ФИЗИКА ПРОЦЕСООВ, ПОРОЖДАЮЩИХ РАЗРУШЕНИЯ КЛАССА АВАРИИ СОК «ТРАНСВААЛЬ-ПАРК»

ФИЗИКА ПРОЦЕСООВ, ПОРОЖДАЮЩИХ РАЗРУШЕНИЯ КЛАССА АВАРИИ СОК «ТРАНСВААЛЬ-ПАРК»

Мо Вэй Ян У Н.Н. Остроухов

Введение

Цель работы состоит в расчетно-теоретической проверке версии разрушения СОК «Трансвааль-Парк» [1] и других известных аварий [2,3] как совокупности взаимообусловленных процессов, инфицируемых сравнительно слабыми динамическими воздействиями на сооружения в процессе эксплуатации последних и включающих генерацию и развитие дефектов структуры бетона в одном из «критических» конструктивных элементов сооружения [4]. В работе выполнены оценки силовых факторов динамических воздействий, проанализированы особенности физико-механических свойств бетона, как специфического композитного материала, определены условия генерации и развития дефектов структуры бетона, приводящих к разрушению «критического» конструктивного элемента сооружения, предложены технические решения, снижающие вероятность разрушения или, даже предотвращающие его.

1. Физическая модель процесса разрушения сооружения, развивающегося по схеме аварии СОК «Трансвааль-Парк».

В модели разрушения, принятой для анализа, сделано допущение о следующей последовательности взаимообусловленных процессов, приводящих к разрушению сооружения.

- в исходном состоянии, под которым понимается состояние вновь построенного сооружения, несущие конструктивные элементы,

- в процессе эксплуатации сооружение, помимо проектного статического, подвержено некоторой совокупности динамических воздействий различной природы (ветровые, акустические, сейсмические, вибрационные от работающего оборудования, транспорта и др.) сравнительно малой интенсивности (по оценкам, амплитуды силовых факторов этих воздействий, по крайней мере, на порядок меньше постоянных проектных нагрузок);

- под влиянием динамических воздействий в некоторых конструктивных элементах возникают пульсации напряжений и деформаций Δσ (r, t) и Δε (r, t), в т.ч. пульсации деформаций растяжения-сжатия.

- в бетонных конструктивных элементах, наличие которых характерно для всех известных разрушившихся сооружений [1-3], пульсации деформации растяжения-сжатия стимулируют развитие дефектов структуры бетона [] или их появление, если в исходном состоянии элемента дефекты отсутствовали.

- при многократных динамических воздействиях развитие дефектов структуры приводит к появлению зон несплошности бетона в конструктивных элементах макроскопического размера, что сопровождается потерей несущей способности этих элементов и разрушению.

2. Количественные критерии принадлежности сооружений к категории разрушающихся по схеме аварии СОК «Трансвааль-Парк»

Реализация описанной в п.1. схемы разрушения возможно в определенном диапазоне сочетаний интенсивностей динамических воздействий, абсолютных деформаций (связанных, помимо прочего с конфигурацией сооружения в целом) и свойств конструктивного материала «критического» конструктивного элемента. Можно выделить следующие варианты таких сочетаний:

- пульсации деформаций под влиянием динамических воздействий

соизмеримы с деформациями от проектной нагрузки (случай «сильных» воздействий, например, при резонансе). Очевидно, что при такой интенсивности воздействий складываются, суммарная деформация (и, соответственно, напряжения) оказываются больше допустимой, так что разрушение должно произойти после нескольких циклов колебаний.

Остальные случаи связаны с возникновением и развитием дефектов структуры под влиянием динамических воздействий. Для этих вариантов важнейшей характеристикой является амплитуда пульсаций абсолютных деформацией растяжения-сжатия Δl_max.

Для определенности на рис.1 показана схема силового каркаса СОК «Трансвааль-Парк» и наиболее вероятная мода его колебаний.

$D:\учеба\статья\картинки\Безымянный.png$

Рис.1.Принципиальная схема силового каркаса «Трансвааль Парка» 1-опорная колона, 2-опорное кольцо, 3-купол-кровля, » (а) и две основные моды изгибных колебаний купола – кровли (б).

Если амплитуда прогиба купола-кровли в центре равна ξ₀, то по всему куполу реализуется некоторое распределение относительной деформации растяжения-сжатия Δε (r). В этом случае величина при интегрировании прямой, проходящей через центр купола, равна амплитуде абсолютной деформации растяжения-сжатия, где d – поперечный размер деформацией области. Если прогиб в центре этой области ξ₀, то Δl_maxоценивается величиной n= ξ₀/d, где n≈5÷10. Для диаметра купола-кровли «Трансвааль-Парка» d=80м и ξ₀ ~ 5 см, Δl_max=2см, что много больше ширины отдельного дефекта структуры и соизмеримо с суммарной шириной трещин
при суммировании по траектории, проходящий через центр купола.

Соотношение между Δl_max и размерами дефектов может быть критерием, определяющим возможность развития последних при изгибных колебаниях конструктивного элемента. В предварительно напряженных железобетонных элементах (а именно такими были кровли «Трансвааль-Парка» и Басманного рынка) пульсация деформаций растяжения-сжатия приводит к релаксации усилия предварительно натяжения арматуры и высвобождению последней из бетона. В результате этого элемент теряет проектную несущую способность и разрушается. Время релаксации усилия предварительного натяжения можно оценить по аналогии с [7] и считать пределом выносливости соответствующего конструктивного элемента и сооружения в целом. Характеристики дефектов отдельных видов бетона описаны в [5], а в [9] получены микрофотография дефектов.

Рис.2. микрофотографий бетонных шлифов, содержащих дефекты структуры[9]

3. Силовые факторы динамических воздействий на сооружения в процессе эксплуатации

Предварительный анализ показал, что наиболее распространёнными источниками динамических воздействий на стационарные сооружения являются ветровые, акустические и генераторы механических колебаний, передающихся на сооружения. Последние могут быть оборудования работающие внутри сооружения или в его окрестности, транспорт и т.п.

Ветровые воздействия обусловлены уменьшением статического давления в воздушном потоке по сравнению с неподвижным воздухом (в т.ч. внутри сооружения) на величину скоростного напора (уравнение Бернулли). Анализ научно-технической литературы в строительной области показал, что в разделе «Ветровые нагрузки» действующего в отрасли СНиП 2.01.07-85 (с изменениями 1993, 1986) «Нагрузки на строительные сооружения», методика расчета течений газа при обтекании объемных сооружений имеет существенные погрешности, а именно:

– в регламенте не рассматривается вопрос о давлении внутри объемных строительных сооружений; в частности, не акцентируется важное обстоятельство сохранения полного давления (давления торможения) внутри закрытых сооружений;

– ошибочно утверждается возможность возникновения на отдельных элементах сооружений давлений, превышающих атмосферное, а также разрывов (скачков) давления на линиях тока при обтекании ломаного контура;

– не учитывается ускорение потока при обтекании выпуклых профилей, в том числе кровель.

$C:\Users\asus\Desktop\рис.1Схема рапределения перепада давления.png$ Рис.3.Схема распределения перепада давления на ограждающих элементах объемного сооружения

На рис.2 представлена схема течения воздуха в окрестности объемного сооружения и приведены основные соотношения для расчета перепадов давления на элементах ограждающих конструкций.

Для целей диссертационной работы наиболее существенными являются следующие положения:

- при обдуве ветром закрытых объемных сооружений на всех элементах ограждающих конструкций возникает перепад давлений пропорциональный скоростному потоку воздуха - , обусловленный соответствующим разрежением воздуха снаружи сооружения.

- при обтекании выпуклых криволинейных профилей поток ускоряется приблизительно пропорционально длине профиля.

Акустические воздействия обусловлены избыточным давлением за падающей звуковой волной P_(Па)= 2∙10^-5∙10^L^/20, где L (дБ) – сила звука. Акустические воздействия, в основном имеют техногенную природу, в особенности, длительные. Уровню (силе) звука L(Дб) соответствует среднее давление P(Па) за падающий звуковой волной, аппроксимируемое выражением P=2∙10^-5∙10^L^/20. Таким образом, силе звука 150 Дб (возникающего при работе некоторых устройств) соответствует P≈650 Па. Частотный диапазон акустических воздействий очень широк (20÷20∙10³ Гц), поэтому для отдельных элементов конструкций возможно возникновение резонанса. Частным случаем резонанса можно считать возникновение (установление) стоячих звуковых волн внутри свободных помещений большого объема (аналог «Трансвааль-парка»). Резонансными при этом являются частоты кратные отношению скорости звука к характерному размеру помещения. Согласно [8] в приближении абсолютно жестких стенок (бесконечный импеданс) для звукового поля в случае резонанса решение имеет вид

;

где U- амплитуды звукового давления, M – число Маха звуковой волны; γ- показатель адиабаты; т.е. есть члены, нарастающие во времени. Для сооружений типа «Трансвааль – Парка» такое резонансное давление, создаваемое внутренними источниками звука арифметически складывается с перепадом давления, обусловленным ветровыми нагрузками.

Существенно, что действующие технические строительные нормативы не предусматривают учета влияния акустических воздействий на сооружения. В этом отношении работа обладает методическим приоритетом. Весьма вероятно, что разрушение терминала в парижском аэропорту Руасси - Шарль де Голль произошло, в основном, в результате акустических воздействий от работающих вблизи авиационных двигателей.

Вследствие значительной (~10² кг/м²) поверхностной плотности бетонных элементов строительных сооружений существует верхняя граница частоты колебаний (вибраций) ν*, такая, что эффективное возбуждение колебаний происходит лишь при ν ≤ ν*. Сравнительно простые оценки показывают, что в большинстве случаев ν* ≤ 10 Гц. Результатом ветровых и акустических воздействий является пульсирующее давление, изменяющееся в диапазоне от нуля до максимальных значений, указанных выше.

Наиболее сложны́ для расчетных оценок динамические воздействия, обусловленные генерируемыми непосредственно в сооружениях механическими колебаниями. Первичными источниками таких колебаний в городских условиях и в промышленных сооружениях являются работающее оборудование, транспорт и т.п. Колебания при этом могут передаваться либо элементам сооружения, находящимся в механическом контакте с источником, либо через промежуточную упругую среду, например, вибрации от метро через грунт. Для целей настоящей работы диагностику таких колебаний предпочтительно проводить экспериментально, например, непосредственно определяя деформацию рассматриваемого элемента конструкции.

В тонкостенных элементах строительных конструкций уже возникшие механические колебания распространяются в виде поперечных (изгибных) волн, что сопровождается возникновением в этих элементах пульсаций деформаций и напряжений сжатия и растяжения.

Список литературы

1. Анализ материалов расследования аварии центра-массового отдыха «Аквапарк» в г. Москве –Вологдинские чтения 2005, №48, с.33÷36.

2. Назаров Ю.П., Жук Ю.Н., Симбиркин В.Н., Егоров М.И. Басманный рынок: анализ конструктивных решений и возможных механизмов разрушения здания. // Строительная механика и расчет сооружений. – 2007. – №2. – С. 49-55.

3. В аэропорту Парижа рухнула крыша [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.news.bbc.co.uk/hi/russian/news/newsid_3739000/3739739.stm (дата обращения 14.01.2013)

4. Н.Н. Остроухов, Почему рухнул «Трансвааль-Парк». Наука и жизнь. 2006. №9. с.74-75.

5. А.М. Невиль. Свойства бетона М.: Изд-во литературы по строительству 1972, -344с.

6. А. Дюрелли, Дж. Холл, Ф. Сберн и др./под ред. А.Кобаяси Экспериментальная механика, кн.2. М.: Мир, 1990, 552с.

7. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е. «Кинетическая природа прочности твердых тел»1974. 560 с.

8. Л.К. Зарембо, В.А. Красильников. Ведение в нелинейную акустику// М., Наука, 1966. 520с.

9. [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.understanding-cement.com/alkali-silica.html (дата обращения 14.01.2013)