Главная
Новости
Ремонт
Каркасный дом
Несущие конструкции
Металлические конструкции
Прочность дорог
Дорожные материалы
Стальные конструкции
Воздухоопорные сооружения
Грунтовые основания




18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


18.08.2017


16.08.2017





Яндекс.Метрика
         » » Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

25.06.2015

Воздухоопорные здания относятся к наиболее безопасным строительным конструкциям в том смысле, что потеря ими несущей способности, как правило, не сопровождается катастрофическими последствиями — обрушением, опасным для находящихся в помещении людей или имущества. Необратимые деформации пневматических конструкций как следствие достижения ими первого предельного состояния (потеря устойчивости) или второго (недопустимые прогибы) исключены, так как любые деформации немедленно восстанавливаются после ликвидации причины их возникновения, например чрезмерной нагрузки или недостаточного давления воздуха.
В случае аварии оболочка медленно опускается на пол. Этого времени часто бывает вполне достаточно для принятия необходимых мер безопасности. Масса опускающейся оболочки слишком незначительна, чтобы нанести заметные повреждения находящимся под ней людям и имуществу. Однако в последние минуты опускания оболочка склонна к «полосканию», что при сильном ветре (более 10 м/с) может вызвать поломки имущества и новые разрывы в оболочке при контакте с жесткими конструкциями, которые оболочка покрывает или с которыми она соединена. Основной причиной, приводящей оболочку в аварийное состояние, является потеря необходимого уровня избыточного давления воздуха. Она может произойти в результате прекращения подачи воздуха под оболочку (авария ВУ) или же превышения утечек воздуха из-под оболочки над его поступлением от ВУ (разрыв оболочки или ее разгерметизация).
Избыточное давление воздуха под оболочкой так же гарантирует устойчивость воздухоопорного здания, как подъемная сила делает возможным полет самолета. И то и другое — результат работы двигателей. Однако прекращение подачи воздуха еще не катастрофа, хотя это может вызвать нежелательные последствия. Поэтому устойчивое функционирование здания и его безопасность должны быть гарантированы надежностью работы воздухонагнетающих устройств, включая источники энергии, питающие ВУ, и возможностью предотвращения крупных разрывов (прожогов) оболочки или нарушения ее связи с основанием.
Несмотря на то, что прекращение работы вентиляторов само по себе не опасно ни для находящихся под оболочкой людей или имущества, ни для оболочки, если она He опускается на острые предметы в ветреную погоду, особенно при дожде или снегопаде, эта неисправность очень нежелательна, хотя бы даже потому, что сам факт опускания оболочки подрывает доверие к пневматическим конструкциям вообще.
Разрабатывая основной блок комплектующего оборудования — воздухоподающий — следует учитывать последствия, которые может вызвать прекращение работы вентиляторов и опускание оболочки. Имеет смысл разбить пневматические сооружения на категории надежности в зависимости от их функционального назначения и в связи с этим назначать состав основного и дублирующего воздухоподающего оборудования, автоматически включающегося по сигналу отсутствия тока в цепи или падения давления воздуха.
Категория сооружения должна определяться последствиями, которые возможны при отказе воздухоподающей системы (табл. 5.3). Одно дело, например, опускание оболочки на отсыпанный конус удобрений, другое — наводнение, вызванное аварией мягкой плотины. Последствия, которые могут быть вызваны падением давления воздуха под оболочкой, в зависимости от назначения сооружения можно разделить на четыре категории:
I — гибель людей, порча ценного имущества, невыполнение задач государственной важности;
II — угроза безопасности людей, порча оборудования, прекращение производственных процессов;
III — временное прекращение функционирования, повреждение оболочки, порча малоценного имущества;
IV — опускание оболочки без ущерба для нее самой и находящегося под ней имущества.
Первая авария пневматической конструкции произошла в Лос-Анджелесе, США, в ноябре 1943 г., когда воздухоопорных зданий, как таковых, еще не существовало. Это был первый опыт торкретирования железобетонного купола диаметром 30,5 и высотой 9,8 м на пневматической опалубке в виде брезентовой оболочки. Сначала обнаружили, что давление воздуха оказалось в три раза ниже, чем нужно. Потом вышел из строя один из трех вентиляторов. Купол был забетонирован только после ликвидации последствий аварии.
Массовое возведение воздухоопорных зданий началось около 20 лет назад. За это время число их во всем мире превысило сотню тысяч, и опыт эксплуатации насчитывает немало аварий, достойных изучения.
Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

Применительно к воздухоопорному зданию любое непредвиденное опускание оболочки в результате снижения или падения давления воздуха под ней — еще не авария, но уже аварийная ситуация. Аварией можно считать такое развитие этой ситуации, когда она завершается разрывом оболочки. Причиной разрыва оболочки на первых порах ее службы, даже при пробном наполнении воздухом, может явиться концентрация напряжений материала или возникновение усилий раздира, как результат ошибок раскроя полотнищ или неправильного, может быть, чересчур неподатливого, соединения оболочки с жесткими конструкциями здания — фундаментом, обрамлением проемов и т. п. О возможности возникновения таких явлений обычно сигнализирует сама оболочка, покрываясь складками и морщинами. Их развитие предупреждают внесением необходимых исправлений при доводке конструкции или при монтаже.
Наибольшую опасность для правильно скроенной, безупречно смонтированной и нормально натянутой оболочки представляет ветер. Однако ни опыт эксплуатации, ни теория не дают оснований считать, что нормативный ветер в состоянии разрушить воздухоопорное здание. Тем не менее это случается. Например, пронесшийся 13 ноября 1972 г. над Западной Европой «ураган века» разрушил около 150 оболочек. В их число вошли некоторые выдающиеся по размерам сооружения; 39-мый сферический купол радара в Бохуме, книгохранилище в Западном Берлине (80х30х15 м), склад в виде спаренных оболочек размерами 86,4х31,4х11,7 м в аэропорту Франкфурта-на-Майне, эллинг дирижаблей в аэропорту Эссен-Мюльхайм (86х36х22 м), снабженный стальным каркасом, поддерживающим оболочку при вводе и выводе дирижаблей. Замененная оболочка эллинга была вновь порвана ураганом 2—3 апреля 1973 г.
Анализ причин разрушения воздухоопорных зданий приводит к выводу, что разрывы оболочек всегда происходили потому, что вследствие тех или иных обстоятельств последние оказывались в нерасчетных условиях работы. Так, разрушение 20% сооружений упомянутым ураганом объясняется обрывом электропроводов, в результате чего оболочки лишились подпора воздуха. Типичная картина разрушения оболочки в этом случае следующая. Лишенная опоры на воздух оболочка теряет форму и постепенно оседает, раскачиваясь под порывами ветра. Вскоре она начинает задевать за жесткие конструкции или имущество с острыми выступами, которые ее протирают, прокалывают, прорывают. Проникновение ветра в прорывы довершает картину разрушения. Если под оболочкой ничего нет или если находящееся имущество мягкое, без острых углов, то вероятность разрыва оболочки снижается, хотя в окончательной стадии опускания оболочка часто рвется, повисая на рамах шлюзов ворот.
Другой причиной разрыва оболочек, также не предусматриваемой расчетной схемой, бывает прорыв ветра под оболочку. Приведем такой пример. Оболочку размерами 36х16х8 м смонтировали зимой. Поскольку ввернуть винтовые сваи в мерзлый грунт не удалось, использовали временные анкера, привязав веревками к каждому узлу катенарного пояса по мешку, наполненному песком. Весной веревки перерезали прогнившую мешковину, кромка длинной стороны оболочки открылась, куда и прорвался ветер. Оболочка была разорвана сначала по-поперек, а затем оторвана от каркаса ворот. Аналогичный случай мог произойти и как следствие выдергивания анкеров из грунта, если бы он не был своевременно предупрежден.
Выше отмечалось, что поддерживающий каркас провоцирует отключение ВУ. Воздухоопорное здание размерами 40х11х7 м с поддерживающим каркасом (см. рис. 3.34) было оставлено без поддува, и оболочка легла на рамы. Ночью прошел обильный дождь, и на поверхности образовались мешки с водой объемом до 1 м3 каждый (рис. 5.6). Включение ВУ не могло преодолеть веса воды, и мешки продолжали висеть до тех пор, пока воду не спустили в помещение, проколов оболочку. Аналогичная ситуация на другом объекте имела аварийные последствия: рамы не выдержали веса воды, действие которого усугубилось порывами ветра, и обрушились.
Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

В августе 1976 г. произошла авария с самой большой в мире воздухоопорной оболочкой, перекрывающей стадион в Понтиаке. Ветром ураганной силы была вырвана стальная стеновая панель размерами 9х10 м, и в открывшийся проем стал выходить воздух, потери которого вентиляторы не смогли восполнить. Ливень с градом заполнил ячейки оболочки, повисшей на канатах, и две из них разорвались. Дальнейшему распространению разрыва воспрепятствовали канаты, которые, кроме того, предотвратили опускание оболочки. При расследовании причин аварии было отмечено, что при таких обстоятельствах нельзя было поручиться за целость и жесткость даже стального покрытия. Заметим, кстати, что ветер разрушает более 100 тыс. обычных зданий ежегодно.
Причинам аварий воздухоопорных зданий были посвящены специальные исследования. Авторы, базируясь на опыте ряда стран, указывают, помимо объективных причин аварий (потеря эластичности материала при низких температурах, старение материала, растрескивание покрытия в результате частого складывания и разворачивания оболочки), также и на такие, как недопонимание персоналом механизма и возможностей воздухоопорных зданий, неквалифицированное руководство подготовкой основания и монтажом оболочки.
Это можно иллюстрировать примером и из отечественной практики. Администратор, которому смонтировали воздухоопорную оболочку над спортзалом, установил светильники на стойках из стальных труб, острые концы которых, обрезанные автогеном, при первом же выключении электроэнергии прокололи опустившуюся оболочку. Дальнейших разрывов оболочка не получила только благодаря штилевой погоде.
Пневматические конструкции, являясь продуктом высокой технической культуры производства, требуют и высокой культуры эксплуатации. Видимо, результатом того, что после первых успехов появилось убеждение, что воздухоопорные сооружения могут изготовлять все, и явился вывод известных экспертов Б. Раша и Г. Стивенса: «Конкурентная борьба за клиентов стала такой ожесточенной, что от этого пострадало качество. Известно около 200 аварий в Европе по причинам очевидных ошибок в конструкции».
Тем не менее статистика Чехии утверждает, что аварии воздухоопорных зданий по вине проектировщиков или изготовителей составляют только 8%. Во всех остальных случаях были виноваты лица, не соблюдавшие правила, изложенные в инструкциях по эксплуатации сооружений.
Опасность перемещений оболочки при сильном ветре не всегда реально оценивается. Отмечены случаи, когда нормально поддутая оболочка, перемещаясь, касалась острых предметов, слишком близко к ним размещенных, протиралась, а затем разрывалась. Безопасное удаление от оболочки определяется расчетом и зависит не только от уровня избыточного давления воздуха, определяемого отношением ψ=p/q, но и от абсолютных размеров сооружения. Поэтому эксплуатационные просветы назначаются с учетом обоих факторов. Уже упоминавшиеся ураганы, повредившие многие воздухоопорные сооружения в Западной Европе, стимулировали ряд исследований, посвященных колебаниям и перемещениям оболочек под действием ветра. Их итоги представлены в табл. 5.4.
Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

Одним из факторов, сдерживающих широкое применение воздухоопорных зданий, является некоторая неопределенность в отношении противопожарной защиты. Рассматривая их с этой точки зрения, сталкиваются с полным отсутствием соответствующих критериев. Установившиеся понятия и показатели, равно как и методика классификации горючести, оправдавшие себя при оценке пожарной безопасности традиционных зданий и сооружений, для воздухоопорных оказываются совершенно непригодными. Действительно, они во многом существенно отличаются от сооружений из традиционных материалов: их оболочка чрезвычайно тонка (около 1 мм), функционирование связано с непрерывным снабжением внутреннего объема помещения воздухом повышенного давления. Ввиду этого представляют большой интерес натурные эксперименты по имитации пожара. Они проводились во многих странах, и их результаты позволяют сделать некоторые заключения.
Первый эксперимент в России был проведен в 1963 г. под руководством автора. Объектом испытания было здание размером 12х6х3 м из хлопчатобумажной прорезиненной ткани № 500 — материала сгораемого (это доказывалось тем, что брошенный на землю подожженный кусок ткани сгорал полностью). Результаты эксперимента оказались неожиданными; после того как в оболочке прожгли паяльной лампой дыру, струя воздуха, вырываясь сквозь нее, сбивала пламя на нижнем контуре отверстия (очевидно, здесь играло роль и охлаждение краев в результате их обдува). В верхней части дыры пламя охватывало новые участки, распространяясь, однако, не в стороны, а вверх. Края отверстия по мере подъема пламени сближались, протяженность горящей кромки сокращалась, размеры пламени уменьшались, и, наконец, струя воздуха сбивала его совсем. Это явление повторялось и у других исследователей. Такую модель пожара, однако, не следует считать универсальной. Она свидетельствует лишь о том, что сгораемый сам по себе материал в сооружении приобретает признаки трудно-сгораемости.
Многие зарубежные фирмы применяют материалы, не горящие после удаления открытого пламени. Появились такие материалы и у нас. Однако это не дает основания считать пожарную опасность полностью устраненной, так как даже при непродолжительном действии пламени прогорает любой тонкий материал (в том числе металлы), а для пневматических сооружений это чревато такими последствиями, как опускание оболочки, если воздух, подаваемый вентиляторами, не компенсирует его утечки через прогоревшие отверстия.
Недостаточно еще изучены многие вопросы пожарной безопасности оболочек из трудносгораемых материалов. К ним можно отнести:
- условия, когда возможно прогорание в оболочке отверстий такой площади, при которой начинается опускание оболочки;
- время, в течение которого оболочка может опуститься до такой отметки, когда эвакуация людей и имущества при пожаре в случае отключения ВУ затрудняется (аварийная ситуация);
- распределение дыма и температуры дымовоздушной смеси в помещении;
- содержание в атмосфере помещения, где происходит пожар, токсических продуктов горения и др.
Проведенные в различных странах испытания дают на них неполные ответы, поскольку методика составляется таким образом, чтобы дать рекомендации только для сооружений конкретного назначения.
В ГДР объектом огневого испытания был сферический купол диаметром 25 м. Материал считался сгораемым — тканевая основа из дедерона, покрытая ПВХ. Испытание проводилось в три этапа. На I этапе изучалось задымление помещения, на II — возгораемость оболочки при пожаре снаружи, на III — при пожаре в помещении. Изменение температуры под вершиной оболочки в течение опытов (этапы I—III) показано на рис. 5.7, а.
Безопасность и надежность воздухоопорных зданий

В Англии огневому испытанию подвергли воздухоопорное сооружение размером 19х9х4 м. Оболочка была выполнена из найлоновой ткани, покрытой ПВХ. Воздух подавали осевым вентилятором (Q=10000 м3/ч, Н=130 Па). При горении бензина в центре здания дым наслаивался в помещении сверху вниз. При закрытых проемах он доходил до отметки 1,8 м от пола за 30 с и до 1,2 м за 2 мин 15 с. После открытия дверей (1х1,9 м) дым развеивался за 5 мин, но, устремляясь к путям эвакуации, снижал их эффективность. График задымленности помещения показан на рис. 5.7,в. График изменения температуры под куполом при горении большой поленницы (630 кг дров+несколько автопокрышек), подожженной на полу, приведен на рис. 5.7, б.
В Швеции объектом испытаний были два воздухоопорных здания размерами 34х16х7 м. Одно из них было сделано из невоспламеняющегося материала, другое — из материала, отнесенного к категории воспламеняемых. Неожиданным в этом эксперименте оказалось то, что существенной разницы в поведении различных по сгораемости материалов отмечено не было.
В Японии было испытано крупнейшее по тем временам сооружение — павильон США на ЭКСПО-70 (см. рис. 2.41, в). Оболочка толщиной 0,8 мм выполнена из стеклоткани, покрытой ПВХ; полотнища соединены высокочастотной сваркой. Силовой системой служила сетка 6х6 м из стальных тросов, к которым пришнурована оболочка. Черный дым (100—150 м3/с), образованный горением 119 л смеси дизельного топлива с бензином, поднимаясь, распространялся под куполом так, как показано на изохронах рис. 5.7,г. При испытании на прогорание покрытие из ПВХ стало плавиться, оболочка, оторвавшись от троса, вздулась, и площадь отверстия возросла до 15 м2. Оболочка стала опускаться, через 5 мин ее положение стабилизировалось, так как вентиляторы общей производительностью 58 800 м3/ч продолжали работать. Разрушение оболочки началось с расхождения сварных швов — наименее жаростойкой ее части.
Проведенные в разных странах огневые испытания пневматических сооружений позволяют более успешно решать проблему пожарной защиты. Испытания подтвердили, что тонкая оболочка почти независимо от группы возгораемости ее материала довольно быстро прогорает при наличии горючих материалов в помещении, а при достаточно больших размерах прогоревших дыр опускается на пол. Поэтому основные меры противопожарной профилактики должны быть направлены на предотвращение прогорания больших отверстий и на увеличение продолжительности опускания оболочки на пол.
Следует отметить такие положительные особенности пневматических воздухоопорных оболочек, как немедленное обнаружение их прогорания, способность восходящего потока горячих газов поддерживать оболочку при пожаре, простоту эвакуации, связанную с их одно-этажностью и с непосредственной близостью безопасных площадей. При горении оболочки не выделяется значительная теплота, она проявляется только в результате горения содержимого. По своим последствиям пожар пневматического сооружения не идет ни в какое сравнение с пожаром, например, деревянного павильона.
Несгораемые материалы не имеют решительных преимуществ перед трудносгораемыми, так как малая толщина не предотвращает прогорания оболочек и последующей утечки воздуха. Однако применение трудносгораемых материалов для оболочек во всех случаях предпочтительнее, чем сгораемых, поскольку есть уверенность в том, что размеры прогоревших дыр будут меньше. Прошивные швы являются более надежными по сравнению со сварными, которые при высоких температурах скорее расходятся.
Избыточное давление под оболочкой — важнейший фактор пожарной безопасности. Поэтому очень важно, чтобы пожар в помещении не сопровождался прекращением подачи воздуха под оболочку. Нужно, чтобы вентиляторы работали не только как можно дольше, но и как можно производительнее, возмещая утечки воздуха через прогоревшие отверстия и открытые при пожаре проемы. Идеальным нужно считать такое положение, когда время опускания оболочки до отметки 2—2,5 м от пола превышает время эвакуации на 1—2 мин.
Обеспечению устойчивой работы вентиляторов во время пожара могут способствовать: защита питающих кабелей от огня (подземная проводка, применение приборов из несгораемых материалов), отказ от мягких воздуховодов и замена их жесткими несгораемыми, защита ВУ от огня.
Заполнение объема воздухоопорного здания дымом идет сверху вниз, и высота нижней кромки дыма над полом 1,8 м может считаться критической. Удаление дыма из помещения довольно затруднительно в связи с тем, что оно сопровождается одновременным опусканием оболочки: дым, устремляющийся в выходные проемы, снижает видимость и затрудняет эвакуацию. Поэтому хранение материалов, выделяющих при горении большие объемы дыма, а также облицовка мебели, перегородок, пола такими материалами должны быть запрещены или ограничены. Очень важно, чтобы вводы воздуховодов вместе со струеотклоняющими карманами действовали так, чтобы не создавались турбулентные потоки по вертикали и горизонтали, способствующие опусканию нижней кромки дымового слоя и его перемешиванию с чистым воздухом.
Время эвакуации при пожаре зависит прежде всего от суммарной ширины выходных проемов. Предусмотренная СНиП II-A.5-70* норма 0,6 м на 100 чел., возможно, нуждается в повышении до 0,8 м (вращающиеся двери в расчет принимать не следует, поскольку в условиях пожара они перестают выполнять свои функции).
Меры пожарной безопасности (в том числе и средства пожаротушения) зданий из традиционных материалов, где предусматривается пребывание людей, в принципе применимы и к воздухоопорным зданиям. Вместе с тем необходимо учитывать и некоторые их специфические требования.
Проблема пожарной защиты воздухоопорных зданий еще далека от полного разрешения. Предстоит решить ряд задач: классификацию функций пневматических сооружений (с позиций пожарной опасности), установление нормативов их площади в зависимости от назначения, нормирование числа людей, одновременно находящихся в здании, и др. Примером опытно-теоретического исследования должно явиться построение модели пожара, учитывающей все временные факторы, связанные со свойствами материалов, характеристиками ВУ, особенностями горючей «начинки» помещений и др. Необходима серия натурных экспериментов при самых разнообразных параметрах сооружений и пожара.