С.М. СКОРОБОГАТОВ, д-р техн. наук, проф., чл.-корр. РААСН, заслуженный деятель науки РФ, КЛАССИФИКАЦИЯ ТЕХНОГЕННЫХ КАТАСТРОФ ПО СТЕПЕНИ ПРЕДСКАЗУЕМОСТИ ДЛЯ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ СООРУЖЕНИЙ И КОНСТРУКЦИЙ
Некоторые принципиальные положения (которые предлагает современная геологическая и геоэкологическая литература), используемые для классификации природных катастроф, частично могут быть применены для создания основ классификации техногенных строительных катастроф.
Термины предлагаемой классификации заимствованы из одной из классификаций природных катастроф, включающей три их типа: Тренд, Экстремум, Срыв [1]. Напомним, что катастрофы в самом общем виде подразделяются на медленные (предсказуемые) и быстрые (непредсказуемые). К первым относятся Тренд и Экстремум, а к быстрой - Срыв. Использованная классификация оказалась более обоснованной и предметной для техногенных катастроф, чем для природных. По главному признаку (предсказуемости и другим сопутствующим физическим свойствам) предлагаемая автором классификация в развернутом виде представлена в табл. 1 и 2.
При наличии расплывчатых границ между медленными катастрофами типов Тренд и Экстремум стадии работы и расчета из обеих известных групп расчетных предельных состояний строительных конструкций были использованы в качестве компонентов для распознавания и установления как можно более четких признаков и более выпуклого формулирования новых понятий о техногенных строительных катастрофах.
Физический очаг катастрофы типа Тренд - это неожидаемые, но прогнозируемые (после обнаружения) пластические деформации рабочей арматуры в изгибаемых и растянутых элементах. Визуальный предвестник катастрофы определяется как превышение допустимых прогибов и ширины раскрытия трещин в изгибаемых или растянутых элементах. Причину катастрофы Тренд можно установить с помощью расчетов по второй группе предельных состояний (прогибы, трещины), так как они позволяют проверить величину действующей нагрузки и сопоставить ее с нормативной (эксплуатационной), расчетной (проектной) и особенно с теоретической разрушающей нагрузками.
Естественно, катастрофа типа Тренд может быть легко предсказана эксплуатационниками и тем более смотрителем здания. Например, нарастание прогибов несущих конструкций более предельной величины 1/50 пролета или раскрытие трещин под длительной нагрузкой более 0,3 мм может быть хорошо замечено. Постепенное нарастание прогибов и раскрытия трещин с годами приводит к чрезмерному увеличению напряжений как в рабочей арматуре, так и в сжатой зоне бетона. В итоге это приводит к недопустимому провисанию и пластическому обрушению конструкций вследствие текучести в рабочей продольной арматуре. Степень предсказуемости момента времени обрушения повышается, если проводятся систематическое обследование или мониторинг, основанные на анализе исходных экспериментальных данных.
В качестве наиболее ярких примеров медленно надвигающихся катастроф типа Тренд можно привести состояние следующих сооружений: пологая железобетонная оболочка покрытия (66х36 м) над зданием спортивного зала с ледовым катком с опасными диагональными трещинами (до 2 мм) в угловых зонах оболочки; опорное растянутое железобетонное кольцо (0 « 80 м) с опасными поперечными (нормальными) трещинами до 0,4 мм под стрельчатым металлическим куполом над зданием спортивного дворца.
Основная причина неблагоприятного состояния вышеуказанных объектов заключается в отсутствии традиционного предварительного натяжения для рабочей продольной арматуры в растянутых элементах и растянутых зонах изгибаемых элементов. В современном строительстве, как известно, предварительное напряжение применяется повсеместно во всех сборных плитах перекрытий, стропильных фермах и балках. Упомянутый тип катастрофы может развиваться в изгибаемых сборных и монолитных перекрытиях, работающих по балочной или пространственной схемам.
Физический очаг второго типа медленной катастрофы Экстремум - это неожидаемое и слабопредсказуемое накапливание повреждений в растянутом и сжатом бетоне. Например, при чрезмерном раскрытии наклонных трещин от главных растягивающих усилий, раскрытии вертикальных трещин от смятия бетона над опорными частями мостовых балок и от перенапряжения сжатой зоны бетона в изгибаемых элементах (недостаточная продольная трещиностойкость). При этом напряжение в рабочей продольной арматуре остается в упругой стадии. Однако завершение таких процессов повреждений обусловлено хрупким внезапным разрушением бетона. Конструкции с такими повреждениями мало провисают, поэтому их аварийное состояние может быть определено только специалистами-обследователями. Таким образом, предвестники катастроф типа Экстремум слабо предсказуемы. Катастрофы подобного типа также вызваны несоответствием требованиям второй группы предельных состояний (наклонные трещины, продольная трещиностойкость).
Поясним влияние перенапряжения в сжатой зоне для изгибаемых элементов со средним и большим процентом армирования на характеристику их живучести или на продольную трещиностойкость. Напряжения в крайних сжатых волокнах даже под расчетной нагрузкой могут превышать величину расчетного сопротивления Re, если эпюру напряжений принимать не в виде прямоугольника, а приближающейся к фактической. Перенапряжение крайних сжатых волокон может вызвать дальнейшее развитие уже имеющихся в структуре бетона микротрещин и перерастание их в продольные мезо- и макротрещины, заканчивающиеся хрупким разрушением и, следовательно, внезапным разрушением конструкции. Агрессивная среда в процессе эксплуатации дополнительно ухудшает структуру бетона, уменьшая его прочность, и усугубляет напряженное состояние в сжатой зоне сечения изгибаемого элемента.
В последнем случае сокращение срока службы строительных элементов может быть более или менее определено по многочисленным методикам (в частности Л.В. Пухонто, 2001; А.М. Подвального, 2004; Н.К. Розенталя, Г.В. Чехний, 2002; А.В. Васильева, 2000; В.П. Чиркова, 1999).
Поперечные трещины, расположенные в растянутой зоне сечения при ее высоком проценте армирования, зачастую не сильно раскрыты, но глубоко развиты для данного случая напряженного состояния. Трещины при этом могут быть обнаружены смотрителем здания. Однако анализировать такие трещины по специальной методике на предмет предвестника катастрофы могут только специалисты-обследователи.
Для анализа предсказания такого специфического состояния автор данной работы разработал и предлагает методику живучести [2], определяющую предел продольной трещиностойкости в сжатой зоне бетона для изгибаемых элементов. Эта методика позволяет предсказать катастрофу типа Экстремум [3] даже в условиях отсутствия строительной истории объекта и при наличии агрессивной среды. В качестве примера можно привести поврежденные железобетонные монолитные и сборные перекрытия в опускном колодце первого подъема и аэротенков северной канализационной станции Екатеринбурга. Срок службы этих сооружений при повреждении бетона сжатой зоны резко сократился против нормативного. Были приняты меры по смене некоторых конструкций.
К надвигающейся катастрофе типа Экстремум следует отнести опасное напряженное состояние тонких стенок толщиной 200 мм в высоких балках высотой сечения 3,36-3,66 м и пролетом 7-10 м в покрытии фойе здания Цирка. Ударно-волновое воздействие от близко расположенного источника взрыва вызвало в стенке наклонные трещины шириной раскрытия 0,1-1,0 мм, соответствующие действию главных растягивающих напряжений. При этом сжатые и растянутые пояса сечением 600 х 300 и 800 х 450 мм оказались не затронутыми трещинами. Основная рабочая продольная арматура в растянутых поясах находилась в упругой стадии работы. Появилась опасность разрушения по сжатым наклонным поясам. Высокие несущие балки не давали заметного провисания, кроме того, они были скрыты подвесным потолком. Наклонные трещины обнаружили случайно. Возможность разрушения по сжатому бетону, упругая работа продольной арматуры и слабая предсказуемость из-за отсутствия заметного провисания относят этот вид разрушения к надвигающейся катастрофе типа Экстремум.
К катастрофе подобного типа можно отнести аварийное состояние бетона над опорными частями мостовых балок через реки Анненская, Россоха и Ис- ток-Вагран. Малые площадки смятия над опорными частями, допущенные по время низкокачественного монтажа, привели к опасным вертикальным трещинам в опорных частях балок, вызванным сильным смятием бетона. Возникла опасность разрушения вертикальных столбиков в разрушенном бетоне. Этот вид повреждения опорных частей балок не привел к заметному провисанию балок и к нормальным трещинам в балке посередине пролета. Напряжения в рабочей продольной арматуре находились в пределах упругой работы. Возможность разрушения по сжатому бетону при упругой работе арматуры и слабая предсказуемость относят этот вид разрушения к надвигающейся катастрофе типа Экстремум.
Физический очаг при катастрофе типа Срыв объясняется перенапряжением бетона от смятия в стыках между колоннами, сжатия в оболочках покрытий и в сильно нагруженных балках от длительной нагрузки и концентрацией напряжений в арматуре от усталости или коррозионного растрескивания при ее работе в упругой стадии. Визуальный предвестник катастрофы отсутствует, так как разрушение по сжатому бетону или рабочей арматуре происходит непредсказуемо, внезапно и хрупко. Заметное провисание конструкций отсутствует. Конструкции могут успешно работать несколько лет под пониженной, нормативной эксплуатационной нагрузкой, вплоть до расчетной, проектной нагрузки и тем более далекой от теоретической разрушающей.
Такая картина скрытости физического очага катастрофы без ее визуального предвестника обнаружилась в бетонных швах между сжатыми сборными плитами верхнего пояса металложелезобетонного моста через реку Пышму. Вместо бетона марки 400 швы толщиной около 100 мм были заполнены скорее всего штукатурным раствором. Тем не менее, мост несколько лет успешно эксплуатировался при небольшой железнодорожной нагрузке, а разрушился при нагрузке, не превышающей расчетную.
Наличие слабого раствора в стыках сборных колонн с передачей продольного усилия с бетона на бетон привело к внезапному обрушению почти полностью законченного строительства многоэтажного здания (В.И. Вейц, 1984).
Ошибка при выборе расчетной схемы для пространственного железобетонного покрытия привела к быстрой катастрофе от перенапряжения в сжатом бетоне в известном здании Аквапарка. Катастрофа произошла после длительного периода эксплуатации.
Известны случаи внезапного разрушения стропильных железобетонных балок от концентрации напряжений в сварной арматуре во время температурного перепада окружающей среды в северных районах страны.
Особого внимания требуют железобетонные покрытия над плавательными бассейнами и ледовыми катками, где вредные испарения могут привести к коррозионному растрескиванию рабочей арматуры, особенно высокопрочной [3].
Наиболее частой и организационно трудно устранимой причиной коррозии является недостаточная толщина защитного слоя бетона. Этим недостатком обладают как старые монолитные конструкции (мосты), так и современные монолитные и сборные конструкции. Повышенная пористость бетона при низкокачественном бетонировании также приводит к скрытому очагу катастрофы, которая может проявиться после нескольких лет успешной эксплуатации сооружений. Известны случаи обнаружения в цементном растворе для инъекции каналов в балках опасных хлоридов и сульфидов [4], что недопустимо для высокопрочной арматуры.
Возможные физические очаги всех типов катастроф (Тренд, Экстремум, Срыв) можно представить на примере монолитного железобетонного каркаса высокого административного, общественного или жилого здания (см. рисунок).
Очаг катастрофы типа Срыв может появиться вследствие ненадежно запроектированных колонн, особенно на первом этаже или в подвале. Слабые колонны могут удовлетворительно работать под нормативной нагрузкой вплоть до появления расчетной, проектной длительной нагрузки, далекой от теоретически разрушающей. Колонны нижнего этажа ответственны за благосостояние всего каркаса, их ненадежность может привести к лавинному обрушению всех элементов здания. Наблюдаемый, визуальный предвестник катастрофы отсутствует, поэтому это возможное неожиданное обрушение следует отнести к типу Срыв.
Очаги катастроф типа Экстремум могут существовать в неоправданно тонких железобетонных фундаментных плитах под многоэтажным каркасом. Неравномерная осадка и повреждение фундаментной плиты происходят медленно. Предвестник этого повреждения - сопутствующее появление косых трещин в вертикальных плоских диафрагмах жесткости каркаса, а также, возможно, в ригелях и плитах междуэтажных перекрытий. Однако обнаружение таких предвестников возможно только специалистами-обследователями. Наличие трещин и нарушенную структуру бетона в фундаментной плите больших линейных размеров можно обнаружить только сплошным сейсмометрическим прозвучиванием [5].
Слабая предсказуемость и внезапное хрупкое разрушение по бетону может привести к хрупкому лавинному разрушению всего каркаса и всего здания, поэтому указанные обстоятельства относят повреждение фундаментной плиты и, кстати, плоской вертикальной диафрагмы к возможной катастрофе типа Экстремум.
Очаг зарождения катастрофы типа Тренд кроется в наличии чрезмерных пластических деформаций в рабочей арматуре в балках и плитах перекрытий вследствие ее перенапряжения. Повреждение и обрушение монолитного или сборного железобетонного перекрытия в одном из пролетов обусловливает выход из строя одного или, может быть, двух этажей, а не всего каркаса, т.е. имеет локальный характер, а не лавинный. Здесь мера ответственности, по сравнению с другими двумя типами катастроф, снижена. Медленное провисание конструкций вследствие пластических деформаций продольной арматуры может быть замечено не только смотрителем здания, но и эксплуатационниками, т.е. предвестник катастрофы предсказуем. Следовательно, описываемое разрушение может быть отнесено к типу Тренд.
При анализе причин аварий и катастроф проще всего необоснованно ссылаться на человеческий фактор. Однако его также можно подвергнуть анализу и классификации. Как будет видно при детальном рассмотрении (см. табл. 1), человеческий фактор можно характеризовать следующими группами причин в проявлении катастрофы:
1. Проблемы эксплуатационников. Несоблюдение и пренебрежение правилами эксплуатации сооружений.
2. Научно-технические проблемы. Незнание свойств и поведения материала в работе конструкций и их поведения при длительной нагрузке.
3. Организационные проблемы строителей на различных строительных переделах (этапах). Неявные и явные грубые ошибочные решения, появившиеся во время проектирования, изготовления и эксплуатации и ведущие к быстрой непредсказуемой катастрофе.
Вторая группа причин должна изучаться и устраняться с помощью научно-технических средств.
Попытки создания классификации техногенных строительных катастроф будут способствовать поиску их физических очагов в процессе проектирования и выявлению их предвестников во время эксплуатации здания и дадут материал для формулирования теоретических рекомендаций и даже принципов построения расчетных схем несущего остова сложных уникальных сооружений общественного, спортивного и административного назначения.
К настоящему времени предлагаются следующие рекомендации по предотвращению катастроф на стадии конструирования и эксплуатации сложных строительных систем.
1. Мониторинг за напряженно-деформированным и техническим состоянием строящихся и эксплуатируемых уникальных зданий и сооружений [6,7].
2. Определение остаточного ресурса для реконструируемых конструкций на основе методики силового сопротивления сжатой зоны бетона [8].
3. Определение взаимного влияния гибкой фундаментной плиты и многоэтажного железобетонного каркаса [9].
4. Расчет каркаса высокого здания или сооружения на навал от самолета (В.А. Ильичев, 2002).
5. Применение различных программных комплексов с различными алгоритмами расчета на базе нескольких вариантов расчетных схем для уникальных сооружений (А.В. Перельмутер, В.И. Сливкер, 2005).
6. Применение методики живучести для определения предела продольной трещиностойкости для изгибаемых железобетонных конструкций, особенно в условиях отсутствия строительной истории объекта и наличия агрессивной среды [2,3].
7. Расчет несущей способности каркаса на запроектные нагрузки при внезапном повреждении отдельных элементов (ригелей, колонн, перекрытий) [10].
8. Применение живучих пространственных сооружений в условиях неопределенности внешних воздействий [11].
9. Использование специальных антиаварийных мегаконструкций, примененных в высотных башнях столицы Малайзии Куала-Лампур.
10. Применение сейсмометрических исследований для сплошного прозвучивания бетона и продольной арматуры в массивных и протяженных конструкциях [5].
Выводы
К настоящему времени установить степень эффективности отдельных из вышеперечисленных рекомендаций применительно к типам катастроф можно условно из-за наличия расплывчатых границ между медленными катастрофами типов Тренд и Экстремум.
Расширение и уточнение предлагаемой классификации техногенных строительных катастроф - это предмет дальнейших исследований. Тем не менее, на основании приведенной в таблице классификации катастроф можно привести следующие первичные обобщения.
1. Первая и вторая рекомендации обеспечивают предотвращение катастрофы типа Тренд и, частично, типа Экстремум.
2. Третья, четвертая, пятая и шестая рекомендации повышают вероятность предотвращения катастрофы типа Экстремум.
3. Седьмая, восьмая, девятая и десятая рекомендации снижают вероятность быстрой катастрофы типа Срыв.
Бетон и железобетон, 2008 №1