Управление безопасностью и рисками с помощью инженерных решений в демонтажной отрасли

Штаб-квартира компании Dominion Energy находилась в центре Ричмонда, штат Вирджиния, США с 1978 года. Это 21-этажное здание с бетонным каркасом, также известное как One James River Plaza, занимало площадь 0,6 га (1,5 акра) и имело трехуровневую подземную парковку.

Спроектированное как единое целое, здание на площади занимало целый квартал города. Многие знакомы с ролью инженеров-строителей в проектировании подобных зданий, но их участие в демонтаже менее известно.

Когда комплекс был построен, мало кто мог предположить, что просторная площадь — главный элемент дизайна офисного здания 1970-х годов — когда-нибудь будет использоваться в качестве «котлована», куда обрушится все здание во время взрыва. Это произошло в мае 2020 года и стало возможным благодаря большому инженерному анализу, проведенному экспертами из компании Thornton Tomasetti.

Эта компания была привлечена подрядчиком по демонтажу зданий DH Griffin Companies, и, кроме инженерного анализа, она выполнила ряд других работ по устранению рисков и обеспечению безопасности из-за стесненных городских условий. Инженеры из компании Thornton Tomasetti сотрудничали с DH Griffin, подрядчиком по взрывным работам Controlled Demolition, генеральным подрядчиком Hourigan and Clayco и владельцем здания.

Расположенная в густонаселенном городском районе, One James River Plaza с трех сторон окружена стеклянными зданиями, включая новую штаб-квартиру Dominion Energy и автомагистраль I-95 с южной стороны. Здание состояло из трех частей – подземная часть, уровни с первого по третий и с четвертого по двадцать первый. Конструкция поддерживалась кессонным фундаментом с бетонной плитой на грунтовом основании.

Подземная часть состояла из трех подвальных этажей с опорными бетонными стенами, опирающимися на кессоны.

Полы состояли из железобетонных плит с перекрёстными рёбрами толщиной 9 см (3,5 дюйма), которые переходили в железобетонное плиты перекрытий на колоннах.

Механизированный демонтаж

В связи с оживленной городской обстановкой и для решения проблем, связанных с рисками и безопасностью, Dominion Energy, был проведен ряд инженерно-конструкторских работ. Цель механического демонтажа состояла в том, чтобы создать котлован, в который можно было бы обрушить основную башню.

При демонтаже трехуровневой парковки и площади вокруг башни с уровня улицы были использованы экскаваторы с большим вылетом стрел, а остальная часть конструкции, до которой экскаваторы не могли добраться, была снесена с помощью обычного механического оборудования для сноса. Команда Thornton Tomasetti работала с подрядчиком по демонтажу и в соответствии с графиком подрядчика, все работы по механическому сносу были тщательно разделены на этапы в зависимости от площади помещений.

Демонтаж частей здания был спроектирован таким образом, чтобы на различных этапах сноса не требовалось никаких опор или креплений. Работа также включала проектирование деревянных платформ для распределения нагрузок, создаваемых тяжелым оборудованием, на существующие плиты, для сохранения целостности здания на время проведения работ по сносу. Инженеры Thornton Tomasetti также выполнили подробный геоструктурный инженерный анализ для определения последовательности демонтажных работ, чтобы установить новую систему удержания грунта, поскольку стены фундамента по периметру были обнажены во время сноса.

Инженеры провели множественные расчеты, чтобы подтвердить способность конструкции выдерживать боковые нагрузки как в предварительно ослабленном состоянии, так и в ослабленном состоянии до взрыва. Чтобы подтвердить возможность структурного ослабления конструкции, ее нужно было проанализировать с учетом временных ветровых нагрузок.

Помимо особенностей моделирования сложной конструкции, перед группой стояла техническая задача — обеспечить, чтобы изгиб балок конструкции из-за боковых ветровых нагрузок не превышал расчетный изгиб при гравитационных нагрузках. Были проведены многократные исследования с разными сценариями, до тех пор, пока команда не определила приемлемую нагрузку и не подтвердила требования к работоспособности и прочности.

В тех местах, где боковой изгиб преодолевает изгиб под действием силы тяжести, инженеры Thornton Tomasetti предлагали складывать отходы на пол, чтобы добавить необходимый вес. Наконец, определив нагрузку и добавив вес, инженеры провели несколько тестов на устойчивость, чтобы подтвердить, что конструкция может безопасно выдерживать временные нагрузки.

Важная информация

Неотъемлемая часть управления рисками и безопасностью Thornton Tomasetti заключалась в том, чтобы сделать важные выводы, прежде чем взрыв состоится. Детальный анализ предполагаемого взрыва позволил подрядчикам по демонтажу и взрывным работам визуализировать процесс обрушения конструкции. Инженеры также оценили риск падения обломков на соседние объекты и размер области падения обломков, а также оценили возможность повреждения подземных коммуникаций и фундамента соседних зданий от вибраций грунта, вызванных ударами обломков. Они даже оценили объем пыли и дисперсию пылевого облака.

Инженеры компании Thornton Tomasetti внедрили несколько инновационных методов решения сложных технических проблем и провели обширную работу по моделированию, учитывая масштаб и размер здания. Разрушение вафельной плиты с учётом ее прочной конструкции и моделирование разрушения передаточной балки глубиной 6,1 м (20 футов) между вторым и третьим этажами также требовало тщательного изучения.

Для точного моделирования процесса разрушения здания требовалось проанализировать недостатки системы вафельных плит и передаточной балки. Встраивание подробного представления вафельной плиты и передаточной балки в модель здания было непозволительно с точки зрения вычислений.

Чтобы преодолеть эти проблемы, инженеры разработали глобальную модель здания с упрощенным изображением вафельной плиты и передаточной балки. Кроме того, были созданы отдельные модели вафельной плиты и передаточной балки, и проведен анализ разрушения этих элементов конструкции. Команда использовала результаты анализа этих моделей для построения модели взрыва здания. Этот подход был ключом к достижению баланса между точностью взрыва и эффективностью проведенных расчетов.

Анализ взрыва проводился с использованием NLFLEX, нелинейного кода конечных элементов для анализа переходных процессов, разработанного Thornton Tomasetti и широко используемого его инженерами с 1981 года для решения ряда динамических проблем.

К ним относятся воздействие воздушной звуковой волны на конструкции, приводящее к непропорциональному обрушению и контролируемому сносу. Результаты NLFLEX подтвердили с помощью прогнозов до тестирования малыми и крупномасштабными тестами и откорректировали после проведенных тестов. Этот метод также использовался для проведения тестирования при расследовании многочисленных структурных обрушений, в том числе Центра международной торговли 1, 2 и 7 на Манхэттене, обрушения автостоянки Tropicana в Атлантик-Сити, штат Нью-Джерси, сноса Мемориального колизея ветеранов Нью-Хейвена в Коннектикуте, и снос легендарного Georgia Dome в Атланте.

Смещение бетона

В соответствии с планом взрыва и моделирования процесса обрушения конструкции под действием собственного веса, был проведен анализ возможного смещения бетона и стали в элементах конструкции. Анализ состоял из фазы предварительной нагрузки и фазы динамического анализа.

На предварительном этапе для достижения статического равновесия было предпринято предварительное напряжение конструкции здания вместе с приложением статической нагрузки. Как только конструкция находится в статическом равновесии, может начаться фаза динамического сноса, на которой структурные элементы демонтируются в соответствии с последовательностью отложенных взрывов.

Во время процесса обрушения, чтобы обеспечить точное представление динамики разрушающейся конструкции, были учтены все критические взаимодействия, такие как столкновение элементов конструкции и удары о землю. Фаза демонтажа позволила оценить совокупное воздействие локального разрушения бетона и стали и соответствующего воздействия силы тяжести на конструкцию.

Результаты анализа показали, что план подрядчика по взрыву осуществим. Прогресс обрушения подтвердил, что здание по своей конструкции будет слегка наклоняться к северу при падении, поэтому обломки будут падать в котлован, созданным в результате сноса трехуровневой подземной парковки.

Для анализа вибрации грунта была разработана модель грунта под зданием на основе имеющегося геотехнического отчета. Затем был проведен парный анализ взрыва и вибрации для моделирования колебаний грунта из-за воздействия обломков при взрыве на грунт. Подтвердилось, что максимальная колебательная скорость частиц почвы (PPV), зарегистрированная в результате этих тестов, ниже порогового значения.

30 мая в 7 часов утра здание было разрушено до основания, что соответствовало длительной и методичной подготовке и инженерных работ. Все обрушившиеся части здания упали в котлован, как и предполагалось. На то, чтобы обрушить офисную башню, потребовалось всего 15 секунд, более 1360 кг (3000 фунтов) динамита и 5 км (три мили) детонационного шнура, однако на планирование этого последнего момента ушло более года.

Сведения об авторе

Махеш Раджу Байлаканавар — старший юрист консультационной фирмы по инженерным вопросам Thornton Tomasetti, расположенной в Нью-Йорке, США, с 50 офисами по всему миру и персоналом более 1500 человек.

Автор: Махеш Раджу Байлаканавар, 15 декабря 2021 г.

Наши спонсоры
Генеральный спонсор
Золотой спонсор
Золотой спонсор

Серебряный спонсор

Бронзовый спонсор
Медиа партнеры