Живучесть большепролетных металлических покрытий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 624.046

На правах рукописи

ДРОБОТ ДМИТРИЙ ЮРЬЕВИЧ

ЖИВУЧЕСТЬ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОКРЫТИЙ

Специальность: 05.23.01 ? Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор Кудишин Ю.И.

Москва - 2010

Содержание

Раздел

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

§ 1.1 Введение

§ 1.2 История возникновения темы и сложившиеся стратегии защиты от «прогрессирующего» обрушения в строительстве.

§ 1.3 Вопрос живучести в различных областях человеческой жизнедеятельности

§ 1.4 Вопрос живучести с позиций универсальных подходов системного анализа

§ 1.5 Вопрос живучести применительно к строительным конструкциям.

§ 1.6 Выводы по главе

2. МЕТОДИКА РАСЧЕТА НА ЕДИНИЧНУЮ ЖИВУЧЕСТЬ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫМ МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ПОКРЫТИЯМ

§ 2.1 Введение

§ 2.2 Концептуальная постановка вопроса живучести применительно к строительным конструкциям

§ 2.3 Методика расчета на единичную живучесть применительно к несущим конструкциям большепролетных металлических покрытий.

§ 2.4 К методике проведения модельных испытаний на живучесть

3. БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ ВАНТОВОЕ ПОКРЫТИЕ. КРЫТЫЙ КОНЬКОБЕЖНЫЙ ЦЕНТР В КРЫЛАТСКОМ В Г. МОСКВЕ

§ 3.1 Введение.

§ 3.2 Исследование проектной модели покрытия до аварии и после восстановления

3.2.1 Описание конструктивной системы покрытия до аварии.

3.2.2 Предварительный логико-топологический (кинематический) анализ живучести покрытия

3.2.3 Описание расчетной конечно-элементной модели покрытия до аварии

3.2.4 Отладка математической модели.

3.2.5 Результаты численных расчетов неповрежденного покрытия

3.2.6 Результаты численных расчетов покрытия на живучесть

§ 3.3 Разработка дополнительных мер и альтернативных вариантов усиления

§ 3.4 Выводы по главе

4. БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ СЕТЧАТОЕ ПОКРЫТИЕ. ЛЕДОВЫЙ ДВОРЕЦ НА ХОДЫНСКОМ ПОЛЕ В Г. МОСКВЕ

§ 4.1 Введение

§ 4.2 Анализ живучести варианта покрытия, представленного на экспертизу

4.2.1 Описание конструктивной системы покрытия

4.2.2 Предварительный логико-топологический анализ

4.2.3 Описание расчетной конечно-элементной модели покрытия

4.2.4 Отладка математической модели

4.2.5 Результаты численных расчетов неповрежденного покрытия

4.2.6 Результаты численных расчетов покрытия на живучесть

§ 4.3 Анализ живучести варианта покрытия с реализованным усилением

4.3.1 Реализованный и альтернативные варианты усиления.

4.3.2 Результаты численных расчетов на живучесть покрытия с реализованным усилением

4.3.3 Экспериментальные исследования на крупноразмерной модели

§ 4.4 Выводы по главе

5. ВЫВОДЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ИССЛЕДОВАНИЯ

§ 5.1. Выводы по результатам исследования.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ УКАЗАТЕЛЬ

Введение

Деятельность человеческого общества в конце ХХ и начале ХХI века связана с развитием больших технических и организационно-технических систем глобального масштаба, обеспечивающих жизнедеятельность в политической, экономической, военной, экологической и других областях. Обычно эти системы имеют развитые коммуникации энергоносителей, связи, управления, транспорта, насыщены средствами автоматики, имеют сложную структуру ресурсообеспечения и взаимодействия. По мере развития подобных систем возрастает их чувствительность к различного рода внешним повреждающим/аварийным воздействиям стихийного (землетрясения, наводнения, солнечная активность, погодные катаклизмы) и целенаправленного характера (боевые действия противоборствующей стороны, терроризм).

Примерами аварий суперсложных систем, появившихся в результате научно-технической революции, природных и техногенных катаклизмов, могут служить: события на Чернобыльской АЭС, Бхопал, гибель экипажей астронавтов «Челенджера» и «Колумбии», разрывы нефте- и газопроводов, падение воздушных судов, катастрофы морских подводных лодок и многие другие события с большими человеческими жертвами и заражением окружающей среды. Приведем три относительно недавних и показательных примера для строительной сферы: авария электроподстанции в п. Чагино (Моск. обл.), один из пожаров на Останкинской телебашне, авария на Саяно-Шушенской ГЭС. В первом случае авария привела к каскадному эффекту отключения других объектов энергетики (в итоге значительная часть объектов г. Москвы осталось без электричества), в третьем, помимо тяжелого экономического ущерба, - к гибели людей. Во втором случае внимание специалистов, СМИ, общественности было приковано к вопросу: «А хватит ли несущей способности уцелевших тросов для обеспечения устойчивости башни?».

Несмотря на бурное развитие аналитического аппарата, компьютерной техники, методов моделирования, ученые и инженеры в этих случаях не смогли справиться с проблемами проектирования, создания и эксплуатации высокоопасных и ответственных систем. Поведение сложных человеко-машинных систем пока трудно поддается математическому описанию, а, следовательно, неизбежно нарушение устойчивости их функционирования и надежного управления последними.

Ключевой момент, неотъемлемый для всех отраслей, это безопасность человеческой жизнедеятельности. В большинстве сфер решение проблемы безопасности любой системы выливается в обеспечение двух ее главных свойств: надежности и живучести В узком смысле живучесть понимается как свойство (качество) поврежденной системы полностью или частично выполнять свое функциональное назначение. . При этом второе свойство, ошибочно отождествляясь с первым, закладывается в проектируемые системы зачастую на подсознательном (интуитивном) уровне.

Наиболее иллюстративно проблема живучести может быть продемонстрирована в биосфере. Так, любой из биологических видов вынужден бороться за собственное выживание в условиях внешней агрессии остальных видов при условии ограниченности существующих ресурсов для потребления.

При анализе состояния вопроса в различных сферах, в которых проблема живучести изначально стоит остро (военная сфера, радиоэлектроника и др.), становится заметно, что в последних существует большое количество специфичных наработок, хорошо сформированных и отработанных подходов, т. к. проблема живучести для них является рядовой. Общим для всех сфер является анализ поведения систем при выходе из строя составляющих ее частей. Выявление при этом дополнительных резервов систем, альтернативных (запасных) путей перераспределения внешних воздействий при их закритическом уровне выливается в изучение свойства живучести. Однако, подходы из других сфер не всегда применимы для проектирования строительных конструкций из-за отличия в типах систем (организации, внутренней топологии, условий функционирования и т. д.). С системных позиций фундаментальных наук проблема живучести рассматривается в рамках обобщенной проблемы устойчивости - математической теории катастроф, основные положения которой были сформулированы еще в начале ХХ века.

В целом анализ публикаций и проектных материалов показывает, что на сегодняшний день ещё не достигнуто системное, достаточно согласованное толкование совокупности свойств объектов техники, характеризующих их эксплуатационную работоспособность (надёжность, живучесть, эффективность и безопасность). Последние определяют разные стороны изменений работоспособности объекта. Одни ученые основываются на анализе источников нарушений работоспособности, другие - на анализе их последствий.

Такое состояние вопроса объясняется тем, что теория живучести систем еще только находится на стадии становления и оформления в самостоятельную научную дисциплину.

Частным из общего состояния является сложившаяся ситуация в строительных науках. Для них наблюдается некоторое методологическое отставание, свойственное всем прикладным наукам. По мнению диссертанта в общей постановке к проблеме живучести зданий и сооружений следует отнести давно изучаемые вопросы сейсмостойкости, огнестойкости, выносливости и т. д.

В последнее время в строительстве набирает обороты «архитектурный» бум, заключающийся в давлении архитектурных показателей (эстетики экстерьеров и интерьеров) над конструкторской практикой. В итоге усложнение зданий и сооружений, выражающееся в возрастании длин пролетов, величин высотных отметок, нередко использовании сбитой сетки колонн, новых материалов и т. д., в совокупности с рыночной конкуренцией («гонкой» за сокращение сроков, снижение себестоимости строительства) приводит к возведению малоизученных и недостаточно апробированных, а, значит, и рискованных конструктивных форм (рис. А). В РФ ситуация усугубляется «отстающей» от вызовов времени нормативной базой, неудовлетворительной подготовленностью участников строительства, нарушением правил эксплуатации построенных объектов и многими другими негативными факторами, возникшими после развала СССР и последовавшим десятилетием бурной перестройки экономики начала 90-х годов. В идеальном случае, даже если все нормативные требования (начиная с проектирования, возведения и кончая всем периодом эксплуатации) будут стопроцентно соблюдены, что практически невозможно, аварии неизбежны в силу объективного несовершенства созданных человеком норм.

Особое место среди всех типов строительных сооружений принадлежит большепролетным и высотным конструкциям. Именно их случаи обрушения (башни ВТЦ, аквапарк в Ясенево, Бауманский рынок и др.) создали мощное психологическое давление на общество, выродившееся в импульс к поиску и исследованию мер для повышения безопасности таких объектов.

Как было отмечено выше, одним из методов повышения безопасности эксплуатации объекта может быть обеспечение последнего таким качеством как живучесть. Но на практике, при реализации интуитивно понятного качества живучести, возникают трудности еще на стадии разработки проектной документации. Причина - в мировом масштабе в кругах инженерно-научного сообщества существуют различные точки зрения, как в терминологии, так и в подходах к решению проблемы обеспечения живучести строительных конструкций. Желаемое свойство живучести для строительной конструкции подменяется требованием, возникающим в результате ошибочной постановки проблемы, - требованием недопущения «прогрессирующего» (лавинообразного, каскадного, цепного, диспропорционального) обрушения. Как следствие даже при ошибочной постановке вопроса не могут не вызывать сомнения в эффективности отдельные решения-рекомендации по необоснованному увеличению в 1,5 - 2 раза резервов несущей способности, закладываемых в ключевые элементы конструкции, вероятность отказа которых при этом исключается из рассмотрения.

В РФ положение по данному вопросу усугубляется наличием «сырой» нормативной базы, почти не подвергавшейся изменениям. Поясним.

Обязательный расчет строительной конструкции на отказ любого элемента предписывает п. 1.10 ГОСТ 27751-88, но этот документ, введенный в действие еще в 1988 г., не содержит информации и не отвечает на вопросы о том, зачем нужен данный пункт и каким образом ему можно удовлетворить. Поэтому в РФ для выполнения большинства расчетов при реальном проектировании используется серия рекомендаций, разработанная за последние десять лет в основном специалистами МНИИТЭП [100 - 104]. С одной стороны, в этих рекомендациях, не прошедших широкого и всестороннего обсуждения в научно-исследовательских и проектных институтах, имеется много противоречий, как между отдельными документами, так и внутри самих документов. Такие противоречия порождают путаницу и недоразумения у специалистов (как результат появляются конструктивные решения, приводящие к «невероятному» перерасходу материалов). С другой стороны, поскольку эти документы носят рекомендательный характер, получается, что инженеры-проектировщики априори вынуждены работать вне правового поля.

Вывод: в настоящее время вопреки прогрессу в области проектирования строительных конструкций, их возведения и эксплуатации в мировой практике и у нас в стране проблема живучести далека от ее эффективного решения. Основная причина - проектировщики даже при работе над обычными зданиями, не говоря уже об уникальных сооружениях, не имеют единой и «четкой» методики и концепции расчета на живучесть.

В контексте вышеописанных современных реалий такое неудовлетворительное состояние вопроса определило актуальность данного диссертационного исследования.

Структура работы. Представленную работу можно условно разделить на две части. Первая часть работы носит утвердительно-повествовательный характер, и написана на основе приведенных в библиографическом указателе источников, которые местами цитируются. В ней в основном сравниваются различные подходы к решению проблемы живучести систем. Первой части работы присущ конвергентный (собирательный) характер, второй - дивергентный (распространительный) характер, она ориентирована только на строительные конструкции; в главах этой части показаны «инженерные» исследования живучести реальных объектов и полученные при этом результаты.

Кратко сформулируем основные особенности и контуры работы:

- Ее превалирующий поисковый и постановочный характер. Поскольку работа постановочная (проблема живучести строительных конструкций формулируется как для практического применения, так и для контуров будущих исследований), то она не претендует на детальное и углубленное исследование свойства живучести той или иной конструктивной формы, а также на конкретные узкоспециализированные рекомендации. При этом следует учитывать, что в настоящее время из-за «модности» тематики скорость ее изучения резко увеличивается, а это в свою очередь приводит к быстрому устареванию материалов данной диссертационной работы;

- Широкое применение вычислительной техники, и как следствие, корректировка направления научного поиска в соответствие с ее текущим уровнем и возможностями;

- Поскольку достаточно трудно рассмотреть вопрос живучести комплексно и одновременно со всех позиций, в отдельных главах и параграфах неизбежны одинаковые ссылки и повторения.

Объектом исследования в представленной работе являются строительные здания и сооружения при акценте на сегмент покрытий большепролетных сооружений, выполняемых преимущественно из металлических элементов. Для последних, как и для любых пространственных протяженных конструкций характерна высокая степень социальной значимости и ответственности при эксплуатации, например, связанная с возможным массовым скоплением людей при проведении тех или иных общественных мероприятий.

В определенной степени последовательность рассмотрения типов сооружений по главам является умышленной: сначала в качестве отрицательного примера приводится сооружение с нулевой живучестью, затем пример положительного решения вопроса живучести еще на стадии проектирования.

Предметом исследования является свойство живучести. Цель заключается в разработке концептуальных вопросов (раскрытии темы) живучести строительных конструкций и методики расчета на живучесть для большепролетных металлических покрытий (см. рис. Б). В соответствии с поставленной целью в работе были решены следующие задачи, представляющие научную новизну:

- Выполнен научный поиск с обзором мировой литературы по тематике живучести в различных сферах человеческой жизнедеятельности;

- Сформулирована проблема единичной живучести применительно к конструкциям большепролетных металлических покрытий;

- Разработана методика расчета на единичную живучесть применительно к конструкциям большепролетных металлических покрытий;

- Разработана система критериев при решении задачи живучести для металлических покрытий большепролетных сооружений;

- Разработан алгоритм решения задачи живучести в нелинейной динамической постановке;

- Разработанная методика отработана на конкретных социально и технически значимых объектах;

- Сформулированы подходы к проведению экспериментальных исследований на живучесть.

Методы исследования опирались на использование современных научных положений методики предельных состояний, системного анализа, а также включали в себя, как изучение научно-технической литературы по исследуемому вопросу, так и получение численных данных, осуществляемое с привлечением аппарата механики сплошных сред, динамики сооружений, в том числе и проведение экспериментов на физической модели с анализом теоретических и экспериментальных результатов.

Достоверность и обоснованность научных гипотез и полученных результатов определяются несколькими факторами: корректностью, с точки зрения строительной механики и механики сплошных сред, постановки задач; обоснованностью всех этапов расчета и использованием при этом апробированных методов динамики сооружений; выполнением исследований с применением современного экспериментального оборудования.

Практическое значение. Обеспечение живучести позволяет повысить безопасность любых сооружений при строительстве и эксплуатации. Количественно оценить и гарантировать требуемую величину живучести можно при совместном использовании разработанной методики расчета с проведением модельных испытаний.

Для всех рассмотренных объектов, на которых отрабатывалась методика, проблема живучести является актуальной, а сами объекты являются реальными (построенными). Фактически в двух последних главах продемонстрировано как следует поступать в повседневной проектной практике при обеспечении единичной живучести уникальных сооружений.

Внедрение результатов работы. Разработанная методика или ее отдельные положения в модифицированном виде использовалась автором при реальном проектировании различных зданий и сооружений, выполненных из металла, например, ледового дворца спорта «Ермак» (г. Ангарск, Иркутская обл.), крышной рекламной установки «Согаз» (г. Москва), в том числе выполненных и из неметаллических материалов, например, надземной части здания Государственного Академического Большого Театра (г. Москва, материал несущих стен кирпич), офисно-административного комплекса АРКУС III (г. Москва, материал - железобетон) и других.

Разработанная методика также была апробирована в рамках студенческих дипломных работ под научным руководством автора на следующих объектах: стадион «Локомотив» (г. Москва), покрытие культурно-развлекательного комплекса «Дом музыки» (г. Москва), мост «Живописный» (г. Москва) и др.

Апробация работы. Положения диссертации, в основном изложенные в публикациях [32, 60 - 64] и учебном пособии [44], докладывались и обсуждались на научных конференциях и семинарах, проходивших в странах СНГ (РФ, р. Беларусь, Украина):

1. Международной научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», г. Москва, в 2006 и 2008 гг.;

2. Международной научно-практической конференции «Применение стальных конструкций в уникальных сооружениях и массовом строительстве», МВЦ «КРОКУС ЭКСПО», г. Москва, 2009 г.;

3. Научной сессии «Особенности проектирования и расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и прогрессирующее обрушение», НИИЖБ, г. Москва, 2009 г.;

4. Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции», г. Брест, 2009 г.;

5. На семинарах кафедры «МК» МГСУ в 2006 - 2009 гг.

Личный вклад автора в выполнение диссертационной работы выделить затруднительно, т. к. идеи, приведенные в диссертации, выработаны в совместной работе и дискуссиях с научным руководителем, а экспериментальные данные получены специалистами ЦНИИС. Концептуальные положения, обоснованные во второй главе, основаны на критике и синтезе мнений разных ученых и специалистов. Такой синтез и представляет научную новизну.

Автор выражает благодарность:

- своим Учителям - Н.В. Канчели, Ю.И. Кудишину, В.А. Устюхину;

- руководству и всем специалистам проектной организации ЗАО «Курортпроект» за созданные «комфортные» условия для выполнения данной работы, а особенно, П.А. Батову, А.Ф. Самохину, М.Д. Филиппову;

- специалистам Центрального Научно-Исследовательского Института транспортного строительства (ЦНИИС) Е.И. Павлову, А.М. Тарасову, Е.Г. Игнатьеву;

- специалистам ЦНИИСК им. Кучеренко и МГСУ П.Г. Еремееву, А.Ф. Беляеву, А.В. Михайлову, специалистам ООО «ГК Техстрой» М.И. Кельману, П.А. Золотову, Козыреву О.А. за консультации технического характера;

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПО ТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Введение

При изложении материалов обзорной части диссертации возникают затруднения. Они обусловлены следующими причинами:

1. Как уже было отмечено в общем введении к работе, избранное научное направление стойкости к повреждающим воздействиям, т. е. живучести на современный момент находится лишь только на стадии становления и формирования в отдельную научную дисциплину. Такое состояние присуще всем без исключения сферам человеческой жизнедеятельности, и для каждой из них характерно его независимое возникновение и протекание. А при этом де-факто неизбежны: общая терминологическая запутанность, различие трактовок, понятий, концепций, методик и способов решения проблемы. Такие факторы накладывают определенные сложности на структурированность изложения. Разобраться в запутанной проблеме можно было лишь только, взглянув на ее истоки с универсальных позиций системного анализа.

2. Сейчас в строительстве по исследуемой теме происходит активизация научных аналитических и экспериментальных исследований, наблюдается заимствование подходов и методов по обеспечению свойства живучести из других сфер.

3. Дополнительные трудности при изложении материалов обзорной части возникают из-за «эволюции» взглядов, в том числе вызванной публикациями автора и научного руководителя, различных исследователей в течение даже относительно небольшого промежутка времени (два - три года с момента исследований автором по теме).

4. Литературный поиск показал, что вопрос живучести большепролетных покрытий и сооружений затрагивается лишь в нескольких публикациях. А на момент начала написания данной работы в РФ не существовало ни одного нормативного документа, регламентирующего в развернутом виде вопросы безопасности и живучести большепролетных конструкций, в то время как для обычных зданий за последние десять лет (1999 - 2008 г.) произошел резкий скачок нормо-«творчества». Первый нормативный документ, затрагивающий вопрос безопасности и живучести большепролетных сооружений [70], появился относительно недавно, в 2008 г.

Обозначенное состояние вопроса с одной стороны подчеркивает новизну темы, обусловленную выбранным объектом исследования, а с другой стороны неизбежно направляет угол обзора на существующие материалы, основной фокус которых - обычные здания.

Отпечаток на текст данной и следующей глав накладывает пристрастие автора к критичному философско-системному с идеалистическим уклоном мировоззрению на причинно-следственные связи между любыми фактами и событиями.

Учитывая сложившуюся запутанность вопроса, логично изложить материалы обзорной части по нижеприведенным направлениям и в следующей последовательности:

- Возникновение первых методологических затруднений в вопросе стойкости строительных конструкций к отказам элементов в контексте истории развития темы «"прогрессирующее" обрушение». Сложившиеся подходы защиты от «прогрессирующего» обрушения;

- Примеры решения темы в разных сферах человеческой жизнедеятельности;

- Проблема живучести в ключе системного (междисциплинарного) подхода: место, роль и диалектика взаимосвязи основных свойств любой системы - надежности, живучести и безопасности;

- Проблема живучести строительных конструкций, в том числе и большепролетных.

К сожалению, из-за языкового барьера не удалось изучить наработки азиатских специалистов (КНР, Япония). Результаты исследований которых, скорее всего, обладают высокой научной ценностью и значимостью.

1.2 История возникновения темы и сложившиеся стратегии защиты от «прогрессирующего» обрушения в строительстве

Как отмечается в [146, 147] возникновение темы «"прогрессирующее" обрушение» (англ. progressive collapse) связано с рядом трагических событий, общим для которых был фактор диспропорциональности между причиной (аварийным событием) и величиной конечного повреждения.

Так, первым из них стало обрушение бокового фасада здания «Ronan Point» в Англии в 1968 г., вызванное взрывом бытового газа на 18 этаже, который привел к разрушению наружной панели, служившей опорой для вышележащих панелей (рис. 1.1). В результате падения обломков вышележащих конструкций, а также, поскольку конструктивная схема здания не обладала свойством многосвязности и не предусматривала возможности перераспределения нагрузки, произошла цепочка отказов, повлекшая за собой значительные повреждения. Комиссия, расследовавшая причины обрушения, использовала в докладе термин «прогрессирующее» обрушение и сформулировала подходы к защите от него для панельных зданий.

После трагедии появились изменения в нормативной базе Англии - в ноябре 1968 г. были изданы «Стандарты по недопущению ПО в крупнопанельных конструкциях» В [128] отмечается: «Эти новые требования в нормах вызвали много споров и возражений. Ряд английских инженеров-строителей считали, что указанное изменение строительных норм принято поспешно без сравнительного анализа стоимости более безопасных способов монтажа газового оборудования в жилых домах.

Имелось возражение и относительно принятого расчетного перепада давления 34,5 кПа, основанное на опыте разрушения описываемого здания, состоящее в том, что остекление и дверные коробки часто могут быть выбиты взрывом до того, как возникает это давление, и взрыв, таким образом, будет ослаблен. Вызвала также сомнение правомерность повышения стоимости строительства всех зданий, достигающего по некоторым оценкам 15 %, из-за разрушения только одного крупнопанельного дома, стыки которого не были запроектированы надлежащим образом и, естественно, не рассчитывались на воздействие взрыва газа.

В процессе дискуссии английские инженеры-строители отмечали, что многоэтажные каркасы зданий, правильно спроектированные и построенные в соответствии с английскими строительными нормами, существовавшими до описываемого разрушения, способны выдержать рассматриваемые повышенные нагрузки. Отмечалось также, что для таких сооружений достаточно предусмотреть узлы соединения всех несущих элементов (включая панели перекрытий), способные воспринимать действующее в любом направлении горизонтальное усилие, равное 25 % вертикальной опорной реакции балок и плит, опирающихся на данный этаж.

Некоторые специалисты считают, что внесенное в английские строительные нормы изменение является ненаучным и слишком жестким требованием, так как оно не учитывает новых конструктивных решений, предложенных английским обществом инженеров-строителей».. В этих стандартах впервые были зафиксированы такие термины, как альтернативный путь нагрузки, сплошность и случайная нагрузка. В апреле 1970 г. эти стандарты стали частью обязательных норм для проектирования сооружений в Англии.

Изменения произошли в нормах и других государств (рис. 1.2). В 1972 г. термин ПО был впервые отображен в нормах США (ANSI A58.1-1972, впоследствии в ANSI A58.1-1982, ACI 318, ACSE 7-2002, UFC 4-023-03). В 1975 г. - в национальных строительных нормах Канады. Европейская комиссия по стандартизации также внесла необходимые изменения в Eurocode.

Рисунок 1.2. - Изменения в нормах различных стран, последовавшие за случаями обрушений зданий и покрытий

Хотя, существовало большое количество научных исследований «Основные выводы, полученные разными исследователями, и последовавшие за ними изменения норм проектирования, особенно для панельных зданий, большинства развитых стран оказались схожи. Для конструкций различных систем зданий основные рекомендации сводились к следующему:

- Не отказываясь в принципе от профилактических мер, направленных на предупреждение локальных ЧС или возникающих при них аварийных воздействий, самое серьезное внимание следует уделить предупреждению “прогрессирующего” обрушения. Это вызвано, во-первых, тем, что никакими экономически оправданными мерами невозможно полностью исключить возможность локальных разрушений несущих конструкций зданий; во-вторых, тем, что “прогрессирующее” обрушение ведет к наиболее тяжелым последствиям, в-третьих, тем, что, при сравнительно небольших местных разрушениях несущих конструкций зданий, обеспечение их устойчивости против “прогрессирующего” обрушения позволяет предотвратить эти последствия, а защита может быть достигнута простыми и не дорогостоящими техническими средствами.

- Основной принцип предотвращения “прогрессирующего” обрушения - повышение неразрезности конструктивной системы здания посредством совершенствования стыков и связей между конструктивными элементами.

- Эффективность конструктивной защиты зависит от развития в элементах конструкций и их связях пластических деформаций; для пластичности связей, в частности, требуется, чтобы прочность анкеровки связей в сборных элементах была “соответствующей”, т. е. больше несущей способности самой связи, или больше усилий, вызывающих текучесть связи.

- Отмечается качественное сходство рекомендуемых мер защиты от “прогрессирующего” обрушения с апробированными конструктивными антисейсмическими мероприятиями. В литературе приводятся многочисленные примеры сейсмостойких зданий, локальные разрушения которых не привели к “прогрессирующему” обрушению благодаря соответствующей сейсмозащите» [128]. по теме ПО, в течение 70-х и в начале 80-х годов активность исследований в этой области сильно замедлилась вплоть до середины 90-х, пока новые серьезные обрушения вновь «восстановили» и окончательно «утвердили» интерес к проблеме. Ими были: обрушение при строительстве отеля «Skyline Plaza» в 1973 г., вызванное преждевременным демонтажем временных опор из под монолитных ж.б. конструкций, еще не набравших достаточной распалубочной прочности; случаи масштабных обрушений в результате терактов на объекты военных казарм США в Ливане (1983 г.), объект федерального здания в г. Оклахома («Murrach Office Building», 1995 г.) и др. Психологически яркими стали террористические события, произошедшие 11 сентября 2001 года в США. Башни Всемирного Торгового Цента (ВТЦ) «…Это событие - сильная публичная демонстрация “слабостей”/уязвимостей, потенциально присущих зданиям и сооружениям, подвергаемых опасностям от непредвиденных экстремальных нагрузок. Серьезные повреждения от падающих обломков двух башен получило примерно десять близлежащих зданий, но нельзя сказать, что случаи с ними можно отнести к “прогрессирующему” обрушению» [179].

При проектировании конструкции башен были рассчитаны на удар самолета и возможность пожара, но не на случай их одновременного действия., при проектировании рассчитанные на удар самолета, обрушились через 40 - 50 минут в результате целенаправленного и комбинированного воздействия (удар самолетов плюс огневое воздействие в виде пожара) и т. д.

В иностранной литературе эффективность внедрения новых нормативных требований демонстрируется на примере неудавшейся попытки подрыва Монетного двора в Лондоне (1992 г.) - конструкция с рамно-связевым каркасом из металлических колонн и монолитными ж.б. дисками перекрытий получила значительные повреждения, но не обрушилась от террористического взрыва двух бомб на расстоянии шести метров от главного фасада.

Среди нормативных документов РФ (в то время СССР) термин «прогрессирующее» обрушение впервые зафиксирован в «Пособии по проектированию жилых зданий к СНиП 2.08.01-85. Вып. 3» от 1986 г. [94]. А необходимость расчета конструкций на отказ любого элемента (см п. 1.10 ГОСТ 27751-88 До определенного времени пункт 1.10 ГОСТ 27751-88 находился «в забвении». В том числе данный пункт требует рассмотрения при расчете любых конструкций аварийной ситуации, имеющей малую вероятность появления и небольшую продолжительность, но являющейся весьма важной с точки зрения последствий достижения предельных состояний, возможных при ней (например, ситуации, возникающей в связи со взрывом, столкновением, аварией оборудования, пожаром, а также непосредственно после отказа какого-либо элемента конструкции). Фактически пункт требует обеспечения для конструкции свойства единичной живучести (см. главу 2).

В [34, 35] справедливо отмечается: «…это требование не определено никакими нормативными документами… Какие элементы следует при расчетах исключать, в каком количестве, в какой последовательности, какие расчетные сочетания нагрузок принимать для этого случая? Следует ли при этом учитывать причину отказа, вид отказа и его возможные последствия?».) введена в нормы в 1988 году. В период времени с 1999 г. по 2006 г. методики расчета на «прогрессирующее» обрушение для различных типов зданий были изложены в серии рекомендаций [100 - 104] (крупнопанельные - 1999 г., каркасные - 2002 г., с несущими кирпичными стенами - 2002 г., жилые монолитные - 2005 г., высотные - 2006 г.). С 2001 г. МГСН 3.01-01 «Жилые здания» и МГСН 4.19-05 «Многофункциональные высотные здания и комплексы» требуют обеспечения устойчивости зданий к «прогрессирующему» обрушению. Проблема ПО затрагивается в проекте СНиП 20-01-2003 «Надежность строительных конструкций зданий и оснований» от 2003 г [109]. В 2008 г. появляется первый нормативный документ МДС 20-2.2008, регламентирующий проблему для большепролетных сооружений; в этом же году издан СТО 36554501-014-2008 «Надежность строительных конструкций», фиксирующий термин ПО Здесь «прогрессирующее» (лавинообразное) обрушение определяется как последовательное (цепное) разрушение несущих строительных конструкций и оснований, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей вследствие его начального локального повреждения. [114].

Систематизируя положения нормативных документов разных стран, можно выделить два сформировавшихся подхода защиты от «прогрессирующего» обрушения (табл. 1.1) [46, 137, 144, 148, 150, 156]. В соответствии с первым подходом (англ. indirect method) необходимо использовать косвенные меры защиты, со вторым (англ. direct method) - способность ключевых элементов (англ. specific local resistance method или key element design) воспринимать повреждающие воздействия (взрывы газов, бомб; ударные нагрузки от транспортных средств, самолетов и т. д.), и (или) способность конструкции перераспределять нагрузки при отказе элемента (англ. alternate load path method, bridging method).

Косвенные меры предполагают:

- Предотвращение или снижение до приемлемого уровня вероятности появления и/или интенсивности особого воздействия за счет применения превентивных или организационных мероприятий (запрещение хранения взрывчатых материалов, устройство защитных экранов, оболочек, барьеров безопасности, увеличение зон, недоступных для террористической угрозы и т. п.);

- Конструктивные мероприятия, обеспечивающие интегральную целостность, неразрезность, многосвязность системы, пластическую деформативность (tie method) и т. п.

Для последних лет характерна тенденция попыток ввода в строительные нормы управления рисками Величина риска определяется произведением вероятности возникновения события на величину ущерба. реализации «прогрессирующего» обрушения. Предлагается нормировать уровень стойкости конструкции к «прогрессирующему» обрушению допустимыми значениями риска [116, 137, 151, 176], а вероятность невозникновения обрушения определенной величины определять с помощью многокомпонентной формулы Байеса (табл. 1.1).

Таблица 1.1. - Стратегии защиты от «прогрессирующего» обрушения

Стратегия	Недопущение развития обрушения	Недопущение инициации обрушения
	Стойкость всей конструкции	Стойкость локального элемента	Аварийное воздействие
	P(Collapse) =	? P(Collapse|LDi) ·	P(LDi|Hi) ·

P(Hi) Где P(Collapse) - полная вероятность диспропорционального обрушения; P(H_i) - вероятность появления i-того аварийного воздействия; P(LD_i|H_i) - вероятность локального разрушения отдельного конструктивного элемента при наступлении аварийного события; P(Collapse|LD_i) - вероятность наступления диспропорционального обрушения при условии, что произойдет локальное разрушение отдельного элемента при реализации аварийного события H_i.

Подход к защите	живучесть	локальное сопротивление	контроль событий
	Прямой метод (direct design)	Косвенные меры (indirect design)

Среди различных ученых нет единого мнения, что же следует понимать под «прогрессирующим» обрушением и какие следует выбирать стратегии защиты [140, 141, 173, 170, 177]. Как видно, главным признаком ПО принято считать непропорционально большие масштабы окончательного повреждения зданий. Но по отношению к чему? Мнения разнятся уже и здесь: изначально диспропорциональность предполагалось определять в сравнении с величиной повреждающего воздействия, затем в сравнении с некоторой занормированной величиной допустимого обрушения Американские исследователи в [147] отмечают, что не все известные крупные обрушения, повлиявшие на возникновение темы, можно строго отнести к области термина «прогрессирующее» обрушение. Явно подходит случай с «Ronan Point» (значение коэффициента диспропорциональности - 20), не подходит случай с «Murrah Office Building» - обрушение было значительным, но и внешнее воздействие - сила взрывной волны от бомбы была колоссальной, т. е. нет явной диспропорциональности. В третьем случае (башни ВТЦ) - конструкции каркаса выдержали нагрузку от удара самолета, но не смогли совместно с ней выдержать температурное воздействие. [138].

В настоящее время ряд иностранных и отечественных экспертов, отмечая неудачность только лингвистической основы термина «прогрессирующее» обрушение, склоняется к использованию термина «живучесть» при запроектных воздействиях. Но практической разницы как между двумя терминами, так и между постановками проблемы не предполагается [66, 79, 96, 115, 119, 141, 159, 180, 181].

Корень заблуждений вышеперечисленных методологических подходов можно обнаружить, рассмотрев подходы к вопросу живучести, используемые в разных областях человеческой жизнедеятельности и системном анализе.

1.3 Вопрос живучести в различных областях человеческой жизнедеятельности

Военная сфера Стоит уделить особое внимание истории осознанного применения термина живучесть. В отечественной литературе первооткрывателем термина считается А.Н. Крылов.

Так, до 1902 года традиционная борьба за живучесть корабля при получении им пробоины сводилась к откачиванию воды из затопляемых отсеков. При этом, как правило, в пробоину поступало больше воды, чем могла откачать водоотливная установка пробитого отсека. И корабль тонул - не потому, что терял плавучесть, а из-за потери равновесия: груз воды, заполнившей отсеки с одного борта, переворачивал судно. Развивая гипотезу С.О. Макарова, А.Н. Крылов предложил такую идею: ввести систему затопления отделений судна для его выравнивания. А.Н. Крылов рассуждал примерно так: раз нельзя выкачать воду из отсека корабля, получившего пробоину, необходимо срочно затопить симметричный ему отсек, вернуть кораблю остойчивость и управляемость, дать возможность дойти до порта

«Подразделение на отсеки должно определяться расчетом, коего принцип, чтобы корабль тонул, не опрокидываясь», - писал А.Н. Крылов. Это утверждение он положил в основу принципа таблиц непотопляемости. Они составлялись для каждого корабля индивидуально и помогали определить, как влияет затопление того или иного отсека на крен, дифферент и устойчивость корабля.. Согласно [38, 68], живучесть корабля - способность противостоять боевым и аварийным повреждениям, восстанавливая и поддерживая при этом в возможной степени свою боеспособность. Составными элементами живучести корабля являются: непотопляемость, взрыво- пожаробезопасность, живучесть оружия и технических средств, защищенность личного состава.

В отечественных источниках термин «боевая живучесть» «Боевая живучесть рассматривается в непосредственной связи с типом и характеристиками действующего на летательный аппарат поражающего средства. Боевая живучесть применительно к боеприпасу контактного действия определяется, в первую очередь, его калибром. Так в период Второй мировой войны боевая живучесть отечественных самолётов (истребителей, штурмовиков и бомбардировщиков) обеспечивалась и была решена применительно к бронебойным пулям оружия калибров 7,62 - 7,92 мм. Использование противником иных калибров вооружения (соответственно боеприпасов увеличенного могущества) может сделать реализованный на ЛА комплекс защитных мероприятий несостоятельным.

Боевая живучесть (БЖ) - способность летательного аппарата (ЛА) выполнять поставленную боевую задачу в условиях огневого противодействия противника. Является антиподом уязвимости и достигается использованием живучих при боевых повреждениях элементов конструкции, систем и агрегатов, дублированием и резервированием жизненно важных систем, использованием экранирующих свойств конструкции, аппаратуры и топлива. Боевая живучесть ЛА тщательно отрабатывается в мирное время, а проявляется только при ведении боевых действий. Она же в силу разного рода обстоятельств часто приносится в жертву летным характеристикам ЛА и его полезной нагрузке» [126, 129]. самолёта впервые встречается в работе Н.И. Шаурова за 1939 г. [126]. Однако в отечественном самолётостроении вплоть до конца 1940-х годов его содержание фактически сводилось к защите пилота (экипажа) от огня авиационных пулемётов бронированием и к протектированию топливных баков. Как самостоятельная и целостная научно-практическая дисциплина «Боевая живучесть летательных аппаратов» оформилась во второй половине 1960-х годов.

Другое определение По материалам http://www.voina-i-mir.ru/dicdefinition/?id=501.. В процессе эксплуатации (боевого применения) живучесть ВВСТ (вооружения, военной и специальной техники) обеспечивается, кроме того, правильным выбором огневых (стартовых) позиций или районов, их инженерным оборудованием, соблюдением правил скрытности функционирования ВВСТ, оборудованием резервных и ложных позиций и районов.

Для некоторых образцов стрелкового и пушечного вооружения (стволов, других деталей и узлов оружия) живучестью называют также их способность выдерживать определенное количество выстрелов без ухудшения баллистических характеристик.

Психологическая сфера. Примером может служить явление моббинга (от англ. mob - толпа), подразумевающего форму психологического насилия в виде травли сотрудника в коллективе, как правило, с целью его последующего увольнения. Также моббинг часто встречается в школе. Школьники издеваются, высмеивают своих же одноклассников, которые возможно не так, как принято в их среде, одеваются, слишком хорошо учатся. Такая форма психологического насилия представляет собой пример социального общения, уровень которого является повреждающим для личности.

Приемы психологического воздействия, контроля, манипулирования, выходящие за рамки нормальной жизнедеятельности, но традиционно изучаемые в курсах общественных, психологических Имеется ввиду лечебная практика. дисциплин, сейчас включены в «модные» для РФ сегменты послевузовского образования (например, получение степени MBA MBA (master of business administration) - престижная степень мастера делового администрирования.). Кроме прочего такие знания позволяют топ-менеджерам повысить качество управления (устойчивость функционирования подконтрольных объектов), добиться карьерных успехов (выжить в борьбе за руководящие посты).

Экономическая и финансовая сфера В том числе по материалам публикации «Основы теории живучести предпринимательства» (http://www.reco.ru/Document/1091450348.doc; автор не установлен).. Для этой сферы характерны чередующиеся во времени периоды спада и роста экономики. Особое место занимают пограничные, переходные ситуации, среди которых могут возникнуть острые и затяжные кризисные проявления. В такие моменты резко возрастает конкуренция; субъекты экономической деятельности вынуждены бороться за выживание, сокращая издержки производства, используя рисковые маркетинговые решения и т. д.

Интересна ситуация мирового экономического спада начала ХХI века. Отсчетная точка, по мнению многих финансовых аналитиков и экспертов, - произошедшее летом 2008 г. лавинообразное обрушение финансового, ипотечного и фондовых рынков США. Инициирующим событием, незамедлительно потянувшим за собой ипотечные агентства «Fannie Mae» и «Freddie Mac», и другие элементы финансовой архитектуры был крах банка «Lehman Brothers». Поэтому одна из главных задач госрегулирования макроэкономическая стабильность, требуя скоординированных усилий многих государств, выходит на международный уровень.

Электроника, вычислительные системы, радиосвязь. Наиболее глубоко и всесторонне вопрос живучести вычислительных систем (ВС) исследован и изложен в монографии А.Г. Додонова [30] и др. Авторы под живучестью ВС понимают свойство системы адаптироваться к новой ситуации и противостоять негативным влияниям, выполняя цель функционирования за счёт соответствующего изменения своей структуры и поведения.

Авторы отличают структурную и функциональную живучесть. При рассмотрении структурной живучести учитывается топология сети связи и надёжностные характеристики компонентов. Задачи, связанные с анализом структурной живучести, сводятся к задачам оценки связности топологичной структуры в зависимости от понятия «разрушение». Функциональная живучесть оценивается количеством задач, которые система способна выполнить при различных классах отказов.

Машиностроение. Здесь живучесть нередко отождествляют с «трещиностойкостью». Например, в работе [28] отмечается: «Наличие начальных или возникших (усталостных) трещин при нормальном функционировании - достоверный факт. Обеспечение требуемой трещиностойкости (живучести) - задача механики разрушения при переменных нагрузках».

В [51] под живучестью понимается долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5 - 1 мм до момента разрушения. Трещиностойкость в закритическом режиме функционирования смешивается с понятием долговечность. Живучесть измеряется количеством циклов нагружения, при котором усталостная трещина достигает предельных размеров Одной из важнейших характеристик является порог развития усталостных трещин ?K_th, определяемый как размах коэффициента интенсивности напряжений, МПаvм, ниже которого (т. е. при ?K < ?K_th), скорость развития трещин усталости практически равна нулю; обычно порог определяют при условии v = dl / dn = 10^-8 мм/цикл)..

Биологические системы По материалам http://ekologiya.narod.ru.. Интуитивно понятное определение свойства живучести для биологических систем и организмов невозможно без изменений перенести на социальные, экономические, технические и системы другой природы. Живучесть экосистемы (англ. vitality of ecosystem) - ее способность выдерживать резкие колебания абиотической среды, массовые размножения или длительные исчезновения отдельных видов, большие антропогенные нагрузки.

Живучесть биологических систем проявляется в их способности адаптироваться к новым условиям внешней среды, эволюционировать, мутировать, воспроизводиться и т. п.

В физиологии существует закон У. Кеннона, утверждающий, что степень совершенства (выживаемости) организма определяется степенью его независимости от изменений во внешней среде Дискуссионный вопрос - а возможно ли достижение абсолютной живучести (аналогичный вопрос часто ставится для свойства надежности)?

Существуют мнения, что нет. Но с таким категоричным утверждением полностью или частично не согласятся представители философской сферы. Одни (материалисты) утверждают, что вечна и неуничтожима материя, другие (идеалисты) - идеальная субстанция. Абсолютная живучесть подразумевает бессмертие, вечное существование кого- или чего-либо..

Предварительные выводы. Вопрос живучести (выживаемости) изначально является целевым для живых организмов, а в частном случае не может не отобразиться на любых сферах человеческой жизнедеятельности. Этим и объясняется широта вопроса, обусловленная умышленным желанием достичь устойчивого функционирования при повреждениях.

Общее для всех сфер: считается, что свойство живучести не проявляется в нормальных условиях, но им в той или иной степени обладают все системы со сложной структурной организацией. Живучесть позволяет системе сохраняться как целому в экстремальных для нее условиях, влекущих разрушение структуры, нарушение целостности, потерю цели и (или) возможности функционирования.

1.4 Вопрос живучести с позиций универсальных подходов системного анализа

Значительный вклад в разработку вопросов теории живучести систем различного назначения внесли работы И.А. Рябинина [117], А.Г. Додонова [30], Е.И. Шерстобитова, В.Ф. Крапивина [56], Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана [122], А.А. Кочкарова [55], Г.Г. Малинецкого, Г.Н. Черкесова [124] и др.

Систематизирующей достижения всех перечисленных авторов является работа Ю.И. Стекольникова [112]. В ней обобщаются концептуальные вопросы теории живучести систем: методологические аспекты, характеристики, показатели и критерии живучести. В ней отмечается, что анализ работ вышеперечисленных авторов позволяет отметить тенденцию постепенного перехода от геометрических подходов в оценке показателей живучести к более совершенным, основанным на моделях с учетом структурных, функциональных и эргономических факторов.

Концептуальная проблема, решенная в рамках системного анализа, - разграничение свойств системы, в том числе надежности и живучести, отвечающих за ее безопасность В [112] отмечается: «…Методологический уровень формирования теоретических основ живучести систем предполагает установление взаимосвязи данного свойства с другими свойствами систем. В конечном счете, знание этой взаимосвязи позволяет обоснованно выбрать показатели живучести систем. Общность предмета исследования и “похожесть” условий, при которых изучается данный предмет в теории надежности и теории живучести систем, определяют необходимость выявления “зон ответственности” этих научных дисциплин».. Выделим три основных подхода. Анализ этих подходов позволит понять истоки методологических противоречий методики предельных состояний, существующих в настоящее время в нормах РФ (см. главу 2).