Здания и их устойчивость при пожаре / Roytman - Zdaniya i ikh ustoychivost pri pozhare 2013

–не учитывают, что в нормах уже заложена возможность прогрессирующего обрушения объектов при самом распространенном и самом опасном комбинированном воздействии при ЧС, каким является пожар, – комбинированное воздействие на конструкции рабочей нагрузки и высокой температуры пожара;

–не учитывают, что возможность прогрессирующего обрушения объекта при ЧС уже регламентирована в нормах в виде международного показателя огнестойкость, который определяют как время от начала воздействия пожара до наступления того или иного предельного состояния.

В результате исследований вопросов обеспечения комплексной безопасности строительных объектов, проводимых совместно в МГСУ и Академии ГПС МЧС России [5, 60, 61], были разработаны основы теории

иметодов оценки устойчивости (стойкости) зданий и сооружений при CHE с участием пожара, которые позволяют оценить время сопротивления объекта в условиях СНЕ с участием пожара.

10.2.1.Теоретические основы оценки огнестойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара

Основные понятия

Особое воздействие на объект – исключительное воздействие, резко отличающееся от обычных условий существования объекта.

Комбинированное особое воздействие (СНЕ) – чрезвычайная ситуация, связанная с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательностях. Основные особые воздействия техногенного характера на строительные объекты: удар (I), взрыв (Е), пожар (F), нагрузка (S) и т. д.

Огнестойкость конструкции при СНЕ (τCHEr) – время, в течение которого конструкция сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях комбинированных особых воздействий с участием пожара.

Огнестойкость здания при СНЕ с участием пожара (DСНЕr) – время, в течение которого здание в целом сопротивляется воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара без потери устойчивости (общей устойчивости и геометрической неизменяемости). Огнестойкость здания при СНЕ определяется огнестойкостью его основных конструкций.

Огнестойкость конструкции (Пф) – время, в течение которого конструкция сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях пожара (частный случай «стойкости конструкции при СНЕ»).

321

Структурные элементы здания при СНЕ

В таких сложных объектах, как здание или сооружение, может быть несколько уровней структурных элементов, в которых при СНЕ процесс накопления нарушений структуры и деформаций может приводить к наступлению их предельного состояния в виде потери их несущей способности.

Уровень 1 – отдельные конструктивные элементы здания. Уровень 2 – характерные группы конструктивных элементов зда-

ния. Все элементы, входящие в ту или иную характерную группу, находятся в одном и том же состоянии и подвергаются одинаковым воздействиям. В этом случае наступление предельного состояния в виде потери несущей способности происходит одновременно для всей группы элементов, входящих в ту или иную характерную группу.

Время, в течение которого характерная группа конструкций сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях СНЕ с участием пожара,

характеризует [5, 60, 61] огнестойкость характерной группы конструк-

тивных элементов при СНЕ с участием пожара.

Уровень 3 – пространственная система, состоящая из нескольких характерных групп конструктивных элементов. В этом случае наступление предельного состояния пространственной системы этого уровня представляет собой последнюю стадию развития процесса последовательной потери несущей способности различными характерными группами конструктивных элементов уровня 2, входящих в пространственную систему, но имеющих различную огнестойкость при СНЕ.

Время, в течение которого отдельная пространственная система сохраняет свои несущие, ограждающие функции в условиях СНЕ с участием пожара, характеризует устойчивость отдельной пространственной системы здания при СНЕ.

Уровень 4 – здание в целом как объект, состоящий из нескольких пространственных систем, тем или иным способом связанных друг с другом. В условиях СНЕ потеря устойчивости здания в целом будет представлять собой последнюю стадию процесса исчерпания ресурса огнестойкости каждой из пространственных систем конструктивных элементов здания, приводящей к прогрессирующему обрушению здания в целом.

Время, в течение которого здание в целом сопротивляется воздействию опасных факторов СНЕ с участием пожара до начала прогрессирующего обрушения, характеризует огнестойкость здания при СНЕ с участи-

ем пожара DСНЕr.

Таким образом, потеря устойчивости здания или сооружения в целом в виде прогрессирующего обрушения при СНЕ с участием пожара представляет собой последнюю, лавинообразную стадию процесса последовательной утраты стойкости структурных элементов здания при СНЕ, начиная с уровня 1, затем 2, 3 и 4, приводящей к потере общей устойчивости и геометрической неизменяемости объекта в целом.

322

Метод оценки огнестойкости зданий при CHE с участием пожара

В основу предлагаемого метода оценки устойчивости зданий при CHE с участием пожара положен подход, используемый в теории огнестойкости конструкций и зданий [4, 5, 60, 61].

Суть предлагаемого метода оценки огнестойкости конструкций и устойчивости зданий при СНЕ с участием пожара заключается в расчете изменения во времени несущей способности различных характерных групп структурных элементов объекта и нагрузок на них при заданном сценарии СНЕ с участием пожара с учетом особенностей поведения материалов конструкций в рассматриваемых условиях.

На рис. 10.3 представлена общая схема оценки огнестойкости объектов при CНЕ.

Нагрузка SCHE Несущая способность RCHE

R

RСНЕ

SСНЕ

S

Rf ( f)

1

RCHE ( CHE)		3
2	B	CHE
		R

A

CHE = 0

CHEr

f.r

Рис. 10.3. Общая схема изменения несущей способности конструкций зданий RCHE

инагрузок на них SCHE под действием СНЕ с участием пожара:

1– изменение несущей способности конструкции Rf (τf) во времени τf комбинированного воздействия эксплуатационной нагрузки SCHE

итермических нагрузок пожара, приводящее к исчерпанию ее предела огнестойкости

по потере несущей способности (А);

2 – изменение несущей способности конструкции RСНЕ в зависимости от времени СНЕ с участием пожара, приводящее к исчерпанию ее огнестойкости (В);

3 – изменение несущей способности конструкции RСНЕ при СНЕ с участием пожара, не приводящее к исчерпанию ее огнестойкости при СНЕ (при этом сохраняется некоторый остаточный резерв ее прочности RСНЕ)

323

Огнестойкость строительной конструкции при СНЕ с участием пожара (τСНЕr) определяется временем τСНЕ от начала комбинированного особого воздействия до момента, когда несущей способности конструкции RСНЕ становится недостаточно для восприятия нагрузки SСНЕ, приложенной к ней на различных стадиях СНЕ.

Огнестойкость конструкции при СНЕ с участием пожара τСНЕr определяют путем расчета изменения ее несущей способности RСНЕ и приложенной к ней нагрузки SСНЕ на различных стадиях СНЕ с участием пожара в соответствии с рассматриваемым сценарием особых воздействий.

Огнестойкость конструкции при СНЕ τСНЕr определяется из условия:

если RСНЕ (τCНE) ≤ SСНЕ, то τCНE = τ СНЕr.

(10.1)

Ключевые конструктивные элементы здания и их характерные группы

Ключевые конструктивные элементы здания при СНЕ – конструктивные элементы здания, участвующие и играющие определяющую роль вобеспеченииустойчивости здания в рассматриваемых условиях.

Вкачестве ключевых конструктивных элементов, исходя из конструктивных схем современных зданий, могут рассматриваться: колонны, несущие стены, рамы и т. д.

Источники CHE могут иметь весьма широкий диапазон характеристик опасных воздействий. В весьма широких пределах могут также изменяться сценарии CHE.

Всвязи с этим предлагается для CHE с участием пожара все многообразие этих воздействий на здание выражать через последствия этих воздействий на состояние ключевых конструктивных элементов здания, которые определяют его устойчивость в этих условиях.

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

Однородные ключевые конструктивные элементы здания внутри каждой из выделенных характерных групп находятся в одинаковом состоянии и одинаковых условиях CHE.

Количество характерных групп однородных ключевых конструктивных элементов здания во время оценки устойчивости здания при СНЕ

сучастием пожара будет определяться особенностями конструктивного решения здания и заданного сценария CHE.

324

Так, при CHE типа «удар – взрыв – пожар» (IEF) можно выделить следующие характерные группы ключевых конструктивных элементов:

–полностью разрушенные при ударе объекта по зданию и последующем взрыве;

–утратившие ту или иную долю своей несущей способности после удара и взрыва;

– утратившие ту или иную долю своей огнезащиты после удара

ивзрыва;

–охваченные пожаром;

–не охваченные пожаром;

–полностью сохранившие свои эксплутационные качества и т. д.

С учетом различной огнестойкости характерных групп ключевых конструктивных элементов при СНЕ процесс исчерпания огнестойкости здания против прогрессирующего разрушения при заданном сценарии CHE будет происходить поэтапно с последовательной утратой стойкости различными выделенными характерными группами однородных ключевых конструктивных элементов.

Расчетные стадии СНЕ с участием пожара

Утрата стойкости определенной характерной группой ключевых конструктивных элементов здания на той или иной расчетной стадии CHE с участием пожара приводит к перераспределению рабочих нагрузок на оставшиеся группы уцелевших ключевых конструктивных элементов.

Это, в свою очередь, приводит к увеличению рабочей нагрузки SCНE (см. рис. 10.3) на уцелевшие конструкции, ухудшению условий их работы (уменьшает запас прочности конструкции, снижает критическую температуру нагрева при пожаре и т. д.) и ведет к снижению их огнестойкости при СНЕ.

Протекание этих процессов приводит к необходимости рассмотрения ряда расчетных стадий развития CHE. Каждая из выделенных расчетных стадий развития CHE с участием пожара будет соответствовать утрате стойкости определенной характерной группой ключевых конструктивных элементов.

В качестве примера, учитывая вышесказанное, развитие CHE IEF, вызванных столкновением самолета со зданием, может быть разделено на следующие типичные расчетные стадии.

Стадия 0. Состояние ключевых конструктивных элементов здания до возникновения чрезвычайной ситуации в виде CHE IEF.

Стадия 1. Удар самолета по зданию, взрыв топлива самолета. Разрушение и повреждение части ключевых конструктивных элементов здания. Если здание не было полностью разрушено, то рассматривается следующая расчетная стадия.

325

Стадия 2. Возникновение внутри здания пожара после удара самолета и взрыва топлива. Начало прогрева части уцелевших ключевых конструктивных элементов здания, охваченных пожаром. Исчерпание огнестойкости группой уцелевших ключевых элементов, поврежденных ударом и взрывом и охваченных последующим пожаром. Если здание продолжает сопротивляться CHE IEF, то рассматривается следующая расчетная стадия.

Стадия 3. Исчерпание огнестойкости группой уцелевших ключевых элементов, не поврежденных ударом и взрывом, но охваченных пожаром. Если здание продолжает сопротивляться CHE IEF, то рассматривается следующая стадия расчета.

Стадия 4. Изменение состояния группы ключевых элементов здания, не поврежденных ударом и взрывом и не охваченных пожаром. Оценка состояния здания после CHE IEF.

Условие предельного состояния зданий и сооружений по потере их устойчивости при СНЕ с участием пожара

Здание или сооружение исчерпает свою устойчивость DСНЕr при СНЕ с участием пожара и произойдет его прогрессирующее обрушение при выбранном сценарии CHE, если все характерные группы ключевых конструктивных элементов здания исчерпают свою огнестойкость при СНЕ (достигнут своего предельного состояния по потере несущей способности) на какой-либо из расчетных стадий CHE.

Время τСНЕ, когда это произойдет, будет определять фактическую ог-
нестойкость здания против прогрессирующего обрушения Dact	для вы-
CHEr
бранного сценария CHE.
Значение огнестойкости здания в рассматриваемых условиях также
может быть определено из соотношения:
если τСНЕ > (τСНЕr)всех ключевых элементов, то τСНЕ = DСНЕr.	(10.2)

Для инженерных расчетов можно использовать представление о суммарной несущей способности ключевых конструктивных элементов объекта характерной группы «к» к концу расчетной стадии «i» СНЕ:

RCHEк

τiCHE nкRCHE τiCHE ,

(10.3)

где RCHEк τiCHE – несущая способность ключевой конструкции, относящей-

ся к характерной группе «к» к моменту времени окончания расчетной стадии i СНЕ; nк – количество ключевых конструктивных элементов объекта, относящихся к характерной группе «к»; τiCHE – время СНЕ к моменту вре-

мени окончания расчетной стадии i.

Используя выражение (10.3), можно оценивать предельное состояние здания и сооружения по потере его устойчивости при заданном сценарии СНЕ с участием пожара.

326

Например, огнестойкость здания или сооружения при СНЕ с участием пожара, когда в качестве ключевых конструктивных элементов рассматриваются колонны, определяется из выражения:

если RCHEк

τiCHE N, то

τiCHE DCHEact

r ,

(10.4)

где N – суммарная сжимающая нагрузка на ключевые конструктивные

элементы объекта.

Величина DCHEact r определяет огнестойкость объекта как время от нача-

ла СНЕ с участием пожара до начала его прогрессирующего обрушения в этих условиях.

Здание сохранит определенную степень огнестойкости и прогрессирующего обрушения не произойдет при заданном сценарии CHE с участием пожара, 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 устойчивость, но получит тот или иной уровень повреждений.

Возможность сохранения зданием своей устойчивости при заданном сценарии CHE с участием пожара определяется из условий:

если	τCHE τCHEr всехключевыхэлементов , то	DCHEr τCHE			(10.5)
или
к	к		к		,(10.6)
если RCHE τCHE N, то RCHE τCHE N		RCHE τCHE

где RCHEк τCHE – остаточный ресурс огнестойкости здания или соору-

жения как остаточная суммарная несущая способность ключевых конструктивных элементов объекта на момент времени окончания СНЕ τСНЕ.

С учетом изложенных выше теоретических предпосылок предлагаемый метод оценки огнестойкости зданий при комбинированных особых воздействиях с участием пожара включает решение следующих основных задач:

1.Анализ конструктивной схемы рассматриваемого здания. Выбор ключевых конструктивных элементов здания.

2.Определение характеристик ключевых конструктивных элементов

здания.

3.Разработка сценария CHE с участием пожара:

–определение характерных групп однородных ключевых элементов здания в зависимости от условий и особенностей CHE;

–определение количества и состояния ключевых элементов здания

вкаждой характерной группе этих элементов;

327

–определение типа, количества и последовательности расчетных стадий развития CHE с учетом выделенных характерных групп ключевых конструктивных элементов и особенностей сценария CHE.

4. Оценка огнестойкости при СНЕ ключевых конструктивных элементов для каждой из выделенных групп этих элементов последовательно на всех расчетных стадиях CHE.

5. Проверка условий (10.1)–(10.6) исчерпания (или не исчерпания) огнестойкости здания последовательно на каждой из расчетных стадий развития CHE*.

6. Заключение об огнестойкости рассматриваемого здания или сооружения для заданного сценария CHE.

Предлагаемый метод может быть использован для решения двух типов задач.

Задача I типа (прямая задача). Оценка огнестойкости здания или сооружения при различных сценариях CHE.

При решении этой задачи должны быть рассмотрены два основных вопроса:

–определение фактической огнестойкости здания при СНЕ с участием пожара;

–оценка соответствия полученного значения фактической огнестойкости здания требованиям допустимого риска, безопасности людей и необходимости сохранения здания.

Задача II типа (обратная задача). Определение допустимого числа ключевых конструкций здания, которые могут быть разрушены или повреждены при СНЕ с участием пожара, исходя из заданной (нормируемой) огнестойкости здания DCHEreq r при ЧС. Нормируемый уровень огне-

стойкости здания определяется, исходя из допустимых уровней рисков, безопасности людей и сохранения здания.

Кэтому типу задач относятся также задачи по анализу состояния

иповедения конструкций и зданий при CHE с участием пожара, которые привели к потере устойчивости объекта или его части.

10.2.2.Оценка огнестойкости здания при CHE с участием пожара на примере Пентагона 11 сентября 2001 г. Характеристика здания Пентагона

Здание Пентагона является одним их самых больших офисных зданий в мире, площадь этажа составляет 613 000 м2.

* Если огнестойкость здания будет исчерпана на какой-либо из расчетных стадий CHE, то все последующие стадии CHE не рассматриваются.

328

Здание пятиэтажное, имеет 5 фасадов. Внутри здание состоит из 5 концентрических колец (рис. 10.4).

Конструктивная схема здания, включая кровлю, выполнена из монолитных железобетонных конструкций. Бетон – обычный тяжелый.

Перекрытия состоят из плит, ригелей и системы балок, опирающихся на колонны.

Рис. 10.4. Общий вид здания Пентагона и направление движения самолета перед столкновением со зданием

140

Рис. 10.5. Типовая плита перекрытия в здании Пентагона

Монолитные балочные перекрытия с главными и второстепенными балками (рис. 10.5). Балочные плиты имеют двойное армирование в приопорных сечениях и одинарное армирование – в пролетных сечениях. Растянутая арматура пролетных и приопорных сечений соединена наклонными стержнями. Наибольшие пролеты, как правило, имеют приблизительно равные участки армирования в ответственных (критических) сечениях.

329

Элементы балок и балок-опор также содержат непрерывное армирование, проходящее над их опорами.

Большая часть колонн была квадратного сечения, как показано на рис. 10.6. Размеры сечения изменяются от 0,53×0,53 м на первом этаже до 0,35×0,35 м на пятом этаже. Почти все колонны обеспечены более чем одним уровнем спирального армирования. Эта особенность является ключевой в поведении колонн.

Вертикальные стержни закладываются внахлест в нижней части колонны

Спиральное армирование не продолжается

дальше места	Спиральное
стыка	армирование
	а = 3,81 см

Вертикальные

стержни

Во многих углах предусмотрены кабельные каналы

Рис. 10.6. Конструкция железобетонной колонны в здании Пентагона

Развитие событий 11 сентября 2001 г. в Пентагоне

Столкновение самолета со зданием Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г. произошло со стороны наружного фасада здания и привело к возникновению CHE IEF (см. рис. 10.4).

Согласно официальным отчетам и другим источникам информации [5, 60, 61], Боинг 757 приблизился к зданию Пентагона с юго-запада, как показано на рис. 10.4. Он летел так низко над землей, что срезал антенну машины и повредил мачты освещения.

330