Трансвааль причины обрушения

УСТАЛОСТНОЕ РАЗРУШЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ОБОЛОЧЕК ПРИ ВИБРАЦИОННОМ НАГРУЖЕНИИ
(почему рухнул «Трансвааль-парк»)

Остроухов Н.Н., г. Долгопрудный

Основной причиной аварий аквапарка «Трансвааль» и ряда других подобных сооружений, случившихся в последние два года, были, вероятнее всего, механические колебания, возникающие в конструкциях зданий в процессе эксплуатации. Такой вывод вытекает из анализа совокупности особенностей, общих для всех рассматриваемых объектов, а именно:
1) Наличие внутри или вблизи сооружений источников колебаний (вибраций). В случае «Трансвааля» этими источниками были звуковая аппаратура и водяные насосы, в терминале аэропорта (Париж) -“ работающие авиадвигатели, в других случаях (рынок на «Баумановской») -“ транспорт и т.д. Эти источники генерируют колебания высокой интенсивности в широком диапазоне частот и в течение продолжительного времени.
2) Высокая восприимчивость сооружений или их отдельных элементов к воздействию возмущающих колебаний, т.е. сравнительная легкость возбуждения механических колебаний в самой конструкции, что было обусловлено, в первую очередь геометрией объектов. Это были практически пустотелые сооружения большого объема с обшивкой (кровля, стены), выполненной в виде железобетонных плит или оболочек большого поперечного размера и малой толщины. Под действием источников вибрации в такой обшивке могут сравнительно легко позникать поперечные (изгибные) колебания. В частности, в случае «Трансвааля» при работающей звуковой аппаратуре внутри сооружения могли создаваться условия для возникновения стоячих акустических волн. При этом плотность мощности (звуковое давление) на внутренней (нижней) поверхности кровли достигало максимума. Здесь уместно обратить внимание на полную аналогию схемы «Трансвааля» представленной на рис. 1а со схемой акустико-механического преобразователя (микрофона).













а) б)

Рис.1 Принципиальная схема здания аквапарка (а) и возможная форма поперечных колебаний в цепи «кровля -“ опорные колонны» - (б)

Таким образом, при работающем оборудовании в сооружении возникали (не могли не возникать!) вынужденные механические колебания. Их параметры (амплитуда, частота) для понимания дальнейшего пока не имеют принципиального значения.
3) Сравнительно бóльшая, чем у других конструкционных материалов, склонность бетона к усталостному разрушению, т.е. разрушению вследствие ухудшения внутренней структуры материала под действием переменных во времени механических напряжений.
Эта особенность бетона обусловлена отличием его внутренней структуры от структуры гомогенных кристаллических твердых тел и технологией его получения. Действительно бетон представляет собой смесь случайно ориентированных друг относительно друга зерен различных фракций. Межатомные (межмолекулярные) расстояния на границах зерен, как правило, много больше постоянных кристаллических решеток отдельных компонентов, т.е. расстояний, при которых потенциальная энергия межатомного взаимодействия минимальна. Поэтому связь между зернами обеспечивают силы Ван-дер-Вальса, которые значительно меньше (на порядки) межатомных сил в кристаллическом твердом теле. Вследствие этого прочность бетона на растяжение оказывается существенно меньше, чем на сжатие. Кроме того, границы между зернами, по существу, являются дефектами структуры, по которым, при определенных условиях, может происходить разделение зерен.
Качественно разрушение структуры бетона под действием переменных напряжений можно представить следующим образом. Пусть в некий начальный момент времени на выделенной площадке действуют некоторые средние напряжения сжатия. По закону Гука они вызывают соответствующие деформации. Однако, вследствие хаотичности взаимного расположения зерен локальные (местные) напряжения и деформации отличны от средних, в частности могут существовать области где напряжения превышают предел упругости. При статическом нагружении такое положение нее может иметь опасных последствий. В случае же переменных, даже при уменьшении средних напряжений и деформаций сжатия в указанных выше «перенапряженных» областях возможно нарушение сплошности тела.
4) Конструкции сооружений исключали сколь-нибудь значительную потерю колебательной энергии за счет ее ухода вовне, например в грунт. В частности в «Трансваале» купол-кровля через соединительное металлическое кольцо был установлен на ряд опор, выполненных из стальных труб и жестко заделанных в основание (грунт). Очевидно, что колебания из цепи «кровля-опоры» не могли распространяться в грунт ниже точек заделки, а отражались от них, т.е. сохранялись в конструкции. Таким образом диссипация колебательной энергии происходила, в основном, за счет внутреннего трения в кровле, что только интенсифицировало износ, описанный в предыдущем пункте.
5) Все сооружения после окончания строительства безаварийно функционировали в течение значительного времени. Кроме того, даже весьма пристрастные послеаварийные экспертизы не смогли выявить явных проектных или строительных дефектов сооружений. Эти два обстоятельства дают дополнительные основания считать сооружения на момент окончания строительства соответствующими СНиПам (строительные нормы и правила), в частности, имеющими регламентируемые запасы прочности по расчетным (прогнозируемым) нагрузкам. Последнее, в свою очередь, означает, что для того, чтобы разрушение произошло от расчетных нагрузок, несущая способность конструкции должна снизится в несколько раз.
6) Полное отсутствие убедительных свидетельств того, что разрушение произошло в результате некоего чрезвычайного негативного воздействия на конструкцию в т.ч. каких-либо природных аномалий. Таким образом причиной разрушения могли стать либо значительный износ элементов сооружения, либо реализация в процессе эксплуатации существенно нерасчетного режима нагружения.
Суммируя все изложенное выше, последовательность процессов, приводящих к разрушению, можно представить следующим образом.
Под действием источников вибрации в протяженных тонкостенных элементах конструкций возникают поперечные (изгибные) колебания, вследствие чего напряжения в них становятся переменными, т.е. отличными от расчетных. Переменные напряжения вызывают изменение структуры бетона -“ дефекты структуры увеличиваются в размерах, образуются новые. Следствием такого изменения структуры становится снижение изгибной жесткости указанных элементов, что, в свою очередь, увеличивает амплитуду колебаний, то есть процесс происходит с ускорением.
Специфика конкретного сооружения влияет лишь на скорость процесса разрушения железобетонного элемента. В случае «Трансвааля», где, вероятно, было реализовано рекордно большое отношение поперечного размера к толщине кровли, эта скорость оказалась максимальной, а время безаварийной работы минимальным.
Кроме того, в случае «Трансвааля» есть веские основания считать, что непосредственно разрушение произошло в режиме резонанса, т.е. при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой системы «кровля -“ опорные колонны». Здесь необходимо отметить, что резонанс опасен лишь в определенном интервале частот, который можно оценить из сравнения длины волны колебания с размерами сооружения. С одной стороны (коротковолновая граница) длина волны должна быть значительно больше толщины элемента, по которому распространяется колебание, а с другой (длинноволновая) -“ не должна по порядку величины превышать размеров здания (длины элемента, по которому распространяется. Применительно к «Трансваалю», указанным условиям соответствует интервал частот 20÷200 Гц. По оценкам, собственная частота железобетонной пластины с размерами, сравнимыми с размерами купола «Трансвааля», составляет ~ 5 кГц, т.е. значительно превышает верхнюю границу «опасного» интервала. По мере «износа» бетона кровли снижаются ее жесткость и, соответственно, собственная частота вплоть до попадания последней в «опасный» интервал. При возникновении резонанса в этом интервале частот амплитуда колебаний резко возрастает, может произойти разрушение. (Следует помнить, что частота источников колебаний изменяется случайным образом).
Внешняя картина разрушения «Трансвааля», начавшегося с излома одной из опорных колонн, вполне соответствует разрушению от усиливающихся колебаний в системе «кровля -“ опорные колонны». Колебания хорошо объясняют и последующее разрушение нескольких колонн и прекращение разрушения, как следствие прекращения колебаний. В свою очередь, модель разрушения от статической нагрузки (т.е. расчетной, соответствующей СНиПам), указанных особенностей не объясняет.
В заключение можно указать некоторые организационно-технические меры, которые могли бы предупредить разрушение по описанной схеме.
Во-первых СНиПы следует дополнить требованиями, регламентирующими вибрационную стойкость сооружений, в т.ч. расчет характеристик сооружений как колебательных систем и контроль реальной вибрационной нагрузки.
Во-вторых, разработка конструктивно-технологических мер по увеличению диссипации колебательной энергии, в частности, за счет ухода ее из сооружения.

 

Спасибо за столь полную информацию, существенно дополняющую общую картину данной аварии.
Вопрос к Вам, как специалисту.
В последнее время широко развивается монолитное и каркасномонолитное домостроение. По эксплуатации данных объектов видно, что очень пренебрегают виброзащитными решениями (информация от тех кто строит и проектирует). Где в данных домах "скрытая угроза"? или технология настолько хороша, что её нет?
С уважением, Сергей Б.

 

Сергей, спасибо Вам за отклик на статью.К сожалению я не смогу ответить на Ваш вопрос т.к. я не автор статьи.
Эта статья размещена мною впервые на сайте «Ваш дом», написал ее мой хороший знакомый, по профессии физик.
Я счел возможным предложить специалистам, которые несомненно посещают этот «реальный» сайт, рассмотреть проблему проектирования в России немного с другой стороны.Возможно это вызовет определенную дискуссию , но это лишь пойдет на пользу.
Первое мое размещение на сайте статьи Дедюховой Ирины Анатольевны о причинах
обрушений зданий вызвало определений интерес, правда больше эмоциональный, чем
профессиональный, хотя личностные качества этого человека находятся на очень высоком уровне.
Ваш вопрос я передам моему другу и размещу ответ на сайте.
Организатором сайта большое признание за терпимость и несомненную смелость при
Размещении информации на сайте.

С уважением, Вячеслав