Что такое прогрессирующее обрушение?

Что такое прогрессирующее обрушение?Российские градостроительные нормы содержат такой термин, как «прогрессирующее обрушение».

Понятие относится к расчёту зданий на возможность возникновения аварийных ситуаций по причинам, неучтённым в проекте строительства.

О том, что такое прогрессирующее обрушение и какие расчётные модели применяются сегодня, расскажем далее.

Суть понятия

Термин «прогрессирующее обрушение» применяют к ситуации, когда повреждение небольшого элемента конструкции ведёт к полному или почти полному разрушению всего здания.

Утрата отдельными несущими частями каркаса строения своих прочностных свойств может вызвать эффект «домино», т.е. повлечь за собой последовательное разрушение остальных элементов конструкции.

Аварийные ситуации могут быть вызваны как природными явлениями, так и антропогенными факторами, т.е. деятельностью человека. К последним случаям относятся:

    Суть понятия
  • пожары,
  • взрывы газа,
  • теракты,
  • наезды транспорта,
  • ошибки проектирования, строительства,
  • неправильная эксплуатация зданий,
  • незаконная перепланировка, сопровождаемая ослаблением или перегрузкой несущих элементов и оснований и пр.

Аварийные ситуации могут быть вызваны ураганами, землетрясениями, оползнями.

Прогрессирующее, или лавинообразное обрушение — это полный или частичный обвал конструкции здания высотой 2 и более этажей, потерявших опору в результате разрушения одного из этажей.

Родственным понятием является «живучесть» сооружения, здания, технического устройства или системы к выполнению своих ключевых функций, несмотря на полученные повреждения.

В современном мире риск прогрессирующего разрушения значителен, поэтому существует острая необходимость в точных расчётных схемах, новых надёжных и экономически целесообразных методах конструктивного укрепления несущего каркаса здания, в наличии чёткой законодательной базы проектирования и расчёта с учётом возможных запредельных воздействий.

Причины прогрессирующего обрушения

При проектировании конструкций специалистам необходимо учитывать не только стандартные условия их функционирования, но и возможные аварийные ситуации. Прогрессирующее обрушение может возникнуть по причине техногенных воздействий, которые делятся на силовые, коррозионные и деформационные.

Возможными техногенными причинами возникновения локальных повреждений могут стать:

    Причины прогрессирующего обрушения
  • размыв основания грунта из-за аварий на внутренних или наружных водоотводах;
  • затопление территорий природными водами;
  • воздействия взрывов, ударов;
  • перегрузка несущего элемента вследствие нарушения правил эксплуатации;
  • повреждение отдельных элементов конструкции ввиду значительного снижения прочности материалов, строительных дефектов и коррозии.

Так, например, причиной обрушения 9-этажного панельного жилого дома 6 марта 1982 года в Волгодонске стала некачественная заделка раствором на замораживание горизонтальной штробы, которая образовалась после замены цокольной панели. В момент оттаивания раствора стеновая панель потеряла устойчивость, в результате чего обрушились все 9 этажей дома.

К прогрессирующему обрушению ведут также ошибки, допущенные на стадии проектирования. В качестве примера такого случая можно привести обрушение 24-тонного козырька станции метро «Сенная площадь», произошедшего 10 июня 1999 г. в результате неправильно спроектированного крепления.

Не исключён также риск обрушения конструкции по причинам разнородности прочностных и других технических свойств стройматериалов, невозможности идеального моделирования системы даже с применением всех возможностей современных программных комплексов.

Самыми распространёнными формами разрушения металлических конструкций считаются потеря устойчивости и хрупкое разрушение, произошедшее из-за неконтролируемого развития микротрещин материала.

Так, например, прогрессирующее обрушение моста может начаться всего лишь с одной микроскопической трещины в металле несущих конструкций; это означает, что прочностные свойства материалов необходимо изучать и проверять с точки зрения теории надёжности.

История изучения прогрессирующего обрушения

История изучения прогрессирующего обрушенияПервые исследования данной темы начались после разрушения 22-этажного дома в Лондоне, которое произошло 16 мая 1968 г. в результате взрыва бытового газа. Жертвами трагедии стали 22 человека.

Случай привёл к серьёзным изменениям в законодательстве: в 1970 году внесена поправка к строительным нормам Великобритании, касающаяся непропорционального разрушения. Поправка содержала требование о том, чтобы не допускать прогрессирующего обрушения зданий.

Самым трагическим случаем прогрессирующего обрушения конструкций признан обвал всемирного торгового центра в Нью-Йорке; событие произошло 11 сентября 2011 г. в результате теракта. Последствия этой катастрофы ужасны: жертвами стали 2750 человек.

Проблема прогрессирующего обрушения не обошла и Российскую Федерацию. Наиболее распространённой причиной аварий, следствием которых становится прогрессирующее обрушение, можно назвать взрыв бытового газа, который происходит чаще всего по неосторожности пользователей.

К 2020 году газификация России составила более 65 %, а это значит, что для большинства жилых многоэтажек риск прогрессирующего обрушения довольно высок.

Примерами подобных аварий в России могут служить:

  1. Взрыв бытового газа в Днепропетровске 13 октября 2007 г. (ул. Мандрыковская, 127), в результате которого жилья лишились 417 граждан.
  2. Обрушение 9-этажного жилого здания в Астрахани 27 февраля 2012 г.
  3. Взрыв газа и обрушение целого подъезда в г. Волгограде 20 декабря 2015 г. (ул. Космонавтов, 47).

Самыми крупными авариями с последующим обрушением зданий считаются в России:

  • обвал двух центральных подъездов жилого дома в Москве (ул. Гурьянова 1999 г.);
  • полное разрушение 17-этажной части дома в Санкт-Петербурге (ул. Двинская 2002 г.);
  • обрушение покрытия «Трансвааль-парка» в Москве (2004 г.).

Жертвами этих катастроф стали тысячи людей. По мнению специалистов, этих трагедий можно было бы избежать, если бы предварительно производился расчёт на прогрессирующее обрушение.

Соблюдение рекомендаций по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения позволит предотвратить катастрофические последствия возможных аварийных ситуаций.

Законодательные нормы

Законодательные нормыСущественной проблемой российского законодательства в сфере строительства считается сегодня отсутствие чётких нормативных документов, регламентирующих порядок проектирования зданий с учётом сопротивления прогрессирующему обрушению и определяющих требования к расчёту несущего каркаса высотного здания.

Ключевым документом в области обеспечения живучести строительных конструкций можно назвать ФЗ — №384. В ст. 16.6 обозначено, когда требуется расчёт на прогрессирующее обрушение: для сооружений и зданий повышенного уровня ответственности, к которым относятся технически сложные и уникальные объекты.

Перечень конструкций, подлежащих расчёту, указан в ГОСТ 27751-2014. В соответствие с пунктами 2, 5, 6, расчёт следует производить для зданий класса КС-2 и КС-23 при условии большого скопления людей.

С 1 июля 2015 г. расчёт следует производить для большинства жилых и общественных зданий. При этом до сих пор ещё не разработано чёткого алгоритма расчёта, а также детальных рекомендаций по выбору зоны аварий. Особенно много вопросов возникает по выбору необходимого числа разрушаемых несущих элементов.

Эти вопросы освещаются в ряде рекомендаций по проектированию, выпущенных МНИИТЭП и НИИЖБ в 2000-ых, однако ни один из этих документов к 2020 году не получил законодательной силы.

Существенный пробел наблюдается в области расчётов стальных каркасов зданий для обеспечения их живучести. Существующая нормативная документация (МДС 20-2.2008; СТО 36554501-024-2010) акцентирует внимание только на большепролётных сооружениях.

В этих положениях утверждается необходимость проведения оценки живучести несущего каркаса для всех железобетонных монолитных зданий, но не приводится почти никаких методологических указаний, за исключением рекомендации выполнять расчёт методом конечных элементов с применением сертифицированных в России программных комплексов.

Во многих программах предусмотрен встроенный модуль расчёта на прогрессирующее обрушение, однако результаты расчёта пока ещё призрачны, официально не подтверждены и требуют дополнительного исследования.

Так, например, разработчики таких программных комплексов, как Лира и SCAD, предлагают свои алгоритмы расчёта на прогрессирующее обрушение, однако на официальном уровне достоверность полученных результатов пока ещё не подтверждена.

Какие здания считают на прогрессирующее обрушение? Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения, разработанные МНИИТЭП и НИИЖБ, содержат схемы проведения расчёта посредством кинематического метода теории предельного равновесия для таких категорий зданий, как:

    Законодательные нормы
  • крупнопанельные строения;
  • монолитные здания;
  • высотки;
  • жилые здания каркасного типа;
  • дома с несущими кирпичными стенами;
  • большепролётные сооружения [6].

К сожалению, исключить вероятность возникновения аварийных ситуаций в полной мере невозможно, поэтому необходимо обеспечить максимальную степень безопасности граждан, находящихся в зданиях, и сохранности их имущества за счёт уменьшения риска прогрессирующего обрушения конструкции при локальных повреждениях несущих элементов.

Для снижения вероятности прогрессирующего обрушения необходимо предусмотреть общее упрочнение всего сооружения, здания, локальное усиление и взаимосвязь элементов.

В законах строительства США акцент ставится на общее упрочнение, при котором разрушение одного из элементов конструкции не приводит к разрушению всего строения.

Упрочнение наиболее уязвимых мест пока не поддаётся стандартизации для включения их в нормы проектирования, поскольку для этого необходимо знать характер возможных воздействий на здание, в том числе терактов.

Основных рекомендаций по предотвращению лавинообразного обрушения всего 5:

    Законодательные нормы
  1. Несущая система жилых конструкций должна быть устойчива к цепному обрушению в случае локального обвала отдельных элементов при аварийных ситуациях (пожар, взрыв бытового газа и т.п.).
  2. Первичные локальные повреждения зданий не должны приводить к обрушению соседних конструкций, на которые передаётся нагрузка.
  3. При локальном повреждении конструктивная система здания должна сохранять устойчивость хотя бы на время, необходимое для эвакуации людей.
  4. Сопротивляемость к прогрессирующему обрушению высотного здания проверяется расчётом на сочетание нагрузок и воздействий от вероятных локальных разрушений несущих частей строения.
  5. Расчётные характеристики стройматериалов необходимо повышать за счёт специальных коэффициентов надёжности.

В програмном комплексе SCAD модель расчёта реализована в соответствие с вышеуказанными рекомендациями и предназначена для моделирования поведения конструкции строений в случае аварийных воздействий, вызвавших локальные разрушения отдельных вертикальных несущих частей.

При разработке программы авторами принималась во внимание очевидная условность исходных предпосылок, которая заключается в следующем:

  1. Отсутствует достоверная информация о месте и причине возникновения процесса разрушения и характере его протекания.
  2. Реальные параметры разрушения могут отличаться от условий прочности, приведённых в нормах, поскольку известно, что расчётные значения параметров прочности могут отличаться от реальных показателей.

Сооружения и здания не могут быть абсолютно свободными от риска обрушения из-за неопределённостей требований к системе, разброса технических свойств стройматериалов, трудностей точного моделирования поведения системы даже с применением современных программных комплексов.

Помимо того, невозможно спроектировать и построить совершенно безопасную конструкцию и при этом не учитывать стоимость предотвращения возможных аварийных ситуаций.

Вместе с тем численное моделирование позволяет получить качественную оценку характеристик устойчивости здания по отношению к прогрессирующему обрушению и сопоставить несколько гипотетических сценариев обрушения с целью выявления самых уязвимых мест конструкции.

Расчётные методы

Расчётные методыПри оценивании сопротивления конструкции здания прогрессирующему обрушению применяются следующие расчётные методы:

  1. Методики, связанные с разработкой нестандартных путей передачи усилий от нагрузки после возникновения локального повреждения отдельного конструктивного элемента.
  2. Методики, направленные на обеспечение общей целостности здания за счёт постановки расчётного минимума соединительных связей (например, метод связевых усилий).
  3. Методики, основанные на проектировании конструктивной системы, способной принять нагрузки, действующие в пределах объёма здания, подвергшегося обрушению (например, АТ-метод или методика альтернативных траекторий).

Таким образом, в связи с увеличением количества аварий, вызывающих прогрессивное обрушение зданий, существует необходимость в точных расчётных методиках, новых надёжных и экономически выгодных программах конструктивного усиления несущего каркаса здания, чёткой законодательной базы, определяющей порядок проектирования и расчёта с учётом возможных глобальных воздействий.


..Следующая страница->