Магистр Волкова Ю.В.

Уфимский государственный нефтяной технический университет, Россия

Анализ воздействия ударной волны на промышленные здания и сооружения с целью выбора защитного устройства

Аварии на различных объектах, связанные с производством, хранением, транспортировкой, использованием взрывоопасных и других энергоемких материалов и веществ, вызывают необходимость обеспечения взрывобезопасности на этих объектах.

Взрывные воздействия в общем случае - переменные во време­ни и в пространстве. Их особенностью является сложный характер взаимодействий с сооружением и выработки нагрузок, вызываю­щих колебательные движения конструкций. При оценке воздействия ударной волны на какой-либо элемент объекта (здание, сооружение, оборудование, прибор и другие предметы) необходимо учитывать силу, возникающую в результате действия ударной волны, и реакцию элемента на действие этой силы. Реакция элемента выражается в виде деформации его конструкций. Значительные остаточные деформации приводят к полному или частичному их разрушению. Возможны перемещение или опрокидывание (сваливание), а также внутренние изменения в отдельных элементах объекта в результате его сотрясения.

Динамическая нагрузка от воздействия ударной волны и закон ее изменения во времени зависят от места расположения рассматриваемого здания, сооружения (наземное, полузаглубленное, подземное, расположенное на склоне возвышенности и т.д.) или отдельного предмета, конструктивных особенностей элемента, его формы, размеров, прочностных характеристик, внутренней структуры, а также от параметров падающей ударной волны. Нагрузка от ударной волны на отдельные части элемента зависит от положения их относительно направления распространения ударной волны.

Если поверхность расположена параллельно направлению движения ударной волны, она не вызывает отражения волны и не испытывает действия скоростного напора. Поэтому нагрузка создается только действием избыточного давления воздушной ударной волны. При этом в большинстве практических случаев набеганием ударной волны пренебрегают и считают, что вся поверхность (пролет) конструкции сооружения загружается одновременно. Это допустимо, так как фронт ударной волны, двигаясь со сверхзвуковой скоростью, проходит пролет конструкции за весьма малое время, одну-две десятых от периода собственных колебаний конструкции.

Действие нагрузки от ударной волны, распространяющейся вдоль поверхности земли, можно разделить на нагрузки обтекания, определяемые, главным образом, максимальным избыточным давлением в ударной волне, и нагрузки торможения, возникающие под действием скоростного напора. В большинстве случаев все элементы испытывают действие обеих нагрузок, хотя для некоторых типов элементов одна из этих нагрузок может иметь более важное значение по сравнению с другой. В зоне действия головной ударной волны при воздушных взрывах наибольшие нагрузки возникают на поверхностях элементов, обращенных к взрыву.

Когда фронт ударной волны достигает преграды (например, передней стены сооружения), происходит отражение частиц воздуха волны и торможение масс движущегося воздуха. Давление на стену повышается от избыточного давления во фронте ударной волны ΔРф до избыточного давления волны отражения ΔРотр. По краям стены уплотненная масса воздуха немедленно после своего образования начинает обтекать стену. Из-за разницы давлений падающей и отраженной волнах возникает волна разрежения, распространение которой приводит к снижению давления на стену от значения ΔРотр до некоторого значения избыточного давления волны обтекания ΔРобт. Следовательно, первоначальная сила, действующая на преграду, уменьшается, так как, во-первых, снижается давление в массах воздуха, уплотненных волной у передней стены здания; во-вторых, волна, обтекая здание, оказывает давление на него сзади и с боков, а также, проникая внутрь здания через проемы, повышает давление воздуха внутри здания. При обтекании боковые и верхние (горизонтальные) поверхности зданий и сооружений начинают испытывать давление ударной волны. Нагрузка на эти поверхности будет равна избыточному давлению во фронте проходящей волны плюс нагрузка торможения. Эту нагрузку при расчетах можно принимать равной давлению в проходящей волне, так как нагрузка торможения за счет неровности (шероховатости) поверхности будет незначительной. На рисунке 1 представлено взаимодействие ударных волн с объектами прямоугольной формы.


Рисунок 1- Взаимодействие воздушной ударной волны с объектом прямоугольной формы: а - вид сбоку, б - вид сверху

Во время процесса обтекания на переднюю (лобовую) стену сооружения действует избыточное давление и скоростной напор ударной волны. В результате разность давления на переднюю и заднюю части сооружения создает горизонтально направленную силу смещения, стремящуюся сдвинуть сооружение в направлении распространения ударной волны. Эта сила называется нагрузкой обтекания.

После того, как закончится процесс обтекания и элемент полностью погрузится в волну, результирующая горизонтальная нагрузка будет относительно небольшая, так как разность давлений на его передней (лобовой) и задней стенах незначительная и определяется целиком давлением скоростного напора на переднюю стену сооружения. Фактическое давление на всей стене сооружения превышает давление окружающей атмосферы и, хотя оно постепенно падает, эта разность давлений сохраняется до тех пор, пока не окончится положительная фаза действия ударной волны.

Рассмотрим характер изменения нагрузки от воздушной ударной волны на переднюю (лобовую) и заднюю (тыловую) стены замкнутого сооружения (здания) прямоугольной формы, стены которого не имеют проемов, либо имеют небольшое их количество - около 5% общей площади. При расчетах удобно пользоваться линейными эпюрами изменения давления во фронте ударной волны во времени, т. е. с заменой времени действия фазы сжатия на эффективное время Θ (кривая 2 на рисунке 2, а). Эпюра результирующей горизонтальной нагрузки стремящейся сдвинуть сооружение прямоугольной формы, приведена на рисунке 2, б.

При столкновении ударной волны с передней стеной (при t = 0), расположенной перпендикулярно направлению распространения ударной волны, давление на стену мгновенно повышается от ΔРф до ΔРотр. Избыточное давление отражения ΔРотр может быть рассчитано по формуле (1):

,                                 (1)

где   Ротр - избыточное давление в отраженной от преграды волне, кПа;

        ΔР0 - атмосферное давление, при нормальных условиях ΔР0 = 101,3 кПа.

В дальнейшем, до полного погружения сооружения в ударную волну, давление на лобовую стену сооружения резко падает

При установлении режима обтекания принято считать, что нагрузка на лобовую стену большинства зданий и сооружений уменьшается примерно вдвое, ΔРобт≈ 0,5 ΔРотр (рисунок 2, б).

2

Рисунок 2 - Изменение избыточного давления ударной волны во времени

Время от начала отражения до начала установления режима обтекания ориентировочно принято считать равным наименьшему из вычисленных значений (2):

,                                      (2)

где   h и b - высота и ширина сооружения или его части, возвышающаяся над уровнем земли;

Cф - скорость распространения волны, может быть рассчитана из выражения (3) или принята при приближенных расчетах равной скорости распространения звука в воздухе (340 м/с).

,                                   (3)

где Сф - скорость движения фронта ударной волны, м/с.

На тыльную стену нагрузка начинает действовать после прохождения ударной волной расстояния, равного длине сооружения, т. е. через время tбок=l/Cф. Ее значение достигает максимального значения за время tтыл, которое принимается равным наименьшему из значений (4):

,                                   (4)

Максимальное значение нагрузки на тыловую поверхность обычно не превышает давления в проходящей волне. Следовательно, нагрузка обтекания действует в течение времени, за которое ударная волна пробегает путь от передней поверхности до смыкания фронта за тыльной стеной, за время tбок + tтыл. Длительность действия нагрузок обтекания определяется размерами сооружения и даже для больших сооружений составляет лишь некоторую долю продолжительности действия ударной волны.

Обычно время обтекания для зданий равно десятым долям секунды, а стены этих зданий в результате их прогиба или сдвига внутрь здания под действием ударной волны разрушаются в течение сотых долей секунды. Продолжительность действия ударной волны (фазы сжатия) составляет единицы секунд. Таким образом, максимальная деформация конструкции здания (сооружения) происходит в начальный период нагружения за время, в большинстве случаев на два порядка меньшее продолжительности действия фазы сжатия ударной волны и на один порядок меньшее времени установления режима обтекания.

После полного обтекания сооружения ударной волной начинается фаза торможения (установившийся режим обтекания). Результирующая горизонтальная нагрузка режимов обтекания и торможения, стремящаяся сдвинуть сооружение, может быть примерно представлена в линейных координатах в виде эпюры нагрузки, заштрихованной на рисунке 2 б.

Вывод: Подробный анализ и изучение поведения воздушной ударной волны и ее взаимодействие с наземными объектами помогает предприятиям, эксплуатирующим опасные производственные объекты, содержащие взрывоопасные смеси предотвратить серьезные аварии и защитить персонал от повреждения и гибели, а также выбрать оптимальное защитное устройство, устанавливаемое на пути движения воздушной ударной волны и спрогнозировать развитие аварии в случае ее возникновения.

 

 

Литература

1.   Козлитин А.М., Яковлев Б.Н. Чрезвычайные ситуации техногенного характера. Прогнозирование и оценка: детерминированные методы количественной оценки опасностей техносферы: Учеб. Пособие / Под ред. Попова А.И. Саратов: СГТУ, 2000. – 124 с.

2.   Бесчастнов М.В. Промышленные взрывы. Оценка и предупреждение. – М.: Химия, 1991. – 432 с.

3.   Атаманюк В. Г., Ширшев Л. Г., Акимов Н. И. Гражданская оборона: Учебник для вузов/ Под ред. Михайлика Д. И.  Москва.: Высшая школа, 1986. —207 с.

4.   Таубкин И.С., Фролов А.В. О методиках расчёта параметров взрыва облаков газопаровоздушных смесей / Проблемы безопасности и чрезвычайные ситуации. – 2006. – № 2. – С. 35–46.

5.   Взрывные явления. Оценка и последствия: В 2-х кн. Пер. с англ./ Бейкер У., Кокс П., Уэстайн П. и др./ под ред. Зельдовича Я. Б., Гельфанда Б. E.– M.: Мир, 1986. – 319 с.

6.   Кобылкин И.Φ., Селиванов В. В., Соловьев B.C., Сысоев Η. Η. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. – 376 с.

7.   Козлитин А.М. Вероятностные методы анализа последствий фугасного воздействия взрыва на человека, технологическое оборудование, здания, сооружения при аварийных ситуациях на предприятиях нефтегазовой промышленности / Управление промышленной и экологической безопасностью производственных объектов на основе риска. – Саратов: СГТУ – 2005. – С. 16–44.

8.   РД 03-409-01 Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей.