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

Когда самолет был на расстоянии приблизительно 97 м от западной стены здания Пентагона, он летел над самой поверхностью земли.

Первое особое воздействие – удар (I) – разрушило и повредило часть конструктивных элементов наружного кольца здания Пентагона. Обломки самолета проникли внутрь здания. Из разрушенных баков самолета, размещенных в его крыльях, топливо было выброшено в зону удара внутри здания.

Это привело к возникновению второго особого воздействия на конструкции здания – взрыва (Е) смеси топлива с воздухом. Взрывом были разрушены и повреждены еще часть конструктивных элементов здания.

После удара и взрыва внутри здания в зоне поражения возникает и развивается третье особое воздействие – пожар (F). Огонь охватывает часть уцелевших ключевых конструктивных элементов.

Вдоль всей траектории движения обломков самолета внутри трех внутренних колец здания Пентагона были уничтожены или получили различные повреждения 50 колонн (рис. 10.7).

1 2

3

Рис. 10.7. Различный характер повреждений железобетонных колонн здания Пентагона:

1 – колонна, полностью лишенная защитного слоя;

2 – колонна, частично лишенная защитного слоя;

3 – колонны, охваченные пожаром

331

Здание Пентагона в первые минуты СНЕ IEF, несмотря на значительные повреждения конструкций, в целом сохранило свою устойчивость. Однако через 19 мин после начала СНЕ IEF произошло прогрессирующее обрушение конструкций наружного кольца здания Пентагона (рис. 10.8). Это значит, что огнестойкость DСНЕr наружного кольца здания Пентагона в зоне ЧС составила 19 мин.

Рис. 10.8. Прогрессирующее обрушение наружного кольца здания Пентагона в зоне CHE типа «удар – взрыв – пожар»

Расчетная реконструкция состояния и поведения конструкций наружного кольца здания Пентагона

В рассматриваемом случае в качестве ключевых конструкций принимались железобетонные колонны 1-го этажа наружного кольца здания Пентагона.

Расчетный сценарий развития СНЕ в здании Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г. формировался в виде последовательно задаваемых вариантов распределения ключевых конструктивных элементов на характерные группы и выбора расчетных стадий развития СНЕ в пределах известного времени до потери устойчивости здания в зоне ЧС.

Железобетонные колонны как ключевые конструктивные элементы

взоне ЧС были распределены на 5 характерных групп [61] (рис. 10.9):

1)колонны, полностью разрушенные ударом самолета и последующим взрывом;

2)колонны, поврежденные (тип 1) и охваченные пожаром;

3)колонны, поврежденные (тип 2) и охваченные пожаром;

4)колонны, не поврежденные ударом самолета и взрывом, но охваченные последующим пожаром;

5)колонны, не поврежденные ударом самолета и взрывом и не охваченные пожаром.

332

Рис. 10.9. Характерные группы колонн в зоне прогрессирующего обрушения секции наружного кольца здания Пентагона при CHЕ IEF:

1 – уничтоженные колонны; 2 – поврежденные колонны, тип 1; 3 – поврежденные колонны, тип 2; 4 – неповрежденные колонны, охваченные пожаром;

5 – неповрежденные колонны, не охваченные пожаром

Общее число ключевых элементов в зоне прогрессирующего обрушения здания составило – 29 шт.

Поведение ключевых элементов здания рассматривалось на следующих расчетных стадиях развития ЧС в здании Пентагона:

Стадия 0. Состояние ключевых конструктивных элементов здания до CHE IEF.

Стадия 1. Удар самолета по зданию, взрыв топлива самолета. Разрушениеи повреждение части ключевых конструктивныхэлементов здания.

Стадия 2. Возникновение пожара внутри здания 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 (тип 1) и охваченных последующим пожаром.

Стадия 3. Исчерпание огнестойкости группой уцелевших ключевых элементов, поврежденных ударом и взрывом (тип 2) и охваченных последующим пожаром.

Стадия 4. Исчерпание огнестойкости группой уцелевших ключевых элементов, не поврежденных ударом и взрывом, но охваченных пожаром.

Стадия 5. Изменение состояния последней группы ключевых элементов здания, не поврежденныхударомивзрывомине охваченныхпожаром.

333

способность	CHE
	Н),
Суммарная несущая	колонн R(

несущую	30
																42
	25															510
утративших,колонн способность
	5	CHEгр.1		.R			CHEгр.2			.R
												12
	20													32
	15								24
			111
	10						CHEгр.3			.R CHEгр.4						.R CHEгр.5				.R 19
Число	0					5		10								15				20
Время комбинированных особых воздействий СНЕ, мин
								а
	R = 111 815 Н																		5
120 000
																			4
100 000		1											2						3
	64 592 Н
80 000													63 328 Н
													53 412 Н
60 000													52 676 Н
40 000	N = 47 241 Н											46 206 Н
20 000	38 557 Н					CHEгр.3		.R CHEгр.4					.R CHEгр.5						.R 19
	CHEгр.1	.R				CHEгр.2	.R 12

DCHE.R = 19

Время комбинированных особых воздействий СНЕ, мин

б

Рис. 10.10. Расчетная реконструкция развития процесса утраты несущей способности характерными группами ключевых конструктивных элементов (а)

и процесса изменения суммарной несущей способности базовых конструктивных элементов наружного кольца здания Пентагона (б):

число внутри квадрата – стадия СНЕ (индекс – число колонн, утративших несущую способность); число в кружке – стадия «СНЕ»

334

Учитывалось, что утрата огнестойкости определенной группой ключевых конструктивных элементов здания на той или иной расчетной стадии CHE приводит к перераспределению рабочих нагрузок на оставшиеся группы уцелевших ключевых конструктивных элементов. Соответственно учитывалось, что на огнестойкость здания влияют: увеличение рабочей нагрузки SCHE (см. рис. 10.3) на уцелевшие конструкции, ухудшение условий их работы (уменьшение запаса прочности конструкции, снижение критической температуры нагрева при пожаре и т. д.).

Так как огнестойкость наружного кольца здания Пентагона во время событий 11 сентября 2001 г. (время от начала ЧС до прогрессирующего обрушения) была уже известна (DСНЕr = 19 мин), то в рассматриваемом случае решалась обратная задача – проведение расчетной реконструкции состояния и поведения рассматриваемых ключевых конструктивных элементов наружного кольца здания Пентагона, которые обеспечили известную огнестойкость здания.

Результаты расчетной реконструкции состояния и поведения ключевых конструкций (железобетонных колонн) здания Пентагона в зоне прогрессирующего обрушения приведены на рис. 10.10 и в табл. 10.1 [61].

Таблица 10.1

Результаты расчетной реконструкции состояния и поведения ключевых конструкций (железобетонных колонн) здания Пентагона

	Номер	Число		Длительность	Огнестойкость
	харак-
		ключевых	Состояние ключевых элементов	расчетной	ключевых
	терной
		элементов	в каждой характерной группе	стадии СНЕ,	элементов,
	группы
		в группе, шт.		мин	мин
	элементов
	1	10	Полное разрушение	0	0
			при ударе и взрыве
			Утратили защитный слой бетона,
	2	9	сохранили 0,1 несущей способ-	11	11
			ности и охвачены пожаром
			Сохранили 10 % защитного слоя
	3	7	бетона и 0,66 несущей	19	19
			способности, охвачены пожаром
	4	3	Не повреждены ударом самолета	19	19
			и взрывом, охвачены пожаром
	5	29	Не повреждены ударом самолета	19	19
			и взрывом, не охвачены пожаром

Проведенная расчетная реконструкция поведения и состояния конструкций наружного кольца здания Пентагона показала, что прогрессирующее обрушение здания Пентагона в зоне ЧС наступило в результате последовательной утраты несущей способности группами ключевых конструкций на рассматриваемых расчетных стадиях развития СНЕ с участием пожара типа «удар – взрыв – пожар».

335

Приложения

Приложение 1

Справочные данные для оценки огнестойкости металлических конструкций

					Таблица 1.1
	Расчетные длины элементов фермы
		Расчетная длина элементов фермы
Продольный изгиб
		Опорные	Элементы из труб		Прочие
элемента
	Пояса	раскосы	со сплющенными		элементы
		и стойки	концами		решетки
В плоскости фермы	l	l	0,95l		0,8l
Из плоскости фермы	l1	l1	0,95l		l

Примечание. l – расстояниемеждуузламифермы(геометрическаядлина элемента); l1 – расстояние между узлами, закрепленными от смещения из плоскости фермы.

Таблица 1.2

Значения коэффициента γtem в зависимости от температуры

t, °С / Т, К	γtem	t, °С / Т, К	γtem
20 / 293	1,00	400 / 673	0,70
100 / 373	0,99	450 / 723	0,65
150 / 423	0,93	500 / 773	0,58
200 / 473	0,85	550 / 823	0,45
250 / 523	0,81	600 / 873	0,34
300 / 573	0,77	650 / 923	0,22
350 / 623	0,74	700 / 973	0,11

Таблица 1.3

Значения коэффициента βtem в зависимости от температуры

t, °С / Т, К	βtem	t, °С / Т, К	βtem
20 / 293	1	400 / 673	0,86
100 / 373	0,96	450 / 723	0,84
150 / 423	0,95	500 / 773	0,8
200 / 473	0,94	550 / 823	0,77
250 / 523	0,92	600 / 873	0,72
300 / 573	0,9	650 / 923	0,68
350 / 623	0,88	700 / 973	0,59

336

Продолжение прил. 1

Таблица 1.4

Приведенная толщина металла tred без учета огнезащиты

Сечения, обогреваемые по всему периметру

tw

h

bf

tw

h

bf

bf 2	bf 2
f1	f1
b	b

tred

A

2 h + 2bf tw

A

2 h + 2bf tw

A

2 bf 1 + bf 2

Сечения при частичном обогреве периметра

tw

h

bf

tw

h

bf

f1	f 1
b	b

bf2

tred

A

2h + 3bf 2tw

A

2h + 3bf 2tw

A

2 bf 1 + bf 2

Примечание. А – площадь сечения, значения которой для прокатной фасонной стали даны в сортаменте, а для составных сечений определяется как сумма площадей их отдельных элементов.

337

Температура t, С

Продолжение прил. 1

1 000
900
800	1
700
600
500
400	60
	40
300	30
	20
	15
200	10
	5
	3
100

0

10

20

30

40

50

Время , мин

Рис. 1.1. Зависимостьтемпературыt, °С, незащищенныхэлементов стальныхконструкций от времени нагрева τ, мин, по «стандартному» режиму пожара (кривая 1)

(цифры у кривых соответствуют приведенной толщине металла tred, мм)

338

Продолжение прил. 1

t, °С
1 000
		1
900
800
700				2
				5
600				10
				15
				20
				30
500				40
				60
400
300
200
100
0	30	60		90	120	τ, мин

Рис. 1.2. Зависимость температуры t, °С, стальной пластины

с облицовкой из красного кирпича толщиной 65 мм от времени нагрева (τ, мин) по «стандартному» режиму пожара (кривая 1)

(цифры у кривых соответствуют приведенной толщине металла tred, мм)

339

t, °С

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Продолжение прил. 1

1

60

40

30

20

15

10

5

2

30

60

90

120

τ, мин

Рис. 1.3. Зависимость температуры t, °С, стальной пластины с облицовкой из бетона на известняковом щебне толщиной 20 мм

от времени нагрева τ, мин, по «стандартному» режиму пожара (кривая 1) (цифры у кривых соответствуют приведенной толщине металла tred, мм)

340