа в тому, що в них враховуються новітні будівельні матеріали, а також різні конструкції будівель. У той же час російський збірник Е ТКП 45-3.02-108-2008 складено на підставі рекомендацій, написаних у двохтисячних роках щодо залізобетонних конструкцій.
Відзначимо явний прогрес російської нормативної документації останніх років і очевидні зусилля з упорядкування наявних розрізнених і численних джерел норм. Однак буде справедливим сказати про недоліки. Взяти хоча б нормативну документацію. Фахівці відзначають, що сьогодні різні джерела вітчизняної нормативної документації часто суперечливі, а також містять недоробки. Наведемо лише кілька прикладів:
Очевидно, що цей список можна продовжити. Значно прискорився в останні роки прогрес будівельної індустрії зумовив старіння більшої частини наявних нормативних документів, що регламентують область. Очевидно, що дієве запобігання прогресуючого обвалення незабаром вимагатиме адаптації до вітчизняних реалій вже узагальненого зарубіжного досвіду. Маються на увазі стандарти США UFC 4-023-03 і GSA, що містять не розмито, а досить чітко сформульовані вимоги до конструкцій і матеріалів конкретних типів будівель.
На жаль, багато вітчизняні фахівці вважають недостатньо опрацьованими в цьому плані і СП «Захист будівель від…», СП «Будівлі і споруди. Особливі впливу»).
Особливості рекомендацій щодо висотних будівель
Зокрема, регламентує розглянутий нами СП прогресуюче обвалення для висотних будівель. Особливість розрахунку ЗА висотних будівель визначаються більш широким кроком у розташуванні стін або колон. При цьому загальна конструкція, у разі аварійному впливу, допускає локальні обвалення несучих елементів, але лише в межах одного поверху, без подальшого ланцюгового продовження даного руйнування. Збірник правил містить рекомендації, що стосуються проектування і зведення нових, а також перевірки та реконструкції вже побудованих висотних будівель та споруд. (Для довідки, критерієм висотності є відмітка висоти понад 75 м, що еквівалентно 25-поверхового будинку.)
Розрахунок методом граничної рівноваги
Розрахунок проекту висотної будівлі виконується, виходячи з припущення, що воно під впливом локальних руйнувань трансформується у стан, умовно зване «граничним станам першої групи». Пояснимо цей термін. Граничним називають такий стан конструкції, коли вона перестає протидіяти руйнуванню або ж пошкоджується (зазнає деформації). Усього розрізняють дві групи граничних станів. Першою умовно називають стан повної експлуатаційної непридатності. Другий іменують стан пошкодження, яке дозволяє часткову експлуатацію.
Технічно розрахунок проводиться за допомогою моделювання системою нелінійних диференціальних рівнянь жорсткістних характеристик конструкції висотного будинку. Розрахунок висотного будинку проводиться на підставі побудови просторової моделі, в якій враховуються і елементи ненесучі, але здатні взяти на себе перерозподіл зусиль при локальних впливах. При цьому беруться до уваги жорсткісні характеристики елементів конструкції, що примикають до місця руйнування. Сама розрахункова модель розраховується багато разів, щоразу з урахуванням конкретного локального руйнування. Цей спосіб дозволяє досягти максимально достовірних результатів. При цьому вибудовується моделі розглядається фактор зменшення надлишкових матеріаловитрат.
Як проводиться аналіз просторової моделі? З одного боку, зусилля в конструктивних елементах прирівнюються до гранично можливим, які можуть бути витримані ними. Вважається, що прогресуюче обвалення висотних будівель стає неможливим, коли зусилля виявляються меншими, ніж несуча здатність конструкції. Якщо не дотримані вимоги міцності, то несуча здатність будівлі повинна бути посилена за рахунок додаткових або посилених несучих елементів.
Граничні зусилля в елементах визначаються диференційовано: для тривалої частини зусиль і короткочасною.
Кінематичний метод
У випадку, якщо конструкція висотної будівлі деформується пластично, то актуальним для розрахунку стає кінематичний метод. При цьому розрахунок будівлі проводиться наступним чином:
Якщо матеріал, з якого виготовлений конструктивний елемент, не здатний на пластичну деформацію, то цей елемент при розрахунках просто не береться до уваги.
Дослідження можливого розвитку після локального руйнування
У рекомендаціях щодо прогресуючого обвалення радять проектантам досліджувати чотири типових варіанти розвитку:
СП «Захист від прогресуючого обвалення» головним чином передбачає профілактику розвитку саме цих чотирьох сценаріїв.
Рекомендації ПО блокових будівель
При об’ємно-блоковому (модульному) будівництві значна частина процесів виробляється в заводських умовах. Монтаж полегшується ще й тим, що блоки володіють певним обсягом. Тому модулі, що становлять конструкцію, свідомо виготовляються з матеріалів, мало схильних до руйнування. Корозії матеріалів перешкоджає багатошарове їх покриття захисними спецсоставами, використання оцинкованої сталі.
У розглянутому нами СП прогресуюче обвалення для блочно-модульних будівель має свої особливості. Для цього типу будівель приділяється увага таким конструктивним елементам, як вузли примикання блоків даних до блоків сусіднім. Контрольним критерієм виступає несуча здатність цих вузлів, завдяки якій будівля в цілому протистоїть локальним руйнуванням і витримує припадають на них зусилля з-за своєї несучої здатності.
Прогресуюче обвалення будівель блокової структури також може виникнути із-за локального пошкодження блоку, що виконує несучі функції. Щоб цьому протистояти, важлива подальша компенсація перерозподілу зусиль з блоку зруйнованого на сусідні блоки. Такому положенню справ повинна сприяти значна несуча здатність і здатність до пластичних деформацій вузлових міжблокових з’єднань, з одного боку, і якісний заводський монтаж посилених арматурою блоків, з іншого.
Розрахунок будівлі на прогресуюче обвалення проводиться методом граничної рівноваги, а також методом кінцевих елементів. Оскільки метод граничної рівноваги ми розглянули раніше, то детальніше розповімо про другому способі.
Метод кінцевих елементів широко використовується в механіці твердого тіла для розрахунку деформацій. Його сутність полягає у розв’язанні системи диференціальних рівнянь. Потім область рішення (в залежності від різних коефіцієнтів) розбивається на ряд сегментів, кожен з яких досліджується на оптимальність.
Виходячи з обраних коефіцієнтів при змінних диференціальних рівняннях, визначаються оптимальні несучі елементи.
Рекомендації ПО монолітних будівель
Розрахунок на прогресуюче обвалення монолітних будівель також виходить з того, що локальні руйнування вертикальних несучих конструкцій, а у разі їх виникнення, не повинні виходити за межі одного поверху. В якості такого локального руйнування розглядаються порушення цілісності двох пересічних стін (від кута до найближчого отвору), колон, що стоять окремо, чергуються колон з прилеглими ділянками стін.
Рекомендації щодо захисту від прогресуючого обвалення наказують розглядати просторову модель, в яку, крім несучих, включаються й інші елементи, здатні перерозподілити на себе несучі функції.
При моделюванні враховуються:
- монолітне з’єднання несучих елементів (зовнішніх стін і внутрішніх, колон, вентиляції шахт, сходових клітин, пілястр);
- монолітні залізобетонні пояси, що охоплюють перекриття, які є перемичками, розташованими над вікнами.;
- монолітні парапети із залізобетону, пов’язані з перекриттями;
- елементи, з’єднані з колонами: залізобетонними балками, огорожами сходових клітин, стінами;
- отвори в стінах, що не перевищують по висоті поверх.
Крім того, для монолітного будинку повинні бути дотримані розрахункові значення:
- опору бетону осьовому стиску:
- опір бетону осьовому розтяганню;
- опір поздовжньої арматури осьовому стиску;
- опору поздовжньої арматури розтягу;
Конструктивні вимоги
Захист будівель та споруд від прогресуючого обвалення заснована на передбаченні динаміки розвитку впливу різних локальних руйнувань на загальну конструкцію будівлі (споруди). Зараз особливо активно вивчається З різних по своїй геометрії каркасів великопрольотних висотних будівель як на стадії їх проектування, так і при відновленні після отримання ними локальних ушкоджень. Розробляються збірники рекомендацій і правил, що затверджуються обов’язкові для виконання стандарти.
Слід згадати, що багаторазово згаданий нами СП «Захист від прогресуючого обвалення», як нормативний звід правил, складений спільно НДІ центр «Будівництво» і Федеральним Південно-Західним державним університетом з урахуванням федеральних законів № 184-ФЗ і № 384-ФЗ, що регламентують технічне регулювання та заходи безпеки при цьому. Він адаптований для регламентації:
- будівництва будівель (споруд) нормального рівня відповідальності та підвищеного рівня;
- реконструкції будівель (споруд) нормального рівня відповідальності та підвищеного рівня;
- капітального ремонту будівель (споруд) підвищеного рівня відповідальності.
У розглянутому СП регламентовані:
- використовувані будівельні матеріали і їх характеристики;
- можливі навантаження і їх впливу на будівлі (споруди);
- характеристики розрахункових моделей;
- конструктивні заходи захисту від ПЗ.
Особливості комп’ютерного розрахунку
Як ми вже неодноразово згадували, захист від прогресуючого обвалення передбачає комп’ютерне моделювання методами скінченних елементів і граничної рівноваги. Корисно знати, що інструментом моделювання методом граничних станів виступають спеціалізовані програмні пакети СТАДІО, ANSYS, SCAD, Nastran. При цьому створюється повноцінна модель, оскільки завдяки згаданого методу досягається практично повна відповідність моделі динаміці реакції будівлі на локальні руйнування.
Кінематичний метод використовує ті ж програми, проте він менш формалізований і вимагає від виконавця побудови особистої методики розрахунку.
В результаті обчислень кинематическим методом:
- визначаються конструктивні елементи, що втрачають свою цілісність;
- самі конструктивні елементи об’єднуються в еквівалентні групи;
- розраховується обсяг проведення будівельних робіт для кожної групи;
- визначаються найбільш небезпечні місця локальних руйнувань, здатні викликати;
- прогнозуються руйнування, що дозволяє заздалегідь планувати відновлювальні роботи.
Висновок
Наш час відрізняється появою все більшої кількості висотних житлових і офісних будівель. В останні роки простежується зростання інтересу суспільства до проблем підвищення надійності виробничих і житлових будівель. В тому числі, не останнє місце займає питання: «Як найбільш гарантовано можна запобігти прогресуюче обвалення?» І це не випадково, адже такого роду аварії приносять найбільш значні матеріальні втрати і викликають глибокі негативні соціальні наслідки. Адже подібні аварії здатні унести сотні, і навіть тисячі життів.
Дослідження ведуться у трьох напрямках:
- розробка ідеальних зв’язків між конструктивними елементами;
- створення конструктивних елементів, що забезпечують максимальну надійність;
- оптимально перешкоджає ЩОДО загальна конструкція будівель (споруд).
Проектні бюро, спеціальні будівельні і науково-дослідні компанії не перетворюють свої дослідження в ноу-хау, останні публікуються і узагальнюються. І це зрозуміло, адже проблема є не тільки конструктивно, але і соціально значущою. Однак поки що нормативна документація потребує доопрацювання. Крім того, розрізнений досвід фахівців в області діагностики можливих повинен бути спочатку стандартизований і оновлений, а потім — трансформовано в практичну профілактичну діагностику, проводиться планово, регулярно і на некомерційній основі.
Очевидно, що зараз розрахунок на повинен стати для власників житлових і виробничих фондів більш доступним і полегшеним в процедурі проведення. Адже існує проблема старіння житлового фонду, а мова при таких аваріях йде про втрату людських життів.
Налагоджена система попередніх розрахунків ПО, будь вона юридично обґрунтована й запущена фактично, стала дієвим інструментом запобігання нових трагедій.
Можливо, своєчасна профілактика може запобігти такі, як обвалення під’їзду житлового будинку 31.12.2018 р. в Магнітогорську, яка забрала життя 39 людей. Нормативно слід встановити перелік ситуацій, коли не тільки обов’язково, але і терміново, слід проводити розрахунок на прогресуюче обвалення. Необхідність такого розрахунку особливо актуальна, коли власник квартири вирішується зробити перепланування, часто не підозрюючи, що зачіпає несучі конструктивні елементи. Саме таке непроконтролированное порушення послужило причиною вищезгаданого.
