За последние годы произошел ряд серьезных аварий на железобетонных сооружениях. Схожим образом обрушились терминал в парижском аэропорту Руасси-Шарль де Голль, здание Басманного рынка и крытая стоянка у торгового комплекса "МЕТРО" на Дмитровском шоссе в Москве. Но самым громким из этих печальных событий стала катастрофа в московском аквапарке "Трансвааль". В качестве причин аварии аквапарка называлось множество факторов: строительный брак, климат, даже наличие геологического разлома. И хотя было проведено 240 экспертиз, однозначных и исчерпывающих выводов специалисты так и не сделали.
Все эти случаи объединяют два обстоятельства. Первое - в сооружениях применялись тонкостенные бетонные конструкции (пластины, оболочки), протяженность которых намного превышала толщину. И второе - рядом со зданиями или внутри них находились источники механических колебаний (вибраций): в аквапарке работали насосы; рядом с магазином и рынком проходили улицы с интенсивным движением; в ближайшем аэропорту взлетали и садились самолеты.
Структура бетона существенно отличается от структуры гомогенного кристаллического тела и представляет собой смесь случайно ориентированных зерен различных фракций. Их сцепление между собой обеспечивается адгезионными силами (силами Ван-дер-Ваальса), которые в 100-1000 раз меньше сил, связывающих атомы или молекулы в обычных кристаллических телах. Бетон очень хорошо выдерживает напряжения сжатия, прочность на растяжение, и изгиб у него гораздо меньше. Кроме того, границы между зернами, по сути, представляют собой микродефекты структуры, по которым при определенных условиях может происходить разделение зерен.
Под воздействием вибраций в тонкостенных элементах аквапарка возникали поперечные волны, которые приводили к появлению изгибных деформаций. Если возмущающие колебания не совпадают по частоте с собственными колебаниями системы, разрушение вряд ли может произойти. Опасность вызывают колебания с частотами, близкими к собственной частоте системы. В таких случаях конструкция может войти в резонанс и разрушиться.
Действительно, в начальный период эксплуатации, судя по параметрам конструкции здания аквапарка, резонансные частоты его элементов, в частности купола, находились в диапазоне 5 кГц. Посторонние источники воздействовали на здание с частотами 20-200 Гц.
Однако длительное воздействие вибраций привело к росту микродефектов в бетоне. Качественно разрушение структуры бетона под действием переменных напряжений можно представить следующим образом: пусть в некий начальный момент времени на выделенной площадке действуют некоторые напряжения, не превышающие в среднем предела упругости. По закону Гука они вызывают соответствующие деформации. Но из-за хаотического взаимного расположения зерен локальные (местные) напряжения и деформации не совпадают со средними, в частности могут существовать области, где напряжения превышают предел упругости. При статическом нагружении такое положение не вызовет опасных последствий. В случае же переменных нагрузок напряжения и деформации в указанных "перенапряженных" областях могут привести к нарушению сплошности тела.
Дефекты в виде микротрещин уменьшают жесткость конструкций, а это в свою очередь снижает частоту собственных колебаний. В конце концов, она может оказаться в "опасном" диапазоне. Когда это произойдет, зависит от особенностей каждой конкретной конструкции. Кровля "Трансвааля" имела огромную площадь и небольшую толщину, представляя собой, по сути дела, мембрану. В сложившихся условиях амплитуда ее колебаний оказалась высокой и дегенерация бетона шла быстро. Поэтому от постройки до аварии прошло совсем немного времени.
Чтобы если не устранить, то хотя бы минимизировать воздействие вибрации, необходимо обеспечить диссипацию (рассеяние) энергии колебаний, возникающих в конструкции. Диссипация происходит в результате внутреннего трения или ухода волн в грунт.
В "Трансваале" крепление колонн было близко к шарнирному. Поэтому деформационные волны не гасли из-за внутреннего трения (сталь - очень упругий материал) и не уходили в фундамент, а отражались от шарнира и вновь начинали "гулять" по элементам сооружения. Конечно, это тоже повышало риск обрушения.
Почему же вибрация не рассматривалась в качестве одной из главных причин катастрофы, хотя этот фактор и фигурировал в материалах расследования? Комиссии экспертов проверяли процессы проектирования, возведения и эксплуатации здания аквапарка в первую очередь на соответствие Строительным нормам и правилам (СНиПам) - в строительстве им принадлежит та же роль, что ГОСТам в промышленности. Нарушений обнаружено не было.
Возникает простая мысль: если проект соответствовал СНиПам, но здание разрушилось, значит, СНиПы необходимо пересмотреть, добавив раздел "Вибрационная выносливость" - ведь нормы на этот параметр отсутствуют. В этом разделе необходимо запретить использовать несущие конструкции из бетона, если в процессе эксплуатации в них могут возникать поперечные (изгибные) колебания.
Имеет также смысл создать службу наблюдения за вибрационной обстановкой в составе Госгортехнадзора или МЧС, вменив ей в обязанность вести непрерывный контроль частот и амплитуд колебаний почвы и элементов конструкций, в первую очередь таких сооружений, как мосты, тоннели, крупные здания.
Наконец, следует шире внедрять в строительную практику приемы, увеличивающие диссипацию энергии колебаний. Это могут быть эластичные соединения крупногабаритных жестких элементов, антивибрационные швы, демпфирующие устройства и т.п.
