Материал: Анализ реальных пожаров и их воздействия на строительные конструкции. Зайцев А.М

Глава 10. Анализ причин обрушения водонапорной башни Рожновского

В некоторых странах [7-35] для повышения предела огнестойкости полых стальных конструкций, в частности колонн, предлагается метод заполнения их водой, которая испаряется в месте нагрева и циркулируя по конструкции не позволяет стали прогреться до критической температуры, при которой модуль упругости и предел текучести стали снижаются до рабочей нагрузки и происходит обрушение конструкции.

Применение такого метода повышения предела огнестойкости стальных конструкций в нашей стране пока не осуществляется. Поэтому мы рассмотрим один аспект возможного развития сценария поведения водонаполненных стальных колонн (если такой проект будет осуществлен), на примере экспертизы обрушения водонапорной башни Рожновского [17-38], приведшего к несчастному случаю с летальным исходом. Общий вид водонапорной башни и ее вид после обрушения представлены на рис.10.1 и рис.10.2, а на рис.10.3. и рис.10.4 фрагменты несущей колонны с внешней и внутренней стороны.

Этому предшествовали следующие обстоятельства. В результате низкой температуры воздуха (по данным метеосводки температуры в ночь на 7 февраля (в 21 час) перед обрушением составляла – 27 ⁰С, при скорости северного ветра 5 м/с) и случайного перекрытия водоотводящего крана, вода в башне Рожновского, находящейся около молочно-товарной фермы в Воронежской области замерзла.

Рис.10.1. Общий вид водонапорной башни Рожновского

Рис.10.2. Вид башни после обрушения

Рис.10.3. Фрагмент башни с внешней стороны с вырезанными кусками металла для анализа характеристик стали после нагрева и обрушения

Рис.10.4. Фрагмент внутренних складок металла

после нагрева и обрушения башни

Для того чтобы узнать замерзла ли напорно-разводная труба, решено было отогреть почву возле башни. Для этого на почву, на расстоянии 1,5-2 м от башни положили две автомобильные покрышки, облили соляркой и подожгли. Нагрев производился около 3 часов (см. на рис. 10.5 (1-ое место нагрева)), пока не убедились, что труба не замерзла. После этого открыли крышку люка башни, которая находилась на высоте 1,5 м, и пробили лед примерно на половину диаметра башни (см. схему), чтобы убедится, что вода в башне полностью замерзла. В дальнейшем для того, чтобы растопить лед, было решено производить нагрев башни с наветренной стороны, противоположной люку (2 ‑ ое место обогрева на схеме). Около башни положили 3 автомобильные покрышки, облили соляркой и подожгли. Пламя, подхваченное ветром, полукругом охватило башню. Такой нагрев продолжался (по показаниям свидетелей) 20-30 мин. Затем башня неожиданно резко обрушилась, что привело к несчастному случаю с летальным исходом.

Поэтому был поставлен вопрос о причине обрушения башни. Были выдвинуты две версии: первая – это изменение в структуре металла в результате нагрева башни и вторая – прогрев несущей стальной оболочки башни до критической температуры, при которой прочностные характеристики стали снижаться до фактической нагрузки, что соответствует наступлению предела ее огнестойкости и последующему обрушению.

Первый нагрев для башни не имел никакого значения, так как очаг находился от нее на расстоянии 1,5-2 м, и пламя и тепло относилось ветром от башни. В таких условиях прогреть металл до критических температур практически невозможно.

При втором прогреве костер был выложен из автомобильных шин под самой башней и пламя ветром, прижималось к башне и полукругом охватывало ее. Этот прогрев, хотя и длился около 20-30 мин., обусловил обрушение башни.

Рис.10.5. Схема участка, где произошло обрушение башни

Следует отметить, что за такой короткий срок, с учетом условий, когда много тепла отдается в окружающую среду, не могло произойти существенных изменений в структуре металла. Это подтверждается результатами спектрографического анализа образцов металла оболочки башни, вырезанных со стороны воздействия огня и противоположной стороны (рис.10.3. и рис.10.4). Результаты анализа показали, что марка стали, соответствует классу листовой стали С235 нормативное сопротивление по пределу текучести, для которой составляет R^н =235,44 МПа. Таким образом, в результате нагрева существенных изменений в структуре металла не произошло.

Следовательно, обрушение башни произошло по причине потери ее устойчивости из-за прогрева металла до критической температуры, характеризующей наступление предела ее огнестойкости. Ниже приводятся соответствующие расчеты, подтверждающие этот вывод.

Оценка несущей способности башни Рожновского с учетом ослабления сечения несущей колонны в результате нагрева

Водонапорная башня Рожновского, состоящая из несущей колонны диаметром 1,4 м, высотой 9 м с верхней расширенной частью диаметром 2,4 м высотой 3 м при толщине стенки 4 мм, имеет собственный вес 4128 кг ≈ 40,5 кН /83/. Масса льда, находящегося во внутреннем объеме башни, выше отметки +1,500 м, при плотности 0,92 г/см³ /200/, составляет кг, что соответствует его весу 226,7 кН.

С учетом собственного веса башни в рассматриваемом (расчетном) сечении (на высоте 1,5 м от ее основания) до обрушения действовала осевая вертикальная сила N=40,5+226,7=267,2 кН.

Расчетная площадь сечения, не подверженного действию повышенной температуры, составляет A = π·140см·0,4см=176 см². Уровень напряженного состояния в расчетном сечении σ = 267,2/176=1,518 кН/см²=15,18 МПа, что не превышает расчетного сопротивления стали по пределу текучести R_y.

По данным экспертизы Воронежского государственного аграрного университета им. Глинки нормативное сопротивление по пределу текучести стали водонапорной башни составляет R_yn = 2400 кг/см², что соответствует листовой стали С235 толщиной от 2 до 20 мм (см. табл. 51* /198/, а следовательно расчетное сопротивление по пределу текучести R_y=230 МПа.

Таким образом, так как

σ=15,18 Мпа < R_y=230 МПа, (1)

в обычном (без какого-либо нагрева) режиме эксплуатации необходимая прочность обеспечена с многократным (в 15,2 раза) запасом.

Отсюда видно, что даже в экстремальных условиях, несущая колонна башни выдерживает дополнительную нагрузку льда и обрушиться не может. Следовательно, обрушение могло произойти из-за потери устойчивости несущей колонны в результате прогрева некоторой ее части до критической температуры, значение которой для стали С235 в среднем составляет 500 ⁰С /235/.

Поэтому произведем расчет максимального углового размера выключенного из работы, в результате прогрева до критической температуры, сектора колонны башни в градусах.

Радиус инерции расчетного сечения как тонкостенного кольца /118/, где – диаметр сечения несущей колонны башни. При м см.

Примем, что расчетная длина водонапорной башни при жестком защемлении в основании равна удвоенной геометрической, за вычетом нижнего участка высотой 1,5 м, то есть. Тогда ее гибкость будет равна . Столь малое значение гибкости позволяет вести расчет практически без учета потери устойчивости, так как коэффициент продольного изгиба незначительно отличается от 1, а именно: φ=0,887 (см. табл. 72 /118/), что при столь заметном запасе (см. условие (1)), почти не сказывается на несущей способности башни в целом.

При одностороннем нагреве ствола башни температура металла значительного участка ее сечения достигла критического значения, при котором соответствующая часть выключилась из работы. На рис.3.8 штриховой линией обозначен, выключенный из работы, сектор (участок) сечения несущего ствола башни, с углом растра φ. Центр тяжести (точка C) сечения несущего ствола, воспринимающий нагрузку, смещается относительно исходного значения (точка C₁) на величину y_c, и весь ствол башни расчетной длины м начинает испытывать внецентренное сжатие с продольным усилием N, приложенным с эксцентриситетом y_c, вызывающим изгибающий момент M = N ·y_c.

Рис.10.6. Схема расчета сектора несущей колонны, выключенного

из работы в результате прогрева

Величина эксцентриситета y_c зависит от угла φ, а, следовательно, от степени нагрева металла. Таким образом, необходимо определить размер участка (угол φ), выключенного из работы по восприятию действующей нагрузки, но в то же время обеспечивающего в предельном состоянии восприятие напряжения, то есть несущую способность (σ = R_y).

В соответствии с /19/

, (2)

, (3)

здесь

, (4)

, (5)

,

где: – угловой размер выключенного из работы участка в градусах, – угловой размер несущего нагрузку участка в градусах, – соответствующий угол в радианах.

Площадь несущей части сечения

, (6)

ее момент инерции

, (7)

где d – толщина стенки ствола башни ( см).

Наибольшее сжимающее напряжение в стенке башни вблизи выключенной из работы части сечения составляет

. (8)

На рис. 10.6 представлена графическая зависимость наибольшего сжимающего напряжения, вычисленного по формуле (8) от угла . Горизонтальная пунктирная линия соответствует кН/см². Как видно предел прочности достигается при угле .

Рис.10.6.Зависимость сжимающего напряжения в колонне от выключенного