ЧОМУ звалився "Трансвааль-ПАРК"?

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

Наука і життя // Ілюстрації

У бетоні містяться жорсткі частинки (темного кольору), які знаходяться в контакті одна з одною.

При використанні шарнірної опори (зліва) коливання не долають шарнір і повертаються в систему.

Обвалення залізобетонних споруд з тонкостінної покрівлею: аквапарку "Трансвааль" (зліва) і будівлі Бауманского ринку (в центрі) в Москві, терміналу паризького аеропорту ім. Шарля де Голля (праворуч) та інших конструкцій.

<

>

За останні роки відбулася низка серйозних аварій на залізобетонних спорудах. Схожим чином обрушилися термінал в паризькому аеропорту Руассі-Шарль де Голль, будівля Басманного ринку і крита стоянка біля торгового комплексу "МЕТРО" на Дмитрівському шосе в Москві. Але найгучнішою з цих сумних подій стала катастрофа в московському аквапарку "Трансвааль". В якості причин аварії аквапарку називалося безліч факторів: будівельний шлюб, клімат, навіть наявність геологічного розлому. І хоча було проведено 240 експертиз, однозначних і вичерпних висновків фахівці так і не зробили.

Всі ці випадки об'єднують дві обставини. Перше - в спорудах застосовувалися тонкостінні бетонні конструкції (пластини, оболонки), протяжність яких набагато перевищувала товщину. І друге - поруч з будівлями або всередині них знаходилися джерела механічних коливань (вібрацій): в аквапарку працювали насоси; поруч з магазином і ринком проходили вулиці з інтенсивним рухом; в найближчому аеропорту злітали і сідали літаки.

Структура бетону істотно відрізняється від структури гомогенного кристалічного тіла і являє собою суміш випадково орієнтованих зерен різних фракцій. Їх зчеплення між собою забезпечується адгезійними силами (силами Ван-дер-Ваальса), які в 100-1000 разів менше сил, що зв'язують атоми або молекули в звичайних кристалічних тілах. Бетон дуже добре витримує напруги стиснення, міцність на розтяг, і вигин у нього набагато менше. Крім того, межі між зернами, по суті, являють собою мікродефекти структури, за якими при певних умовах може відбуватися розділення зерен.

Під впливом вібрацій в тонкостінних елементах аквапарку виникали поперечні хвилі, які приводили до появи вигинистих деформацій. Якщо ті, хто підбурює коливання не збігаються за частотою з власними коливаннями системи, руйнування навряд чи може статися. Небезпека викликають коливання з частотами, близькими до власної частоти системи. У таких випадках конструкція може увійти в резонанс і зруйнуватися.

Дійсно, в початковий період експлуатації, судячи з параметрами конструкції будівлі аквапарку, резонансні частоти його елементів, зокрема купола, перебували в діапазоні 5 кГц. Сторонні джерела впливали на будівлю з частотами 20-200 Гц.

Однак тривалий вплив вібрацій призвело до зростання микродефектов в бетоні. Якісно руйнування структури бетону під дією змінних напруг можна представити таким чином: нехай в якийсь початковий момент часу на виділеній майданчику діють деякі напруги, що не перевищують у середньому межі пружності. Згідно із законом Гука вони викликають відповідні деформації. Але через хаотичного взаємного розташування зерен локальні (місцеві) напруги і деформації не збігаються із середніми, зокрема можуть існувати області, де напруги перевищують межу пружності. При статичному навантаженні такий стан не викличе небезпечних наслідків. У разі ж змінних навантажень напруги і деформації в зазначених "перенапружених" областях можуть привести до порушення суцільності тіла.

Дефекти у вигляді мікротріщин зменшують жорсткість конструкцій, а це в свою чергу знижує частоту власних коливань. Зрештою, вона може опинитися в "небезпечному" діапазоні. Коли це станеться, залежить від особливостей кожної конкретної конструкції. Покрівля "Трансвааля" мала величезну площу і невелику товщину, представляючи собою, по суті справи, мембрану. В умовах, що склалися амплітуда її коливань виявилася високою і дегенерація бетону йшла швидко. Тому від споруди до аварії минуло зовсім небагато часу.

Щоб якщо не усунути, то хоча б мінімізувати вплив вібрації, необхідно забезпечити дисипації (розсіювання) енергії коливань, що виникають в конструкції. Диссіпація відбувається в результаті внутрішнього тертя або догляду хвиль в грунт.

В "Трансваалі" кріплення колон була близькою до шарнірному. Тому деформаційні хвилі не гасли через внутрішнього тертя (сталь - дуже пружний матеріал) і не йшли в фундамент, а відбивалися від шарніра і знову починали "гуляти" по елементах споруди. Звичайно, це теж підвищувало ризик обвалення.

Чому ж вібрація не розглядалася в якості однієї з головних причин катастрофи, хоча цей фактор і фігурував в матеріалах розслідування? Комісії експертів перевіряли процеси проектування, будівництва та експлуатації будівлі аквапарку в першу чергу на відповідність Будівельним нормам і правилам (СНіП) - в будівництві їм належить та ж роль, що ГОСТам в промисловості. Порушень виявлено не було.

Виникає проста думка: якщо проект відповідав СНіПам, але будинок зруйнувався, значить, БНіП необхідно переглянути, додавши розділ "Вібраційна витривалість" - адже норми на цей параметр відсутні. У цьому розділі необхідно заборонити використовувати несучі конструкції з бетону, якщо в процесі експлуатації в них можуть виникати поперечні (ізгібние) коливання.

Має також сенс створити службу спостереження за вібраційного обстановкою в складі Держгіртехнагляду або МНС, поставивши їй в обов'язок вести безперервний контроль частот і амплітуд коливань грунту і елементів конструкцій, в першу чергу таких споруд, як мости, тунелі, великі будівлі.

Нарешті, слід ширше впроваджувати в будівельну практику прийоми, що збільшують дисипації енергії коливань. Це можуть бути еластичні з'єднання великогабаритних жорстких елементів, антивібраційні шви, демпфирующие пристрої і т.п.