Аварии строительных конструкций зданий и сооружений

РЕФЕРАТ

Аварии строительных конструкций зданий и сооружений

1. Обрушение перекрытия бассейна «Дельфин» в Чусовом

авария строительство бассейн здание

4 декабря 2005 г. обрушились металлические конструкции и крыша бассейна «Дельфин». Сигнал об обрушении кровли бассейна поступил на пульт «01» около 15:00 мск. В бассейн упали перекрытия, общая площадь обрушения составила около 100 кв. м. Разбор завалов на месте обрушения продолжался около суток.

В результате трагедии погибли 14 человек, в том числе 10 детей. Все погибшие опознаны, тела переданы родственникам и захоронены. Потерпевшими по делу признаны 56 человек.

Бассейн «Дельфин» был построен 11 лет назад. В сентябре 2004 г. после трагедии в аквапарке «Трансвааль» собственник бассейна Чусовской металлургический завод обратился в «УралПромЭксперт» (г. Пермь) для исследования технического состояния бассейна. По заключению экспертов, техническое состояние перекрытий было признано «работоспособным»

Главной причиной обрушения крыши бассейна «Дельфин» в городе Чусовой Пермского края могла стать сильная коррозия несущих конструкций, считает эксперт института «Проектстальконструкция» Анатолий Оленичев, который участвовал в технической экспертизе причин обрушения бассейна.

«Предварительный анализ конструкций бассейна показывает, что коррозия несущей фермы объекта составляла около 50%, что, соответственно, снижало ее несущие свойства на 50%», — сказал Оленичев в четверг на пресс-конференции в Москве. При этом даже при 35% коррозии объект признается «находящимся в предаварийном состоянии», отметил он. По его словам, эта причина, вероятно, стала главной, поскольку все другие выявленные дефекты не носили критического характера.

Причиной обрушения крыши бассейна в городе Чусовом стало низкое качество металла несущей конструкции кровли и ее слишком большой вес, заявил журналистам в понедельник заместитель губернатора Пермского края Николай Бухвалов. По словам замгубернатора, к таким выводами пришла возглавляемая им специальная техническая комиссия, созданная по инициативе губернатора Пермского края после трагедии в Чусовом.

2. Внезапное обрушение здания

Полное или частичное внезапное обрушение здания — это чрезвычайная ситуация, возникающая по причине ошибок, допущенных при проектировании здания, отступлении от проекта при ведении строительных работ, нарушении правил монтажа, при вводе в эксплуатацию здания или отдельных его частей с крупными недоделками, при нарушении правил эксплуатации здания, а также вследствие природной или техногенной чрезвычайной ситуации.

Обрушению часто может способствовать взрыв, являющийся следствием террористического акта, неправильной эксплуатации бытовых газопроводов, неосторожного обращения с огнем, хранения в зданиях легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ.

Внезапное обрушение приводит к длительному выходу здания из строя, возникновению пожаров, разрушению коммунально-энергетических сетей, образованию завалов, травмированию и гибели людей.

3. Основные причины аварий в строительстве

Анализ аварий конструкций, зданий и сооружений позволяет установить основные причины аварий: дефекты и низкое качество строительно-монтажных работ, отступление от проектов при возведении зданий и сооружений и их элементов, нарушение элементарных правил монтажа и условий обеспечения жесткости и устойчивости конструкций при проектировании и в процессе их возведения, применение материалов и конструкций недостаточной прочности, замена материалов конструкций или их частей без санкции проектных организаций, недостатки проектных решений в совокупности с дефектами производства работ, перегрузка несущих конструкций в процессе эксплуатации, отсутствие надежных средств и методов антикоррозионной защиты. Как отмечалось, также одной из причин обрушений является недостаточная изученность работы некоторых конструкций под нагрузкой, дефектность, неполноценность инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий оснований.

Изучение причин аварий позволяет лучше понять закономерности в работе конструкций, зданий и сооружений, привлечь внимание ученых, проектировщиков и строителей к недостаткам проектных решений, устранение которых должно предупредить аварии и тем самым обеспечить надежность сооружений. За последние годы на основе анализа и изучения причин аварий, описанных в настоящей книге, научно-исследовательскими и проектными организациями в целях повышения надежности и долговечности зданий и сооружений вносились предложения по изменению и дополнению соответствующих нормативных документов по проектированию и строительству.

Так, в результате обрушения стальных подкрановых балок на металлургическом заводе дополнительно изучались явления усталости металла от воздействия динамических нагрузок, совершенствовались расчеты тонкостенных металлических конструкций. В связи с обрушением стальных ферм конвейерных галерей от хрупкого разрушения металла дополнительно изучались проблемы ломкости стали в различных условлях эксплуатации металлических конструкций.

Случаи обрушения каркасных зданий из сборных железобетонных конструкций вызвали необходимость совершенствования требований к монтажу таких зданий и обеспечению их пространственной жесткости и устойчивости. В настоящее время в связи с широким внедрением в практику строительства новых объемно-планировочных и конструктивных решений зданий и сооружений, новых конструкций (в том числе легких) научно-исследовательские, проектные и эксплуатирующие организации должны установить натурные наблюдения за работой конструкций в процессе их возведения и в различных условиях эксплуатации. Это позволит оценить надежность и долговечность конструкций, выявить их дефекты, а также подготовить предложения по их дальнейшему совершенствованию.

Натурные наблюдения необходимы для оценки надежности и степени долговечности конструкций и установления срока их службы с учетом отказов, факторов физического, морального и социального старения, огнестойкости, применения средств антикоррозионной защиты и биостоикости и др.

4. Обрушение сборного железобетонного каркаса многоэтажного здания

В апреле 1961 г. произошло обрушение каркаса, смонтированного из сборных железобетонных элементов. Здание имело десять этажей, из них девять над землей и один этаж подвальный. Конструкции здания состояли из сборного каркаса и наружных кирпичных самонесущих стен. Длина здания 56,6 м, ширина 21 м с сеткой колонн в поперечном направлении 6,55 + 6,4 + 6,55 м, шаг колонн в продольном направлении 6,1 м (рис. 1). Полная высота здания 41 м.

Каркас представляет собой 10 железобетонных рам, расположенных поперек здания и состоящих из сборных элементов: колонн и ригелей (рис. 2). Междуэтажные перекрытия выполнены из сборных железобетонных плит размером 5,66X1,48 м.

По данным инженерно-геологических изысканий, основанием для фундаментов здания являлись моренные суглинки с гравием и щебнем мощностью 2…5 м. Фундаменты здания железобетонные монолитные из бетона марки М 300 в виде перекрестных лент.

Наружные стены кирпичные толщиной 51 см, запроектированы из семищелевых камней марок 100 и 75. Соединение сборных железобетонных элементов между собой предусмотрено на сварке с заделкой зазоров раствором и бетоном марок М 200…400.

В поперечном направлении расчетная схема была принята в виде 10-этажной рамы с жесткими узлами (рис. 3) и с колоннами, защемленными в фундаменте. В продольном направлении расчетная схема быала принята в виде рам, ригелями в которых должны были являться плиты перекрытий.

По проектному заданию здание было 4-этажным (с подвалом) Г-образной формы в плане. При разработке рабочих чертежей форма в плане была принята прямоугольной и число этажей увеличено до 10.

Общего проекта организации производства работ, а также совмещенного рабочего графика строительно-монтажных работ на строительстве не было. Был разработан только проект монтажа железобетонных конструкций, в котором были приведены перечень оборудования, схема монтажа, стройгенплан и график производства работ. В этом проекте было указано, что к сборке конструкций каждого последующего этажа можно приступать только после окончательного закрепления всех конструкций предыдущего этажа. Вместе с тем методы закрепления монтажных стыков и узлов, включая технологию сварки, в этом проекте не были отражены.

Обращает на себя внимание нечеткость распределения работ между подрядными организациями по замоноличиванию монтажных стыков каркаса. Так, замоноличивание стыков колонн входило в обязанности одной организации, а замоноличивание узлов сопряжений ригелей с колоннами, плит с ригелями и плит между собой — в обязанности другой организации.

К моменту обрушения каркаса здания были полностью закончены работы по устройству фундаментов, почти полностью были возведены стены подвала, частично не были заполнены пазухи котлована. Полы в подвале не были сделаны, хотя засыпка фундаментов в подвале частично осуществлена. Железобетонный каркас был смонтирован почти полностью на все 10 этажей здания. Стыки колонн выполнены только частично, сварено только 50% стальных накладок.

Осмотр разрушенных конструкций показал, что в целом ряде случаев сварка стыкав ригелей не была выполнена. Заполнение раствором стыков ригелей с колоннами произведено в основном только до 3-го этажа. По записи в журнале сварочных работ узлы сопряжения плит были сварены. Однако при осмотре было обнаружено много узлов с несваренными стыками. Замоноличивание стыков плит не производилось. К кладке стен здания выше перекрытия над подвалом не приступали.

Обрушение каркаса произошло в продольном направлении; каркас после обрушения представлял собой груду развалин. В результате обрушения каркаса стены подвала оказались частично разрушенными; колонны были сорваны с фундаментов; анкерные болты срезаны в основном в уровне верха подливки под опорные плиты колонн.

Фундаменты колонн не имели существенных повреждений, заметны лишь незначительные сколы бетона башмаков.

Проверка проекта показала, что в поперечном направлении жесткость и прочность здания должны обеспечиваться поперечными рамами. Поверочный расчет рам выявил достаточную их прочность как в узлах, так и в линейных элементах при полном замоноличивании узлов сопряжения колонн и ригелей до укладки плит междуэтажных перекрытий, что соответствует принятой статической расчетной схеме поперечной рамы.

В действительности плиты перекрытий укладывались до замоноличивания узлов рамы, и ригели работали на нагрузку от собственного веса плит как свободно лежащие балки. В этом случае расчетная схема поперечной рамы изменяется, в связи с чем возникают растягивающие усилия в нижней плоскости ригеля на опорах, что в расчете и в проекте конструкций не нашло отражения. В этих условиях у концов ригелей со стороны воздействия ветра (с наветренной стороны) образуются шарниры.

5. Обрушение металлических конструкций

К наиболее повторяемым авариям следует отнести обрушения металлических конструкций покрытий промышленных зданий, а также конвейерных галерей.

Наибольшее число обрушений металлических конструкций покрытий произошло в процессе их монтажа в основном из-за грубых отступлений от проектов, а также вследствие низкого качества изготовления и монтажа конструкций. Следует также отметить, что наибольшее число аварий произошло со стальными конструкциями зданий, ограждающие конструкции (покрытия и стены) которых выполнялись из сборного железобетона.

6. Основные дефекты при монтаже ферм

Особенно много дефектов допускается при монтаже стропильных ферм. Заводы-изготовители иногда заменяют проектные сечения на меньшие, занижают размеры сварных швов, пропускают соединительные прокладки и даже целые элементы. Бывают случаи, когда элементы, запроектированные по одному стандарту, заменяются элементами по другим стандартам без учета разности геометрических и механических характеристик. Допускаются зазоры между элементами и фасовками, доходящими порой до 8…10 мм, а также большое число расцентровок узлов сопряжений ферм.

Основными дефектами при монтаже ферм являются смещения узлов верхнего и нижнего поясов из плоскостей, доходящих иногда до 100…300 мм.

Сварные швы в узлах выполняются с непроварами и подрезами, имеются большие шлаковые включения, уменьшаются размеры швов против проектов. Имеют место случаи, когда стальные фермы монтируются не по проекту. Так, при монтаже покрытия одного завода шесть ферм были перевернуты на 180°, вследствие чего нижний пояс оказался наверху, а верхний — внизу. Естественно, что знаки усилий в элементах ферм изменились на противоположные; растянутые подвергались сжатию, сжатые — растяжению. Несущая способность фермы оказалась недостаточной.

Иногда заводы-изготовители допускают при выполнении вертикальных и горизонтальных связей: замену профилей связей на меньшие, отступление от проектов в части размеров швов (иногда они отсутствуют совсем). Как правило, конструкции собирают с большими эксцентриситетами в узлах с отклонениями до 500 мм. Связевые элементы порой монтируют без правки и ставят изогнутыми. Иногда связи, предусмотренные проектом, вообще отсутствуют.

В отдельных случаях отступления допускаются в узлах сопряжений конструкций ферм с колоннами, ригелей с колоннами, в местах опирания подкрановых балок на колонны. Были случаи, когда узлы сопряжений, запроектированные жесткими, исполнялись при монтаже шарнирно, и наоборот. Иногда для выравнивания подкрановых балок по высоте под опорные части укладывают прокладки без сварки между собой. Опирание подкрановых балок осуществляется не через опорное ребро, а через прокладки или соседнюю балку — через болты.

В результате неправильного монтажа колонн и стропильных ферм сборные железобетонные плиты покрытий имеют недостаточное опирание на фермы. Плиты покрытий заходят на полку верхнего пояса фермы всего на 10…20 мм, а иногда и менее. На одном из заводов фермы покрытий имели такие грубые отклонения, что в результате некоторые плиты не доходили до оси ферм на 180…200 мм. Для поддержания плит во время монтажа были установлены кронштейны из уголков. Опира-ние плит на кронштейны и консоли дополнительно нагружает верхний пояс фермы, вызывая крутящий момент, и не обеспечивает безопасной эксплуатации зданий.

7. Обрушение металлических конструкций покрытий при их монтаже на строительстве сборочно-сварного цеха

В 1962 г. произошло обрушение металлических конструкций покрытий при их монтаже на строительстве сборочно-сварного цеха машиностроительного предприятия. В результате изучения проектно-технической документации и состояния работ по монтажу конструкций, осмотра обрушившихся конструкций, проведения расчетов и испытаний материалов, а также опроса очевидцев аварии и непосредственных руководителей монтажных работ было установлено следующее.

Двухпролетный корпус с пролетами по 36 м имеет длину 198 м (33 оси по 6 м), высоту до конька фермы 26,95 м (рис. 39). Общий объем работ по монтажу конструкций сборочно-сварочного цеха составляет 2540 т металлоконструкций и 1382 м³ сборного железобетона. Проект цеха в стадии КМ составлен специализированным институтом. Деталировочные чертежи КМД по заказу завода металлоконструкций разработаны отделением специализированного института. Металлоконструкции изготовлены заводом металлоконструкций.

Согласно проекту производства работ монтаж конструкций стропильных ферм, фонарей и покрытия надлежало производить, начиная с оси 8 по ось 41. Ввиду отсутствия на площадке к моменту начала монтажа второго гусеничного крана монтаж конструкций перекрытия был начат в пролете Е-И от оси 41 к оси 8.

Прибывшие с завода-изготовителя на площадку металлические конструкции сборочно-сварочного цеха имели дефекты в сварных соединениях узлов стропильных и подстропильных ферм, фонарей и др. Для исправления дефектов сварки на месте заводом были направлены на монтажную площадку электросварщики, причем в сварных швах исправлялись только дефекты, которые обнаруживали внешним осмотром.

Примерно за 1,5 мес до обрушения в пролетах Г — Е к Е — И были смонтированы все колонны, портальные связи, подкрановые балки и подстропильные фермы и был начат в пролете Е — И монтаж стропильных ферм, фонарей и сборных железобетонных плит покрытия.

Ввиду того что проектом связи по фонарям предусмотрены в осях 30−31, а монтаж конструкций был начат с оси 41, для обеспечения устойчивости конструкций фонаря в процессе монтажа по осям 40 и 39 были применены расчалки. Причем было установлено, что конструкции фонарей были закреплены четырьмя расчалками из каната диаметром 15,5 мм и тремя из стальной катанки диаметром 8 мм. В соответствии с проектом производства работ установка металлоконструкций и сборных железобетонных плит покрытия в проектное положение производилась гусеничным краном.

В день обрушения бригада монтажников выполняла работу по укладке сборных железобетонных плит в осях 36−55. При укладке предпоследней плиты по фонарю произошло обрушение смонтированных конструкций покрытия.

При аварии обрушились: две подстропильные фермы ряда Е в осях 36−41 и две подстропильные фермы ряда И в осях 36−41; семь стропильных ферм по осям 35 — 41; фонарных рам по осям 35−40; металлические связи по нижним и верхним поясам стропильных ферм в осях 35−41; связи и импостные уголки по фанарям в осях 35−40; железобетонные плиты покрытия по фермам и фонарям между осями 35−41 и рядами Е — И; подкрановая балка 38−41 ряда И; две фахверковые стойки по оси 41 и часть горизонтальных элементов фахверка. Объем разрушенных металлических конструкций составляет 107 т и 81 м³ сборных железобетонных плит.

При осмотре обрушившихся конструкций было обнаружено: фермы осей 37 и 38 находятся внизу под другими упавшими конструкциями, а фермы осей 35 и 36 упали в сторону фермы оси 37 и находятся сверху фермы 37. Фермы на осях 39, 40 и 41 упали в сторону фермы 38 и находятся сверху фермы 55. Подстропильная ферма 36 — 38 оси Е лежит по оси колонн, подстропильная ферма 36−38 оси И (упала внутрь пролета. Аналогичное положение заняли подстропильные фермы 55−41. Ригели фонарных рам упали в сторону оси 41. Упавшие конструкции расположились двумя группами с промежутком между ними более 6 м;

При обрушении все конструкции сильно деформировались; железобетонные плиты покрытий оказались разбитыми; по стропильным и подстропильным фермам были обнаружены разрывы: фасонного листа крепления опорного раскоса к верхнему поясу в подстропильной ферме И, 39−41 в результате падения фермы, горизонтальной.

Полки в одном из уголков верхнего пояса фермы 37 около среднего. узла в результате падения фермы; по сварным швам среднего растянутого раскоса подстропильной фермы Е, 36−38 в месте его крепления к фасонке нижнего пояса среднего узла.

Кроме этого, имеются разрывы металлических конструкций фонарных рам в среднем узле ригелей в осях 37 и 38. Двутавровые балки ригеля оторвались по сварке от вертикального листа фланцевого соединения этого узла.

Результаты проверки крепления (приварки)' железобетонных плит к верхним поясам стропильных ферм и ригелям фонарных рам показали, что большинство железобетонных плит было приварено к фермам по проекту.

Для проверки качества примененного для конструкции металла были вырезаны 8 образцов, результаты лабораторных испытаний которых показали, что металлоконструкции изготовлены из стали марки СтЗ (спокойная) по действовавшему в то время ГОСТ 380–60.

Вывод

Аварии, строительных конструкций редко происходят внезапно. Обычно можно наблюдать ряд предвестников аварии. Если своевременно заметить признаки приближающейся аварии, то можно вовремя принять профилактические меры: вывести людей из опасной зоны, произвести разгрузку аварийной конструкции, установить временные крепления и т. п. Поэтому так важно инженерно-техническому персоналу строительных и эксплуатационных организаций знать признаки аварийного состояния конструкций.

Библиографический список

1. Калинин А. А. Обследование, расчет и усилие зданий и сооружений. Учебное пособие. — М.: АСВ, 2002. — 160 с.

2. Казачек В. Г., Нечаев Н. В., Нотенко С. Н. и др. Обследование и испытание зданий и сооружений. Учебное пособие для вузов. — М.: Высшая школа, 2004. — 447 с.

3. Федеральный закон Российской Федерации от 30 декабря 2009 г. № 384-ФЗ «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений».