Разработка конструктивных решений по защите технологических эстакад от прогрессирующего обрушения

Введение

Российская Федерация традиционно находится в числе лидеров стран по объему промышленного производства. На территории страны располагается большое количество промышленных предприятий различного назначения. Каждое производство включает в себя многочисленные здания и сооружения, которые связаны друг с другом системой коммуникаций, инженерные сети часто прокладывают открытым способом по конструкциям технологических эстакад.

Последние годы участились случаи совершения террористических актов в отношении промышленных предприятий, атаке подвергаются в том числе технологические эстакады [1]. Кроме террористических атак эстакады подвержены и прочему негативному влиянию: случайные наезды на опоры автотранспортных средств, просадки или выпучивание фундамен­тов опор, уменьшение поперечного сечения элементов в результате коррозии, ошибки при проектировании и т. п. – все перечисленные факторы способны вызвать аварийную ситуацию с локальным разрушением отдельных элементов, что может привести к прогрессирующему обрушению линейного сооружения со всеми вытекающими последствиями [2].

Отвечая современным вызовам, актуальные нормы требуют обеспечения защиты от прогрессирующего обрушения для зданий и сооружений повышенного уровня ответственности, а также для отдельных объектов нормального уровня ответственности. Используя опыт обследования и рассматривая технологические эстакады объектов энергетики, которые часто имеют повышенный уровень ответственности, стоит отметить, что зачастую данные эстакады проектируются не в полной мере способными противостоять прогрессирующему обрушению. Многие проектные организации подходят формально к данным требованиям без должной проработки всех возможных сценариев исключения из расчетной схемы несущих элементов эстакады. Отчасти данная ситуация возникает из-за отсутствия в нормативных документах детальных рекомендаций и методик расчета эстакад на устойчивость против прогрессирующего обрушения [3][4]. Отметим, что подобная ситуация прослеживается по отношению и к другим линейным сооружениям, например к опорам ВЛ [5].

В рамках статьи рассмотрены вопросы повышения надежности строительных конструкций технологических эстакад, выражающейся в способности противостоять прогрессирующему обрушению. Анализируя конструктивные решения недавно возведенных эстакад повышенного уровня ответственности, стоит обратить внимание, что часто встречаемая компоновка температурного блока эстакады включает одну анкерную опору и ряд промежуточных двухшарнирных опор, которые соединены друг с другом разрезными пролетными строениями или распорками. Недостаток вышеописанной компоновки заключается в невозможности обеспечения геометрической неизменяемости и устойчивости промежуточных двухшарнирных опор температурного блока при удалении анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении).

Цель исследования – разработка конструктивных решений по защите от прогрессирующего обрушения при аварийной расчетной ситуации с обеспечением геометрической неизменяемости и устойчивости промежуточных двухшарнирных опор температурного блока при удалении анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении).

Материалы и методы

Для достижения поставленной задачи был выполнен обзор и анализ существующей актуальной нормативно-технической литературы в области защиты от прогрессирующего обрушения, особое внимание уделялось поиску пособий, рекомендаций и методик расчета по защите от прогрессирующего обрушения по отношению к рассматриваемым в данной статье линейным сооружениям – технологическим эстакадам.

Для разработки конструктивных решений использовался опыт обследования технологических эстакад промышленных предприятий, в том числе эстакад повышенного уровня ответственности. В рамках проводимого исследования, в процессе обследования в первую очередь критическому анализу подвергались конструктивные решения эстакад, разработанные различными проектными институтами и проектными организациями, аналитическим и расчетным способами выполнялась оценка способности конструкций противостоять прогрессирующему обрушению. На объектах после аварийных ситуаций осуществлялся поиск дефектов и повреждений строительных конструкций и выполнялась соответствующая оценка их влияния на несущую способность как отдельных элементов, так и сооружения в целом (рис. 1).

На завершающем этапе при разработке конструктивных решений сопутствующие расчеты, оценка устойчивости, геометрической неизменяемости и прочие численные эксперименты выполнялись в программном комплексе ЛИРА. С целью подтверждения научной новизны и закрепления авторских прав на все разработанные решения были оформлены заявки на выдачу патентов на изобретения, на момент написания статьи конструктивные решения проходят экспертизы в Роспатенте.

Результаты

Обзор литературы по теме исследования

Основными нормативными документами по проектированию технологических эстакад являются соответствующая глава из СП 43.13330.2012 [6] и «Пособие по проектированию отдельно стоящих опор и эстакад под технологические трубопроводы (к СНиП 2.09.03-85)» [7], которые во многом дублируют друг друга. Однако в данных документах отсутствуют требования, рекомендации и методика расчета данных сооружений на устойчивость против прогрессирующего обрушения. Тем временем, как уже было упомянуто выше, актуальные нормы – в первую очередь это Федеральный закон № 384 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [8], ГОСТ 27751-2014 [9], СП 385.1325800.2018 [10], СП 296.1325800.2017 [11] – требуют обеспечения защиты от прогрессирующего обрушения зданий и сооружений повышенного уровня ответственности, к которым часто относятся и рассматриваемые технологические эстакады.

Если рассмотреть СП 385.1325800.2018 [10] и СП 296.1325800.2017 [11], то можно заметить, что в документах изложены основные положения по рассматриваемой теме, но при этом документы не раскрывают детали и особенности, которые встречаются при проектировании эстакад. Кроме того, в СП 385.1325800.2018 [10] прямо указано, что область применения документа не распространяется на линейные объекты, к которым относятся рассматриваемые в данной статье технологические эстакады [12]. Если обратиться к другим существующим нормам, например к методическому пособию [13], то также можно обратить внимание, что в документе содержатся рекомендации, правила проектирования и методики расчетов в основном для зданий с массовым нахождением людей, а также для отдельных промышленных объектов без рассмотрения эстакад.

Таким образом, проектные организации при проектировании вынуждены пользоваться общими правилами и требованиями по защите от прогрессирующего обрушения, а также адаптировать их под специфику рассматриваемых линейных инженерных сооружений. И действительно, на отдельные вопросы, например связанные с назначением характеристик материалов, нагрузками при особом сочетании и общим подходом к проблеме, могут быть даны ответы в вышеописанных нормах, однако такие детали, как рекомендации по выбору мест назначения локальных разрушений (отказов), методика расчета и требования к расчетным моделям, выбор коэффициента динамичности при pulldown-анализе в квазистатической постановке, примеры расчетов, конструктивные мероприятия по защите от прогрессирующего обрушения эстакад и пр., могли бы быть освещены в виде отдельного пособия и рекомендаций или быть включены в новую редакцию существующего пособия [13]. Можно с уверенностью сказать, что разработка данных рекомендаций положительно скажется на общей надежности ответственных технологических эстакад.

Обзор существующих конструктивных решений

Рассмотрим часто встречаемую компоновку температурного блока технологической эстакады (рис. 2–4) [14]. По длине эстакады разбивают на температурные блоки. Согласно рекомендациям по проектированию, в каждом температурном блоке, как правило, устанавливают анкерную опору. При этом остальные опоры являются промежуточными, их часто выполняют шарнирно опертыми в продольном направлении, и работают они преимущественно на сжатие. Все опоры в рамках температурного блока соединяются в продольном направлении разрезными распорками или пролетными строениями. Таким образом, единственная анкерная опора совместно с распорками или пролетными строениями обеспечивает геометрическую неизменяемость и устойчивость промежуточных шарнирно опертых опор температурного блока. Распорки и пролетные строения также выполняют функцию передачи горизонтальных продольных нагрузок от трубопроводов на анкерную опору, таким образом анкерная опора воспринимает все горизонтальные продольные нагрузки, действующие на температурный блок от трубопроводов.

Отметим, что описанная выше компоновка, как показывает опыт обследования, часто встречается и в технологических эстакадах повышенного уровня ответственности (рис. 3). Недостаток рассматриваемой компоновки заключается в невозможности обеспечения геометрической неизменяемости и устойчивости промежуточных двухшарнирных опор температурного блока при удалении анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении).

Обзор разработанных конструктивных решений

Решение с дублированием анкерной опоры и с устройством неразрезного пролетного строения в рамках температурного блока

Конструкция температурного блока опор включает промежуточные двухшарнирные опоры, анкерную опору, дублирующую анкерную опору, неразрезное пролетное строение и трубопроводы (рис. 5).

В режиме нормальной эксплуатации анкерная опора и дублирующая анкерная опора совместно воспринимают все передающиеся на них горизонтальные продольные нагрузки от трубопроводов и обеспечивают геометрическую неизменяемость и устойчивость промежуточных двухшарнирных опор температурного блока. При аварийной расчетной ситуации с удалением анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении) оставшаяся дублирующая анкерная опора начинает воспринимать все передающиеся на нее горизонтальные продольные нагрузки от трубопроводов и обеспечивать геометрическую неизменяемость и устойчивость промежуточных двухшарнирных опор температурного блока. Неразрезное пролетное строение является основанием для трубопроводов и соединяет поверху все опоры температурного блока с обеспечением передачи всех горизонтальных продольных нагрузок от трубопроводов на анкерную опору и дублирующую анкерную опору. При аварийной расчетной ситуации с удалением любой опоры из расчетной схемы (локальном разрушении) неразрезное пролетное строение своим конструктивным исполнением (неразрезностью) продолжает соединять все опоры температурного блока с обеспечением передачи всех горизонтальных продольных нагрузок от трубопроводов на анкерную(ые) опору(ы).

Разработанное решение оформлено в виде заявки на выдачу патента на изобретение (№ 2024133306 от 07.11.2024 г.), в настоящее время проходит экспертизу в ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности».

Решение с дублированием анкерной опоры и с устройством горизонтальных распорок в два уровня в рамках температурного блока

Как и в вышеописанном варианте, в данном решении содержатся две анкерные опоры в температурном блоке. Вместо неразрезного пролетного строения из первого решения в данном случае используются горизонтальные распорки, выполненные в два независимых друг от друга уровня (рис. 6).

В режиме нормальной эксплуатации анкерная опора и дублирующая анкерная опора совместно воспринимают все передающиеся на них горизонтальные продольные нагрузки от трубопроводов и обеспечивают геометрическую неизменяемость и устойчивость промежуточных двухшарнирных опор температурного блока. При аварийной расчетной ситуации с удалением анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении) оставшаяся дублирующая анкерная опора начинает воспринимать все передающиеся на нее горизонтальные продольные нагрузки от трубопроводов и обеспечивать геометрическую неизменяемость и устойчивость промежуточных двухшарнирных опор температурного блока. Горизонтальные распорки первого уровня и горизонтальные распорки второго уровня соединяют поверху все опоры температурного блока с обеспечением передачи всех горизонтальных продольных нагрузок от трубопроводов на анкерную опору и дублирующую анкерную опору. Горизонтальные распорки первого уровня и горизонтальные распорки второго уровня соединяются с опорами температурного блока через одну, за исключением крайних опор температурного блока, перекрывая удвоенный пролет опор. При этом места крепления горизонтальных распорок первого уровня к опорам температурного блока выполнены со смещением на один пролет, за исключением крайних опор температурного блока, относительно мест крепления горизонтальных распорок второго уровня. Таким образом, горизонтальные распорки первого уровня и горизонтальные распорки второго уровня независимо дублируют друг друга. При аварийной расчетной ситуации с удалением анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении) происходит обрушение горизонтальных распорок первого уровня в смежных пролетах относительно удаленной опоры, при этом горизонтальные распорки второго уровня и оставшиеся горизонтальные распорки первого уровня продолжают соединять все опоры температурного блока с обеспечением передачи всех горизонтальных продольных нагрузок от трубопроводов на анкерную опору.

Разработанное решение оформлено в виде заявки на выдачу патента на изобретение (№ 2024133307 от 07.11.2024 г.), в настоящее время проходит экспертизу в ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности».

Заключение

Подводя итог проделанной работы, можно сделать следующие выводы:

1. Выполнен анализ нормативных документов по теме защиты от прогрессирующего обрушения технологических эстакад. Делается вывод, что отсутствие подробных рекомендаций и методик расчета на устойчивость против прогрессирующего обрушения по отношению к технологическим эстакадам в целом снижает надежность вновь возводимых и существующих реконструируемых объектов. Предлагается выполнить разработку соответствующих рекомендаций, которые отражали бы специфику проектирования данных линейных инженерных сооружений.
2. Используя опыт обследования, выполнен анализ часто встречаемой компоновки температурного блока технологической эстакады повышенного уровня ответственности с устройством одной анкерной опоры с множеством промежуточных двухшарнирных опор, которые соединены друг с другом разрезными пролетными строениями или распорками. Отмечается недостаток данной компоновки в виде невозможности обеспечения геометрической неизменяемости и устойчивости промежуточных двухшарнирных опор температурного блока при аварийной расчетной ситуации с удалением анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении).
3. Разработаны конструктивные решения по защите от прогрессирующего обрушения при аварийной расчетной ситуации с обеспечением геометрической неизменяемости и устойчивости промежуточных двухшарнирных опор температурного блока при удалении анкерной опоры из расчетной схемы (локальном разрушении).