Анализ знаковых прецедентов прогрессирующего обрушения зданий и сооружений в условиях чрезвычайных ситуаций

ОБЕСПЕЧЕНИЕ КОМПЛЕКСНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

Решение проблем обеспечения безопасности зданий и сооружений с учётом многочисленных опасностей и угроз (в том числе террористической) требует применения комплексного подхода

Одним из инструментов, введённым правительственной комиссией по высоким технологиям и инновациям для обозначения приоритетов социальноэкономического развития страны, является организация так называемых технологических платформ (ТП). В рейтинге созданных платформ одно из ведущих мест заняла ТП «Комплексная безопасность промышленности и энергетики» (ТП КБПЭ) [1].

Анализ знаковых прецедентов прогрессирующего обрушения зданий и сооружений в условиях чрезвычайных ситуаций

При обеспечении комплексной безопасности строительных объектов наибольшие трудности возникают из-за необходимости учёта новых опасностей и угроз — так называемых комбинированных особых воздействий [4-6]. В качестве аббревиатуры названия предложен английский вариант CHE (combinedhazardouseffect).

Комбинированные особые воздействия с участием пожара — чрезвычайные ситуации, связанные с возникновением и развитием нескольких видов особых воздействий на объект в различных сочетаниях и последовательностях, причём одним из таких воздействий является пожар. Возникновение и развитие разных вариантов СНЕ на строительные объекты, как правило, приводит к возникновению дополнительных опасностей и угроз для зданий и сооружений.

Авария на Чернобыльской атомной электростанции 26 апреля 1986 года. Чрезвычайная ситуация возникла, когда в активной зоне реактора четвёртого блока ЧАЭС произошёл большой силы взрыв воздушно-водородной смеси. Активная зона реактора оказалась разрушена. Плита основания реактора толщиной 2 метра, состоящая из двух стальных крышек и засыпки между ними серпентинита, была вбита на 4 метра вниз с повреждением юго-восточного сектора Верхняя крышка реактора весом 3 тысячи тонн была отброшена в северо-западном направлении. В открытую шахту реактора обрушились обломки железобетонных конструкций. Локально точечная температура достигала 2 600 °C.

В работе [5] рассмотрено поведение железобетонных конструкций в четвёртом блоке ЧАЭС во время аварии. Кроме взрыва, разлёта и удара частей конструкций, возникновения вторичных очагов пожара, радиоактивного излучения, дополнительную опасность представляло образование в зоне взрыва так называемой лавообразной топливо-содержащей массы (ЛТСМ). ЛТСМ — смесь, образовавшаяся после взрыва реактора в результате взаимодействия и смешивания расплавов металла, бетона и других материалов с фрагментами топлива в условиях температур 1 400-1 600°С.

Дополнительная опасность образования ЛТСМ состояла в том, что ЛТСМ распространялась по помещениям 1 -4 этажей подреакторного отделения, расплавляя и прожигая мощные железобетонные конструкции. Поэтому во время аварии на ЧАЭС имел место очень сложный вариант комбинированных особых воздействий СНЕ типа «взрыв в активной зоне реактора — удар разлетающихся обломков конструкций — возникновение вторичных очагов пожара — радиация — образование и растекание ЛТСМ».

Террористическая атака 11 сентября 2001 года на Всемирный торговый центр и Пентагон. Обрушение двух уникальных 110этажных башен Всемирного торгового центра в Нью-Йорке (см. рис. 3) и здания Пентагона в Вашингтоне (см. рис. 4) поставили перед наукой проблему комплексной безопасности уникальных объектов,их защиты от прогрессирующего обрушения в чрезвычайных ситуациях, возникающих вследствие комбинированных особых воздействий CHEтипа: удар — взрыв — пожар [6].

Результаты исследований инженерных аспектов этих событий свидетельствуют о том, что при комбинированных особых воздействиях с участием пожара типа удар — взрыв — пожар (CHE) имеют место следующие характерные особенности ЧС:

1. возникает несколько групп конструкций, имеющих различную степень повреждения;

2. вследствие различной степени повреждения эти группы конструкций утрачивают несущую способность при пожаре не одновременно, а на различных стадиях СНЕ;

3. в результате на различных стадиях развития СНЕ, по мере последовательного выхода из строя более повреждённых групп несущих конструкций, нагрузка на оставшиеся конструкции будет возрастать;

4. повышение нагрузки на уцелевшие строительные конструкции на соответствующих стадиях развития СНЕ с участием пожара приводит к снижению критической температуры нагрева конструкций;

5. снижение критической температуры нагрева материалов конструкций при СНЕ приводит к резкому уменьшению огнестойкости конструкций, что представляет собой новую, требующую анализа опасность для зданий и сооружений.

Такая опасность определяется тем, что чем больше механическая нагрузка на конструкцию, тем меньше критическая температура прогрева конструкций и тем быстрее они утрачивают свою несущую способность в условиях СНЕ с участием пожара, тем быстрее наступает потеря устойчивости (прогрессирующее обрушение) здания в целом. Несущие конструкции башен ВТЦ имели пределы огнестойкости 180 минут, однако при СНЕ 11 сентября 2001 года их огнестойкость была утрачена гораздо быстрее: на Северной башне — через 102 минуты, на Южной башне — через 56 минут. Аналогичная картина наблюдалась с зданием Пентагона. Несмотря на то, что предел огнестойкости ключевых элементов (несущих колонн)превышал 180 минут, наружное кольцо утратило свою устойчивость через 19 минут после начала СНЕ.