-
Пройти Антиплагиат ©



Главная » Обеспечение безопасности зданий и сооружений » Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах



Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах

Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная. Уникализировать текст 



Горев В.А., Плотников А.И., МГСУ

 
В последнее время значительно возросла потребность в оценке последствий от действия внешних аварийных взрывов. Это связано с увеличением объёмов нефтепереработки на действующих предприятиях, а также с ростом риска аварий на них из-за износа основных фондов ТЭКа и транспортирующих систем. В правилах безопасности [1] сформулированы требования к зданиям, располагаемым на территориях предприятий со взрывоопасными производствами. В частности, здания с постоянным пребыванием людей должны быть устойчивы к действию взрыва. К таким объектам относятся пункты управления, административно-бытовые корпуса, ремонтно-механические цеха и т. д. Это требование должно удовлетворяться при проектировании новых взрывоопасных объектов (например, технологических установок) и при реконструкции действующих объектов со взрывоопасными производствами.
Для решения проблемы обеспечения взрывоустойчивости зданий, как минимум, необходимо иметь: 1) методику определения параметров взрывных волн, генерированных аварийными взрывами в открытом пространстве; 2) методику расчёта несущих систем и отдельных элементов зданий на действие нагрузок, возникающих от взрывных волн.
Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах
В настоящее время при решении этих вопросов в большинстве проектных организаций используются наиболее распространённые методики нормативных документов [2-4]. Методики [2,3] основаны на предпосылке об энергетическом подобии волн, генерированных аварийными взрывами в открытом пространстве (АВОП). Причём в методике [2] определяется тротиловый эквивалент взрыва в предположении, что во взрыве принимает участие Z=0,1 горючего, попавшего в воздушную атмосферу, а в энергию волны уходит 0,444 от энергии, выделившейся при взрыве. В результате эквивалентная масса тротила W равна:

,
где m – масса горючего вещества, перешедшего в облако, кг; Z – доля участия во взрыве, равная 0,1; – удельная теплота сгорания горючего вещества, принимаемая для углеводородов; – удельная теплота сгорания тротила, равная . В результате для углеводородов имеем:

т.е. каждый взрывающийся килограмм углеводорода эквивалентен взрыву 4,86 кг тротила, что устанавливается эквивалентностью их разрушающего действия посредством зависимости:
, (1)
здесь Ri – радиус зоны, внутри которой взрывная волна производит определённые структурные разрушения; Ki – константа, характеризующая соответствующую зону разрушения.
По данным работы [5] значения коэффициентов Ki в уравнении (1) для различных степеней разрушения следующие: K = 3,8 – полное разрушение зданий; K = 5,6 – 50% зданий полностью разрушены; K = 9,6 – здания непригодны для обитания; K = 28 – умеренные разрушения (повреждение внутренних малопрочных перегородок и т.п.); K= 56 – незначительные повреждения зданий.
Формула (1) была получена на основании анализа фактических разрушений так называемых «типовых зданий», имевших место в результате бомбардировок Великобритании в годы Второй мировой войны. Термину «типовое здание» при анализе результатов разрушений соответствовало некое одноэтажное здание с кирпичными несущими стенами, возведённое в климатических условиях Великобритании.
Другим источником формулы (1) был анализ диаграмм (диаграмм «давление – импульс»), которые учитывают зависимость степени разрушения как от величины давления, так и величины импульса. Авторы методики [2] увязали радиусы разрушений только с величиной максимального давления в волне, и поэтому в настоящее время проектные организации при определении радиусов зон разрушений указывают ещё соответствующую величину давления в волне, т.е. по существу однозначно связывают уровень разрушения только с величиной давления, в то время как формула (1) получена из диаграмм, базирующихся на известных экспериментальных зависимостях [6]. Таким образом, установление однозначного соответствия между уровнем разрушения зданий и избыточным давлением в волне, очевидно, неправомерно. Методика [2], как и все методики, основанные на энергетическом подобии взрывных волн аварийных газовых взрывов, обладает весьма существенным недостатком – она не учитывает способность горючего вещества преобразовывать запасённую в нём химическую энергию в механическую энергию взрывной волны, а эта способность зависит от природы вещества и от характера окружающего пространства. Например, в обзоре [7] по аварийным взрывам в открытом пространстве говорится, что на территории, где нет никаких препятствий и ограничений пространства, взрывов не происходит, а могут иметь место только пожары. В условиях с насыщенным заполнением пространства преградами установлено, что разные горючие вещества по-разному реализуют свою способность к взрыву. Горючие газы, имеющие большие нормальные скорости горения, ускоряются эффективнее в режиме взрывного горения и генерируют взрывные волны большей интенсивности [8-11]. При большей стеснённости окружающего пространства все горючие смеси ускоряют горение более эффективно. Методика [2] определяет также количество вещества, участвующего во взрыве. Независимо от условий аварии и свойств вещества принимается, что во взрыве участвует одна десятая часть вещества, перешедшего в облако (Z=0,1). Очевидно, что газы, находящиеся под давлением, перегретые жидкости, криогенные жидкости, легковоспламеняющиеся и горючие жидкости с разными скоростями переходят в облако и смешиваются с воздухом, образуя взрывоопасную смесь. Так, например, в работе [12] описаны крупномасштабные опыты с разрушением ёмкостей с жидким пропиленом и с последующим инициированием горения. Степень участия пропилена во взрыве в этих опытах достигала 0,7. С другой стороны, для горючих жидкостей с давлением насыщенных паров до ~ 10 кПа в предположении о полусферической форме облака величина Z=0,1 сильно завышает действие взрыва.
Для иллюстрации этого рассмотрим следующий пример. Четыре резервуара объёмом с площадью обваловки заполнены горючей жидкостью, имеющей давление насыщенных паров и молекулярный вес . За 1 час с указанной площади испарится:

Во взрыве принимает участие что соответствует ~ 2100 кг тротила со всеми вытекающими из этого зонами разрушений. Однако, если неформально проанализировать ситуацию, то получается, что над площадью свыше 15000 м2 сформировалось облако, содержащее 432 кг способного взрываться углеводорода. Если теперь предположить, что состав смеси в облаке стехиометрический , то получается, что высота облака составляет:
 

В облаке, состоящем из топливно-воздушной смеси такой высоты, горение не может ускориться до сколько-нибудь существенных значений вследствие того, что фронт пламени быстро достигает верхней границы облака, в результате чего поршневое действие от расширения при горении резко уменьшается [13,14]. Таким образом, при низких скоростях испарения горючих жидкостей взрыв в открытом пространстве невозможен даже при весьма значительной площади испарения.
Методика [3] предназначена для категорирования наружных взрывоопасных установок. Она также базируется на энергетическом подобии взрывных волн. Энергетический эквивалент взрыва определяется в предположении Z=0,1, а теплота сгорания условного ВВ близка к теплоте тротила. По приведенной массе горючего (тротила) определяется максимальное давление в волне, а её импульс – в зависимости от расстояния от центра взрыва:

(2)
где – атмосферное давление, равное 101,325 кПа, R – расстояние от центра взрыва в м.
,
здесь Q – теплота сгорания взрывающегося вещества (МДж),Z=0,1
– общее количество горючего вещества в атмосфере.
Импульс положительной фазы взрывной волны:
(3)
По значениям импульса и пикового давления затем определяется категория взрывоопасной установки, при этом используется представление о пробит-функции [15].
В методике [4] устранены основные недостатки методик [2,3], а именно: при определении режима взрывного горения учитываются как свойства горючего вещества, так и характер окружающего пространства. При этом для разных сочетаний этих факторов различают шесть режимов протекания взрыва, и только для детонационного режима параметры взрывной волны определяются из принципа энергетического подобия. В качестве единственной характеристики, определяющей способность горючего вещества к взрывному горению, выбран размер детонационной ячейки, который является мерой чувствительности системы к возбуждению детонации [16], но отнюдь не мерой способности горючей смеси к ускорению горения до высоких скоростей. Нормальная скорость горения является главной физической характеристикой способности смеси обеспечивать высокую скорость распространения пламени [17]. Например, смеси метана возбуждаются к детонации существенно хуже пропановых смесей [16], но в то же время ускоряются и горят не хуже последних вплоть до скоростей пламени, обеспечивающих избыточное давление до величин [11,18], т.е. до значений, перекрывающих порог давлений, реально достижимых при аварийных взрывах. Действительно, до сих пор не существует убедительных доказательств (в первую очередь, в характере структурных разрушений), свидетельствующих о том, что уровень давления в волне при аварийном взрыве превышал указанный предел и соответствовал режиму детонации. В ряде экспериментальных работ, например [19,20], показано, что взрыв в замкнутом пространстве может генерировать детонацию в свободном объёме высокоскоростной струёй истекающих продуктов горения. Однако, условия возбуждения детонации этим механизмом для воздушных смесей весьма труднодостижимы: узкий концентрационный интервал, находящийся для водорода в пределах 25…30%, диаметр струи ~ 1 м и давление в начале струи [19], для ацетилена соответственно 6…8%, диаметр струи ~ 0,7 м, скорость в струе 600…700 м/с [20]. Такие условия слишком специфичны, чтобы быть реализованными в аварийных ситуациях даже для самых чувствительных газов. Для смесей, менее чувствительных к детонации (пропан, метан, другие углеводороды), такие условия пока не выявлены.
Таким образом, можно утверждать, что основным режимом взрывного горения является дефлаграция со скоростями пламени, не превышающими 300 м/с, а в таких условиях турбулентное горение всегда будет происходить в узких зонах, поведение которых описывается с использованием нормальной скорости горения [17], а не размера детонационной ячейки – величины, характеризующей другой физический процесс.
Отметим, что размер детонационной ячейки не только не описывает основного механизма взрывного горения, но является величиной, не определённой для многих горючих газов, а как её определять для смеси газов – неизвестно. Ситуация с нормальной скоростью горения значительно лучше [30].
Величины максимального давления в волне и её импульса определяются в [4] следующими соотношениями:
взрывоопасного облака, содержащего вещество, участвующее во взрыве в стехиометрическом соотношении.
Выражения (4) и (5) определяют параметры волны при дефлаграционном взрыве для постоянной скорости пламени в диапазоне и для любых расстояний от центра взрыва. Между тем работа [21], посвящённая исследованию сферических волн от дефлаграционного взрыва, не подтверждает правильность этих результатов. Поэтому попробуем сопоставить параметры взрывной волны, полученные, с одной стороны, по формулам (4), (5), а с другой – найденные с помощью многократно проверенной и не вызывающей сомнений теории в акустическом приближении, дающей хорошие
расчёта параметров взрыва по различным методикам.
Из сравнения следует, что соотношение (4) занижает величину максимального давления в волне в момент взрыва, давая при этом заниженный темп его падения так, что при удалении от источника взрыва параметры волны, определённые по формуле (4), превышают величины, полученные в соответствии с теорией [22]. Зависимость максимального давления в волне от скорости пламени для широкого диапазона его скоростей не учитывает члена который уменьшает темп роста давления в волне с увеличением скорости пламени, и уже для скоростей пламени соотношение (4) даёт более высокие значения давления в волне на всех расстояниях от центра взрыва, причём это различие может быть весьма значительным. Так, согласно [23], при скорости пламени ~ 500 м/с , безразмерном расстоянии давление по формуле (4) в 4,5 раза превышает давление в волне, полученное численным методом [24]. Таким образом, основные соотношения (4) и (5) методики [4] не согласуются с известными результатами литературных источников. В самой методике [4] обоснование этих соотношений отсутствует.
 
Таблица 1
Результаты расчёта параметров взрывных волн
по различным методикам
Мето-
дика
работы
Параметры:
давление
импульс I
Расстояние от центра взрыва
[2]
 
>100 93 62,125 40
[3] 187 69 33,5 21,7
1,82 0,9 0,61 0,46
[4] 17,8 13,3 9,8 7,75
1,67 0,95 0,65 0,48
[22] 21,6 10,8 7,3 5,4
2,4 1,2 0,8 0,6
           
 
 

 
 
 
 
 
 
Действие взрывной волны на здания оценивается с помощью пробит-функции [15] или с использованием диаграмм [23,25]. Оба названных подхода имеют следующие недостатки:
1) учитывают только импульс и максимальное давление в волне, оставляя без внимания её реальный профиль;
2) не учитывают конкретных конструктивных решений несущих систем зданий и их элементов, прочностных характеристик материалов.
Они ориентированы на так называемое «типовое промышленное здание», определение которого в названных источниках не приводится. Попутно заметим, что таковое и не может быть дано в связи с большим разнообразием конструктивных решений производственных зданий.
Очевидно, что результаты динамических расчётов несущих систем зданий в целом на общее действие взрыва (с учётом эффектов взаимодействия взрывных волн с объектами – отражения от фронтальных стен, обтекания, затекания за тыльные стены и в проёмы), а также их отдельных элементов на местное действие непосредственно приложенной динамической нагрузки как по несущей способности (первая группа предельных состояний), так и по пригодности к дальнейшей эксплуатации (вторая группа предельных состояний) будут зависеть от конкретного конструктивного решения несущей системы здания, вида и прочностных характеристик материалов его элементов [26]. Вид профиля фазы сжатия взрывной волны также имеет важное значение [23,26,27,32].



Лекция, реферат. Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах - понятие и виды. Классификация, сущность и особенности. 2021.

Оглавление книги открыть закрыть

Техническое регулирование условий безопасности зданий в процессе их эксплуатации
Стойкость зданий против прогрессирующего разрушения при комбинированных особых воздействиях. Общий подход и метод оценки
Программная система для анализа опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в городском окружении на основе технологии «виртуальной реальности»
Анализ опасностей и рисков при столкновении самолёта с высотным зданием
Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах
Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах - 2
Концепция обеспечения пожарной безопасности высотных многофункциональных зданий ММДЦ «Москва-сити»
Исследование причин массовой гибели людей в зданиях торгового назначения и рекомендации по их предотвращению
Применение gps для мониторинга объектов при строительстве и эксплуатации
Наземное лазерное сканирование, как новейшая система мониторинга геометрических параметров для оценки безопасности строительных объектов
Биоциды нового поколения, обеспечивающие экологическую безопасность жизнедеятельностьи в зданиях и сооружениях
Биодеструкция строительных конструкций и их защита
Экологически чистые реагенты на основе возобновляемого растительного сырья для обеспечения пожарной безопасности в строительстве
Конструктивные способы обеспечения пожарной безопасности жилых зданий
Нормирование применения отделочных материалов на путях эвакуации
Рациональный способ огнезащиты клеедеревянных конструкций
Декоративный огнезащитный лак для древесины




« назад Оглавление вперед »
Анализ опасностей и рисков при столкновении самолёта с высотным зданием « | » Устойчивость зданий при внешних аварийных взрывах - 2






 

Похожие работы:

Воспользоваться поиском

 

Учебники по данной дисциплине

БЖД. Безопасность жизнедеятельности. Шпаргалка.
Основы ОБЖ
ЭКСТРЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ ПОМОЩЬ ПРИ ХИМИЧЕСКИХ, БИОЛОГИЧЕСКИХ И РАДИАЦИОННЫХ ПОРАЖЕНИЯХ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ
Организация службы безопасности и защиты информации на предприятии
Основы экономической безопасности учебник