Термин «прогрессирующее обрушение» зданий и формулировка проблемы защиты от него появились в 1968 г. в докладе комиссии, расследовавшей причины обрушения бокового фасада 22-этажного панельной гостиницы «Роунан Пойнт» ( Ronan Point) в Лондоне. Взрыв бытового газа на 18 этаже привел к разрушению наружной панели, которая служила опорой для вышележащих панелей. В результате падения обломков произошла цепочка отказов, повлекшая за собой значительные повреждения. Несущая система не предусматривала возможности перераспределения нагрузки, что вызвало каскадный и диспропорциональный эффект. После трагедии появились изменения в нормативной базе Англии, а затем и других стран.
Обрушение от падающих обломков Взрыв газа Обрушение от потери нижележащей опоры 22 этаж 18 этаж 1 этаж Многие специалисты выражали сомнения в целесообразности и эффективности предлагаемых нормами мер защиты от прогрессирующего обрушения. Новые требования они считали ненаучными и слишком жёсткими, неправомерно заставляющими повышать стоимость всех зданий (по некоторым оценкам – на 15%) из-за разрушения только одного крупнопанельного дома, стыки которого не были запроектированы должным образом и, естественно, не рассчитывались на воздействие взрыва газа.
Подъемный стержень не обеспечивал неразрезности вертикальных конструкций, замоноличивания стыков в уплотняющий слой жесткого раствора, служил только для выравнивания верхней стеновой панели при ее монтаже. Горизонтальные полосовые связи, которые были применены для анкеровки панелей перекрытия в стеновых панелях, не обладали требуемым сопротивлением горизонтальным сдвигающим усилиям, так как при строительных допусках полоса не была плотно закреплена болтом. Кроме того, конструкцией не предусмотрена укладка раствора на твердое основание, поэтому его не могли хорошо уплотнить. Таким образом, не было достаточной уверенности в том, что опорная поверхность стен и мощность их анкеров окажутся достаточными для предотвращения горизонтальных смещений в местах, где следовало бы иметь более надежную гарантию, чем только одни силы трения.
Другие варианты перевода: лавинообразное обрушение (В.П. Чирков) прогрессирующее разрушение (В.О. Алмазов) цепное, нарастающее, непропорциональное ( disproportional), вторичное обрушение Определение по ГОСТ Р 54257-2010: Прогрессирующее (лавинообразное) обрушение – последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие начального локального повреждения. Определение по американскому стандарту ASCE 7-02, включённое в МДС 20.2-2008 : Прогрессирующее обрушение ( progressive collapse ) – распространение начального локального повреждения в виде цепной реакции от элемента к элементу, которое, в конечном счете, приводит к обрушению всего сооружения или непропорционально большой его части. ASCE 7-02. Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, 2002 edition. American Society of Civil Engineers, Reston, VA, 2002. (Американский стандарт)
Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий. – М.: Москомархитектура, 1999. Рекомендации по защите жилых зданий с несущими кирпичными стенами при чрезвычайных ситуациях. – М.: Москомархитектура, 2002. Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях. – М.: Москомархитектура, 2002. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. – М.: Москомархитектура, 2005. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. – М.: Москомархитектура, 2006. МДС 20-2.2008. Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролетных сооружений от лавинообразного обрушения. / ФГУП «НИЦ «Строительство». — М, 2008. СТО-008-02495342-2009. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчёт / ФГУП «НИЦ «Строительство». – М., 2009.
Вновь вспомнить про прогрессирующее обрушение заставила авария при строительстве отеля «Skyline Plaza» в 1973 г., вызванная преждевременным демонтажем временных опор из под не набравших достаточной прочности монолитных железобетонных конструкций. 14 человек погибли.
Пилот отвлёкся и слишком поздно заметил огромное здание перед собой. Удар на скорости 300 миль в час вызвал не только серьезные разрушения ближайших этажей, но и пожар в шахте лифта. Пожар был быстро локализован, и обрушения здания высотой 401 м не последовало.
Динамические догружения, вызванные внезапным (импульсным) выключением из работы отдельных элементов Ударное воздействие падающих обломков Передача дополнительных усилий, ранее воспринимавшихся разрушенными элементами Локальное разрушение несущего элемента Изменение конструктивной схемы здания Прогрессирующее обрушение Аварийное воздействие Накопление повреждений
Изменение опорного момента ригеля, расположенного над локальным обрушением, во времени
Методы защиты несущих систем от прогрессирующего обрушения Обеспечение живучести несущих систем Создание альтернативных траекторий передачи нагрузок Предотвращение разрушения «ключевых» элементов Выявление «ключевых» элементов, нормирование аварийных воздействий, расчёт и усиление «ключевых» элементов Снижение вероятности запроектных воздействий Анализ возможных угроз, разработка и организация ограничительных (превентивных) мероприятий Повышение статической неопределимости системы за счёт включения дополнительных связей Создание условий для развития пластических деформаций Повышение несущей способности элементов, чтобы они могли воспринимать усилия, возникающие вследствие аварийных воздействий Деление объекта на секции, за рамки которых не сможет выйти процесс последовательных отказов Обеспечение живучести несущих систем Создание альтернативных траекторий передачи нагрузок Повышение статической неопределимости системы за счёт включения дополнительных связей
Раздел 2.1, п. (5)Р (5)P Возможные повреждения следует ограничить или исключить за счет использования одного или нескольких следующих мероприятий: - предотвращение, исключение или снижение опасностей, которым может быть подвергнуто сооружение; - выбор такой формы несущей конструкции, которая имеет низкую чувствительность к рассматриваемым опасностям; - выбор проектных решений, при которых выход из строя отдельного элемента конструкции или некоторой части сооружения вследствие повреждения не приводил бы к его полному обрушению; - исключение, насколько это возможно, несущих конструкций, которые могут разрушиться без предварительных проявлений начинающегося разрушения; - выбор надежных соединений несущих элементов. EN 1990. Еврокод 0. Основы проектирования сооружений
В отечественной литературе термин «живучесть» впервые был применён А.Н. Крыловым в 1902 году. В отношении живучести корабля он рассуждал примерно так: раз нельзя выкачать воду из отсека корабля, получившего пробоину, необходимо срочно затопить симметричный ему отсек, вернуть кораблю остойчивость и управляемость, дать возможность дойти до порта. Живучесть свойство объекта противостоять развитию критических отказов из дефектов и повреждений свойство объекта сохранять ограниченную работоспособность при воздействиях, не предусмотренных условиями эксплуатации при наличии дефектов и повреждений, при отказе отдельных компонентов ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения
Предусматривать связи перекрытий с вертикальными конструкциями Предусматривать продольные и поперечные связи между панелями, приваренные к закладным деталям Предусматривать в перекрытиях скрытые балки (армированные замоноличенные участки), соединяющие верткальные несущие конструкции Замоноличивать шпоночные швы между плитами, повышая прочность дисков перекрытий при сдвиге Предусматривать непрерывное армирование (верхнее и нижнее) монолитных перекрытий общей площадью не менее 0,25% площади бетона не менее 0,2% площади бетона отдельно для верхней и нижней арматуры* Продольная междуэтажная арматура колонны (пилона) должна воспринимать растягивающие усилия не менее 10 кН (1 т) на каждый м 2 грузовой площади Предусматривать жёсткие блоки, обеспечивающие работу нижерасположенных конструкций как «подвешенных» систем* В сборных железобетонных перекрытиях В монолитных железобетонных перекрытиях В железобетонных колоннах * по СТО-008-02495342-2009
Опирание сборных железобетонных плит на каменные стены 1 – сборные плиты перекрытий; 2 – анкерная связь; 3 – внутренняя стена; 4 – связи
В зданиях с каменными стенами Устраивать в стенах железобетонные пояса с непрерывным армированием, расположенные в уровне низа перекрытий. Располагать связи не реже чем через 3,6 м; Предусматривать верхнюю арматуру в плитах; Не применять столбчатые фундаменты с опиранием стен на рандбалки. Рекомендации по защите жилых зданий с несущими кирпичными стенами при чрезвычайных ситуациях. М., 2002. В зданиях из железобетона Преимущественно применять монолитный и сборно-монолитный железобетон; Проектировать конструкции каркаса так, чтобы пластические шарниры образовывались вначале в ригелях, а не в колоннах; Рекомендации по защите жилых каркасных зданий при чрезвычайных ситуациях. – М.: Москомархитектура, 2002. Рекомендации по защите монолитных жилых зданий от прогрессирующего обрушения. – М.: Москомархитектура, 2005. Рекомендации по защите высотных зданий от прогрессирующего обрушения. – М.: Москомархитектура, 2006.
Рекомендации по защите жилых зданий с несущими кирпичными стенами при чрезвычайных ситуациях. М., 2002. 1 – армированные пояса, 2 – варианты расположения локальных разрушений Армокирпичные пояса Железобетонные пояса в несущих стенах Железобетонные пояса в ненесущих стенах
Замоноличенные участки (скрытые балки), соединяющие вертикальные несущие конструкции Анкеровка панелей перекрытий в железобетонных поясах
Авария произошла рано утром, когда посетителей в центре не было. Из персонала так же никто не пострадал. По предварительным данным, каркасное здание с наружными кирпичными стенами, построенное в 50-е годы прошлого века, разрушилось из-за протечек системы инженерных коммуникаций.
Рациональным решением является конструктивная система, обеспечивающая при выбывании отдельного (любого) вертикального несущего конструктивного элемента здания превращение конструкций над выбывшим элементом в «подвешенную» систему, способную передать нагрузки на сохранившиеся вертикальные конструкции. Для создания такой конструктивной системы следует предусматривать: монолитное сопряжение конструкций перекрытий с железобетонными вертикальными конструкциями (колоннами, стенами и т.д.); железобетонные монолитные пояса по периметру перекрытий, объединенные с конструкциями перекрытий и выполняющие функции надоконных перемычек; железобетонные монолитные парапеты, объединенные с конструкциями покрытия; железобетонные стенки в верхних этажах здания или железобетонные балки в покрытии, объединяющие колонны между собой и с другими вертикальными железобетонными конструкциями (стенами, ограждениями лестничных клеток и др.); проемы в железобетонных стенах не на всю высоту этажа, оставляя, как правило, участки глухих стен над проемами. СТО-008-02495342-2009. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчёт. – М., 2009.
Надпроёмные перемычки (работающие как связи сдвига) и ригели проектировать так, чтобы их несущая способность по Q была не менее чем в 1,5 раза больше, чем по М. Предусматривать зоны развития пластичности в связях: несущая способность всех элементов соединения, кроме наиболее пластичного, должна не менее, чем в 1,5 раза превышать его несущую способность Длины анкеровки и перехлеста арматурных стержней должны быть увеличены на 20% по отношению к требуемым Диаграммы «усилия-перемещения» элементов связей Бетон анкеровки закладной детали Сварные швы Стержневая связь
Вариант устройства аутригерного этажа Вариант устройства технического этажа
В результате сравнительного анализа выявлено, что при шаге колонн 6х6 м и армировании колонн 8 d 32 A 500 рационально устраивать жесткие блоки через каждые 15 этажей здания. Назначение жёстких (аутригерных) блоков выравнивание продольных деформаций колонн и ядра жесткости включение в работу наружных колонн и стен ядра при действии горизонтальных нагрузок восприятие нагрузки с «подвешенных» этажей в случае разрушения отдельных колонн Применение «аутригерных» блоков
Изгиб Сдвиг
Создание условий для развития пластических деформаций Применять стали с повышенными требованиями по пластичности, хладостойкости, свариваемости; Не применять конструктивно-технологические решения, вызывающие значительную концентрацию напряжений, действие растягивающих напряжений в направлении толщины проката, появление значительных сварочных напряжений и деформаций. Обеспечение неразрезности конструкций Применять преимущественно жёсткие узлы сопряжения элементов. Стыки элементов располагать вне зоны действия максимальных усилий; Стальные элементы (колонны, ригели) трубчатого (коробчатого) сечения заполнять бетоном. Трещина в стыке пояса и стенки подкрановой балки МДС 20.2-2008. Временные рекомендации по обеспечению безопасности большепролётных сооружений от лавинообразного (прогрессирующего) обрушения при аварийных воздействиях // ФГУП «НИЦ «Строительство».
Расчёт на прогрессирующее обрушение проводится для зданий 1-го (1а и 1б) уровня ответственности, если не предусмотрены другие мероприятия, исключающие их прогрессирующее обрушение. ГОСТ Р 54257-2010. Надёжность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования (п. 4.2.7). При выполнении расчётных и конструктивных требований СП 14.13330.2011 расчётов прогрессирующее обрушение зданий и и сооружений не требуется. СП 14.13330.2011. Строительство в сейсмических районах. Актуализированная редакция СНиП II -7-81*. Расчёт заключается в проверке несущей способности измененных конструктивных систем здания с выбывшими в результате аварии конструктивными элементами ( вторичных конструктивных систем ) на действие особого сочетания нагрузок. СТО-008-02495342-2009. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчёт. – М., 2009 (п. 3.3).
В качестве гипотетического локального разрушения следует рассматривать разрушение в пределах одного этажа здания поочередно одной (каждой) колонны (пилона) либо ограниченного участка стен. Допускается производить расчет только наиболее опасных случаев разрушения вертикальных несущих конструктивных элементов: а) имеющих наибольшую грузовую площадь; б) расположенных у края перекрытия; в) расположенных в углу. Расчёт следует производить на особое сочетание нагрузок, включающее нормативные значения постоянных и длительно действующих временных нагрузок, а также одно из возможных аварийных воздействий. Все нагрузки следует рассматривать как статические. Коэффициент сочетания нагрузок = 1, коэффициент надёжности по нагрузке f = 1, коэффициент надёжности по назначению здания n = 1. Прочностные характеристики материалов принимаются равными их нормативным значениям. Статический расчёт вторичный системы следует производить по сертифицированным программным комплексам с учетом геометрической и физической нелинейности. Допускается производить расчет с учетом только геометрической нелинейности. СТО-008-02495342-2009. Предотвращение прогрессирующего обрушения железобетонных монолитных конструкций зданий. Проектирование и расчёт. – М., 2009.
Виды нелинейности деформирования Геометрическая нелинейность Нелинейность связи деформаций и перемещений конструкции. Возникновение дополнительных усилий вследствие перемещений конструкции Конструктивная нелинейность изменение расчётной схемы конструкции в процессе деформирования Физическая нелинейность нелинейность связи напряжений и деформаций материала
В качестве одной исключаемой вертикальной несущей конструкции следует принимать колонну (пилон) либо участок пересекающихся или примыкающих под углом несущих стен. Общая длина этих участков стен отсчитывается от места пересечения или примыкания до ближайшего проема в каждой стене или до сопряжения со стеной другого направления, но не более 7 м. Расчёты на прогрессирующее обрушение
Модели и методы расчёта на прогрессирующее обрушение Расчёт с использованием программных комплексов Используется пространственная конечно-элементная модель Расчёт с использованием метода предельного равновесия Может быть выполнен вручную. Необходимо задать возможную схему разрушения. Необходимо обеспечить наличие условий для развития пластических деформаций. Статическая Динамическая Линейная Нелинейная Постановки расчёта Физически нелинейная Геометрически нелинейная где S i – усилия в пластически разрушенных связях и шарнирах; i – обобщённые перемещения по направлению усилий в этих связях и шарнирах; G i – равнодействующие внешних сил, приложенных к отдельным звеньям механизма обрушения; u i – перемещения по направлению действия внешних сил.
(4) Отрыв перекрытия вместе с расположенными на нём пилонами от верхнего перекрытия (1) Поступательное смещение пилонов вниз (2) Поворот пилонов вместе с нижним перекрытием, разрушение стыков пилонов с верхним перекрытием по срезу (3) Отрыв перекрытия от расположенных на нём пилонов План фрагмента этажа Удаляемые пилоны Однако представленные схемы рассматривают работу конструкций только в пределах одного этажа.
Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий. М., 1999 // www.complexdoc.ru Работа плит перекрытий как элементов висячей системы (1) Поступательное смещение поперечных стен вниз
Рекомендации по предотвращению прогрессирующих обрушений крупнопанельных зданий. М., 1999 // www.complexdoc.ru (2) Поворот перекрытия вокруг оси (4) Обрушение конструкций одного этажа (3) Обрушение плиты перекрытия
При удалении отдельной нижней колонны разрушение распространяется лишь в локальной области. Это достигается усилением обвязочных балок перекрытий и некоторых стен Расчёт на прогрессирующее обрушение башни «Федерация» ММДЦ «Москва-Сити» Общая деформированная схема здания
Деформации перекрытия после удаления двух нижерасположенных колонн
На эпюрах видно, что при разрушении двух нижерасположенных колонн моменты в плите перекрытия меняют знак с отрицательного на положительный, что приводит к необходимости значительного усиления нижней арматуры перекрытий Значительные положительные моменты Mx в перекрытии над колоннами после их удаления Отрицательные моменты Mx в перекрытии над колоннами до их удаления
Возможные уровни требований по конструктивной безопасности в случае разрушения отдельных несущих элементов (по В.О. Алмазову) I Сохранение несущей способности и пригодности к нормальной эксплуатации Здание практически не получает повреждений. Затраты инвестора огромны. II Сохранение только несущей способности Пригодность к нормальной эксплуатации не обеспечивается. В конструкциях развиваются значительные остаточные деформации. Требуется восстановление и замена отдельных конструкций. III Обеспечение только безопасной эвакуации людей Предотвращение полного обрушения здания. Перекрытие над удалённой колонной (стеной) работает как висячая система из арматуры. Здание подлежит сносу В зависимости от назначения здания целесообразно различать несколько уровней требований к обеспечению безопасности при локальном разрушении отдельных несущих элементов, допускающих различную степень повреждений конструкций.
При разрушении угловой колонны пространственного каркаса решение задачи расчетным путем по модели «нить» или «сеть» нереально ни в плоской, ни в пространственной постановке. Выходом являются конструктивные изменения или дополнения к рамному каркасу: - устройство глухой или проемной железобетонной диафрагмы, примыкающей к угловой зоне, - система крестовых или портальных связей, - конструирование и расчет рам, примыкающих к углу
Управление рисками. Приемлемый риск, недопустимый риск Конструктивная (механическая) безопасность Проектные и запроектные воздействия Прогрессирующее (лавинообразное) обрушение, живучесть Общие методы защиты от прогрессирующего обрушения Общие принципы обеспечения живучести несущих систем Конструктивные мероприятия, повышающие живучесть зданий с кирпичным стенами, из железобетона, с металлическим каркасом Назначение жёстких («аутригерных») блоков в высотном здании Основные принципы расчёта на прогрессирующее обрушение Виды нелинейности деформирования Методы и постановки расчёта на прогрессирующее обрушение Уровни требований к живучести здания Работа перекрытия как висячей системы
Ошибки и нарушения на этапах проектирования, строительства и эксплуатации здания, суммируются в общем состоянии конструкций и выражаются в дефектах отдельных конструкций. Дефект строительной конструкции – несоответствие нормативным документам или проекту. Повреждение – дефект, полученный конструкций в результате внешних воздействий при изготовлении, транспортировании, монтаже или эксплуатации. Дефекты могут ухудшать нормальные условия эксплуатации (нарушать температурно-влажностный режим помещений, повышать эксплуатационные расходы на здание и др.), снижать несущую способность конструкций, сокращать их долговечность, приводить к частичному разрушению конструкций и к аварии здания или сооружения. Износ – изменение уровня эксплуатационных качеств объекта Естественный необратимое накопление повреждений физической или химической природы Функциональный несоответствие изменившимся функциональным требованиям
Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособного состояния. Работоспособный объект в отличие от исправного должен удовлетворять лишь тем требованиям, выполнение которых обеспечивает нормальное применение объекта по назначению. Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Признак классификации Вид отказа Примеры отказов По характеру проявления отказов внезапный хрупкое разрушение постепенный пластическое разрушение По связи с другими отказами независимый обрушение плит покрытия из-за перегрузки зависимый обрушение плит покрытия из-за отказа фермы По возможности использования после отказа полный обрушение покрытия здания частичный обрушение плиты покрытия здания По наличию внешних признаков явный потеря устойчивости скрытый падение предварительных напряжений в арматуре Классификация отказов (по В.П. Чиркову) ГОСТ 27.002-89. Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения
По субъективным причинам: – экономия, невежество, небрежность (Мак Кейг, 1967); – ошибки и нарушения при проектировании, строительстве, эксплуатации. По объективным причинам: – несоответствующее качество материалов; эксплуатационные воздействия; стихийные бедствия; недостатки нормативных документов. По видам и материалам конструкций: – дефекты (аварии) фундаментов, колонн, стен, плит, ферм и т.д. – дефекты (аварии) каменных, железобетонных, стальных конструкций и т.д.
Причины аварий зданий и сооружений Проектирование Производство работ Эксплуатация недоучёт действительной работы конструкций неполные инженерно-геологические изыскания неудачные конструктивные решения неэквивалентная замена материалов уменьшение сечений неточности монтажа отсутствие мониторинга замачивание атмосферными или грунтовыми водами механические повреждения конструкций перегрузка Аварии в большинстве случаев происходят не по какой-либо одной причине, а являются результатом совпадения ряда причин, каждая из которых в отдельности может не представлять угрозы (поэтому говорят об основных и сопутствующих причинах аварии). нарушение технологии несвоевременная постановка связей перегрузка Неосведомлённость проектировщиков и строителей о причинах аварий (или дефектов) конструкций приводит к их повторению на других объектах.
