Оценка устойчивости зданий (сооружений) к воздействию ударной волны

Устойчивость работа промышленных объектов в ЧС

Предполагается, что разрушение здания цеха (офиса) происходит в ре­зультате воздействия ударной волны, возникшей в результате аварийного разрушения (взрыва) какого-либо аппарата на заводской площадке. По­следствия взрыва определяются величиной давления разрушения инже­нерного объекта и массой выброса (слива) вредного вещества.

Оценка устойчивости зданий (сооружений) заключается в определении избыточного давления ударной волны ЛРФ, вызывающего различные сте­пени разрушения промышленного или административного здания в зави­симости от типа и сейсмостойкости конструкции, вида строительного мате­риала, высоты здания и грузоподъемности кранового оборудования внутри цеха промышленного здания.

Ориентировочно величина ∆РФ определяется по формуле:

 

где Кзд - коэффициент, учитывающий тип здания; Кр ~ коэффициент, учи­тывающий степень разрушения; Кк - коэффициент, учитывающий тип кон­струкции; Км - коэффициент, учитывающий вид строительного материала; Кв - коэффициент, учитывающий высоту здания; Кс - коэффициент, учиты­вающий сейсмостойкость конструкции; Ккр - коэффициент, учитывающий грузоподъемность кранового оборудования.

Значения коэффициентов Ki - К7 приведены в приложении 12.3.

Пример 1. Определить избыточные давления ударной волны, при которых здание цеха химического машиностроения получит различные степени разрушения. Исходные данные: тип здания - каркасный; стены -кирпичные; высота -10 м; здание не сейсмостойкое; грузоподъемность мостового крана - 10 т.

Р е ш е н и е : Избыточное давление ударной волны, вызывающее пол­ное разрушение здания, находим по формуле 12.1.

 

Тогда:

сильное разрушение:

среднее разрушение:

слабое разрушение:

 

Оценка устойчивости технологического оборудования к воздействию ударной волны.

Промышленное оборудование (в первую очередь, дымовые грубы, рек­тификационные колонны, опоры пиний электропередач, реакторы и др ) рассчитываются на действие скоростного напора воздуха, движущегося за фронтом ударной волны. Давление скоростного напора рассчитывается по формуле [9]:

где ∆РФ - избыточное давление во фронте ударной волны, кПа.

При воздействии скоростного напора на объект возникает смещающая сила, которая может вызывать:

- смещение оборудования относительно основания (фундамента) или его отбрасывание;

- опрокидывание оборудования;

- мгновенное инерционное разрушение элементов оборудования (удар­ные перегрузки).

Смещение оборудования может привести к слабым, а в ряде случаев и средним разрушениям. Величина скоростного напора, вызывающего сме­щение оборудования (расчетная схема представлена на рис. 12.1), состав­ляет

 

где f- коэффициент трения (см. приложение 12.4); т- масса объекта (оборудования), кг; g - ускорение свободного падения (9,8 м/с2); сх - коэф­фициент аэродинамического сопротивления объекта (см. приложение 12.5); I - длина объекта, м (наиболее неблагоприятный случай воздей­ствия ударной волны - перпендикулярно наибольшему размеру предмета); л - высота объекта, м; Qв - суммарное усилие болтов крепления, рабо­тающих на срез, Н. Величина QB равна

 

где τср - допустимое напряжение на срез, кг/мм2 (н/м2); σТ - предел текуче­сти стали, кг/мм2 (н/м2), для Ст. 35 ат = 65 кг/мм2 = 6,33x108 н/м2; d6 - диа­метр болта, м; п - количество болтов.

Рис. 12.1. Силы, действующие на объект при смещении: 1 – результирующее давление (центр давления); 2 – центр тяжести.
Рис. 12.2. Зависимость скоростного напора ∆Рск от избыточного давления ударной волны ∆Рф.

 

 

Для незакрепленного оборудования () величина скоростного на­пора, вызывающего смещение оборудования, составляет

 

 

( 12.5)

 

При l = d


(12.6)

Пример 2. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее смещение абсорбционной колонны относительно бетонно­го основания. Исходные данные: диаметр колонны d = 4 м; высота h = 60 м; масса кг = 5-105 кг; f = 0,2; сх = 0,46.

Решение: Определяем по формуле 12.6 предельное значение дав­ления скоростного напора, при котором колонна не смещается

По величине ∆РСК- 9 кПа, используя рис. 12.2, находим ∆Рфlim а 52 кПа. Таким образом, при ∆РФ > 52 кПа ударная волна вызывает смещение колонны.

Опрокидывание оборудования приводит к средним и сильным разруше­ниям. Смещающая сила Рсм действующая на плече z = h/2 будет созда­вать опрокидывающий момент, а вес (масса) оборудования на плече i12 (d/2) и реакция крепления Qr плече £ (d) - стабилизирующий момент (см. рис. 12.3).

Рис. 12.1. Силы, действующие на объект при смещении: 1 – результирующее давление (центр давления); 2 – центр тяжести.

 
 
Рис. 12.2. Зависимость скоростного напора ∆Рск от избыточного давления ударной волны ∆Рф.

 

 


(12.7)

 

При

 

(12.8)

 

где s - площадь объекта со стороны движения ударной волны, м2.

При b = l = d, где b – наименьший размер (ширина) объекта, м

(12.9)

 

Суммарное усилие болтов крепления, работающих на разрыв, равно

 

(12.10)

где σр - допустимое напряжение болта на разрыв, кг/мм2 (см. приложе­ние 12.6).

По величине скоростного напора ∆РСК, используя рис. 12.2, находят предельное избыточное давление ∆РФlim , при котором оборудование не оп­рокинется.

Пример 3. Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее опрокидывание абсорбционной колонны. Исходные дан­ные: см. пример 2.

Решение: Определяем по формуле 12.9 предельное значение дав­ления скоростного напора, при котором колонна не опрокинется:

.

По величине ∆РСК = 3 кПа, используя рис. 12.2, находим ∆Рф|lim = 30 кПа. Таким образом, при ДРФ > 30 кПа ударная волна вызывает опрокидывание колонны.

В данном случае для опрокидывания колонны требуется меньшее дав­ление ударной волны, чем для ее смещения, что характерно для высоких элементов объекта (колонная аппаратура и др); для низких, наоборот, тре­буется меньшее давление для смещения, чем для опрокидывания.

Инерционные разрушения радиоэлектронной и оптический аппаратуры (разрыв соединительных проводов, мест пайки, хрупких деталей и т.п.) возникают от избыточного давления ударной волны и давления скоростно­го напора. Они приравниваются к сильной степени разрушения.

Предельное значение избыточного давления ударной волны, при кото­ром оборудование не получит инерционных разрушений ∆Рфlim, определя­ется с помощью рис.12.4. по найденной величине избыточного предель­ного лобового давления ∆Рлоб:

(12.11)

 

где Pлоб - лобовая сила (не приводящая к ударной перегрузке), Н; S пло­щадь воздействия ударной волны, м2; т - масса прибора, кг; адоп - допус­тимое ускорение при ударе, м/с2 (приводится в техническом паспорте на прибор или берется из приложения 12.7); пдоп – адоп;/q - допустимая ударная перегрузка, не приводящая к инерционным разрушениям.

Пример 4. Определить предельное значение избыточного давления, при котором прибор не получит инерционное разрушение. Исходные дан­ные: длина прибора l = 400 мм, ширина b = 420 мм, высота h - 720 мм, масса кг -- 60 кг, допустимое ускорение при ударе aдоп -100 м/с2.

Решение; Определяем по формуле 12.11 избыточное лобовое дав­ление, которое может выдержать прибор:

 

 

По рис. 12.4, зная ∆Рло6, находим предельное избыточное давление ∆Рф,lim =18 кПа. Таким образом, при ∆РФlim| > 18 кПа прибор получит силь­ное разрушение от инерционных перегрузок, вызываемых ударной вол­ной.

Основные пути повышения инженерной устойчивости промышленных объектов:

- использование оптимальных конструкций и материалов зданий и со­оружений;

- надежное закрепление оборудования на фундаменте;

- применение демпфирующих (деформируемых) опор оборудования;

- создание специальных защитных упругих навесов, кожухов, зонтов, сеток и т.п.;

- расположение массивной техники на нижних этажах и вне помещения;

- возможность эксплуатации объекта на различных видах топлива (газ, уголь, мазут и т.п.);

- обваловывание емкостей с вредными веществами, горючими и легко­воспламеняющимися жидкостями;

- закрепление оттяжками (тросами) высоких элементов объекта, рас­считанными на воздействие скоростного напора ударной волны.