Огнестойкость зданий из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара
На правах рукописи
Приступюк Дмитрий Николаевич
ОГНЕСТОЙКОСТЬ ЗДАНИЙ ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ ПРИ КОМБИНИРОВАННЫХ ОСОБЫХ
ВОЗДЕЙСТВИЯХ С УЧАСТИЕМ ПОЖАРА
Специальность: 05.26.03 – Пожарная и промышленная безопасность
(технические наук
и, отрасль строительство)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук Москва – 2013
Работа выполнена в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России на кафедре пожарной безопасности в строительстве
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Ройтман Владимир Миронович
Официальные оппоненты: Страхов Валерий Леонидович, доктор технических наук, профессор, ЗАО «Теплоогнезащита», заместитель генерального директора по научной работе Кириллов Игорь Александрович, кандидат физико-математических наук, доцент, Институт комплексной безопасности Московского Государственного строительного университета, заместитель директора по науке
Ведущая организация: ФГБУ «Всероссийский ордена «Знак Почета»
научно-исследовательский институт противопожарной обороны» МЧС России
Защита состоится «18» декабря 2013 г. в 13 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 205.002.02 на базе Академии Государственной противопожарной службы МЧС России по адресу: 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина, 4.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГПС МЧС России.
Автореферат разослан «15» ноября 2013 года.
Ученый секретарь диссертационного совета Швырков Сергей Александрович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблема обеспечения безопасности зданий и сооружений, с учетом террористической угрозы, является в нашей стране весьма актуальной, так как строительный комплекс является одним из самых уязвимых объектов для такого рода воздействий.
Трагические события 11 сентября 2001 года в городах Нью-Йорк и Вашингтон, США, связанные с атакой террористов зданий Всемирного торгового центра (из металлических конструкций) и здания Пентагона (из железобетонных конструкций), поставили перед человечеством ряд политических, социальных, технических проблем. Среди технических проблем основное место заняли проблемы защиты уникальных объектов от чрезвычайных ситуаций (ЧС), связанных с комбинированными особыми воздействиями (СНЕ – от англ. Combined Hazardous Effect), в том числе с участием пожара.
Под комбинированными особыми воздействиями понимаются чрезвычайные ситуации, связанные с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательностях, причем одним из таких воздействий является пожар. При комбинированных особых воздействиях с участием пожара возникают новые опасности и угрозы, которые могут ускорить наступление прогрессирующего обрушения объекта по сравнению с воздействием только пожара.
В связи с этим возникает необходимость в дальнейшем развитии методов оценки огнестойкости зданий при комбинированных особых воздействиях с учетом новых опасностей и угроз, в том числе для зданий, выполненных из железобетонных конструкций (ЖБК), а также влияния этих особенностей на обеспечение безопасности людей в этих условиях.
Целью работы являлось развитие метода оценки огнестойкости зданий из ЖБК и выявление особенностей обеспечения безопасности людей при комбинированных особых воздействиях с участием пожара.
Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
- разработать методы оценки огнестойкости железобетонных колонн и зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара;
- установить зависимость изменения критической температуры материала от уровня нагружения конструкции в условиях СНЕ с участием пожара на основе обработки экспериментальных данных по прочностным характеристикам бетона и арматурной стали в условиях пожара;
- произвести оценку огнестойкости железобетонных колонн и здания при СНЕ с участием пожара, сравнить результаты расчётов с аналогичными данными, полученными при исследовании фрагментов здания Пентагона в месте обрушения;
- выявить особенности обеспечения безопасности людей в зданиях при СНЕ с участием пожара и их влияние на величину пожарного риска в этих условиях.
Объектом исследования являлись здания из железобетонных конструкций.
Предмет исследования – огнестойкость зданий из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара.
Методологическую и теоретическую основу исследования составляли:
теория и методы оценки огнестойкости конструкций и зданий (Мурашев В.И., Ройтман М.Я., Яковлев А.И., Милованов А.Ф., Жуков В.В., Соломонов В.В.,Фёдоров В.С., Страхов В.Л., Kordina K., Harmathy T. и др.);
результаты многолетних огневых испытаний железобетонных конструкций на огнестойкость;
результаты исследований характеристик сопротивления бетона и арматуры в условиях пожара;
теория и методы оценки огнестойкости объектов при комбинированных особых воздействиях с участием пожара (Ройтман В.М.).
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые описан механизм снижения огнестойкости железобетонных колонн и зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара за счет снижения критической температуры прогрева строительных конструкций в этих условиях.
2. Разработан метод расчета огнестойкости железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара.
3. Разработан метод оценки огнестойкости зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара.
4. Выявлены особенности обеспечения безопасности людей в зданиях при СНЕ с участием пожара, как многоэтапного процесса типа «эвакуация – спасение – эвакуация», ограниченного во времени огнестойкостью здания в этих условиях.
5. Разработаны рекомендации по учёту особенностей СНЕ с участием пожара при оценке пожарного риска.
Достоверность полученных результатов обеспечивалась использова нием: данных многолетних огневых испытаний железобетонных конструкций на огнестойкость;
экспериментальных данных о поведении бетона и арматурных сталей в условиях пожара;
результатов обследования технического состояния здания Пентагона после террористической атаки.
Практическая значимость работы заключается в возможности использования полученных результатов для оценки огнестойкости зданий из ЖБК при заданных сценариях СНЕ с участием пожара, в том числе с учетом террористической угрозы, а также для реконструкции степени повреждения конструкций здания при расследовании причин и особенностей прогрессирующего обрушения зданий во время реальных ЧС. В частности, в работе, в качестве примера, приведён анализ причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона.
Результаты работы также могут быть использованы при разработке и совершенствовании нормирования в сфере обеспечения комплексной безопасности строительных объектов и безопасности людей с учетом возможных комбинированных особых воздействий с участием пожара, в том числе при оценке пожарных рисков.
Материалы диссертации реализованы при:
- разработке предложений в проект «Концепции гармонизации российских и европейских систем нормативных документов в области пожарной безопасности», принятых на секции «Комплексная безопасность и антитеррористическая защищенность» Национального объединения проектировщиков;
- совершенствовании системы противопожарной защиты Останкинской телевизионной башни после пожара 27 августа 2000 г.;
- разработке разделов учебников и курсов лекций по дисциплинам «Здания, сооружения и их устойчивость при пожаре» и «Безопасность жизнедеятельности» в Академии Государственной противопожарной службы МЧС России и Московском Государственном строительном университете, соответственно.
Основные результаты работы были доложены на: XII Международной научн.-практ. конф. молодых учёных, докторантов и аспирантов «Строительство формирование среды жизнедеятельности» (г. Москва, МГСУ, 2009);
студенческой научно-технической конференции Института строительства и архитектуры (г. Москва, МГСУ, 2009);
XXIV Международной научн.-практ. конф. по проблемам пожарной безопасности, посвящённой 75-летию создания института (г. Москва, ВНИИПО МЧС России, 2012);
Научн.-практ. конф. «Ройтмановские чтения» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2012);
Международной научн.-практ. конф. «Исторический опыт, современные проблемы и перспективы образовательной и научной деятельности в области обеспечения пожарной безопасности» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2013);
Международной научн. конф. «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании» (г. Москва, МГСУ, 2013).
На защиту выносятся:
- описание механизма снижения огнестойкости железобетонных колонн и зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара;
- метод расчета огнестойкости железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара;
- метод оценки огнестойкости зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара;
- результаты анализа причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона;
- рекомендации по учёту влияния огнестойкости зданий при СНЕ с участием пожара на обеспечение безопасности людей.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 научных работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Содержание работы изложено на 209 страницах текста, включает в себя 17 таблиц, 44 рисунка, список литературы из 146 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи исследования, проанализированы объект и предмет исследования, показаны научная новизна работы и её практическая значимость.
В первой главе приведен анализ состояния вопроса по тематике работы, рассмотрены характерные примеры реализации комбинированных особых воздействий с участием пожара и их влияние на огнестойкость зданий из железобетонных конструкций при пожаре в условиях различных чрезвычайных ситуаций, в том числе при СНЕ, анализ которых показал, что в отдельных случаях объекты успешно сопротивляются воздействию пожара, сохраняя свою устойчивость (пожар на Останкинской телевизионной башне). В случаях комбинированных особых воздействий с участием пожара (события в здании Пентагона и в зданиях Всемирного торгового центра) возможно наступление прогрессирующего обрушения уникальных объектов, что приводит к большому количеству жертв и значительному материальному ущербу.
В работе показано, что в условиях СНЕ с участием пожара возникают некие новые опасные эффекты, приводящие к снижению огнестойкости конструкций и зданий по сравнению с воздействием только пожара, что в конечном итоге и приводит к преждевременному прогрессирующему обрушению зданий. В связи с этим обоснована необходимость поиска ответа на вопрос, почему же происходит снижение огнестойкости строительных конструкций и зданий в условиях СНЕ с участием пожара, по сравнению с воздействием только пожара, и как этот фактор влияет на обеспечение безопасности людей? Поиск ответа на этот вопрос производился на основе использования «классических» теории и методов оценки огнестойкости конструкций и зданий (Мурашев В.И., Ройтман М.Я., Яковлев А.И., Бушев В.А., Федоренко В.С., Олимпиев В.Г., Милованов А.Ф.,Фёдоров В.С.,Соломонов В.В., Страхов В.Л., Kordina K., Harmathy T. и др.), а также теории и методов оценки огнестойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара (Ройтман В.М.).
Основная особенность «классической» теории огнестойкости заключается в том, что рабочая нагрузка на конструкцию во время воздействия пожара принимается постоянной. В соответствии с этой теорией (кривая 1 на рисунке 1) при пожаре происходит снижение несущей способности конструкции S f ( f ) до величины постоянной рабочей нагрузки N (точка «А» на рисунке 1). Время, за которое это происходит и характеризует огнестойкость конструкции по «классической» теории огнестойкости. Отличительными особенностями теории оценки огнестойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара, являются (кривые 2 и 3 на рисунке 1):
- изменение несущей способности конструкций S СНЕ с учётом повреждений конструкций, полученных до воздействия пожара, в результате других особых воздействий (удар, взрыв и др. причины);
- возможное изменение рабочей нагрузки NСНЕ на конструкцию на различных стадиях СНЕ с участием пожара.
S Sf (f) Несущая способность, S SСНЕ, SCHE SCHE B NСНЕ Нагрузка, N A N CHE = 0 CHE,r f,r Рисунок 1 Общая схема расчетной оценки огнестойкости строительных конструкций в условиях различных воздействий с участием пожара:
1 – «классический» подход к оценке огнестойкости (изменение несущей способности конструкции S f ( f ) во времени f до уровня постоянных рабочих нагрузок);
2 – оценка огнестойкости конструкций при пожаре в условиях комбинированных особых воздействий (случай сохранения объектом некоторой доли несущей способности);
3 – то же, в случае полного исчерпания огнестойкости объекта при пожаре в условиях СНЕ При этом возможно рассмотрение двух вариантов поведения конструкций при пожаре в условиях СНЕ. Первый вариант (кривая 3 на рисунке 1) связан с потерей несущей способности конструкции и характеризуется тем, что в определённый момент времени несущая способность S СНЕ снижается до действующей на данный момент рабочей нагрузки NСНЕ. Время за которое это происходит и характеризует огнестойкость конструкции в условиях комбинированных особых воздействий с участием пожара (точка «В»
на рисунке 1). При рассмотрении второго варианта конструкция сохраняет некоторый остаточный ресурс несущей способности на момент окончания СНЕ (кривая 2 на рисунке 1) и потери несущей способности не происходит.
Такая особенность как изменение рабочей нагрузки на конструкцию на различных стадиях СНЕ с участием пожара приводит к необходимости изучения особенностей сопротивления арматурных сталей и бетона в этих условиях. В связи с этим, в работе выполнен анализ литературных источников, содержащих экспериментальные данные по изменению основных прочностных характеристик материалов конструкций, используемых для расчётов железобетонных конструкций на огнестойкость. При этом показано, что использование этих данных в имеющемся виде для расчётов огнестойкости конструкций, с учётом особенностей СНЕ с участием пожара, не представляется возможным, что требует их обработки и получения зависимостей изменения перепада «критической температуры» материалов от перепада коэффициента нагружения ЖБК для условий СНЕ.
Во второй главе представлены разработанные методы расчетов огнестойкости железобетонных колонн и зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара.
Основу разработанного метода расчёта огнестойкости железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара составили подходы «классической» теории огнестойкости. В тоже время новый метод позволяет учитывать особенности развития ЧС при СНЕ с участием пожара, а именно:
- повреждение конструкций, получаемое ещё до воздействия пожара;
- переменность рабочей нагрузки на конструкции в процессе развития СНЕ.
Эти особенности предложено учитывать с помощью модифицированных коэффициентов условий работы этих материалов в рассматриваемых условиях ( s,CHE и b,CHE ), а также модифицированного понятия «критическая»
температура прогрева материалов при пожаре в условиях СНЕ. Под «критической» температурой арматурной стали понимается температура, при которой в условиях пожара достигается предельное состояние конструкции в целом. Температура бетона, при которой предел прочности бетона снижается наполовину, называется «критической» температурой бетона. В этом случае уравнение предельного состояния железобетонной колонны, нагруженной центрально-приложенной силой, примет вид:
N СНЕ [ R bn Ab,СНЕ R sn s,СНЕ As,tot ], (1) где N CHE – нагрузка на колонну на момент времени CHE ;
– коэффициент продольного изгиба колонны на момент времени CHE ;
Ab,СНЕ – площадь поперечного сечения колонны, ограниченная изотермой критической температуры на момент времени CHE, м2;
As,tot – суммарная площадь сечения рабочей арматуры, м2;
Rbn – начальное сопротивление бетона, МПа;
Rsn – начальное сопротивление арматуры, МПа;
s,CHE – коэффициент условий работы арматуры на момент времени CHE.
Огнестойкость колонны при СНЕ с участием пожара, с учетом выражения (1), определяется как момент времени ( CHE ), когда несущая способность колонны ( S CHE ) становится равной или меньше, чем уровень нагрузок на неё ( N CHE ):
если S CHE = N CHE, то CHE CHE,r, (2) act где CHE,r – фактическая огнестойкость колонны в условиях СНЕ, мин.
act Фактическая огнестойкость здания ( DCHE,r ) для выбранного сценария CHE act с участием пожара определяется моментом времени ( СНЕ ), когда все «ключевые» несущие элементы здания достигают предельного состояния по утрате несущей способности. Под «ключевыми» элементами здания понимаются основные конструкции, определяющие устойчивость здания при пожаре в условиях СНЕ против прогрессирующего обрушения.
Условие исчерпания огнестойкости здания при пожаре в условиях СНЕ имеет вид:
если СНЕ = СНЕ,r, то СНЕ = DCHE,r. (3) act всех "ключевых " элементов Предлагаемый метод расчета огнестойкости зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара дает возможность любого уровня детализации исходной модели здания или сооружения и расчетного сценария развития пожара в условиях СНЕ.
Здание в условиях СНЕ может сохранить определенную долю своего ресурса огнестойкости и не будет полностью разрушено при заданном сценарии, если отдельные группы «ключевых» конструктивных элементов здания не исчерпают своей огнестойкости (не достигнут предельного состояния по потере несущей способности) после рассмотрения всех расчетных стадий CHE. В этом случае здание сохранит свою целостность, но получит тот или иной уровень повреждений. Возможность сохранения зданием своей целостности при заданном сценарии CHE определяется из условия:
если СНЕ СНЕ,r, то DCHE,r СНЕ. (4) всех "ключевых " элементов В работе рассмотрено также решение обратной задачи огнестойкости зданий в рассматриваемых условиях. Это решение направлено на определение допустимого числа и состояния «ключевых» конструкций здания, которые могут быть разрушены или повреждены при СНЕ, исходя из заданной или нормируемой огнестойкости здания. Решение обратной задачи производится методом последовательного приближения. В качестве исходного параметра, в этом случае, принимается заданная или требуемая огнестойкость здания.
Искомыми параметрами являются уровень повреждённости «ключевых»
конструкций и их количество, которые обеспечат заданную огнестойкость здания.
В третьей главе приводятся результаты исследования особенностей сопротивления арматурных сталей и бетона, изменения огнестойкости железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара, а также результаты анализа причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона.
В результате обработки данных экспериментальных исследований, выполненных Яковлевым А.И., Бушевым В.П., Олимпиевым В.Г., Зенковым Н.И., Миловановым А.Ф., Жуковым В.В. и др., были получены графические зависимости изменения перепада «критической температуры» прогрева от перепада «коэффициента условий работы» для материалов ЖБК (рисунок 2) в условиях СНЕ.
T cr,°C Tbcr TScr 0 0,2 0,4 0,6 0, Рисунок 2 Зависимости перепада значений критической температуры нагрева тяжелого бетона Tbcr (на гранитном заполнителе) и арматурной стали TScr класса А (А-III) в зависимости от перепада уровня нагружения Для использования в инженерных расчётах огнестойкости железобетонных конструкций при СНЕ с участием пожара полученные данные были аппроксимированы, в результате чего получены следующие зависимости:
- для тяжелого бетона bt = 0,00154 Tb ;
(5) Tb = 650 bt, (6) cr - для арматурной стали класса А st = 0,00347 TS ;
(7) TScr = 288 st. (8) Задача по исследованию особенностей изменения огнестойкости железобетонных колонн при пожаре в условиях СНЕ решалась с использованием разработанного метода расчета огнестойкости колонн (см.
формулы (1), (2)) с помощью вычислительного эксперимента.
Вычислительный эксперимент проводился для следующих сценариев:
- при «стандартном» режиме воздействия пожара;
- при СНЕ с участием пожара с учетом изменения в процессе развития СНЕ только нагрузки на колонну;
- при СНЕ с участием пожара с учетом изменения уровня нагрузки на колонну и утраты части несущей способности колонны за счет повреждения конструкции при других особых воздействиях (удар, взрыв и др.).
Изучение особенностей поведения железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара показало, что огнестойкость колонн может иметь гораздо меньшие значения, чем их огнестойкость при стандартном огневом воздействии. Например, предел огнестойкости колонны при «стандартном»
пожаре может иметь значение более R360, а, при СНЕ с участием пожара, это значение может снизиться до R19 (например, в здании Пентагона).
Установлено, что основными причинами более быстрого исчерпания сопротивления железобетонных колонн при СНЕ с участием пожара, по сравнению с воздействием только пожара, являются:
- снижение несущей способности конструкции за счет повреждений, полученных конструкцией в результате других особых воздействий;
- снижение критической температуры нагрева бетона и арматуры в результате увеличения нагрузки на конструкцию в процессе развития ЧС.
Далее в работе представлены результаты анализа причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона.
Данные отчета о событиях 11 сентября 2001 г. в здании Пентагона*) *) Mlakar, P.F. The Pentagon building performance in the 9/11 crash. – Resilience of Cities to Terrorist and other Threats: Learning from 9/11 and further Research Issues;
edited by Hans J.
Pasman, Igor A. Kirillov / P.F. Mlakar, [et.al.] // Proceedings of the NATO Advanced Research Workshop on Urban Structures Resilience under Multi-Hazard Threats: Lessons of 9/11 and Research Issues for Future Work. – Springer, 2008. – P. 239-256.
свидетельствуют о том, что основной причиной прогрессирующего обрушения наружного кольца здания в зоне ЧС явилось воздействие пожара на несущие железобетонные колонны первого этажа здания, которые перед этим уже были повреждены ударами обломков самолета и взрывом топлива. Однако, в этой работе, данные о состоянии железобетонных колонн первого этажа здания, оказавшихся в зоне удара самолета, взрыва топлива и пожара, представлены в самом общем виде, который дает только качественное представление об их состоянии. Кроме того, не был рассмотрен вариант возможных последствий удара по зданию двигателей самолета, обладающих в силу своих конструктивных особенностей высоким разрушительным потенциалом.
В связи с этим, при анализе причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона в зоне ЧС, в работе были рассмотрены три основных вопроса:
1) анализ конструктивно-планировочных особенностей здания Пентагона и возможного их влияния на причины и механизм прогрессирующего обрушения наружного кольца здания в зоне СНЕ;
2) оценка состояния и огнестойкости железобетонных колонн 1-го этажа, как ключевых конструкций здания, без учета возможных повреждений этих конструкций при ударе двигателей самолета (вариант 1);
3) оценка состояния и огнестойкости этих железобетонных колонн здания с учетом возможных дополнительных повреждений от удара двигателей самолёта (вариант 2).
Анализ конструктивно-планировочных особенностей здания и проведенный вычислительный эксперимент показали, что определяющую роль в возникновении прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона в зоне ЧС сыграло наличие по оси 11 планировочной разбивки здания температурного шва, пересекающего все пять колец здания (рисунок 3).
Именно это обстоятельство и привело к тому, что после удара самолета и взрыва топлива, в наружном кольце здания возникла своеобразная 4-этажная консоль из конструкций (с 2-го по 5-ый этажи здания), отсеченных от остальной части здания температурным швом (в осях 11-19). Эта консоль опиралась на ограниченное количество уцелевших, но в той или иной степени поврежденных, колонн первого этажа, среди которых был выделен ряд характерных групп колонн, отличающихся между собой степенью повреждения и условиями работы. Наружное кольцо здания в первые минуты ЧС сохранило свою устойчивость. Уцелевшие после удара самолета и взрыва топлива несущие железобетонные колонны первого этажа здания, имеющие различную степень поврежденности (от серьезных повреждений до полного сохранения своей несущей способности), имели в момент времени начала пожара суммарную несущую способность достаточную, чтобы выдержать нагрузку от вышележащих этажей. Эти соображения были приняты за основу расчётной схемы задачи по анализу причин и механизма прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона в зоне ЧС (рисунок 3).
температурный шов граница обрушения обрушения граница Рисунок 3 Зона прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона и расчётная схема оценки его огнестойкости С учетом принятой расчетной схемы условие предельного состояния наружного кольца здания Пентагона в зоне СНЕ можно представить в виде:
l S ( CHE,i ) N ( CHE,i ), то CHE,i DCHE,r, если act (9) k k где S k ( CHE,i ) – несущая способность «ключевой» конструкции, относящейся к характерной группе «k», к моменту времени окончания расчетной стадии «i»
CHE,i, кН;
«l» – количество характерных групп конструкций;
DCHE, r – заданная act фактическая огнестойкость здания при CHE с участием пожара, мин.
Суммарная несущая способность «ключевых» конструктивных элементов l S объекта ( CHE,i ) всех характерных групп «k» к концу расчетной стадии «i»
k k определяется из выражения:
l l n S S k ( CHE,i ), ( CHE,i ) = (10) k k k k где nk – количество «ключевых» конструктивных элементов объекта, относящихся к характерной группе «k»;
Решение поставленной задачи заключалось в определении огнестойкости, числа и состояния ключевых конструктивных элементов первого этажа наружного кольца здания Пентагона в зоне ЧС, которое соответствовало выполнению заданного условия исчерпания огнестойкости здания (9) в заданный момент времени начала его прогрессирующего обрушения. Задача решалась с помощью вычислительного эксперимента методом последовательных приближений.
В качестве «ключевых» конструкций, определивших поведение здания Пентагона в рассматриваемых условиях, рассматривались пять характерных групп железобетонных колонн первого этажа здания (таблица 1): 1 – уничтоженные ударом и взрывом;
2 – имеющие значительные повреждения, подверженные огневому воздействию;
3 – имеющие средние повреждения, подверженные огневому воздействию;
4 – имеющие не значительные повреждения, подверженные огневому воздействию;
5 – без повреждений, не подверженные огневому воздействию.
Выбор последовательных приближений определялся исходя из следующих ограничений:
а) известно общее количество колонн в зоне прогрессирующего обрушения части здания Пентагона – 29 колонн;
б) известна огнестойкость части здания Пентагона в зоне прогрессирующего обрушения (время до начала прогрессирующего обрушения объекта) – 19 мин.;
Таблица 1 Состояние и число «ключевых» конструкций наружного кольца здания Пентагона, которые привели к прогрессирующему обрушению этой части здания Вариант Вариант (без учета удара двигателей (с учётом удара двигателей самолёта) самолёта) Огнестой Характер- кость при Остаточная ная группа пожаре в Количество Количество Остаточная несущая несущая колонн условиях колонн в колонн в способность колонн к способность СНЕ, мин группе n, группе n, моменту начала колонн к моменту шт. шт. пожара, % начала пожара, % 1 8 0 11 0 2 7 4 4550 3 2 2 8085 4 2 2 9095 5 10 100 10 100 в) потеря несущей способности колонн характерной группы 5 (согласно сценарию не повреждены и не подверглись воздействию пожара) на 19 минуте развития СНЕ возможна только от увеличения механической нагрузки на них в результате последовательного исчерпания огнестойкости колонн характерных групп 14 в рассматриваемых условиях;
г) потеря несущей способности колонн характерной группы 4 (согласно сценарию СНЕ незначительно повреждены, но подверглись воздействию пожара) на 19 мин. развития СНЕ возможна также только от увеличения механической нагрузки на них в результате последовательного исчерпания огнестойкости колонн характерных групп 13 в рассматриваемых условиях.
Это обусловлено тем, что огнестойкость этих колонн ввиду отсутствия повреждений, значительно превышает фактическую огнестойкость здания (ограничение б)) в рассматриваемой зоне ЧС и превышает 180 мин.;
д) на основе ограничений в) и г) – огнестойкость повреждённых колонн характерной группы 3 при пожаре в условиях СНЕ должна составить 19 мин.
В процессе приближения варьировалась степень повреждённости конструкций внутри каждой характерной группы колонн, выражаемая через толщину защитного слоя бетона и остаточную несущую способность.
Решением задачи (см. таблицу 1 и рисунок 4) являлись те значения остаточной несущей способности колонн после удара самолета и взрыва топлива, при которых достигалось выполнение условия (9) при заданном значении огнестойкости здания в зоне СНЕ (19 мин.).
В целом проведенный анализ позволяет сделать вывод о том, что основное влияние на прогрессирующее обрушение здания Пентагона при комбинированных особых воздействиях с участием пожара оказали:
- наличие температурного шва на оси 11 планировочной разбивки здания (рисунок 3);
- выход из строя на 19 мин. воздействия пожара колонн характерной группы 3, остаточная несущая способность которых к моменту начала пожара составляла 8085 % от начального значения (таблица 1).
Выход из строя колонн характерной группы 3 привел к перераспределению рабочей нагрузки на оставшиеся уцелевшие колонны в группах 4 и 5, в результате чего суммарная нагрузка на них превысила их несущую способность, что и послужило началом лавинообразного обрушения этого сегмента здания.
n, шт.
nгр.5 nгр.4 nгр.3 nгр.2 nгр.1 CHE,r CHE,r CHE,r гр.3 гр.4 гр. CHE, r гр. CHE,r гр. СНЕ, мин.
0 5 10 15 Рисунок 4 Изменение числа колонн первого этажа здания Пентагона, утративших несущую способность, в зависимости от времени СНЕ :
CHE,r CHE,r время утраты несущей способности колонн характерных групп 15, гр.1 гр. соответственно;
n гр.1 n гр.5 количество колонн характерных групп 15, соответственно, утративших несущую способность В четвёртой главе рассмотрен вопрос влияния огнестойкости зданий при СНЕ с участием пожара на обеспечение безопасности людей в этих условиях.
Основной особенностью обеспечения безопасности людей в зданиях при СНЕ с участием пожара является многоэтапный характер процесса движения людей типа «эвакуация – спасение – эвакуация». Особенности обеспечения безопасности людей в этих условиях рассмотрены на примере оценки огнестойкости здания из железобетонных конструкций в условиях заданного сценария СНЕ с участием пожара (рисунок 5). При этом, в первую очередь отмечается необходимость для обеспечения безопасности людей в рассматриваемых условиях учитывать снижение огнестойкости здания в условиях СНЕ, по сравнению с воздействием только пожара.
Вторая важная особенность развития СНЕ с участием пожара заключается в возникновении в здании нескольких зон различного уровня опасности для людей:
а) зона критической опасности, где уровень опасных факторов для человека превышает предельно допустимый уровень и отсутствует возможность эвакуации и спасения людей (например, зона непосредственного удара и/или взрыва);
Рисунок 5 Схема комбинированного процесса обеспечения безопасности людей в здании при заданном сценарии СНЕ с участием пожара:
участки спасения;
участки эвакуации б) зона докритической опасности, в которой люди подвергаются прямому воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара, но значения этих факторов в течение некоторого времени не достигают критического уровня (в этой зоне речь может идти только о спасении людей в течение некоторого времени);
в) зона возможного воздействия на людей опасных факторов СНЕ с участием пожара, в которой люди в течение некоторого времени не подвергаются воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара (в этой зоне возможна организация эвакуации людей, время которой ограничено меньшей огнестойкостью здания при СНЕ DCHE,r );
act г) вторичные опасные зоны, возникающие на различных стадиях развития ЧС при СНЕ с участием пожара (зоны падающих обломком и др.).
Эти особенности необходимо учитывать при расчетах важнейших параметров эвакуации и спасения людей, в том числе:
- при определении расчётного времени эвакуации ( t р );
- при определении необходимого времени эвакуации ( нб ).
В работе показаны возможности учета выявленных особенностей для расчёта вероятности успешной эвакуации и спасения людей из здания, например, за счёт введения дополнительных условий в известные зависимости:
бл t р СНЕ, если t р бл t р t нэ и t ск 6 мин;
0, СНЕ бл СНЕ Р э,ij 0,999, если t р t нэ бл и t ск 6 мин;
СНЕ (11) 0,000, если t р бл или t ск 6 мин ;
СНЕ СНЕ min(0,8t ;
D act ), бл бл СНЕ, r где i – номер рассматриваемой зоны (части здания);
j – номер рассматриваемого сценария СНЕ;
Рэ,ij – вероятность эвакуации и спасения людей из i-ой зоны опасности для j-го рассматриваемого сценария.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 1. Проведён анализ характерных примеров комбинированных особых воздействий с участием пожара и их влияния на огнестойкость зданий из ЖБК, по результатам которого:
- выявлено наличие в этих условиях новых опасных эффектов, приводящих к снижению огнестойкости здания, по сравнению с воздействием только пожара;
- обоснована необходимость дальнейшего развития теории и методов оценки огнестойкости конструкций и зданий применительно к ЖБК.
2. Выполнена математическая обработка экспериментальных данных по исследованию прочностных характеристик бетона (тяжёлый бетон на гранитном заполнителе) и арматурной стали (А400) в условиях пожара, в результате которой получены аппроксимационные зависимости изменения «коэффициентов нагружения» от «критической температуры» прогрева материалов для использования в расчетах огнестойкости ЖБК в условиях СНЕ.
3. Описан механизм снижения огнестойкости железобетонных колонн и зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара, основными особенностями которого, по сравнению с воздействием только пожара, являются:
- снижение критической температуры нагрева бетона и арматурной стали в результате увеличения нагрузки на конструкцию в процессе развития ЧС;
- снижение несущей способности конструкции за счет повреждений, полученных конструкцией ещё до воздействия пожара в результате других особых воздействий.
4. Разработан метод расчёта огнестойкости железобетонных колонн при пожаре, учитывающий особенности СНЕ с участием пожара.
5. Разработан метод оценки огнестойкости зданий из ЖБК при СНЕ с участием пожара, позволяющий решать прямые и обратные задачи по оценке огнестойкости зданий в этих условиях.
6. Установлены причины и описан механизм прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона, в результате которых установлено, что основное влияние на прогрессирующее обрушение здания оказало наличие температурного шва на оси 11 планировочной разбивки здания в зоне ЧС.
7. Выявлены особенности обеспечения безопасности людей в зданиях и сооружениях при СНЕ с участием пожара, основными из которых являются:
- сокращение времени сопротивления здания при СНЕ, по сравнению с воздействием только пожара;
- возникновение в здании нескольких зон с различным уровнем опасности для людей;
- многоэтапный характер движения людей типа «эвакуация – спасение – эвакуация», ограниченный во времени огнестойкостью здания в этих условиях.
8. Разработаны рекомендации по учёту особенностей СНЕ с участием пожара при оценке пожарного риска.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих ведущих периодических изданиях из перечня ВАК:
1. Ройтман, В.М. Возникновение и развитие теории огнестойкости конструкций и зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк, В.В. Агафонова // Промышленное и гражданское строительство. – 2010. – № 10. – С. 7-10.
2. Ройтман, В.М. Особенности оценки огнестойкости зданий и сооружений из железобетонных конструкций при комбинированных особых воздействиях с участием пожара [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Пожаровзрывобезопасность. – 2010. – № 7. – С. 29-38.
3. Ройтман, В.М. Оценка значений «Коэффициента условий работы материалов конструкций» и «критической температуры прогрева материала»
для случая комбинированных особых воздействий «СНЕ» с участием пожара [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Вестник МГСУ. – 2011. – № 1, Т.1. – С. 204-209.
Остальные публикации по теме диссертации:
4. Ройтман, В.М. Учет особенностей поведения материалов строительных конструкций при комбинированных особых воздействиях для оценок их огнестойкости [Текст] / В.М. Ройтман, И.С. Топтыгин, Д.Н.
Приступюк // Вестник Академии Государственной противопожарной службы. – 2007. – № 7. – С. 40-51.
5. Ройтман, В.М. Оценка стойкости высотных зданий против прогрессирующего разрушения при комбинированных особых воздействиях [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Тезисы докладов научн.-практ.
конф.: Проектирование инженерных систем и безопасности высотных зданий. – Спб.: ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», 2008. – С. 57-73.
6. Приступюк, Д.Н. Обеспечение стойкости подземных сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара [Текст] / Д.Н.
Приступюк // Тезисы докладов и сообщений научн.-практ. конф.: Обеспечение безопасности при использовании современных технологий строительства подземных сооружений в сложных условиях городской застройки. – СПб.: ОАО «ЛЕННИИПРОЕКТ», 2008. – С. 60-66.
7. Ильина, Е.А. Оценка стойкости железобетонных колонн при комбинированных особых воздействиях с участием пожара (на примере поведения здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 года) [Текст] / Е.А. Ильина, Д.Н. Приступюк, В.М. Ройтман // Науч. тр. Двенадцатой Международной межвуз. научн.-практ. конф. молодых учёных, докторантов и аспирантов: Строительство – формирование среды жизнедеятельности. – М.:
МГСУ, 2009. – С. 512-516.
8. Ройтман, В.М. Причины прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона при пожаре в условиях комбинированных особых воздействий 11 сентября 2001 года [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Материалы ХХIV Международной научн.-практ. конф. по проблемам пожарной безопасности, посвящённой 75-летию создания института: тезисы докладов. – М.: ВНИИПО, 2012. – Ч.1. – С. 209-211.
9. Ройтман, В.М. Новые опасности и угрозы для зданий, сооружений и людей при комбинированных особых воздействиях с участием пожара [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Материалы Международной научн.-практ.
конф., посвящённой 80-летию Академии ГПС МЧС России: Исторический опыт, современные проблемы и перспективы образовательной и научной деятельности в области обеспечения пожарной безопасности. – М.: Академия ГПС МЧС России, 2013. – Ч.1. – С. 178-179.
10. Ройтман, В.М. Особенности прогрессирующего обрушения наружного кольца здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 года [Текст] / В.М. Ройтман, Д.Н. Приступюк // Сборник тезисов Международной научн.
конф.: Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании. – М.: ФГБОУ ВПО МГСУ, 2013. – С. 181-183.
Подписано в печать 11.11.2013. Формат 60х84/1/16.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,0. Тираж 100 экз. Заказ № 254.
Академия ГПС МЧС России. 129366, г. Москва, ул. Б. Галушкина,