Основным требованием при проектировании любого сооружения является то, что оно должно надежно выдерживать все нагрузки во время строительства и эксплуатации. Во время строительства градирни на электростанции Pleasants Power Station, расположенной на острове Уиллоу, Западная Вирджиния, США, проектировщики допустили огромную ошибку, упустив из виду оценку пиковых нагрузок на конструкцию, включая динамические эффекты, которые будут воздействовать на частично готовую бетонную башню.
27 апреля 1978 года, во время строительства второй градирни, опалубка, поддерживающая строителей, провалилась, что привело к гибели 51 рабочего. Расследование, проведенное Управлением по охране труда и здоровья (OSHA), показало, что требуемая прочность бетона не была достигнута, чтобы выдержать приложенные нагрузки. Бетонная конструкция не выдержала дополнительных нагрузок, которые не были учтены в проекте.
Методология строительства, принятая для строительства градирни на острове Уиллоу, успешно применялась 36 раз, в том числе один раз на этом же объекте. Тем не менее, градирня вышла из строя, став одной из худших строительных аварий в истории США.
В этой статье рассматриваются детали конструкции градирни, основные причины разрушения сооружения и извлеченные уроки.
Две градирни на острове Уиллоу
- 2.1 Причина поломки
- 2.2 Результаты расследования NBS
- 2.3 Расследование, проведенное компанией Lev Zetlin Associates
- 2.4 Заключение по результатам расследования
1. Конструктивные детали градирни
Две гиперболические градирни с естественной тягой должны были быть построены для электростанции Pleasants Power Station, угольной электростанции на острове Уиллоу. Эти башни, похожие на дымоходы, были спроектированы большими, с искаженной формой песочных часов, что позволило бы воздуху циркулировать без вентиляторов, поскольку более теплый воздух внутри поднимался бы естественным образом. Хотя диаметр основания был постоянным 109 м, и диаметр, и толщина оболочки менялись с высотой башни.
Размеры градирни
Эти две градирни были спроектированы и построены подразделением градирен Hamon компании Research-Cottrell, Inc. (R-C), Баунд Брук, Нью-Джерси. R-C была компанией по контролю окружающей среды, которая проектировала и строила системы контроля загрязнения воздуха и воды для коммунальных предприятий.
R-C заключила субподрядный договор стоимостью 12 миллионов долларов на строительство пары башен высотой 131 метр. Генеральным подрядчиком проекта была компания United Engineers and Constructors.
1.1 Методология строительства
Башни были построены с использованием запатентованной технологии подъемной формы, которая успешно применялась при строительстве градирен. Подъемно-переставные леса состояли из пяти основных компонентов: балок переставной формы, анкерных узлов, домкратных рам, опалубки и подмостей.
Компоненты строительных лесов
Была использована четырехуровневая система лесов, рабочие платформы были подвешены к внутренним и внешним домкратным рамам. На верхнем уровне с помощью подъемной системы принимались строительные материалы, распределялась стальная арматура и заливался бетон. Второй уровень использовался только в процессе установки опалубки.
Третий и четвертый уровни системы лесов обеспечивали доступ к балкам трамплина, и с этих уровней проводилась окончательная подготовка поверхности, такая как заделка и затирка. Система лесов полностью поддерживалась ранее построенной частью башни. Каждый день выполнялся подъем на 1,5 м, и вся система лесов перемещалась вместе с домкратной рамой на новую высоту.
Ежедневная процедура укладки бетона состояла из четырех процедур. Во-первых, рабочие ослабляли опалубку после последнего подъема бетона, удаляя клинья из опалубки. Затем опалубка подгонялась под изменяющийся диаметр оболочки, и домкратом вся опалубка и система лесов поднималась на новую высоту. Затем самая нижняя балка опалубки была откреплена и перемещена на новое место на вершине. Наконец, опалубка была установлена на место.
После завершения десятого подъема бетон и строительные материалы были доставлены на рабочие платформы с помощью сложной системы подъемников. Материалы доставляли шесть козловых кранов, приводимых в движение двухбарабанными подъемниками. Ноги каждого козлового портала были прикреплены к алюминиевым балкам подъемной формы, которые затем были прикреплены к стене в местах расположения ребер на расстоянии примерно 3,7 м друг от друга.
По мере продвижения строительства кошачьи головки перемещались вверх по лесам подъемной формы. Статическая линия направляла все материалы по мере их подъема на рабочие платформы. Статическая линия была прикреплена к скользящей пластине на внутреннем конце кэтхеда с одной стороны и закреплена на анкерной точке на земле с другой стороны. Во время строительства из-за меняющейся геометрии башни необходимо было периодически регулировать как кошки, так и статическую линию.
2. Поломка градирни
Строительство первой градирни было завершено в августе 1977 года, но 27 апреля 1978 года, во время строительства второй градирни, система опалубки вышла из строя. Во время укладки бетона для подъемника № 29 (52 м над землей) произошло обрушение подъемника № 28, что привело к гибели рабочих.
Место обрушения
В день обрушения козловые порталы № 4 и 5 использовались для подачи арматуры и бетона. Сбой в работе козлового портала номер четыре начался, когда на платформу был доставлен третий ковш бетона, и башня начала рушиться внутрь. Обрушились подмости, опалубка, свежий бетон и большая часть старых подъемников.
Внутренняя рабочая платформа отслоилась, как будто кто-то открыл консервную банку. Внешняя платформа, 51 рабочий и тонны бетона были втянуты внутрь башни и превратились в груду беспорядочных обломков. Опалубка сорвалась одновременно в обоих круговых направлениях и встретилась прямо напротив исходной точки.
2.1 Причина провала
Сразу же после обрушения Национальное бюро стандартов (NBS) начало расследование по поручению Администрации по охране труда и здоровья (OSHA), чтобы определить причину аварии. Вся система была разделена на три секции для изучения. Первой была система подъема, второй – система строительных лесов, а третьей – сама башня.
Подъемная система была исследована потому, что отказ произошел в месте расположения козлового портала номер четыре. После того как все детали были собраны из обломков, их исследовали, чтобы выяснить, какой из компонентов вышел из строя первым. Были проведены лабораторные испытания подъемного троса, статической линии, цепной тали и якорного устройства системы. Эти результаты, наряду с полевыми наблюдениями, показали, что подъемная система не была инициатором отказа.
Следующей секцией была система строительных лесов. Согласно результатам расследования NBS, система строительных лесов не была наиболее вероятной причиной аварии. Лабораторные исследования показали, что отказ болтов не был причиной аварии, поскольку система подъема не могла создать достаточно большую силу, чтобы вызвать отказ болтов.
Далее НБС рассмотрел саму башню как наиболее вероятную причину обрушения. Для этого необходимо было определить прочность и другие механические свойства бетона в лифте № 28. Образцы бетона были изготовлены из материалов, предоставленных той же компанией, которая поставляла бетон на строительную площадку. Затем эти образцы были отверждены в камере, имитирующей температуру на стройплощадке в течение 24 часов до обрушения.
Погода на той неделе была холодной и дождливой, с температурой чуть выше 16°C днем и чуть выше 0°C ночью. По оценкам, обрушение произошло примерно через 20 часов после завершения строительства секции башни, расположенной возле козловой площадки номер четыре, и затвердевания бетона при температуре 4,4 °C. Прочность на сжатие этой секции составляла приблизительно 1 500 кПа. Был сделан вывод, что данная секция башни не обладает достаточной прочностью для сопротивления приложенным строительным нагрузкам.
2.2 Результаты исследования NBS
В следующих пунктах описываются общие выводы расследования, проведенного компанией NBS:
2.3 Расследование, проведенное компанией Lev Zetlin Associates
Пока NBS проводила расследование для OSHA, Lev Zetlin Associates (LZA) проводила другое расследование, от имени генерального подрядчика.
Выводы LZA не совпадали с результатами расследования NBS. LZA утверждала, что наиболее вероятной причиной аварии было раннее удаление анкерных болтов и конусов из нижней части подъемника № 27. LZA считает, что если бы анкерные болты остались на месте и были прикреплены к балкам трамплина, то обрушения бы не произошло.
2.4 Заключение по результатам расследования
Из-за противоречий, обнаруженных в ходе расследования, власти NBS проанализировали три оставшихся вопроса после завершения расследования.
Первый вопрос заключался в том, какой должна была быть прочность бетона в лифте № 28, чтобы оболочка могла выдержать приложенные строительные нагрузки. Второй вопрос касался болтов, которые должны были находиться в лифте № 27. Третий вопрос касался расположения линии статической нагрузки в момент обрушения.
После анализа нагрузок на подъемник, включая динамические эффекты, присущие подъемной системе, были определены результирующие напряжения в оболочке. Затем эти значения были сопоставлены с сопротивлением оболочки по всему профилю оболочки. Результаты показали, что разрушение оболочки в лифте № 28 начнется, если прочность бетона будет составлять 6 900 кПа или меньше.
Чтобы ответить на второй вопрос, были проанализированы модели с установленными нижними болтами и без них. Было обнаружено, что из-за дополнительных болтов в лифте № 27 величины критических напряжений уменьшились, но все еще значительно превышали предельную прочность бетонной секции в лифте № 28.
Для ответа на третий вопрос был проведен эксперимент с наземной точкой крепления статической линии на разных расстояниях от оболочки башни. Было установлено, что если бы основание статической линии нагрузки не было перемещено ближе к центру башни (ее местоположение во время обрушения), то критические напряжения были бы меньше предельной прочности бетона в лифте № 28.
Поэтому исследователи NBS пришли к выводу, что бетон в лифте № 28, вероятно, не разрушился бы, и, следовательно, обрушение не произошло бы, если бы основание статической линии не было перемещено.
Отказ градирни
3. Правовые последствия для проектировщиков
OSHA вынесло десять умышленных и шесть серьезных замечаний в адрес компании “Р-К”. Пять из этих нарушений были непосредственно связаны с обрушением. Обвинения включали:
Остальные пять замечаний были признаны не связанными с несчастным случаем. Уголовные обвинения были сняты, но компания R-C выплатила значительную сумму ущерба и штрафов, наложенных OSHA.
Кроме того, OSHA вынесло по два серьезных взыскания Питтсбургской испытательной лаборатории, компании, проводившей испытания бетона для R-C, и Criss Concrete Co, поставлявшей бетон для башни. Эти компании также столкнулись с судебными исками от семей погибших, а также от компании R-C.
4. Будущее после разрушения градирни
Три компании, столкнувшиеся с юридическими последствиями, были не единственными, кто оказался под огнем после катастрофы. OSHA подверглось критике за недостаточно строгое соблюдение правил. На момент аварии количество квалифицированных федеральных инспекторов по безопасности строительных проектов во всем штате Западная Вирджиния составляло семь человек. Это количество комиссия штата считала абсурдно малым.
В результате этой катастрофы OSHA приняло новые руководящие принципы. Одним из важных шагов, предпринятых OSHA для защиты будущих строителей, стало внесение изменений в закон о безопасности строительства в США. Одно из этих изменений переложило большую ответственность за решения по опалубке с инженера на подрядчика.
Другим важным изменением стало то, что OSHA удалило таблицу, в которой приводился график снятия опалубки. Теперь закон требует, чтобы образцы бетона были испытаны перед снятием опалубки или любой системы, которая полагается на прочность бетона.
Другие руководящие принципы, принятые OSHA после аварии, включали проверку специалистами планов строительства градирен и требование разработки подробного руководства по технике безопасности как части плана строительства. Кроме того, OSHA улучшило процедуры проверки, увеличив количество проверяемых элементов на градирнях и добавив проверку на соответствие плану строительства.
5. Извлеченный урок
Данный пример показывает важность стандартов безопасности в процессе строительства. Процесс, который успешно использовался 36 раз, в том числе один раз на одном и том же объекте, резко дал сбой, что привело к гибели 51 рабочего. Рабочие получали зарплату только за восемь часов в день, независимо от того, сколько времени уходило на выполнение дневной работы, что давало стимул торопить работу.
OSHA теперь добавило множество требований, таких как план строительства, и увеличило количество проверок безопасности, чтобы убедиться, что подобной катастрофы больше не произойдет.
Еще один урок, который был извлечен из этой аварии, – не связывать вместе всю опалубку. Вскоре после обрушения градирни на острове Уиллоу, на стройплощадке градирни в Сатсопе, штат Вашингтон, двое рабочих погибли, а третий получил серьезные травмы, когда стальная форма оторвалась от бетона. Если бы все эти формы были связаны вместе, жертв было бы гораздо больше.
Часто задаваемые вопросы
Почему обрушение градирни на острове Уиллоу считается самой страшной аварией в истории США?
Градирни Уиллоу-Айленда вышли из строя и стали причиной гибели 51 рабочего. Таким образом, эта авария считается самой страшной в истории США, поскольку число погибших рабочих в этой аварии считается самым высоким в строительной отрасли США.
Кто был проектировщиком градирни на острове Уиллоу?
Проектировщиками градирни Уиллоу-Айленд были Хамон, подразделение компании Research-Cottrell, Inc. и Баунд-Брук, Нью-Джерси.
Какова была высота градирни на острове Уиллоу?
Были построены две башни высотой 131 м.
Гора Рашмор: Высечение духа Америки
Мост Золотые Ворота: Строительство одного из самых длинных подвесных мостов в мире
Топ-5 крупнейших провалов плотин в мире
Читайте далее:- Оценка повреждений бетонных конструкций &Amp; подготовка отчета.
- Эйфелева башня: Особенности конструкции железного гиганта.
- Пизанская башня: Архитектурное чудо или инженерная неудача?.
- 3 важных случая обрушения зданий из-за плохого управления строительством.
- Что такое градирня?.
- Часовая башня Биг-Бен: тиканье с наклоном.
- Бурдж-Халифа: Строительство самого высокого сооружения в мире.