Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РОБОТА БУДІВЕЛЬНИХ КОНСТРУКЦІЙ В УМОВАХ ОСОБЛИВИХ НАВАНТАЖЕНЬ
РОЗДІЛ 11. ВПЛИВ СЕЙСМІЧНИХ НАВАНТАЖЕНЬ НА БУДІВЕЛЬНІ КОНСТРУКЦІЇ
11.1 Загальні поняття про землетруси
Швидкі, раптові струси земної кори, викликані різного роду природними причинами, називаються землетрусами. Основна причина землетрусів – розрядка внутрішніх напруг Землі. Виявляються землетруси, головним чином, в зонах активних рухів земної кори. Ці зони називаються сейсмічними (грець. seismos – коливання).
Область усередині Землі, де раптово виділяється потенційна енергія, називається сейсмічним осередком. Центр області називають гіпоцентром Н, а його проекцію на поверхню Землі – епіцентром Е. Відстань між гіпоцентром і епіцентром – глибина сейсмічного осередку. За глибиною сейсмічного осередку землетруси поділяють на:
– поверхневі – відстань від епіцентру до гіпоцентру до 10 км;
– нормальні – 10…75 км;
– проміжні – 75…300 км;
– глибокофокусні – 300…700 км.
Пружні коливання, що розповсюджуються в Землі від осередків землетрусів, вибухів і інших джерел називають сейсмічними хвилями. Швидкість розповсюдження хвиль залежить від щільності і пружності середовища. Швидкість має тенденцію до зростання у міру поглиблення, в земній корі вона складає 2-8 км/с, а при поглибленні до мантії - 13 км/с. Розрізняють об'ємні та поверхневі сейсмічні хвилі; у свою чергу об'ємні хвилі розрізняються на подовжні і поперечні (рис. 11.1).
Поверхневі сейсмічні хвилі – ті, що розповсюджуються тільки уздовж поверхні Землі. Швидкість поверхневих хвиль менше швидкості об'ємних хвиль. Із-за своєї низької частоти, часу дії і великої амплітуди вони є самими руйнівними зі всіх типів сейсмічних хвиль. Розрізняють два типи поверхневих хвиль: хвилі Лява і Релея.
Об'ємні хвилі проходять через надра Землі.
Подовжні сейсмічні хвилі (P-хвилі, первинні хвилі, компресійні хвилі) – найбільш швидкі хвилі, що розповсюджуються від джерела сейсмічних коливань і є послідовним стисненням і розрядкою матеріалу. Подовжні хвилі проходять через всі середовища. Їх швидкість в 1,7 разу більша, ніж швидкість поперечних S-хвиль. Стандартна швидкість P-хвиль в граніті – 5000 м/с.
Поперечні сейсмічні хвилі (S-хвилі, вторинні хвилі) – сейсмічні хвилі, що розповсюджуються повільніше, ніж подовжні Р-хвилі. Вони складаються з пружних коливань, поперечних по відношенню до напряму розповсюдження хвилі. Поперечні хвилі не проходять через рідину.
Сейсмічні хвилі у міру віддалення від сейсмічного осередку втрачають інтенсивність. Зменшується і сейсмічна енергія. Ці зміни на спеціальних сейсмічних картах показують ізолініями (ізосейстами). Кожна ізосейста з’єднує точки з рівною щільністю потоку сейсмічної енергії. Дальність розповсюдження багато в чому визначається геологічною будовою району. У складчастих областях сейсмічні хвилі затухають значно швидше, ніж на рівнинах.
Рисунок 11.1 – Види сейсмічних хвиль
В Україні до сейсмічно небезпечних районів віднесені Карпати і Крим. Сейсмічна зона Криму займає південну частину півострова. Тут відомі землетруси силою до 8 балів.
За причинами, що їх викликають, землетруси поділяються на тектонічні, вулканічні і денудаційні.
Тектонічні землетруси пов’язані з розрядкою напруг, що періодично накопичуються в земній корі і верхній мантії внаслідок рухів блоків та глиб, що зачіпають різні глибини земної кори і верхню мантію. На них припадає 95 % всіх землетрусів.
Вулканічні землетруси передують виверженням вулканів або супроводжують їх. Вони мають локальне розповсюдження: обмежуються областю, прилеглою до діючого вулкана.
Денудаційні (або обвальні) землетруси відбуваються в районах розповсюдження легкорозчинних гіпсових, сольових і карбонатних порід, де виникають значних розмірів карстові порожнини і печери. Підземний обвал віддає по поверхні сейсмічним поштовхом. На частку денудаційних припадає близько 1 % всіх відомих землетрусів. Один з найбільш сильних денудаційних землетрусів спостерігався в Харківській області в 1915 р.
Коливання ґрунту, викликані проходженням поверхневих хвиль, фіксуються за допомогою приладів – сейсмографів і записуються у вигляді сейсмограм. Сейсмограми – основний документ, що характеризує землетрус. На них відбиті амплітуди подовжніх, поперечних і поверхневих хвиль.
Основні показники сили землетрусу – його енергія та інтенсивність. Енергія, що виділяється при розрядці напруг у сейсмічному осередку, вимірюється у джоулях або магнітудах. Магнітуда M – умовна енергетична характеристика, що виражається логарифмом відношення амплітуди коливань землетрусу, який вивчається, A до амплітуди коливань стандартного землетрусу A:
М = lg (Аґ / А) (11.1)
Як еталонний, або стандартний землетрус, прийнято землетрус з амплітудою 1 мкм, який можна зареєструвати на відстані 100 км сейсмографом стандартного типу.
Шкала, запропонована Ч. Ріхтером, налічує 9 магнітуд. Між енергією і магнітудами існує залежність. Співвідношення магнітуди, енергії та інтенсивності землетрусів наведені в табл. 11.1.
У глибокофокусних землетрусів поверхні Землі досягає лише 7…8 % енергії, що виділяється. Тому невеликі за енергією землетруси з малою глибиною сейсмічного осередку бувають більш руйнівними, ніж глибокофокусні з високою енергією сейсмічного осередку.
Інтенсивність землетрусу характеризує силу підземних поштовхів на поверхні Землі. Для оцінки її розвитку використовують 12-бальну шкалу MSK-1964 (табл. 11.2). В її основу покладені ступінь руйнування будівель, зміни у ґрунтах, поведінка людей та інші ознаки. Характер руйнувань на поверхні залежить від напрямку ударної хвилі.
Таблиця 11.1 – Співвідношення інтенсивності, магнітуди та енергії землетрусів
|
Характер землетрусів |
Інтенсивність, бали |
Магнітуда, М |
Енергія E, Дж |
Число землетрусів на рік (частота землетрусів) |
|
Катастрофічне |
11…12 |
8,0…9,0 |
108 |
1 |
|
Сильно руйнівне |
9…11 |
7,0…7,9 |
1016 |
10 |
|
Руйнівне |
7…9 |
6,0…6,9 |
1014 |
100 |
|
Супроводжується пошкодженнями |
6…7 |
5,0…5,9 |
1012 |
1000 |
|
Тільки відчувається |
4…5 |
3,0…3,9 |
108 |
100000 |
Між енергією землетрусу та його інтенсивністю існує залежність, що виражається формулою:
М = 1,3 + 0,6 B, (11.2)
де M – магнітуда; B – інтенсивність землетрусу, балів.
Таблиця 11.2 – Класифікація землетрусів за проявами по шкалі MSK-1964
|
VI |
3.0…3.9 М |
Легкі пошкодження будівель. Спостерігаються тонкі тріщини у штукатурці. У сирих ґрунтах з’являються тріщини шириною до 1 см. |
|
VII |
4.0…4.9 М |
Легкі та значні пошкодження будівель. Спостерігаються тріщини та сколювання штукатурки. Спостерігаються випадки руйнування споруд з природного каменю (глинобитних і з рваної цеглини), На дорогах з’являються тріщини, порушуються стики трубопроводів. |
|
VIII |
5.0…5.9 М |
Сильне пошкодження будівель. Руйнується багато будівель із природного каменю. У кам’яних будівлях з’являються численні великі тріщини та розшарування кладки, руйнування окремих ділянок стін, обсипається штукатурка. Тріщини у ґрунтах досягають декількох сантиметрів. |
|
IX |
6.0…6.9 М |
Загальне пошкодження будівель. Руйнування стін та перекриттів. Окремі випадки руйнування цегляних споруд. Скривлюються залізничні колії. Тріщини у ґрунтах досягають 10 см завширшки. |
|
X |
7.0…7.9 М |
Загальне руйнування будівель. Цегляні будівлі руйнуються, серйозні пошкодження виникають у дамбах, греблях, мостах. Дорожні асфальтовані покриття набувають хвилястої поверхні. Тріщини у ґрунтах досягають 1 м. На берегах річок, морів, схилах гір спостерігаються великі обвали, випадки випліскування води в озерах, каналах, річках. |
|
XI |
8.0…8.9 М |
Катастрофа. Ушкоджуються будівлі залізобетонних конструкцій. Значним руйнуванням піддаються мости, дамби, залізничні колії. Рівна поверхня стає хвилястою. Ширина тріщин у ґрунтах досягає 1 м. Уздовж розривів відбуваються вертикальні й горизонтальні переміщення гірських порід. |
11.2 Основні вимоги до будівництва у сейсмічних районах
Основні вимоги до будівництва у сейсмічних районах зводяться до вжиття таких заходів:
Будівельні майданчики під населені пункти і споруди вибираються з урахуванням геологічних даних, якнайдалі від можливих або явних розривних порушень, далеко від крутих схилів, що загрожують обвалами і зсувами. Несприятливими для будівництва вважають пухкі ґрунти і тріщинуваті породи.
При виборі ділянки для забудови враховують такі поняття, як сейсмостійкість будівельних об’єктів та сейсмічність будівельного майданчика.
Здатність ґрунтів, будівель і споруд протистояти сейсмічним впливам називають сейсмостійкістю. Заходи з підвищення сейсмостійкості будівель застосовуються у районах із сейсмічністю у 7 балів і вище. Нормативне обґрунтування цих заходів здійснюється за ДБН В.1.1-12:2006. «Будівництво у сейсмічних районах України». За сейсмічності більше 9 балів зведення капітальних будівель заборонено.
Сейсмічність будівельного майданчика залежить від сейсмічності району та сейсмостійкості ґрунтів, на яких розташовано майданчик та які поділяються на категорії. Сейсмічну інтенсивність майданчика будівництва визначають з урахуванням ре зультатів сейсмічного мікрорайонування (СМР), яке виконується для районів із сейсмічністю 6 і більше балів. У разі відсутності карт сейсмічного мікрорайонування допускається спрощене визначення сейсмічності майданчика будівництва на основі матеріалів інженерно-геологічних вишукувань згідно з таблицею 11.3.
Таблиця 11.3 - Сейсмічність майданчика будівництва в залежності від категорії ґрунтів
|
Категорія ґрунту за сейсмічними властивостями |
Ґрунти |
Сейсмічність майданчика будівництва при сейсмічності району, балів |
Швидкості розпов сюдження сейсмічних хвиль у грунті, vs, м/с |
|||
|
6 |
7 |
8 |
9 |
|||
|
I |
Скельні ґрунти усіх видів; великоуламкові ґрунти щільні, маловологі, які вміщують до 30 % піщано-глинистого заповнювача. Глибина ґрунтових вод більше 15 м. |
5 |
6 |
7 |
8 |
vs>800 |
|
II |
Скельні ґрунти вивітрілі; піски гравелисті, крупні та середньої крупності щільні та середньої щільності маловологі; пилувато-глинисті грунти із показником текучості ІL≤0,5 при коефіцієнті пористості е < 0,9 - для глин і суглинків та е < 0,7 - для супісків. Глибина ґрунтових вод 15…5 м. |
6 |
7 |
8 |
9 |
500<vs <800 |
|
III |
Піски крихкі незалежно від ступеня вологості та крупності; піски гра велисті крупні; дрібні та пилуваті вологі та водонасичені; пилувато-глинисті грунти з показником текучості ІL > 0,5; пилувато-глинисті ґрунти з показником текучості ІL≤0,5 при коефіцієнті пористості е≥0,9 - для глин і суглинків та е≥0,7- для супісків. Глибина ґрунтових вод менше 4 м. |
7 |
8 |
9 |
10 |
200<vs<500 |
|
IV |
Піски крихкі водонасичені, схильні до розрідження; насипні грунти; пливуни, біогенні ґрунти та намули |
За результатами спеціальних досліджень |
vs <200 |
При проектуванні будівель зазвичай приймають нормативну сейсмічність будівельного майданчика, яка відповідає 2-ій категорії. Для ґрунтів 1-ї категорії розрахункова сейсмічність знижується на 1 бал, а для ґрунтів 3-ї категорії – підвищується на 1 бал, порівняно з нормативною.
Відомо, що споруди, які будуються у сейсмічно небезпечному районі, проектуються так, щоб відповідати різним критеріям поведінки за різної інтенсивності землетрусів.
При проектуванні сейсмостійких споруд дотримуються таких принципів:
1. Принцип симетрії: маса і жорсткість конструкції повинні бути розподілені рівномірно і симетрично відносно площин симетрії, що проходять через центр ваги споруди. Тобто будівлі проектують простої форми у плані та симетричними (круг, квадрат, прямокутник). Будівлі складної форми у плані поділяють на відсіки простої форми антисейсмічними швами (рис. 11.2) у вигляді парних стін (у стінових будівлях) або парних рам (у каркасних будівлях).
2. Принцип гармонії: необхідно дотримуватися пропорційності у розмірах будівлі, при цьому її довжина або висота не повинні бути надзвичайно великими. Граничні розміри, поверховість, висоту поверхів будівель приймають згідно з вимогами ДБН В.1.1-12:2006.
3. Принцип антиважкості: необхідно проектувати споруду якомога більш легкою, з центром ваги, розташованим якнайнижче.
4. Принцип еластичності: матеріали в конструкції бажано застосовувати міцні, легкі, такі, що мають пружні властивості; конструкції з них повинні мати однорідні властивості.
5. Забезпечення замкнутого контуру: несучі елементи конструкції повинні бути зв’язані між собою, утворюючи замкнуті контури як у вертикальному напрямку, так і в горизонтальному.
6. Забезпечення надійності фундаментів: для сейсмостійких конструкцій фундаменти повинні бути міцними, достатньо глибоко закладеними, бажано на податливих прошарках або спеціальних субструкціях, що замінюють слабкі ґрунти, для забезпечення однорідності і міцності ґрунтової основи. Стрічкові збірні фундаменти закладають на одній відмітці та роблять неперервними. Ростверк пальового фундаменту роблять низьким, заглибленим у ґрунт. Рекомендується застосовувати суцільний плитний фундамент. Підвал розташовується під усім відсіком. В каркасних будівлях фундаменти під колони зв’язують між собою неперервними залізобетонними фундаментними балками у вигляді перехресних стрічок.
Рисунок 11.2 – Приклад проектування будівель складної форми в сейсмічних районах
7. Застосування сейсмоізоляції: доцільно застосовувати пристрої, що знижують інтенсивність коливальних процесів, які передаються від ґрунту на будівлю.
При будівництві дамб і мостів підсилюють їх основи, влаштовують більш пологі укоси. Нові конструкції будівель здорожують будівництво, але це врешті-решт виправдовує себе: рятує життя багатьом людям, зберігає від руйнування дорогі промислові об’єкти.
Будівлі і споруди слід розділяти антисейсмічними швами у випадках, якщо:
Антисейсмічні шви повинні розділяти будівлі і споруди по всій висоті. Допускається не влаштовувати шов у фундаменті, за винятком випадків, коли антисейсмічний шов співпадає з осадовим.
Сходові клітки слід передбачати закритими, такими, що мають в зовнішніх стінах віконні отвори. Розташування і кількість сходових кліток слід визначати за результатами розрахунку, що виконується відповідно до вимог ДБН В.1.1-7-2002 «Захист від пожеж. Пожежна безпека будівель та споруд», але приймати не менше однієї сходової клітки між антисейсмічними швами в будівлях заввишки більше трьох поверхів.
Антисейсмічні шви слід виконувати шляхом зведення парних стін або рам, а також зведення рами і стіни.
11.3 Міцність будівельних матеріалів при сейсмічних навантаженнях
Міцність будівельних матеріалів і конструкцій залежить не тільки від фізичних властивостей, але багато в чому визначається тими умовами, в яких вони знаходяться при експлуатаційних навантаженнях. В умовах землетрусів міцнісні характеристики матеріалів, природно, більшою мірою визначатимуться особливостями самого сейсмічного навантаження.
Однією з таких особливостей, характерною для всякого землетрусу, є короткочасність дії навантаження, тобто порівняно мала кількість циклів його повторення. Іншим чинником, що має велике значення для роботи будівельних конструкцій і матеріалів, є частота навантаження.
Як показують численні експериментальні дослідження, споруди коливаються з частотою, що відповідає частоті їх власних коливань, незалежно від частот зовнішньої дії. Періоди ж вільних коливань більшості будівель і споруд становлять близько 0,1…2,0 с, і, отже, частота динамічного навантаження, що впливає на споруду в умовах землетрусів, знаходитиметься, в основному, в межах 0,5…10 Гц.
Розглядаючи несучу здатність конструкцій і матеріалів, слід мати на увазі, що сильний землетрус – явище відносно рідкісне, тому забезпечення експлуатаційної повноцінності об’єктів після землетрусу може бути економічно недоцільним, оскільки термін служби таких будівель може бути меншим за період повторюваності сильних землетрусів. Тому в сейсмостійкому будівництві не ставиться вимога забезпечення повного збереження і придатності до подальшої експлуатації будівель, що зазнали сейсмічних навантажень; головне – забезпечити безпеку людей і збереження найбільш цінного майна. Така вимога визначає поняття граничного стану конструкції; у конструкціях можна допустити будь-які деформації, які, проте, не призведуть до обвалення.
У цих умовах гранична несуча здатність конструкцій може визначатися тільки граничними міцнісними характеристиками матеріалів. Наприклад, несуча здатність залізобетонних конструкцій не повинна обмежуватися моментом появи в арматурі напруг, відповідних межі текучості арматурної сталі; вона повинна визначатися межею її міцності, що, природно, приводить до істотного збільшення несучої здатності.
Як наголошувалося раніше, несуча здатність сталі, бетону, залізобетону та інших матеріалів в умовах сейсмічних дій визначається, в основному, динамічним характером навантаження за порівняно невеликої кількості циклів його дії. При цьому міцнісні характеристики, природно, відрізнятимуться як від міцності при одноразовому швидкому навантаженні (ударі), так і від міцності при великому, обчислюваному мільйонами циклів, числі навантажень (втомна міцність). Проте оскільки міцність матеріалів у області нечисленних повторних навантажень до певної міри пов’язана і з їх ударною та втомною міцністю, треба розглянути більш загальну характеристику несучої здатності матеріалів за різних видів навантажень.
Для прикладу можна розглянути такий будівельний матеріал, як сталь. Дослідження сталі показали, що ударна міцність у неї на 20…40 % вища за статичну, а межа текучості при ударі зростає, в порівнянні зі статичними випробуваннями, на 30…60 %. Слід зазначити, що м’які сталі, які мають добрі пластичні властивості, виявляють значно помітніше збільшення міцнісних характеристик, ніж крихкі.
Збільшення міцнісних характеристик зі зміною швидкості навантаження спостерігається і в інших будівельних матеріалів, наприклад, у бетоні, алюмінії, деревині. Ударна міцність алюмінієвих сплавів на 20…30 % вища за статичну межу міцності. Міцність бетону на стиснення при ударі виявляється вищою за Rп.п, причому це перевищення, залежно від швидкості навантаження, коливається в діапазоні від 10 % до 85 %. Ударна міцність деревини при вигині на 10…75 % вища за своє статичне значення. Тобто як правило, міцнісні характеристики будівельних матеріалів збільшуються зі зростанням швидкості додавання навантаження.
Міцнісні характеристики будівельних матеріалів залежать від повторності додавання навантаження. Дослідами встановлено, що якщо матеріал піддавати дії навантаження, величина якого дещо менше за статично руйнуючу, то після деякого числа повторень навантаження викликає руйнування цього матеріалу. Якщо потім зменшити величину навантаження, то для руйнування такого ж зразка вже буде потрібна більша кількість циклів. За зменшення навантаження до певної межі стане можливим навантажувати зразок нескінченну кількість разів без руйнування. Ця характеристика матеріалу носить назву "межа втоми", або "витривалість".
Практично межею витривалості прийнято вважати максимальну напругу, яку матеріал витримує в кількості 5·106 або 5·107 циклів.
Дослідження втомної міцності сталі, бетону, залізобетону та інших будівельних матеріалів були проведені багатьма ученими. За даними цих досліджень, величина межі витривалості для сталі становить близько 0,5 Rп.п (при n = 6·106 та q = 0), для бетону на стиск – приблизно 0,5…0,6 Rп.п (при n = 2·106 та q = 0). Для залізобетонних елементів межа витривалості залежить від відсотка армування і коливається в межах 0,4…0,6 Rп.п.
Слід зазначити, що втомна міцність матеріалів залежить від цілого ряду чинників: від виду напруженого стану, меж зміни напруг при кожному циклі динамічного навантаження (коефіцієнта асиметрії q = σmin/σmax), швидкості навантаження, режиму зміни амплітуд напруг та ін.
Міцнісні характеристики будівельних матеріалів у області обмеженої втоми мають безпосереднє відношення до несучої здатності при сейсмічних навантаженнях.
Дослідженням міцності сталі, бетону, залізобетону, алюмінію у області нечисленних повторних навантажень останнім часом приділяється багато уваги. Було встановлено, що в цьому діапазоні на міцність і деформативність будівельних матеріалів впливають як швидкість додавання навантаження, що веде до збільшення міцнісних характеристик матеріалів, так і повторність динамічної дії, що знижує несучу здатність. Істотний вплив на зниження міцнісних показників конструктивних елементів справляють також "перевантажувальні цикли", що мають місце, як це вже було відмічено, при землетрусах.
У результаті досліджень несучої здатності матеріалів (сталі, алюмінію і бетону) і простих конструкцій (балок і стояків) при нечисленних повторних навантаженнях вдалося встановити, що залежність між міцністю і логарифмом числа навантажень для досліджуваних матеріалів має прямолінійний характер і може бути виражена рівняннями: для сталі σn = Rп.п (1,34…0,13 lg n); для алюмінію σn = Rο.ο (1,41…0,15 lg n); для бетону σn = Rп.п (1,15…0,09 lg n).
Таким чином, міцність сталі, алюмінію і бетону за порівняно невеликого числа повторних навантажень (до 80…100 циклів) у ряді випадків перевищує статичну межу міцності, а при одноразовому навантаженні (n = 1) це перевищення стає вельми значним (для сталі А-I – 30 %, для алюмінієвого сплаву АМг/к61 – 40 % і для бетону марки 200 – 15 %), тобто швидкість навантаження істотно впливає на міцнісні характеристики матеріалів.
Величина відносного подовження µ при розриві для балок зі звичайного і попередньо напруженого залізобетону, армованого сталями класів А-I, А-IIIв і A-IV, за різного вмісту арматури, становить: для сталі класу А-I – близько 25 %, для сталей класів А-IIIв і А-IV – 6 %.
Для залізобетонних балок з арматурою класу А-I µ = 1,7 %; з арматурою класу А-ІІI µ = 1,0 %.
У результаті проведених досліджень було встановлено залежність міцності зразків від кількості циклів динамічного навантаження.
Як показує аналіз поведінки будівель, що зазнали сильних землетрусів, одним з основних чинників, що справляють вирішальний вплив на поведінку конструктивних елементів при сейсмічних навантаженнях, є деформативні властивості матеріалів, оскільки вони, в основному, визначають запаси несучої здатності конструкцій. Вище наголошувалося, що при будь-якому землетрусі разом з більш-менш стабільним значенням амплітуд динамічного навантаження зустрічаються і перевантажувальні цикли. Ці "піки" є найбільш небезпечними для крихких матеріалів, оскільки межа пружності в них є близькою до межі міцності, і якщо зовнішнє навантаження навіть протягом деякого проміжку часу викличе в такому матеріалі напруги, що перевищують межу пружності, то його несуча здатність вичерпується і наступає руйнування.
Саме таким матеріалом, що не є здатним до пластичних деформацій, для якого надзвичайно небезпечні перевантаження, є цегляна кладка. Так, при ташкентському землетрусі спостерігалися достатньо сильні пошкодження будівель з несучими цегляними стінами, тоді як будівлі інших типів майже не постраждали.
Велику роль відіграють шви і стикові з’єднання між різними конструктивними елементами. Матеріал шва може відрізнятися від матеріалу елементів. Поведінка конструкцій під час землетрусів зумовлена характером зв'язків.
11.4 Системи сейсмозахисту будівель і споруд
Загальна класифікація систем сейсмозахисту споруд представлена на рис. 11.3. Вона складається з традиційних методів забезпечення сейсмостійкості та спеціальних засобів сейсмозахисту.
Рисунок 11.3 – Класифікація систем сейсмозахисту
11.4.1 Традиційні методи забезпечення сейсмостійкості
1. Цегляні будівлі.
Цегляні будинки висотою до чотирьох поверхів є найпоширенішим типом будівель у сейсмічних районах.
Міцнісні і деформаційні властивості кам’яних кладок такі, що вони погано чинять опір дії сейсмічних навантажень. Вразливими місцями будівель при землетрусах є ділянки сполучення поздовжніх і поперечних стін. При дії горизонтальних сил у площині перекриттів найскладніше зусилля зсуву сприймаються в місцях сполучення перекриттів зі стінами.
Тому в кам’яних стінах влаштовуються окремі залізобетонні включення, що істотно підвищують несучу здатність кам’яних конструкцій.
У стінових будівлях стійкість та жорсткість несучих стін підсилюється залізобетонними обв’язками замонолічування, антисейсмічними поясами та антисейсмічними сердечниками.
2. Великопанельні будівлі.
Зведення великопанельних будинків у сейсмічних районах вважають більш доцільним, бо вони приблизно у 2 рази легші за цегляні та мають більшу просторову жорсткість. Нові будівлі із залізобетонними конструкціями витримують підземні поштовхи силою до 8 балів і більше.
Великопанельні будівлі для підвищення механічної міцності слід проектувати з подовжніми і поперечними несучими стінами, об’єднаними між собою і з перекриттями та покриттями в єдину просторову систему, що сприймає сейсмічні навантаження.
Зовнішні стіни розраховують на горизонтальні навантаження. У будівлях вище 5 поверхів застосовують панелі з подвійною арматурою. Перекриття рекомендується виконувати з панелей "на кімнату" з рифленими гранями.
3. Каркасні будівлі.
У каркасних будівлях конструкцією, що сприймає горизонтальне сейсмічне навантаження, може служити: каркас, каркас із заповненням, каркас із вертикальними зв’язками, діафрагмами або ядрами жорсткості.
Для сприйняття сейсмічних впливів жорсткі вузли залізобетонних каркасів будівель повинні бути посилені застосуванням зварних сіток, спіралей або замкнутих хомутів.
В каркасних будівлях враховують додаткові сейсмічні горизонтальні навантаження, встановлюючи діафрагми і зв'язки.
Деякі землетруси викликають у каркасних будівлях руйнування колон при великих переміщеннях нижнього поверху. Одним з можливих шляхів збереження колон нижнього поверху, а значить і будівлі в цілому, є застосування в нижньому поверсі резервних жорстких вертикальних елементів (РВЕ), що вимикаються (що руйнуються) у процесі наростання амплітуд коливань споруди при деяких сейсмічних діях. Виключення цих РВЕ викликає перебудову внутрішньої структури системи, зміну її динамічних характеристик і підвищує надійність споруди при сейсмічних діях різного типу.
11.4.2 Спеціальні засоби сейсмозахисту
Спеціальні засоби сейсмозахисту є на сьогодні одним з найбільш перспективних напрямів у галузі сейсмостійкого будівництва.
Згідно з прийнятою класифікацією, всі методи спеціального сейсмозахисту можна поділити на активні (що мають додаткове джерело) і пасивні. Такий підрозділ відповідає термінології, що склалася, в теорії віброзахисту.
Активний сейсмозахист включає додаткові джерела енергії та елементи, що регулюють роботу цих джерел, проте його реалізація вимагає значних витрат на улаштування й експлуатацію. Це виключає можливість широкого застосування активного сейсмозахисту для будівельних конструкцій. Далі розглядаються спеціальні методи пасивного сейсмозахисту, які не використовують додаткових джерел енергії. Ці методи підрозділяються на сейсмоізоляцію та сейсмогасіння.
У системах сейсмоізоляції забезпечується зниження механічної енергії, одержуваної конструкцією від основи шляхом настроювання частот коливань споруди від переважаючих частот дії. Розрізняють адаптивні і стаціонарні системи сейсмоізоляції.
В адаптивних системах динамічні характеристики споруди незворотно змінюються в процесі землетрусу, "пристосовуючись" до сейсмічної дії. Наприклад, у нижній частині будівлі між несучими стояками нижнього поверху встановлюють зв’язкові панелі (рис. 11.4), що відключаються (руйнуються) при інтенсивних сейсмічних діях, коли у спектрі дії переважають періоди, рівні або близькі до періоду вільних коливань споруди. Після відключення панелей частота вільних коливань падає, період збільшується, внаслідок чого відбувається зниження сейсмічного навантаження. Як недоліки адаптивних систем слід вказати, що після руйнування зв’язків, що вимикаються, під час землетрусу необхідне їх відновлення, що не завжди можна здійснити практично.
У стаціонарних системах динамічні характеристики зберігаються у процесі землетрусу.
Найбільшого розповсюдження серед систем стаціонарної сейсмоізоляції набули сейсмоізолюючі фундаменти, які достатньо широко застосовуються у практиці сейсмостійкого будівництва.
Рисунок 11.4 – Приклад застосування адаптивної системи сейсмоізоляції:
1 – несучі стояки; 2 – зв’язкові панелі
Основні принципи влаштування сейсмоізолюючих фундаментів зводяться до того, що:
Всі конструкції сейсмоізолюючих фундаментів можна підрозділити на дві великі групи, залежно від того, виникає чи не виникає повертаюча сила при взаємному зсуві сейсмоізольованих частин споруди.
Сейсмоізоляція, яка не забезпечує повертаючої сили, що діє на сейсмоізолюючі частини конструкцій, реалізується шляхом влаштування ковзаючого поясу (рис. 11.5). При землетрусі за збільшенням горизонтального навантаження сила тертя долається і відбувається прослизання верхньої фундаментної плити відносно нижньої. При цьому вдається у декілька разів знизити навантаження на устаткування і будівлю. Перевагами цієї конструкції є її відносна простота і чіткість роботи. Недоліками слід вважати відсутність можливості регулювання сил тертя.
Сейсмічні коливання можна істотно знизити за рахунок використання сипких матеріалів у вигляді піску, щебеню, гравію і т.под. у фундаментних частинах сейсмоізольованої споруди (рис. 11.6).
Ефект зниження сейсмічного навантаження унаслідок пропонованих заходів може бути дуже великим, проте важко підібрати оптимальні характеристики сейсмоізолюючих фундаментів такого типу, не ясна їх поведінка при низькочастотних землетрусах, немає можливості регулювання параметрів демпфірування і т.п.
Рисунок 11.5 – Приклад застосування системи ковзаючого поясу у фундаменті споруди
Конструкції, в яких виникає повертаюча сила між сейсмоізолюючими частинами споруди, можна поділити на дві групи: із пружними та кінематичними опорами гравітаційного типу.
Рисунок 11.6 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту з використанням сипких матеріалів
У системі з пружними елементами амортизуючі опорні елементи виконуються з різних еластичних матеріалів (гуми, поліхлоропрену, фторопласту і т.под.) і пружинних елементів (рис. 11.7). Ці опори можуть надійно захищати конструкції від сейсмічних дій.
Дослідження споруд на гумометалевих опорах указують на їх високу надійність, проте вартість самих фундаментів виявляється значною і може досягати 30 % від вартості будівлі.
Рисунок 11.7 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту з пружними елементами
Застосування таких пристроїв дозволяє знизити сейсмічні навантаження і внутрішні зусилля, викликані ними, в конструкціях будівель. Проте серйозною проблемою при проектуванні споруд на пружних опорах виявилася складність забезпечення їх міцності при значних взаємних зсувах сейсмоізольованих частин фундаменту.
Принцип роботи конструкцій гравітаційного типу на гравітаційних кінематичних опорах полягає в тому, що під час землетрусу центр тяжіння опор піднімається (рис. 11.8), в результаті утворюється гравітаційна поновлююча сила. При цьому коливання будівлі відбуваються біля положення рівноваги, і їх початкова частота й період залежатимуть від геометричних розмірів використовуваних опор.
Рисунок 11.8 – Приклад системи сейсмоізолюючого фундаменту гравітаційного типу на гравітаційних кінематичних опорах
Пропоноване рішення дозволяє збільшити площу передачі навантаження на опорні частини і тим самим зменшити виникаючі напруги в зоні контакту рухомих елементів із опорними частинами.
У системах сейсмогасіння, що включають енергопоглиначі і динамічні гасителі, значний ефект гасіння коливань досягається шляхом використання спеціальних поглиначів енергії, що мають підвищені дисипативні властивості. Механічна енергія конструкції, що коливається, переходить в інші види енергії, що приводить до демпфірування коливань або до перерозподілу енергії від захищуваної конструкції до гасителя. Розсіювання енергії в системах сейсмогасіння відбувається за рахунок:
– роботи сил пластичної деформації,
– сухого або в’язкого тертя;
– застосування пружнофрикційних зв’язків;
– динамічних гасителів коливань.
Енергопоглиначі сухого або в’язкого тертя, що застосовуються в системах сейсмоізоляції фундаментів (рис. 11.9), можуть використовуватися не тільки у вигляді нерозривного зв’язку між досліджуваним об’єктом і основою, але також і як обмежувачі переміщення, що встановлюються із заданим зазором. Вони є найбільш зручними, з погляду практичної реалізації та експлуатації
Рисунок 11.9 – Приклад системи з енергопоглиначами сухого або в’язкого тертя
а) 1 – енергопоглинач; 2 – підземна сейсмоізолююча частина будівлі; 3 – надземні конструкції будівлі;
б) 1 – надземні конструкції споруди; 2 – нижня частина фундаменту; 3 – вертикальні амортизуючі елементи; 4 – поршень гідросистеми; 5 – циліндр гідросистеми; 6 – патрубок; 7 – перехідна трубка; 8 – резервуар; 9 – зворотний клапан; 10 – дросель
Застосування пружнофрикційних зв’язків (рис. 11.10) дозволяє не тільки значно підвищити дисипативні властивості системи, але й регулювати її енергопоглинаючу здатність. настроювати систему на оптимальний режим роботи. Втіленням фрикційних зв’язків є штучне розрізання остову будівлі на самостійні несучі блоки, сполучені між собою у швах фрикційними зв’язками. Як фрикційні зв’язки можуть використовуватись, наприклад, болтові з’єднання.
У системах сейсмогасіння з динамічним гасителем коливань (ДГК) як на рис. 11.11 механічна енергія конструкції, що коливається, не тільки може переходити в інші види енергії, але і перерозподілятися від конструкції, що захищається, до гасителя. Для забезпечення ефективної роботи ДГК в потрібне істотне збільшення гасячої маси. Системи сейсмогасіння з ДГК використовують для захисту хмарочосів.
Рисунок 11.10 – Приклади систем з енергопоглиначами пружнофрикційних зв’язків (а). Пластичні енергопоглиначі в системах зв’язків сталевих каркасів (б)
Існують адаптивні системи сейсмозахисту, динамічні характеристики яких можуть змінюватися (самонастроюватися) і пристосовуватися до спектрального складу землетрусу. Один із різновидів таких систем – комбінована система, що складається з кінематичних опор і упорів-обмежувачів переміщень. Існує декілька конструктивних рішень, що по-різному втілюють цю систему. Кожне з конструктивних рішень має специфічні особливості, які так чи інакше можуть вплинути на будівлю при землетрусі, її сейсмічну реакцію і врешті решт сейсмічність.
Рисунок 11.11 – Приклад системи з динамічним гасителем коливань
11.5 Методи розрахунку будівель на сейсмічні впливи
Розрахунок конструкцій і фундаментів будівель та споруд для будівництва в сейсмічних районах повинен виконуватися на основні та особливі сполучення навантажень з урахуванням сейсмічних дій. В особливе сполучення навантажень входять постійні, можливі довготривалі та короткочасні навантаження, сейсмічні дії, а також дії, що обумовлені деформаціями основи при замочуванні просідаючих ґрунтів.
При розрахунку будівель і споруд (окрім транспортних і гідротехнічних) на особливе сполучення навантажень з урахуванням сейсмічних впливів до розрахункових значень навантажень вводяться коефіцієнти сполучень за таб. 11.4.
Таблиця 11.4 - Значення коефіцієнтів сполучень
|
Види навантажень |
Значення коефіцієнта сполучень, nс |
|
Постійні для залізобетонних, кам'яних, дерев'яних конструкцій |
0,9 |
|
Те саме для металевих конструкцій |
0,95 |
|
Тимчасові тривалі |
0,8 |
|
Короткочасні (на перекриття та покриття) |
0,5 |
Розрахунки споруд на особливі сполучення навантажень з урахуванням сейсмічних дій належить виконувати із використанням:
а) спектрального методу – слід виконувати для всіх будівель і споруд. Цей метод є достатнім для будівель і споруд простої геометричної форми із симетричним і регулярним розміщенням мас і жорсткостей, із найменшим розміром у плані не більше 30 м;
б) прямого динамічного методу – із застосуванням інструментальних записів прискорень ґрунту при землетрусах або стандартного набору синтезованих акселерограм – для будівель і споруд особливо відповідальних, заввишки понад 50 м (більше 16 поверхів) та споруди з прогонами більше 30 м або із принципово новими конструк тивними рішеннями. При цих розрахунках слід враховувати можливість розвитку непружних деформацій конструкцій.
Сейсмічні дії можуть мати будь-який напрям|направлення| в просторі. При цьому максимальні амплітуди прискорень підстави|основи,заснування| слід приймати не менше 100, 200 або 400 см/с2 при сейсмічності майданчиків будівництва 7, 8 і 9 балів відповідно.
Для будівель і споруд простої геометричної форми розрахункові сейсмічні навантаження слід приймати такими, що діють горизонтально у напрямі їх подовжньої і поперечної осей. Дію сейсмічних навантажень у вказаних напрямах слід враховувати роздільно.
При розрахунку споруд складної геометричної форми слід враховувати найбільш небезпечні для даної конструкції або її елементів напряму|направлення| дії сейсмічних навантажень.
Вертикальну складову сейсмічної дії необхідно враховувати при розрахунку:
Спектральний метод розрахунку.
При визначенні розрахункових значень горизонтальних сейсмічних навантажень на будівлі та споруди висотою Н, яка перевищує у два і більше разів її ширину В і довжину L допускається приймати розрахункову схему (рис. 11.12,а) у вигляді багатомасового пружно-деформованого консольного стрижня, жорстко закріпленого на основі, який несе зосереджені маси вагою Qk, розташовані на рівні перекриттів, і здійснює коливальний рух за одним із напрямків (х або у).
При ширині будівлі В, яка в три і більше разів менша від двох інших її розмірів (Н і L), допускається приймати розрахункову схему (рис. 11.12,6) у вигляді багатомасового пружно-де формованої перехресної системи із зосередженими у вузлах масами, розташованими на рівні перекриттів.
Як правило, рекомендується використовувати просторові розрахункові динамічні моделі із зо середженими у вузлах масами (рис. 11.12,в).
Рисунок 11.12 – Розрахункові схеми будівель і споруд:
а – у вигляді багатомасового консольного стрижня; б – увигляді багатомасової перехресної системи; в – у вигляді просторової динамічної моделі
Розрахункове значення горизонтального сейсмічного навантаження Ski, прикладеного до точки k і яке відповідає і-ій формі власних коливань будівлі або споруди, треба визначати за формулою:
, (11.3)
де k1 – коефіцієнт, що враховує непружні деформації і локальні пошкодження елементів будівлі і приймається за таб. 11.5;
k2 – коефіцієнт відповідальності споруди, приймається за таб. 11.6;
k3 – коефіцієнт, що враховує поверховість будівлі більше 5 поверхів, визначається за формулою:
, (11.4)
де n – кількість поверхів в будівлі. Максимальне значення k3 приймається не більше 2,0 (в тому числі для рамних, рамно-в'язевих и в'язевих систем), а для стінових и каркасно-стінових конструктивних систем – не більше 1,8;
Soki – горизонтальне сейсмічне навантаження за і-ою формою власних коливань споруди, що визначається у припущенні пружного деформування конструкцій за формулою:
, (11.5)
де Qk – навантаження, що відповідає масі, прийнятій у якості зосередженої у точці k і визнача ється з урахуванням коефіцієнтів згідно з 2.1.1.
а0 – відносне прискорення ґрунту, яке приймається рівним 0,05; 0,1; 0,2 і 0,4 відповідно для районів сейсмічністю 6, 7, 8 і 9 балів; при використанні карт А і В, – в залежності від розра хункових значень а0 згідно з таблицею 11.7;
kгр – коефіцієнт, що враховує нелінійне деформування ґрунтів, вводиться, якщо визначення сейсмічності майданчика виконане на основі матеріалів інженерно-геологічних вишуку вань відповідно до таблиці 11.3, і приймається за таблицею 11.8;
βі – спектральний коефіцієнт динамічності, що відповідає і-ій формі власних коливань будівлі або споруди; приймається відповідно до рис. 11.13;
ηki – коефіцієнт, що залежить від форми власних коливань будівлі або споруди і від місця розташування навантаження (рис. 11.12); визначається за формулою:
а) для консольної розрахункової схеми:
, (11.6)
де Ui (zk) і Ui (zj) – переміщення будівлі або споруди при власних коливаннях за і-ю формою;
n – число зосереджених навантажень;
б) для перехресної та просторової розрахункових схем:
, (11.7)
де cos (Uki ,U0) – косинуси кутів між напрямками переміщення Uki і вектора сейсмічної дії U0.
Таблиця 11.5 – Коефіцієнт k1, що враховує непружні деформації та локальні пошкодження елементів будівель
|
Конструктивні рішення систем і несучих елементів |спорудження| |
Значення коефіцієнта k1 |
|
1. Споруди, в яких залишкові (непружні) деформації і локальні пошкодження (осідання, тріщини і ін.) не допускаються |
1,0 |
|
2. Будівлі і споруди, в конструкціях яких можуть бути допущені залишкові деформації, тріщини, пошкодження окремих елементів і т.п., що утрудняють нормальну експлуатацію, при забезпеченні безпеки людей і збереження устаткування (житлові, громадські, виробничі, сільськогосподарські будівлі і споруди; гідротехнічні і транспортні споруди; системи енерго- і водопостачання, пожежні депо, системи пожежогасінні, деякі споруди зв'язку і т.п.) |
0,25…0,7 |
|
3. Будівлі і споруди, в конструкціях яких можуть бути допущені значні залишкові деформації, тріщини, пошкодження окремих елементів, їх зміщення і т.п., що тимчасово припиняє нормальну експлуатацію, при забезпеченні безпеки людей (одноповерхові виробничі і сільськогосподарські будівлі, що не містять цінного устаткування) |
0,2…0,3 |
Рисунок 11.13 – Значення спектрального коефіцієнта динамічності βi, в залежності від категорії ґрунту (І-ІІІ) за сейсмічними властивостями та періоду власних коливань Тi будівлі
Розрахункові значення поперечної і подовжньої сил, вигинаючого і перекидаючого моментів, нормальних і дотичних напружень Np в конструкціях від сейсмічного навантаження за умови статичної дії її на споруду слід визначати по формулі:
(11.8)
де Νρ – зусилля, напруження або інші силові фактори в елементах конструкцій від сейсмічного навантаження;
Nі – значення відповідного фактора зусиль або напружень в перерізі, що розглядається, яке викликане сейсмічними навантаженнями за і-ою формою коливань;
n – число форм коливань, які враховуються в розрахунку.
|
№ |
Характеристика споруд |
Значення k2 |
|
1 |
Особливо відповідальні та унікальні споруди, в тому числі виробничі корпуси, складські будівлі хімічної промисловості з вибухонебезпечними, токсичними і отруйними речовинами |
1,5 |
|
2 |
Споруди з одночасним перебуванням великої кількості людей (великі вокзали, аеропорти, театри, цирки, музеї, виставкові і концертні зали з числом місць більше 1000 чоловік, криті ринки та стадіони) Будівлі та споруди, функціонування яких необхідне при землетрусі або при ліквідації його наслідків (системи енерго- і водозабезпечення, пожежогасіння, зв'язку, адміністративні органи тощо) |
1,4 |
|
3 |
Будівлі і споруди лікарень, пологових будинків, станцій швидкої допомоги, шкіл, дитячих садків, вищих навчальних закладів, залізниць і автомобільних доріг |
1,3 |
|
4 |
Будівлі готелів, спальних корпусів на 250 місць і більше |
1,2 |
|
5 |
Висотні споруди невеликих у плані розмірів (башти, щогли, димові труби, шахти ліфтів, що стоять окремо, тощо) при відношенні Н/В ≥ 5, і великопрогонові споруди (L≥30 м) |
1,4 |
|
6 |
Каркасні будівлі, стінове заповнення яких не впливає на їх деформативність: при h/b≥ 25 при h/b≤ 15 |
1,4 1,0 |
|
7 |
Будівлі та споруди, руйнування яких не пов'язано із загибеллю людей, втратою матеріальних і культурних цінностей і не викликає припинення безперервних технологічних процесів або забруднення навколишнього середовища |
0,5 |
Таблиця 11.6 – Коефіцієнт відповідальності споруд k2
Таблиця 11.7 – Значення відносних прискорень а0 для даного майданчика (населеного пункту) залежно від сполучень розрахункової сейсмічної інтенсивності на картах А і В
|
Номер сполучення |
Інтенсивність за картами, бали шкали MSK-64 |
Розрахункові значення, а0 |
|
|
А |
В |
||
|
1 |
6 |
6 |
0,05 |
|
2 |
6 |
7 |
0,08 |
|
3 |
7 |
7 |
0,10 |
|
4 |
7 |
8 |
0,15 |
|
5 |
8 |
8 |
0,20 |
|
6 |
8 |
9 |
0,30 |
|
7 |
9 |
9 |
0,40 |
Таблиця 11.8 – Значення коефіцієнта kгр, який враховує нелінійне деформування ґрунту при інтенсивних сейсмічних коливаннях
|
Категорія ґрунту |
Сейсмічність майданчика будівництва в балах |
|||
|
6 |
7 |
8 |
9 |
|
|
І |
1,0 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
|
II |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
III |
1,0 |
0,8 |
0,75 |
0,7 |
|
IV |
За даними спеціальних досліджень |
Вертикальне сейсмічне навантаження у всіх випадках, окрім|крім| кам'яних конструкцій, слід визначати по формулах (11.3) і (11.4), при цьому коефіцієнти kгр та k2, приймаються рівними одиниці.
Консольні конструкції, вага яких в порівнянні з вагою будівлі незначна (балкони, козирки, консолі для навісних стін і т.п. і їх кріплення), слід розраховувати на вертикальне сейсмічне навантаження при значенні n = 5.
Конструкції, що підносяться над будівлею або спорудою і мають в порівнянні з нею незначні перетини і вагу (парапети, фронтони і т.п.), а також кріплення важкого устаткування, що встановлюється на першому поверсі, слід розраховувати з урахуванням горизонтального сейсмічного навантаження, обчисленого за формулами (11.3) і (11.4) при n = 5.
Стіни, панелі, перегородки, з'єднання між окремими конструкціями, а також кріплення технологічного устаткування|обладнання|, слід розраховувати на горизонтальне сейсмічне навантаження по формулах (11.3) і (11.4) при n, відповідному даній відмітці споруди, але не менше 2. Сили тертя враховуються лише при розрахунку горизонтальних стикових з'єднань у великопанельних будівлях.
При розрахунку конструкцій на міцність і стійкість крім коефіцієнтів умов роботи, що приймаються відповідно до інших ДБН, слід запроваджувати| додатково коефіцієнт умов роботи mkp, визначуваний табл. 11.9.
При розрахунку будівель і споруд (окрім гідротехнічних споруд) завдовжки або шириною більше 30 м крім сейсмічного навантаження, необхідно враховувати крутильний момент відносно вертикальної осі будівлі або споруди, що проходить через його центр жорсткості. Значення розрахункового ексцентриситету між центрами жорсткостей і мас будівель або споруд в даному рівні слід приймати не менше 0,1 В, де В – розмір будівлі або споруди в плані в напрямі|направленні|, перпендикулярному дії сили Ski.
При розрахунку підпірних стін необхідно враховувати сейсмічний тиск ґрунту.
Розрахунок будівель і споруд з урахуванням сейсмічної дії, як правило, проводиться по граничних станах першої групи. У випадках, обґрунтованих технологічними вимогами, допускається проводити розрахунок по другій групі граничних станів.
Таблиця 11.9 – Визначення коефіцієнту умов роботи mkp при розрахунку конструкцій на міцність і стійкість з урахуванням сейсмічної дії
|
Конструкції |
Значення коефіцієнта ткр| |
|
При розрахунках на міцність |
|
|
1. Сталеві і дерев'яні |
1,4 |
|
2. Залізобетонні із стержневою і дротяною арматурою (окрім перевірки міцності похилих перетинів): |
|
|
а) з важкого бетону з арматурою класів А-I, А-II, А-III, Вр-I |
1,2 |
|
б) те ж, з арматурою інших класів |
1,1 |
|
в) з легкого бетону |
1,1 |
|
г) з пористого бетону з арматурою всіх класів |
1 |
|
3. Залізобетонні, такі, що перевіряються по міцності похилих перетинів: |
|
|
а) колони багатоповерхових будівель |
0,9 |
|
б) інші елементи |
1 |
|
4. Кам'яні, армокам'яні і бетонні: |
|
|
а) при розрахунку на позацентрове стискування |
1,2 |
|
б) при розрахунку на зсув і розтягування |
1 |
|
5. Зварні з'єднання |
1 |
|
6. Болтові (зокрема що сполучаються на високоміцних болтах) і заклепувальні з'єднання |
1,1 |
|
При розрахунках на стійкість |
|
|
7. Сталеві елементи гнучкістю понад 100 |
1 |
|
8. Те ж, гнучкістю до 20 |
1,2 |
|
9. Те ж, гнучкістю від 20 до 100 |
Від 1,2 до 1 (по інтерполяції) |
Примітки: 1. Для вказаних поз. 1-4 конструкцій будівель і споруд (окрім транспортних і гідротехнічних), що зводяться в районах з повторюваністю 1, 2, 3, значення ткр слід умножати на 0,85; 1 або 1,5 відповідно.
2. При розрахунку сталевих і залізобетонних несучих конструкцій, що підлягають експлуатації в неопалювальних приміщеннях або на відкритому повітрі при розрахунковій температурі нижче мінус 40С, слід приймати ткр = 1, у випадках перевірки міцності похилих перетинів колон ткр = 0,9.
Прямий динамічний метод розрахунку із застосуванням розрахункових сейсмічних дій як функцій часу.
Прямі динамічні методи розрахунку будівель і споруд належить виконувати з викорис танням розрахункових акселерограм aі(t) = Aі yі(t) , де і - номер складової вектора коливань; Aі -максимальне значення амплітуди прискорень; yі(t) - нормована на одиницю функція, що описує коливання ґрунту в часі. Величина прискорення коливань А0 на максимальній горизонтальній складовій вектора сейсмічних рухів у точці О, яка знаходиться у сейсмічній зоні з інтенсивністю І на відповідній карті загального сейсмічного районування, розраховується за допомогою формули:
(11.9)
де d – відстань від точки О до середини відрізка прямої, проведеної через цю точку так, щоб дов жина відрізка D), який відсікається обмежуючими зону ізосейстами, була мінімальною. Значення d додатне, якщо точка О розташована у сторону зростання сейсмічної бальності відносно середини відрізка, і від'ємне - у сторону зменшення;
ΔI – приріст сейсмічної бальності за рахунок впливу місцевих ґрунтових умов майданчика, одер жаний при проведенні його сейсмічного мікрорайонування.
Проектуючи особливо важливі об'єкти і об'єкти підвищеної небезпеки у прямих динамічних розрахунках належить використовувати розрахункові акселерограми, які побудовані для заданої вірогідності неперевищення максимальних сейсмічних дій, що відповідає карті ЗСР. Розрахункові акселерограми будуються на основі інструментальних записів сильних і проміжних за величиною землетрусів, що зареєстровані безпосередньо на будівельному майданчику або в умовах, близьких до умов майданчика будівлі або споруди, яка проектується. Величини Ai у цьому випадку визначаються за допомогою робіт щодо уточнення сейсмічної небезпеки майданчика.
При проектуванні нетипових і відповідальних будівель та споруд у прямих динамічних розрахунках допускається використовувати синтезовані розрахункові акселерограми, побудовані з урахуванням умов майданчика і його положення відносно небезпечних сейсмогенних зон. У разі відсутності інструментальних записів для генерації розрахункових акселерограм можуть використовуватись розрахункові методи і дані щодо приросту сейсмічної бальності за рахунок впливу місцевих ґрунтових умов майданчика – ΔI, що одержані при проведенні його сейсмічного мікрорайонування.
Розрахунки елементів конструкцій.
Підбір перерізів елементів конструкцій, їх вузлів і з'єднань здійснюється за несучою здатністю у припущенні статичного прикладення сейсмічних навантажень.
У випадках, обґрунтованих технологічними вимогами, допускається виконувати розрахунок за другою групою граничних станів. Розрахунки металевих конструкцій будівель і споруд належить виконувати з урахуванням нелінійного деформування матеріалу.
Для залізобетонних і кам'яних несучих елементів належить обмежувати допустимі значення параметра γ (таб. 11.10).
Для колон, стовпів і вузьких простінків (при перевірці на позацентровий стиск)
, (11.10)
де ΣΡ – розрахункове сумарне статичне навантаження від власної ваги та інших вертикальних навантажень, включаючи сейсмічне, які діють у найбільш навантаженому перерізі несучих конструктивних елементів будівлі;
RР – розрахункова несуча здатність конструктивних елементів будівлі, які несуть вертикальні навантаження у тому ж перерізі, де визначалось ΣΡ.
Для широких простінків, діафрагм, поперечних стін (при перевірці на зріз та на головні розтягувальні напруження)
(11.11)
де ΣQ – розрахункове сумарне горизонтальне навантаження, включаючи сейсмічне, що діє у найбільш навантаженому перерізі несучих конструктивних елементів будівлі;
Rq – розрахункова несуча здатність конструктивних елементів будівлі, які сприймають горизонтальні навантаження у тому ж перерізі, де визначалось ΣQ.
Таблиця 11.10 - Гранично допустимі значення параметра γ для залізобетонних і кам'яних несучих конструкцій в залежності від інтенсивності землетрусів в балах
|
Бали шкали MSK-64 |
Значення параметра γ |
|
6 |
0,95 |
|
7 |
0,8 |
|
8 |
0,7 |
|
9 |
0,6 |
При розрахунку елементів конструкцій на міцність і стійкість, окрім коефіцієнтів умов роботи, що приймаються у відповідності з іншими нормами, належить вводити додаткові коефіці єнти т, що враховують підвищення механічних властивостей матеріалів при високих швидкостях завантаження. Наприклад, при розрахунках на міцність для сталевих та дерев'яних конструкцій т = 1,3; для залізобетонних конструкцій т = 1,0…1,1. При розрахунках на стійкість для сталевих стиснутих елементів т = 1,0…1,2.
Перерізи елементів слід приймати не менше ніж отримані за результатами розрахунку на ос новне сполучення навантажень.
Питання для самоконтролю до розділу 11
РОЗДІЛ 12. ВПЛИВ ВИБУХУ НА БУДІВЛІ ТА СПОРУДИ
12.1 Загальні відомості про вибух
Досвід експлуатації обладнання з вибухопожежонебезпечними технологічними процесами (приміщення та будівлі категорій А та Б) свідчить, що в окремих випадках в результаті аварій, а також порушення режиму експлуатації технологічного обладнання та невиконання техніки безпеки під час виконання робіт виникають вибухи, які супроводжуються загибеллю людей, руйнуванням будівельних конструкцій та технологічного обладнання.
В даний час з метою інтенсифікації виробництв у різних технологіях широке застосування знайшла енергія вибуху, що акумульована у вибухових речовинах (ВР). При будівництві доріг, спорудженні гребель, при обробці твердих будівельних матеріалів, видобутку корисних копалин, у військовій техніці (усі види вибухових боєприпасів), у наукових дослідженнях будови гірських порід (сейсмовибухи), у космонавтиці (ракети на твердому паливі) широко використовують вибухові речовини. Поводження цих речовин при нагріванні, ударі, горінні істотно відрізняється від горіння інших горючих речовин.
Вибухові речовини (ВР) – ті, що здатні до вибухових перетворень. Вибухові перетворення – це швидка хімічна реакція, що супроводжується вибухом.
Викликати вибух можуть фізичні процеси та хімічні перетворення. Тому прийнято розрізняти вибухи фізичні та хімічні (теплові). До фізичних відносяться вибухи, при яких не відбуваються хімічні реакції. Це вибухи посудин, що працюють під тиском, вибухи електродинамічні і термодинамічні. Хімічним вибухом ВР називають хімічне перетворення, що самопоширюється з великою швидкістю і протікає з виділенням великої кількості тепла та утворенням газів. До хімічних вибухів відносяться вибухи конденсованих ВР, вибухи пальних газопароповітряних або пилоповітряних сумішей. Прикладом є вибух димного пороху, при якому відбувається швидка хімічна реакція між селітрою, сіркою і вуглецем, що супроводжується виділенням великої кількості теплоти. Таку хімічну реакцію можна записати у вигляді формули:
0,75KNO3 + 0,15C + 0,1S = 0,375K2O + 0,375CO2 + 0,1SO2 + 1,375O2 +Qвиб . (12.1)
Газоподібні продукти, що утворилися, нагріваються за рахунок теплоти реакції до високої температури (кілька тисяч градусів) і мають високий тиск (сильно стиснуті). При розширенні ці гази роблять механічну роботу, тобто в ході вибуху відбувається звільнення накопиченого в речовині або в системі великого запасу енергії. Таким чином, можна визначити чотири умови, при яких хімічна реакція буде протікати у формі вибуху:
а) екзотермічність;
б) утворення газів;
в) велика швидкість;
г) здатність до самопоширення.
Вибух – це процес швидкого виділення великої кількості енергії, викликаного раптовим фізичним або хімічним перетворення речовини або суміші. Він може бути викликаний детонацією або фізичним розкладом речовин, а також під час хімічних перетворень, при швидкому згорянні газо-, паро- або пилоповітряних сумішей. Основною ознакою вибуху є миттєва зміна тиску, який залежить від температури та об'єму продуктів горіння.
У найбільш широкому значенні слова вибухом називають фізичне або хімічне перетворення речовини, що супроводжується украй швидким переходом його енергії в енергію стиску і руху вихідної речовини або продуктів його перетворення та навколишнього середовища.
При вибуху розрізняють дві стадії:
Перша стадія – перетворення того чи іншого виду енергії в енергію сильно стиснутих газів. У випадку вибуху димного пороху – це екзотермічна реакція, що протікає з дуже великою швидкістю і в якій утворюються сильно стиснуті гази та пари. При ядерному вибуху – це швидкопротікаючі ядерні або термоядерні реакції – реакції поділу або з'єднання атомних ядер, при яких звільняється велика кількість теплоти. Продукти реакції, оболонка атомної або водневої бомби і деяка кількість середовища навколо бомби миттєво перетворюються в нагріті до дуже високої температури гази, що мають високим тиском.
Друга стадія – миттєве розширення сильно стиснутих газів і парів. У процесі розширення потенційна енергія стиску звичайно переходить у механічну роботу. Ця робота приводить навколишнє середовище в рух, що може викликати руйнування конструкцій, якщо виниклі напруги перевищують їх межу міцності. Унаслідок швидкості, з якою реакція проходить по ВР, гази, що утворюються, навіть при відсутності міцної оболонки, набувають високого тиску і здатні, розповсюджуючись по навколишньому середовищу, породжувати в ньому ударні хвилі, здійснювати сильний удар, що руйнує і розкидає перепони. Таким чином, украй швидкий прояв дії тиску, як правило, дуже великого, являє собою основну характерну ознаку вибуху.
Спостерігаються дві форми вибуху:
Унаслідок вибуху звичайно утворюються вибухові хвилі.
Вибухові хвилі поширюються у вигляді ударних хвиль або хвиль стиску. На фронті ударних хвиль стрибкоподібно змінюється тиск, щільність, температура, швидкість руху часток середовища (рис. 12.1). Для хвиль стиску характерна поступова зміна цих параметрів. Під тиском мається на увазі надлишковий тиск, який виникає у середовищі при проходженні вибухової хвилі. Параметри хвиль (тиск, час дії, швидкість поширення і т.п.) залежать від:
– джерела енергії вибуху;
– навколишнього середовища (повітря, ґрунт, вода);
– інтенсивності протікання хімічної реакції (режиму горіння);
– інших факторів.
Рисунок 12.1 – Схема зміни тиску в часі у фіксованій на місці точці для ударної хвилі та хвилі стиску
Вибухові хвилі впливають на конструкції споруд як короткочасні динамічні навантаження. В залежності від призначення споруди та причин вибуху короткочасні динамічні навантаження можуть бути експлуатаційними та аварійними. При експлуатаційних навантаженнях у конструкціях не повинні виникати деформації, що порушують нормальну експлуатацію споруди. При аварійних навантаженнях у деяких конструкціях споруди можуть виникати пластичні деформації і, навіть, руйнації.
У залежності від механізму передачі теплоти від шару до шару ВР розрізняють два види вибухового перетворення: детонацію і дефлаграцію (горіння).
При дефлаграційному процесі (горінні) теплота, що виділяється в зоні реакції, передається шляхом теплопередачі від гарячих продуктів реакції до найближчого шару ВР, викликаючи в ньому, у свою чергу, інтенсивну хімічну реакцію. Процес повторюється й у наступних шарах ВР. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється при атмосферному тиску з дозвуковою швидкістю. Швидкість поширення сильно залежить від тиску, при якому протікає процес.
Фронт дефлаграційного горіння нагадує "проникний поршень", що створює при русі попереду себе хвилю стиску. Надмірний тиск ΔРф в хвилі стиску поступово збільшується від фронту хвилі до фронту полум'я. Хвиля стиску також утворює, так званий, швидкісний натиск – динамічне навантаження, що утворюється потоком повітря (див. додаток 42). Швидкісний натиск є основним руйнівним чинником для будівельних конструкцій. Максимальні значення надмірного тиску і швидкісного натиску досягаються перед фронтом полум'я, позаду якого утворюється вогненна куля з високою температурою випромінювання (1800…2500 °С).
Рисунок 12.2 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при дефлаграційному вибуху
Коли горіння відбувається в незамкнутому просторі, воно не супроводжується ані характерним звуковим ефектом, ані механічною роботою. У замкнутому ж просторі процес протікає енергійніше: швидко піднімається тиск, у зв'язку з чим збільшується швидкість горіння. При горінні в замкнутому об’ємі, наприклад у зарядній камері гармати або в шпурі, характерно більш-менш швидке, але не різке наростання тиску газів до значень декількох сотень МН/м2 (декількох тисяч атмосфер).
При детонаційному процесі механізм поширення хімічного перетворення ВР обумовлений передачею енергії від шару до шару хвилею стиску, тобто ударною хвилею. У цьому випадку хімічне перетворення поширюється по речовині з надзвуковою швидкістю або швидкістю, близькою до швидкості звуку.
Детонація може виникнути при наявності деяких умов, при яких горіння вибухових речовин стає нестійким, швидкість його починає збільшуватися, а, починаючи з деякого її значення, змінюється режим вибухового перетворення – виникає ударна хвиля. Швидкість ударної хвилі продовжує наростати, але до деякого граничного значення. Таким чином, швидкість вибухового перетворення, що протікає по механізму детонації, безупинно зростає від мінімального до граничного, постійного значення.
Детонація характеризується різким стрибком тиску в місці вибухового перетворення до 30-40 млн. Н/м2 (300-400 тис. кгс/см2) і дуже різкою дією на навколишнє середовище. У момент підходу ударної хвилі до перешкоди тиск стрибком підвищується від атмосферного Ро до значення Ро + ΔРф у фронті хвилі, а потім поступово убуває (рис. 12.3). Після часу τt від моменту приходу ударної хвилі фаза стиснення переходить у фазу розрядки, але максимальна розрядка ΔР < 0,3ΔРф. Одночасно з тиском у фазі стиснення виникає рух повітря у напрямі розповсюдження хвилі – швидкісний натиск, який рухається за фронтом ударної хвилі.
Безпосереднє ураження ударною хвилею виникає в результаті дії надлишкового тиску та швидкісного натиску повітря. Ступінь пошкодження будівель та споруд в залежності від їх конструктивних особливостей визначається або надлишковим тиском, або швидкісним натиском. Наприклад, при невеликих розмірах об'єкту ударна хвиля майже миттєво охоплює його та надає сильного тиску (людиною миттєве підвищення тиску сприймається як різкий удар). В той же час швидкісний натиск утворює сильний лобовий тиск на об'єкт, який обумовлює його зсув у просторі та/або перекидання.
У фазі розрядки повітря рухається у зворотному напрямі. А на дальніх відстанях ударні хвилі від вибухів переходять в слабкі хвилі стиску.
Рисунок 12.3 – Схема зміни тиску і температури в часі у фіксованій на місці точці при детонаційному вибуху
Класифікація вибухових речовин (ВР) здійснюється за декількома ознаками:
Більшість вибухових речовин є твердими тілами (наприклад, тротил, ксиліл і т.п.). Менш поширені, але так само різноманітні рідкі вибухові речовини. Вибуховими речовинами можуть бути і гази, наприклад суміші повітря з парами бензину або горючими газами. Так суміш повітря з газом метаном приводить до вибухів у шахтах, якщо в них не забезпечена правильна вентиляція. Нарешті, вибуховою системою може бути пилоповітряні горючі суміші, наприклад вугільний пил, пил борошна і т.п.
ВР, що належать до одного класу хімічних сполук, можуть значно розрізнятися по стійкості горіння, тобто по характеру вибухового перетворення, а отже й по можливостях їхнього застосування. По зазначених ознаках розрізняють три групи ВР:
Група І – ініціюючі (первинні) вибухові речовини (ІВР). Вони легко вибухають від простих видів зовнішнього впливу – полум'я, удару, тертя. Тому вони служать для збудження детонації бризантних ВР. Найважливішими представниками ІВР є гримуча ртуть, тетразен, азид свинцю та ін. Призначення ІВР – запалення порохових зарядів, сповільнювачів у дистанційних трубках і підривниках та інших об'єктів.
Група ІІ – бризантні або подрібнювальні (вторинні) вибухові речовини (БВР). Характерним видом вибухового перетворення ВР цієї групи є детонація. У звичайних умовах БВР не здатні вибухати від підпалювання, тому для виникнення їх детонації застосовують ІВР. БВР застосовують головним чином для спорядження боєприпасів і для підривних робіт.
Група ІІІ – метальні вибухові речовини (МВР) або порохи. Для речовин цієї групи характерним видом вибухового перетворення є горіння, що не переходить у детонацію. Для збудження горіння необхідна дія полум'я.
Таким чином, вибух заряду ВР може бути збуджений вибухом іншого заряду. Заряд, що вибухає першим, називають ініціюючим зарядом. Заряд, що вибухає під впливом вибуху активного заряду, називають пасивним зарядом або зарядом, що ініціюється .
12.2 Поведінка будівельних конструкцій при вибухах
В залежності від величини тиску розрізняють 4 ступеня руйнування будівель.
1. Слабка ступінь руйнування – руйнування скла, легких перегородок, відкриття легкоскидних конструкцій (ЛСК), дверей, воріт відбувається при надмірному тиску ударної хвилі від 5 до 20 кПа. Основні будівельні конструкції не руйнуються. Ступінь пошкодження – 10…30 %. Усунення наслідків – за допомогою малого або середнього ремонту.
2. Середня ступінь руйнування – руйнування плит покриття, перекриття, стін із цегли завтовшки 51 см, бетонних стін завтовшки 26 см починається при надмірному тиску ударної хвилі від 20 до 30 кПа. Ступінь пошкодження – 30…60 %. Усунення наслідків – за допомогою капітального ремонту.
3. Сильна ступінь руйнування – руйнування будівель із стальним каркасом, стін із цегли завтовшки 64 см, бетонних стін завтовшки 36 см починається при надмірному тиску ударної хвилі від 30 до 50 кПа. Ступінь пошкодження – 50…90 %. Доцільність капітального ремонту сумнівна.
4. Повне руйнування – Відбувається при надмірному тиску ударної хвилі більш 50 кПа. Ступінь пошкодження – 90…100 %. Доцільне розбирання завалів та очищення території (див додаток 41).
Питанням запобігання вибухів приділяється багато уваги. Це регулювання параметрів технологічних процесів, влаштування автоматичних сигналізаторів довибухової концентрації речовин, застосування об’ємно-планувальних та конструктивних рішень.
Вибухобезпечність об'єктів в будівництві повинна забезпечуватися:
– системою інженерно-технічних заходів:
– системою запобігання вибуху (вибухопопередження);
– системою противибухового захисту (вибухозахист) тощо;
– системою організаційних заходів.
Противибуховий захист – комплекс організаційних заходів та технічних засобів, спрямованих на запобігання впливу на людей небезпечних факторів вибуху. Іншими словами вибухозахист – це заходи, що забезпечують захист обслуговуючого персоналу, технологічного устаткування, а також будівель і споруд від небезпечних і шкідливих дій вибуху, основними з яких є:
– максимальний надмірний тиск ΔРф;
– зруйновані конструкції будівель, устаткування, комунікацій і їх частини, що розлітаються;
– небезпечні чинники пожежі (відкритий вогонь і іскри, токсичні продукти горіння, дим і т.д.).
До будівельних заходів щодо вибухопопередження і вибухозахисту відносяться:
– раціональне планування території підприємства;
– розташування на ній технологічних установок, будівель і споруд, що забезпечує ефективне провітрювання і що виключає утворення зон можливого скупчення вибухонебезпечної пари і газів;
– розміщення будівель адміністративного, господарчо-побутового призначення поза зоною небезпечної інтенсивності дії вибухової хвилі;
– раціональне взаємне розміщення технологічних установок і виробничих будівель з урахуванням дії на них вибухової хвилі, що виключає можливість послідовного розвитку аварії;
– влаштування захищених пунктів управління технологічними процесами у вибухонебезпечних будівлях (операторні);
– використання запобіжних (легкоскидних) конструкцій (стекол глухого скління, стулок віконних палітурок, дверей, воріт, легкоскидних стінних панелей і покриттів, що відкриваються назовні);
– обмеження розливу рідини при можливих аваріях (пристрій обвалування, піддонів і т.д.);
– обгрунтований вибір матеріалів і влаштування поверхонь (твердих покриттів), що знижують швидкість тепловіддачі, кількість рідини, що випарувалася, і пр.;
– розміщення технологічного устаткування на відкритих етажерках і майданчиках і т.д.
Вибухотривкість – граничний тиск у фронті вибухової хвилі, який можуть сприйняти конструкції будівлі без втрати ними несучих здібності або придатності до подальшої експлуатації.
12.2.1 Особливості вибухозахисту при загрозі зовнішніх вибухів
При проектуванні та розрахунках будівельних конструкцій треба мати на увазі особливості їх поведінки при впливі навантажень, що виникають при вибухах. Під впливом ударної хвилі будівлі і споруди поводяться як пружні коливальні системи. Розрахункова оцінка такої дії вимагає рішення досить складних динамічних задач, пов'язаних з описом поведінки пружних конструктивних елементів будівель і споруд під впливом ударних навантажень, визначуваних такими, що змінюються в часі і просторі параметрами ударної хвилі. Виникаючі в конструктивних елементах навантаження залежать від параметрів хвилі, характеристик об'єкту, його розмірів і орієнтації щодо фронту хвилі.
Особливостями дії вибуху на будівельні конструкції є поєднання постійних та тимчасових навантажень з потужними короткочасними динамічними навантаженнями вибухових впливів з вільною орієнтацією. Об'єкти, які з великою вірогідністю можуть опинитися під впливом вибухів, слід розраховувати на особливі поєднання навантажень. Але в будь-якому випадку треба підтверджувати розрахунками умову перевищення навантажень від вибуху над природними навантаженнями. Наприклад, конструкції, вузли і фундаменти будівель слід розраховувати тільки на основне поєднання навантажень, тобто без урахування дії вибуху при виконанні умови:
ΔРф < 2,5·W0 (12.2)
де ΔРф – надмірний тиск у фронті повітряної хвилі, що проходить, у фазі стиснення, визначуваний по відповідних методиках; W0 – нормативне значення вітрового тиску.
На дію короткочасних динамічних навантажень будівельні конструкції розраховують по двом групам граничних станів:
І – на відсутність руйнувань або відсутність пластичних деформацій конструкції;
ІІ – на відсутність надмірного розкриття тріщин або відсутність надмірного переміщення.
Руйнування конструкцій при вибухових впливах відбувається при перевищенні їх межі міцності розрахунковими навантаженнями або при зміщенні конструкцій на опорах. Дію ударної хвилі можна розглядати як рівномірно розподілене динамічне навантаження.
Руйнування згинальних конструкцій при дії вертикальної ударної хвилі відбувається, як і у випадку впливу пожежі, внаслідок утворення шарнірів пластичності.
Балка з шарнірно-обпертими кінцями під впливом рівномірно розподіленого статичного та динамічного навантажень руйнується внаслідок утворення в середині прольоту шарніра пластичності (рис 12.4, а).
Балка з защемленими кінцями під впливом рівномірно розподіленого статичного та динамічного навантажень руйнується внаслідок утворення спочатку двох шарнірів пластичності на опорах, а потім – шарніра пластичності в середині прольоту (рис 12.4, б).
Балка з одним защемленим кінцем і другим шарнірно-обпертим кінцем під впливом рівномірно розподіленого статичного та динамічного навантажень руйнується внаслідок утворення спочатку одного шарніру пластичності на опорі, а потім – шарніру пластичності в середині прольоту.
Рисунок 12.4 – Схема утворення пластичних шарнірів при впливі вибуху на згинальні конструкції
При дії на споруду вертикально направленого вибухового навантаження виникає зміщення опор перекриттів. Це зміщення може бути викликане деформаціями колон або стін, зміщенням опорних конструкцій та усієї споруди у цілому. В залежності від співвідношення поздовжнього та поперечного навантаження можливі два випадки руйнування залізобетонних колон:
– руйнування починається з досягнення межі текучості в розтягнутій арматурі з розвитком пластичних деформацій та з подрібнення бетону стиснутої зони;
– руйнування внаслідок подрібнення бетону при частково розтягнутому перерізі, але при відсутності пластичних деформацій в розтягнутій арматурі.
Особливі умови проектування передбачені до будівель управління виробництвом (операторних) вибухопожежонебезпечних хімічних, нафтохімічних і нафтопереробних підприємств, в яких передбачено постійне перебування технічного персоналу. Існуючі будівлі операторних не витримують навантажень від аварійних вибухів газоповітряних пальних сумішей (ГС). При традиційних конструктивних рішеннях ці будівлі довелося б розташовувати від джерела вибуху на відстанях більше кілометра, що економічно недоцільно і практично неможливо.
У вибухотривких будівлях повинна бути виключена можливість руйнування основних несучих і захищаючих конструкцій. Допускаються пошкодження конструкцій випадкового характеру, що не впливають на їх міцність, стійкість.
Забезпечення вибухотривкості при зовнішніх аварійних вибухах ГС може здійснюватися по двох напрямах:
– зниженням надмірного тиску Рф, за рахунок віддалення будівель операторних від потенційних джерел вибуху ГС;
– підвищенням міцності і стійкості конструкцій до дії динамічних навантажень від повітряної хвилі вибуху ГС.
Вибухотривкі будівлі на територіях підприємств слід розташовувати:
– на відстанях від сусідніх будівель і споруд, що перевищують половину висоти більшого з них, але не менше визначуваних відстаней;
– на відмітках землі, вищих по відношенню до виробничих будівель, споруд і і автомобільним залізниць, що проходять по території підприємства;
– торцевим фасадом до можливого джерела вибуху;
– з урахуванням рози вітрів і рельєфу місцевості.
У приміщеннях вибухотривких будівель слід передбачати системи вентиляції, опалювання, зв'язку, водопостачання, електропостачання і каналізації. Прокладка транзитних ліній водопроводу, каналізації, опалювання, електропостачання, а також трубопроводів стислого повітря, газопроводів і трубопроводів з перегрітою водою через вибухотривкі будівлі не допускається.
Систему вентиляції слід проектувати на два режими: чистої вентиляції (режим I) і фільтровентиляції (режим II).
При дії розрахункових навантажень, що перевищують 400 кПа, каналізаційні стояки повинні бути поміщені в сталеві труби або залізобетонні короби, надійно закладені в конструкції підлоги.
Об'ємно-планувальні рішення.
Вибухотривкі будівлі операторних слід проектувати одноповерховими, невеликого розміру, простої форми в плані, без перепаду висот суміжних ділянок, з організованим зовнішнім водостоком. Фасади вибухотривких будівель повинні бути простими – без виступаючих частин, виїмок і ніш, а зовнішні стіни – обтічними і гладкими, тобто без архітектурних деталей, парапетних плит, козирків, технологічного устаткування на покритті і т.п.
Висоту приміщень слід приймати мінімально можливої, але не менше 2,4 м. Висота від підлоги до низу виступаючих частин комунікацій, устаткування і будівельних конструкцій в місцях регулярного проходу людей і на шляхах евакуації – не менше 2,2 м, а в місцях нерегулярного проходу людей – не менше 2,0 м.
Входи і віконні отвори слід розташовувати на бічних і задньому по відношенню до можливого напряму розповсюдження вибухової хвилі фасадах вибухотривких будівель. Кількість входів в будівлю операторної повинна бути, як правило, не менш 2-х.
Для входів в будівлю операторної слід влаштовувати тамбури, обладнані зовнішніми захисно-герметичними дверима, що сприймають розрахункові навантаження, і внутрішніми герметичними дверима. Двері тамбура повинні відкриватися назовні.
Фільтровентиляційні приміщення (ФВП) повинні примикати до зовнішніх стін будівлі операторної і розміщуватися поблизу входів в будівлю.
Конструктивні рішення.
Вибухотривкі будівлі операторних проектуються каркасними з повним або неповним каркасом і безкаркасними, зокрема з монолітного залізобетону.
Зовнішні захисні стінові конструкції можуть виконуватися із збірних панелей, монолітного залізобетону з утеплювачем, тришарових панелей з посиленим шаром залізобетону, ребристих плит з шаром утеплювача між ребрами, наприклад, легкого бетону і т.д. Для каркасних будівель операторних слід застосовувати збірно-монолітні покриття, що складаються із збірних залізобетонних плит і монолітних ділянок.
Як кроквяні конструкції застосовуються залізобетонні балки, сталеві балки зварні або з прокатних профілів.
Установка колон по координаційних осях з кроком 2 м дозволяє збільшити несучу здатність типових стінних панелей більш ніж в 15 разів.
У покритті вибухотривких будівель слід використовувати залізобетонні балки встановлювані з кроком, що дозволяє сприймати задані навантаження. Якщо типові збірні балки запроектовані на навантаження 10 кН/м2 і крок 12 м, то установка цих балок через 1,5 м дозволить збільшити їх несучу здатність в 10 разів (з урахуванням динамічних опорів бетону і арматури).
Незмінність каркасів вибухотривких будівель по поперечних координаційних осях забезпечується жорсткістю стін, колон і затисканням колон у фундаменти, а по подовжніх осях, крім того, вертикальними сталевими зв'язками.
Збірно-монолітні конструкції покриття слід проектувати нерозрізними з установкою надопорної арматури в шарах з монолітного залізобетону.
Обрамлення вхідних і монтажних отворів рекомендується проектувати із сталевих профілів і кріпити до стін за допомогою анкерів.
Приміщення вибухотривких будівель повинні бути герметичними, якщо при аварійній ситуації можливо задимлення або загазованість будівель небезпечними для життєдіяльності персоналу речовинами.
12.2.2 Особливості вибухозахисту при загрозі внутрішніх вибухів
Надмірний тиск при внутрішньому дефлаграционном вибуху в замкнутому об'ємі досягає 700...900 кПа. При вибухах усередині будівель і споруд, надмірний тиск не повинен перевищувати значень, що перевищують несучу здатність будівельних конструкцій. Максимальний тиск, який здатні витримати будівлі з цегляними стінами складає 2…4 кПа, а будівлі з залізобетонними типовими стінами та перекриттями – 8…10 кПа.
Основною причиною виникнення вибухонебезпечної ситуації в житлових будинках є витік газу. Вибухонебезпечна концентрації на кухні може реалізуватися при одній не засвіченій газовій конфорці. При цьому час формування вибухонебезпечної хмари достатньо великий і складає, залежно від часу початку витоки, від 10 до 25 годин. Наявність постійної (навіть незначної) вентиляції істотно підвищує рівень вибухобезпечності, оскільки різко знижує здатність формування вибухонебезпечних хмар в житлових приміщеннях. Таким чином, вірогідність вибуху значно зростає при погіршенні якості вентиляції.
Двохстадійний аварійний дефлаграционный вибух.
Газопароповітряні суміші здібні до горіння тільки при певній концентрації горючої компоненти в повітрі, тому аварійні вибухи в житлових будівлях часто носять багатостадійний характер. Вибухові виляски (хлопки) можуть слідувати один за іншим, тобто бути рознесеними в часі на декілька секунд.
До особливостей дефлаграційних вибухів усередині приміщень слід віднести формування могутніх повітряних потоків в міжквартирних і міжкімнатних проходах, коридорах і т.д. Саме швидкісний натиск цих потоків (а не ударні хвилі) приводить до викиду фрагментів будівельних конструкцій і предметів з аварійної квартири. Руйнування конструкцій може відбуватися і під дією надмірного тиску, але подальший їх викид відбувається під дією швидкісного натиску.
Якщо у момент початкового вибуху на кухні двері в коридор квартири закриті, то реалізується «виляск» і подальша незначна пожежа на кухні.
Якщо двері на кухні у момент першого «виляску» відкриті, то суміш через дверний отвір спрямовується в сусідні кімнати, турбулізується і збагачується киснем (рис. 12.5). В результаті формується добре підготовлена до горіння вибухонебезпечна хмара, яка через незначний проміжок часу (через 10-15 секунд) вибухає, що приводить до вторинного вибуху, який заподіює основні руйнування будівлі.
Причинами значних руйнувань житлових будівель при аварійних вибухах газопароповітряної суміші можуть бути:
– мала несуча здатність будівель щодо горизонтальних навантажень;
– установка в приміщеннях з газовими приладами посилених варіантів скління.
Вищою несучою здатністю щодо подібних вибухів володіють панельні будівлі та будівлі каркасного типа (див. додаток 41). А особливо небезпечно, коли газопароповітряна хмара формується у замкненому просторі, наприклад, у підвальних приміщеннях.
Рисунок 12.5 – Схема вибуху газоповітряної суміші всередині приміщення
Забезпечення вибухозахисту промислових будівель при внутрішніх аварійних вибухах може здійснюватися по двох напрямах:
– зниженням надмірного тиску, що виникає при внутрішньому аварійному вибуху;
– підвищенням міцності і стійкості конструкції до дії аварійних (вибухових) навантажень.
Поєднання обох вказаних напрямів є необхідною умовою розробки оптимальних рішень по забезпеченню вибухотривкості будівель при внутрішніх аварійних вибухах.
Для зниження надмірного тиску, що виникає при внутрішніх аварійних вибухах, використовуються запобіжні (легкоскидні) конструкції (ЗК): стекла глухого скління приміщень і віконних палітурок (руйнівні ЗК), що відкриваються всередину стулок, стулки віконних палітурок, дверей і коміра (обертові ЗК), що відкриваються назовні, а також легкоскидні стінні панелі і полегшені плити покриттів приміщень (зміщувані ЗК). Стінні панелі можуть бути запроектовані як обертові ЗК.
Запобіжні конструкції встановлюються в приміщеннях будівель або пожежних відсіків категорій А і Б.
За допомогою ЗК надмірний тиск в приміщенні при аварійному вибуху знижується до допустимої величини (Рдоп). При проектуванні будівель вибухонебезпечних виробництв надмірний тиск приймають, як правило, від 3 до 5 кПа. Нижнє значення надмірного тиску відповідає будівлям, конструкції яких не розраховані на дію аварійного вибуху. При зменшенні Рдоп площа запобіжних конструкцій збільшується.
Якщо необхідна площа отворів перекривних ЗК не може бути розміщена в стінах будівлі і ліхтарях, то їх слід розташовувати в покритті вибухонебезпечного приміщення; при цьому легкоскидні покриття можуть бути достатньо ефективними тільки при порівняно великому значенні надмірного тиску вибуху.
У будівлях і приміщеннях вибухонебезпечних виробництв повинна бути виключена можливість руйнування основних несучих і захищаючих конструкцій при розрахунковій величині вибухових навантажень. Допускаються пошкодження конструкцій випадкового характеру, що не впливають на їх міцність і стійкість, а також експлуатаційні характеристики, і що вимагають незначних матеріальних витрат на ліквідацію цих пошкоджень.
Об'ємно-планувальні і конструктивні рішення.
Форма вибухонебезпечних приміщень повинна бути по можливості простою. Елементи несучих, захищаючих і огороджувальних конструкцій, а також устаткування не повинні приводити до значної інтенсифікації вибухового горіння ГС унаслідок звуження перетинів приміщень на шляху розповсюдження полум'я.
При розробці об'ємно-планувальних рішень вибухонебезпечних приміщень необхідно прагнути до того, щоб лінійні розміри їх по довжині, ширині і висоті не більше ніж в п'ять разів відрізнялися один від одного.
Запобіжні конструкції слід розміщувати якомога ближче до очікуваних місць займання горючої суміші (ГС), що утворюється в аварійних ситуаціях у вибухонебезпечному приміщенні.
За відсутності даних про місця можливого займання ГС в приміщеннях, лінійні розміри яких по довжині, ширині і висоті не більше ніж в три рази відрізняються один від одного, ЗК слід розміщувати рівномірно за площею стін приміщення, а при необхідності і в його покритті.
У сильно витягнутих в довжину приміщеннях ЗК розташовують, як правило, в бічних стінах по довжині приміщення, а також в його покритті. У приміщеннях, що мають велику висоту (більше 6 м), ЗК розміщують переважно в їх стінах.
У отворах, що відокремлюють вибухонебезпечні приміщення від інших виробничих приміщень, слід встановлювати двері, люки, ворота і т.д., які не повинні руйнуватися або відкриватися під дією надмірного тиску. За наявності відкритого отвору в стіні між двома приміщеннями обидва приміщення повинні вважатися вибухонебезпечними навіть в тому випадку, якщо виникнення або займання ГС можливі тільки в одному приміщенні.
В приміщеннях, де можуть утворюватися вибухонебезпечні пальні суміші, поверхня стін, стель і підлог повинна бути гладкою, без борозен, без виступаючих елементів і ніш. Кути і пази між підлогами і стінами повинні бути згладжені і закруглені.
У одноповерхових виробничих будівлях вибухонебезпечних виробництв слід приймати найменшу сітку колон, що задовольняє технологічним вимогам.
Багатоповерхові виробничі будівлі в обох напрямах координаційних осей проектуються переважно у вигляді рамних або рамно-зв'язкових систем. Зв'язкові каркаси застосовувати для вибухонебезпечних будівель не рекомендується.
Стики з'єднань елементів рекомендується виконувати жорсткими для створення ефективніших статично невизначних систем і забезпечення просторової жорсткості будівель.
Стекла засклення приміщень можуть працювати достатньо ефективно як ЗК тільки в тому випадку, якщо час утворення отворів у віконних палітурках при руйнуванні стекол буде набагато менше тривалості горіння ГС. Одним з прийомів, що забезпечує розтин стекол, зокрема різних розмірів, є їх надрізка або ослаблене кріплення скла.
При дефлаграційному горінні ГС навантаження, що діє на стекла, може бути прийнята рівній надмірному тиску Рф, що виникає в приміщенні, помноженому на коефіцієнт, рівний 1,2.
Руйнівними ЗК в світлоаераційних і аераційних ліхтарях використовуються стекла глухого скління і що відкриваються всередину стулок і фрамуг віконних палітурок, а обертовими ЗК – стулки, що відкриваються назовні, і фрамуги віконних палітурок.
12.3 Розрахунок параметрів вибуху
Для ухвалення рішень по захисту від дії повітряної ударної хвилі (ПУХ) вибуху на будівлі, споруди, техніку або на людей, а також для вироблення заходів вибухобезпечності необхідні дані, що характеризують вибухи. Найбільш достовірні відомості про вибух можна одержати шляхом проведення експерименту. Проте, такий підхід не завжди застосовний. Тому найбільш поширені розрахункові методи, що дозволяють визначати значення параметрів, що характеризують вибухи. В ході розрахунків використовуються наступні показники:
Для проведення розрахунків розроблено і представлено значну кількість функціональних залежностей, які зв'язують між собою ці показники. Конкретний вид розрахункових співвідношень, що виражають ці функціональні залежності, визначається умовами вибуху, до яких відносяться:
1) тип ВР:
– конденсовані ВР;
– газоповітряні суміші;
– пилоповітряні суміші і ін.;
2) місце вибуху:
– повітряний;
– наземний;
– заглиблений вибух;
3) наявність перешкод, що відбивають ударну хвилю і інші умови.
При оцінюванні ступеня впливу вибуху на будівельні конструкції та людей до небезпечних параметрів вибуху відносять:
Енергія вибуху приводить до стиснення продуктів вибуху і навколишнього середовища, різкої зміни тиску. Витрати тепла під час цього дуже незначні. Практично 90 % тепла іде на нагрів продуктів горіння. Температура продуктів горіння при вибуху визначається:
Тв = 0,9 Тр, (12.3)
де: Тр - теоретична (розрахункова) температура продуктів горіння, К.
Кількість вибухової речовини або її масу С при проведенні розрахунків виражають через тротиловий еквівалент МТ. Тротиловий еквівалент є масою тротилу, при вибуху якої виділяється стільки ж енергії, скільки виділиться при вибуху заданої кількості конкретного ВР. Значення тротилового еквівалента визначається по співвідношенню:
, (12.4)
де: С – маса вибухової речовини; Kef – коефіцієнт приведення вибухової речовини до тротилу (див. додаток 37).
Вираз (12.4) складений для вибуху, при якому ударна хвиля розповсюджується у вигляді сфери. Коли вибух відбувається на деякій поверхні, ударна хвиля розповсюджується в повітрі у вигляді півсфери. Для вибухів на абсолютно твердій поверхні вся енергія, що виділилася при вибуху, розповсюджується в межах півсфери і, отже, значення маси вибухаючої речовини як би подвоюється. Для вибуху на не абсолютно твердій поверхні, наприклад, на ґрунті, частина енергії витрачається на утворення воронки. Облік цієї витрати виконується за допомогою коефіцієнта η (наприклад, для ґрунту η = 0,6; для бетону η = 0,95). MT в загальному випадку визначається по формулі:
. (12.5)
За законом подібності кубічного кореня значення параметрів ударної хвилі для вибуху деякої потужності можна перерахувати для вибухів інших потужностей, користуючись виразами закону подібності:
, , (12.6)
де: r2, r1 – відстані від центрів двох вибухів до деяких точок 1 і 2, в яких параметри ударної хвилі цих вибухів рівні між собою; t2, t1 – час з моменту вибуху до приходу ударної хвилі в ці точки; MT2, MT1 – відповідні тротилові еквіваленти зарядів.
Ґрунтуючись на цих залежностях, отримують приведений радіус вибуху Rnp, яким зручно користуватися в різних розрахункових співвідношеннях для визначення параметрів ударної хвилі вибуху.
(12.7)
Різниця між вибухами конденсованих ВР і ГПС обумовлює особливості їх впливу на будівельні конструкції та особливості відповідних розрахунків.
12.3.1 Розрахунок параметрів вибуху при підриві заряду конденсованої вибухової речовини
При підриві заряду конденсованої ВР утворюється осередок вибуху, ударні хвилі якого здатні викликати великі руйнування на будівельних об'єктах. В залежності від місця підриву ВР розрізняють повітряний, наземний або заглиблений вибух.
Таким чином, при розрахунках для оцінювання пошкоджень треба розглянути впливи на будівлі та споруди від:
1) продуктів вибуху та розльоту осколків;
2) впливу ударної хвилі;
3) сейсмічного ефекту вибуху.
1. Вплив продуктів вибуху та розльоту осколків.
При підриві заряду ВР на поверхні землі максимальний радіус розльоту осколків rmax, м, визначають за формулою:
, (12.8)
де C – загальна маса заряду ВР, кг, яку визначають за формулою:
С = С1Кеф + С2 , (12.9)
де С1 – маса діючого заряду ВР, кг; Кеф – коефіцієнт ефективності ВР в порівнянні із зарядом тротилу тієї ж маси (див. додаток 37); С2 – маса зовнішнього контактного заряду тротилу для підриву діючого заряду ВР, кг (див. додаток 38).
2. Вплив ударних хвиль при вибуху.
Надлишковий тиск DPф для сферичної повітряної ударної хвилі, що вільно розповсюджується, убуває у міру видалення від місця вибуху. Тому розрахунок його значень звичайно проводиться на підставі співвідношень, в яких тиск є функцією двох аргументів – маси ВР і відстані від місця вибуху.
Швидкість спаду значення DPф у міру видалення від місця вибуху змінюється за рахунок впливу на ударну хвилю середовища, в якому вона розповсюджується. Чим більше відстань від місця вибуху, тим сильніше спотворюється характер зміни тиску у фронті ударної хвилі.
З викладених причин в технічній літературі представлений достатньо широкий спектр розрахункових співвідношень для визначення значень DPф, кожне з яких має свою сферу застосування і призначення. Наприклад, для повітряного вибуху, для наземного вибуху, для малих відстаней від місця вибуху, для значних відстаней від місця вибуху, для невеликих зарядів ВР, для крупних зарядів ВР і т.д.
Вплив ударних хвиль на конструкції та споруди розрізняється при вибуху у повітрі та при вибуху на поверхні землі.
Ударні хвилі при вибуху у повітрі.
Закони зміни тиску в повітряній ударній хвилі в часі не залежать від виду вибухової речовини. Головна особливість цієї хвилі – різке зростання тиску в її фронті, що рухається, від Pо (вихідний атмосферний тиск) до максимального значення Pо+DPф і потім падіння до атмосферного тиску Pо Час t+, протягом якого тиск падає з Pо+DPф до Pо, визначає тривалість фази стиску (рис. 12.3). Фаза стиску змінюється фазою розрідження, у якій тиск виявляється нижче атмосферного. Механічна дія ударної хвилі на спорудження в більшості випадків визначається тиском у фазі стиску, оскільки воно звичайно перевищує тиск у фазі розрідження. При визначенні навантажень, що виникають при дії ударної хвилі на перешкоду, необхідно враховувати умови її взаємодії з перешкодою (відбиття, обтікання, затікання).
Основні параметри повітряної ударної хвилі при поширенні в повітрі від центра вибуху (минаюча хвиля) визначають по емпіричних формулах.
При повітряному вибуху тротилового заряду:
– надлишковий тиск на фронті ударної хвилі (МПа):
(12.10)
де С – маса тротилового заряду, кг; r – відстань від центра вибуху до перешкоди, м. Враховуючи (12.7) формулу (12.10) можна записати у вигляді формули Садовського:
. (12.11)
При необхідності можна вирішувати зворотну задачу, тобто визначати відстань від місця вибуху по заданому значенню DPФ, користуючись співвідношенням:
; (12.12)
– тривалість фази стиску (с):
; (12.13)
– імпульс тиску у фазі стиску, віднесений до поверхні фронту хвилі площею 1 м2;
(МПа·с). (12.14)
Ударні хвилі при наземному вибуху.
При вибуху заряду у ґрунті виникає подрібнення ґрунту і руйнування його структури з утворенням воронки. За межами воронки вибухові хвилі розповсюджуються у вигляді ударних хвиль або хвиль стиснення. Також виникають хвилі у ґрунті внаслідок розповсюдження над поверхнею повітряної ударної хвилі.
При наземному вибуху тротилового заряду, враховуючи те, що ударна хвиля розповсюджується в повітрі у вигляді півсфери, надлишковий тиск на фронті ударної хвилі, тривалість фази стиску, імпульс тиску у фазі стиску розраховують по формулам:
(МПа), (12.15)
(с) , (12.16)
(МПа·с) . (12.17)
Радіус руйнуючої дії повітряної ударної хвилі ryx визначають за формулою:
, (12.18)
де С – маса заряду, що підривається, у тротиловому еквіваленті, кг; а – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від умов вибуху та інтенсивності руйнувань (див. додаток 36). Коефіцієнт а для деяких випадків також можна визначити за формулами, наприклад, при пошкодженні стіни товщиною b, м:
– при виникненні тріщин у цегляних стінах: ;
– при наскрізних проломах у цегляних стінах: ;
– при наскрізних проломах у бетонних стінах: ;
– при наскрізних проломах у залізобетонних стінах: .
ПРИКЛАД 12-А.
Визначити надмірний тиск та ступінь руйнування цегляної будівлі з залізобетонним перекриттям при вибуху на відстані 10 м від неї на ґрунті заряду гексогену масою 10 кг.
1. Визначення тротилового еквівалента МТ:
кг
2. Визначення приведеного радіусу вибуху Rnp:
3. Визначення надмірного тиску DPФ:
кПа
4. За додатком 42, зменшуючи розраховане значення ΔPФ в 1,5 рази, можна зробити висновок, що будівля одержить середні руйнування.
3. Вплив сейсмічного ефекту вибуху.
Розрахунок конструкцій заглиблених споруд на вплив вибухової хвилі проводять по емпіричній формулі:
, (12.19)
де km, kh, f() – коефіцієнти; С – маса заряду тротилу, кг; r - відстань від центру вибуху до перешкоди, м; ω - частота власних коливань перешкоди, 1/с.
Вплив сейсмічного ефекту вибуху на заглиблені частини будівель та споруд визначають за формулою:
, (12.20)
де Rc – радіус сейсмічно небезпечної зони, м; ас – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від показника дії вибуху (див. додаток 39); Кс – коефіцієнт, величина якого залежить від властивостей ґрунту в основі фундаментів будівель та споруд (див. додаток 40); С – загальна маса заряду ВР.
При вибухах в умовах міської забудови характер розповсюдження ударної хвилі істотно змінюється із-за її багатократного віддзеркалення і екранування стінами будівель. З цих же причин звичайно використовувані для розрахунку значень ΔP формули, у тому числі і розглянуті вище, непридатні.
Для оцінки ступеня пошкодження або руйнування будівель в місті використовується формула:
, (12.21)
де: r – відстань від місця вибуху в метрах; MT – тротиловий еквівалент заряду в кілограмах; Kp – коефіцієнт, відповідний різним ступеням руйнування:
Кp < 5,6 – повне руйнування будівель;
Кp = 5,6…9,6 – сильні руйнування будівлі (будівля підлягає зносу);
Кp = 9,6…28 – середні руйнування (можливо відновлення будівлі);
Кp = 28…56 – руйнування внутрішніх перегородок, дверних і віконних отворів;
Кp = 56 – руйнування 90% скління.
ПРИКЛАД 12-Б.
Визначити для умов міської забудови відстань, починаючи з якої будівлі одержать сильні руйнування при вибуху заряду 500 кг гексогена.
1. Визначення тротилового еквівалента:
MT = Krf C = 1.3 · 500 = 650 кг
2. Визначення шуканої відстані:
= = 48.6 м.
12.3.2 Розрахунок параметрів ударної хвилі при вибуху газоповітряних сумішей
При вибуху газоповітряної суміші (ГПС) утворюється осередок вибуху, ударні хвилі якого здатні викликати вельми великі руйнування на будівельних об'єктах.
У наземному вибуху ГПС прийнято виділяти три півсферичні зони у надземному просторі (рис. 12.6) та зону сейсмічного ефекту вибуху. Будівлі та споруди можуть зазнати пошкоджень від:
1) детонаційної хвилі;
2) розльоту осколків та продуктів вибуху;
3) впливу ударної хвилі;
4) сейсмічного ефекту вибуху.
Рисунок 12.6 – Зони осередку вибуху ВР:
1 - зона детонаційної хвилі, r1;
2 - дії продуктів вибуху, r2;
3 - повітряної вибухової хвилі, r3.
1. Вплив детонаційної хвилі.
Зону детонаційної хвилі (зона 1) можна розглядати в межах газової хмари вибуху, де r < r1.
При вибухах газоповітряних сумішей параметри усередині газової хмари можуть змінюватися в дуже широких межах залежно від умов вибуху, концентрації горючої компоненти і характеру вибухового горіння, які при прогнозуванні вибухів, особливо на відкритому повітрі, врахувати практично неможливо. Тому звичайно розрахунки проводять для гіршого випадку, при якому руйнівні наслідки вибуху найбільші.
Таким якнайгіршим випадком є детонаційне горіння суміші стехіометричного складу. Швидкість розповсюдження процесу детонаційного горіння усередині хмари дуже велика і перевищує швидкість звуку. Проте для проведення наближеної оцінки параметрів вибуху можна умовно прийняти, що хмара має форму півсфери з центром на поверхні землі, вибух ГПС відбувається миттєво і тиск в процесі вибуху однаково і постійно в усіх точках, що знаходяться усередині хмари.
Для більшості вуглеводневих газових сумішей стехіометричного складу можна прийняти, що тиск усередині газової хмари складає 1700 кПа.
Якщо вибухонебезпечна суміш стехіометричної концентрації знаходиться в замкнутому об'ємі, то при згорянні суміші її тиск порівняно з початковим збільшиться. Цей процес описується формулою:
, (12.22)
де: РП – початковий тиск суміші до горіння, Па; РВ – тиск продуктів згоряння після реакції, Па; ТВ – температура продуктів горіння під час вибуху, К; ТП – початкова температура суміші, К; nП – початкова кількість молей суміші до горіння; nПГ – число молей продуктів згоряння, що утворились в результаті реакції. Величини nп та nПГ визначаються з реакції горіння.
Враховуючи об’єднаний закон газового стану, рівняння (12.22) можна подати у вигляді:
; , (12.23)
де VП – початковий об'єм суміші до горіння; VВ – об'єм продуктів вибуху.
Тобто, якщо початковий об'єм прийняти за одиницю, тоді при вибуху об'єм продуктів горіння буде перевищувати початковий у
разів. (12.24)
Іншими словами ступінь розширення продуктів горіння ε при вибуху можна виразити:
. (12.25)
Відомо, що максимально можливий надмірний тиск в замкнутому об`ємі буде при Vcум = Vпр, де Vсум – об`єм вибухонебезпечної суміші при стехіометричній концентрації, а Vпр – об`єм приміщення.
Його можна визначити за формулою:
, Па , (12.26)
де: РП – початковий тиск в приміщені, Па; nПГ, nП – кількість молей продуктів горіння та початкової суміші, моль; Тв, ТП – температура вибуху та початкова температура, К.
Наприклад, при горінні метану:
, (12.27)
, Па
У реальній ситуації необхідно враховувати додаткові чинники, які впливають на процес вибуху, наприклад, участь пальної речовини у дефлаграційному процесі, її густину при різних температурах, нещільність об'єму приміщення, тощо. Надмірний тиск вибуху ΔР для індивідуальних пальних речовин, що складаються з атомів С, Н, О, N, Cl, Вr, I, F, визначається по формулі:
(12.28)
де Рmax – максимальний тиск вибуху стехіометричної газоповітряної або пароповітряної суміші в замкнутому об'ємі, визначений експериментально або за довідковими даними. За відсутності даних допускається приймати Рmax = 900 кПа;
РO – початковий тиск повітря до вибуху, кПа (допускається приймати рівним РO =101 кПа);
m – маса горючого газу (ГГ) або пари легкозаймистих (ЛЗР) і горючих рідин (ГP), що вийшли в результаті аварії в приміщення, кг;
Z – коефіцієнт участі пального у вибуху, який може бути розрахований на основі характеру розподілу газів і пари в об'ємі приміщення згідно додатку. Для горючих газів (окрім водню) Z = 1,0;
Vсв – вільний об'єм приміщення, м3;
КН – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення і неадіабатичність процесу горіння. Допускається приймати КН = 3;
ρПГ – густина газу або пари при розрахунковій температурі tр, кг·м-3, що обчислюється за формулою (наприклад, для ацетилену С2Н2 =1,079 кг/м3);
, (12.29)
де М – молярна маса, кг·кмоль-1;
VО – молярний об'єм, VО = 22,413 м3·кмоль-1;
tр – розрахункова температура, oС. Як розрахункову температуру слід приймати максимально можливу температуру повітря в даному приміщенні у відповідній кліматичній зоні або максимально можливу температуру повітря за технологічним регламентом з урахуванням можливого підвищення температури в аварійній ситуації. Якщо такого значення розрахункової температури tр з яких-небудь причин визначити не вдається, допускається приймати її рівній 61 oС;
Сст – стехіометрична концентрація ГГ або пари ЛЗР і ГР % (об.), обчислювана за формулою:
(12.30)
де β – стехіометричний коефіцієнт кисню в реакції згорання:
(12.31)
де nС, nН, nО, nХ – число атомів С, Н, О і галоїдів в молекулі пального.
Розрахунок ΔР для індивідуальних речовин, окрім згаданих в (12.28), а також для сумішей може бути виконаний по формулі
(12.32)
де Q – теплота згоряння речовини, Дж·кг-1;
ρв – густина повітря до вибуху при початковій температурі ТЕ, кг·м-3;
сВ – теплоємність повітря, Дж·кг-1·К-1 (допускається приймати сВ = 1,01·103 Дж·кг-1·К-1);
Vпр – об`єм приміщення, м3;
ТО – початкова температура повітря, К.
Ступінь пошкодження об'єкту (будівлі, споруди і т.п.) оцінюється по критерію оцінки фізичної стійкості (сильне, середнє, слабке), а об'єктів дії (устаткування, установок і т.п.) по критерію перекидання і зсуву. Критерієм оцінки фізичної стійкості будівельного об'єкту є надмірний тиск при вибуху ΔРф, а критерієм оцінки за перекиданням і зсувом – швидкісний натиск вибуху Pск.
. (12.33)
Розрахований швидкісний натиск вибуху порівнюється зі стійкістю об'єкту при перекиданні та з його опором до зсуву за формулами:
при перекиданні , (12.34)
при зсуві , (12.35)
де a – висота об'єкту, м; b – ширина об'єкту, м; G – вага об'єкту, Н; Cx – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м2; f – коефіцієнт тертя; G – вага об'єкту, Н; ξx – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м2.
ПРИКЛАД 12-Б.
Оцінити ступінь пошкодження приміщення в цегляній безкаркасній будівлі з залізобетонним перекриттям при вибуху в ньому газоповітряної суміші та швидкісний натиск вибуху при перекиданні устаткування за умовами:
– маса суміші m = 2 кг; – теплота згоряння суміші Q = 40·103 Дж·кг-1; – коефіцієнт участі пальної суміші у вибуху Z = 0,5;
– початкова температура повітря ТО = 300 К;– густина повітря до вибуху ρв = 1,29 кг·м-3; – теплоємність повітря сВ = 1,01·103 Дж·кг-1·К-1; РO = 101 кПа;
– об`єм приміщення Vпр = 100 м3; – коефіцієнт негерметичності і неадіабатичності КН = 3;
– параметри устаткування: a=3 м; b=2 м; G=20 кН; Cx=0,8; S=6 м2.
1. Визначення надмірного тиску при вибуху газоповітряної суміші:
кПа .
За розрахунком згідно додатку 41 очікується середня ступінь пошкодження приміщення.
2. Визначення швидкісного натиску вибуху:
кПа ;
.
Необхідний тиск при перекиданні перевищує швидкісний натиск вибуху, тому устаткування не перекинеться.
Тротиловий еквівалент газоповітряних сумішей МТ (кг) визначається із співвідношення (12.5), в якому Kef=Q/QТ та η=1, тобто в припущенні, що енергія вибуху півсферичної хмари повністю відбита поверхнею, над якою ця хмара утворилася. З урахуванням викладеного:
, (12.36)
де: СВ – маса речовини, що вибухає у складі хмари ГПС (кг); Q – теплота, що виділяється при згоранні даної речовини (кДж/кг); QТ – теплота вибуху тротилу (4520 кДж/кг).
Q є табличною величиною (додаток 44), яка показує кількість енергії, що виділяється при вибуху (згоранні) одиниці маси даної речовини.
Значення CВ визначається співвідношенням
, (12.37)
де: MХР – маса речовини, що знаходилася в об'ємі до аварії (до вибуху), кг;
δ – коефіцієнт, залежний від способу зберігання речовини, що показує частку речовини, перехідну при аварії в газ:
δ = 1 – для газів при атмосферному тиску;
δ = 0,5…0,6 – для зріджених газів, що зберігаються під тиском;
δ = 0,1 – для зріджених газів, що зберігаються ізотермічно;
δ = 0,02…0,07 – для розлитих ЛЗР.
Об'єм газової хмари V0 та розмір півсфери газової хмари r1 (рис. 12.6, зона І) залежать від кількості початкової речовини, що знаходилася в сховищі до аварії, і способу його зберігання. Визначення цих параметрів може бути виконано по формулах:
, м3; , м ; (12.38)
де: Va – об'єм кіломоля ідеального газу (постійна Авогадро: Va=22.4 м3/кмоль); μ – молярна маса речовини, що зберігається (кг/кмоль); cстх – стехіометрична об'ємна концентрація (у абсолютних долях).
Радіус зони детонаційної хвилі r1, м, для найбільш часто використовуваних вуглеводнів можна приблизно розраховувати за емпіричною формулою:
. (12.39)
2. Вплив розльоту продуктів вибуху.
Радіус зони дії продуктів вибуху ГПС, які здатні пошкодити будівельні об'єкти r2, м, розраховують за емпіричною формулою:
. (12.40)
3. Вплив вибухових хвиль на відстанях r > r1.
Формули для визначення значень параметрів ударної хвилі на відстанях, що перевищують радіус півсфери газової хмари в навколишньому повітрі, одержані шляхом апроксимації чисельного рішення задачі про детонацію пропаноповітряної суміші. Спосіб розрахунку параметрів ударної хвилі для горючих сумішей різних вуглеводнів з повітрям, що задовільно узгоджуються з експериментальними даними, отримано з рішення системи нестаціонарних рівнянь газової динаміки.
Максимальний надмірний тиск у фронті ударної хвилі ΔРф (кПа):
; (12.41)
; , (12.42)
де: MТ – тротиловий еквівалент наземного вибуху півсферичної хмари ГПС (кг); P0 – атмосферний тиск, P0 = 101 кПа.
Питомий імпульс І , Па·c:
; (12.43)
. (12.44)
Приклад 12-В.
Визначити надмірний тиск і питомий імпульс у фронті ПУХ на відстані 100 м. від місткості, в якій знаходиться 10 т пропана, що зберігається в рідкому вигляді під тиском, при її розгерметизації і вибуху утвореної ГПС.
1. Визначення маси пропану у складі ГПС
кг.
2. Визначення тротилового еквівалента
кг .
3. Визначення приведеного радіусу вибуху
.
4. Визначення надмірного тиску у фронті ударної хвилі
,
звідки , отже
кПа.
5. Визначення значення питомого імпульсу ударної хвилі
,
звідки ;
Па·c.
Параметри повітряної ударної хвилі поза межами газової хмари (у зоні 3) залежать від потужності вибуху. За законом подібності надмірний тиск в цій зоні для найбільш часто використовуваних вуглеводнів можна визначити з достатнім наближенням через відносний коефіцієнт ψ1, використовуючи емпіричні розрахункові формули:
(12.45)
при (12.46)
при (12.47)
де r3 – відстань від місця вибуху до точки в зоні 3; ΔRIII – надмірний тиск вибухової хвилі на відстані r3.
ПРИКЛАД 12-Г.
Визначити небезпечні зони при вибуху місткості, в якій міститься 100 т зрідженого бутан-пропана та оцінити характер руйнувань промислової будівлі з металевим каркасом на відстані 500 м від місця вибуху. Коефіцієнт переходу рідкого продукту в ГПС Кн=1.
1. Визначення радіусу зони детонаційної хвилі (зони 1):
м.
2. Визначення радіусу зони дії продуктів вибуху (зона 2):
м.
3. Визначення надмірного тиску вибухової хвилі на відстані 500 м від місця вибуху:
.
Оскільки кПа.
Згідно додатку 41 можна очікувати слабких пошкоджень промислової будівлі з металевим каркасом на відстані 500 м від місця вибуху.
Для пилоповітряних сумішей вугільного пилу РВ = (4…5)·105 Па. Навантаження на огороджувальні конструкції, що виникає під час вибуху, досягає сотень кілопаскалей. Допустимий надмірний тиск для конструкцій приймається набагато меншим (див. додаток 41). Таким чином, для зменшення тиску на будівельні конструкції необхідно застосувати відповідні заходи, наприклад, забезпечити швидке зниження тиску на них після вибуху.
Під час вибуху газоповітряної суміші всередині приміщення зміну тиску в ньому можна охарактеризувати графіком на рис. 12.7, на якому продемонстровано зменшення тиску вибуху в закритому приміщенні при застосуванні ЛСК.
Оскільки конструкції приміщення мають власну міцність, яка дозволяє витримувати певний тиск, то надмірний об'єм продуктів вибуху, який потрібно видалити із приміщення для недопущення його пошкодження, можна визначити за формулою:
, (12.48)
де: Рдоп – допустимий тиск на конструкції приміщення, Па.
Швидкість витікання та витрати газу при адіабатичному стисканні залежать від відношення тиску в середовищі, в яке витікає газ Ра , до тиску в замкненому приміщенні РПГ, де відбулася реакція.
Рисунок 12.7 – Схема зміни тиску при вибуху
1– крива зміни тиску в закритому приміщенні;
2 – крива зміни тиску в будинку з вибуховими отворами (ЛСК)
Відношення Ра/Рдоп, при якому витрати газу стають максимальними, при незруйнованому об'ємі приміщення називається критичним і позначається кр.
Для двоатомних газів кр= 0,528. Тобто для будь-яких значень має зберігатися нерівняння Ра / Рдоп > 0,528. Це означає, наприклад, що при Ра= 1·105 Па, Рдоп буде знаходитися в межах 1,15·105…1,5·105 Па. Для цього випадку розрахункова формула для визначення швидкості витікання υ має наступний вид:
, (12.49)
де g – прискорення сили ваги, м/с2;
Vt – питомий об’єм продуктів горіння з урахуванням температури, м3/Н;
φ – коефіцієнт витрати;
Ра – тиск середовища, в яке відбувається витікання, Н/м2;
k – показник адіабати для двоатомних газів (відношення питомої теплоємності при Р=const до питомої теплоємкості при V=const). Для розрахунків показника адіабати k виходять з наступних значень молярної теплоємності газів:
– одноатомний газ μсυ=12,6 кДж/моль·град;
– двохатомний газ μсυ=21 кДж/моль·град;
– трьох- і багатоатомний газ μсυ=29,4 кДж/моль·град.
Між молярними теплоемкостями ідеальних газів при P=const і υ=const існує залежність μср - μсυ=8,4 кДж/моль град. Таким чином, μср для двохатомних газів, до числа яких відносяться продукти згоряння, буде дорівнювати 29,4 кДж/моль·град. Для цих умов:
. (12.50)
Якщо підставити у формулу (12.49) значення питомого об’єму газу Vt з урахуванням поправки на температуру:
, (12.51)
де ρ0 – питома вага продуктів згоряння при 0 °С, Н/м3; TПГ – температура згоряння при вибуху, К; Т0 – початкова температура продуктів згоряння, К.
Тоді в перетвореному виді формула (12.49) матиме вигляд:
. (12.52)
Якщо у формулу (12.52) підставити значення φ=0,75, g=9,81 м/с2, k=1,4, Pа=105 Н/м2, То=273 К, γo= 12,93 Н/м3, то в остаточному виді:
. (12.53)
Для недопущення пошкодження приміщення, в якому стався вибух, треба, щоб продукти вибуху мали змогу витікати назовні через прорізи. Площа вибухових прорізів відповідає вимогам безпеки при дотриманні двох умов:
∆Vв = ∆Vі ; (12.54)
, (12.55)
де ∆Vв — надлишковий об’єм продуктів згоряння, що утворилися при вибуху, м3;
∆Vі — витрата продуктів згоряння при витіканні через вибуховий проріз, м3;
швидкість зміни тиску при вибуху, Н/м, с;
швидкість зміни тиску при витіканні, Н/м, с.
З рівняння нерозривності відомо, що
, (12.56)
де fВП – площа вибухових прорізів, м2; υ – швидкість витікання продуктів згоряння, м/с; B – час вибуху, с.
З формули (12.56) витікає:
(12.57)
З формул (12.53) і (12.57) в остаточному виді знаходиться площа вибухових прорізів fВП:
. (12.58)
З формули (12.57) видно, що між припустимими тиском на конструкції і площею вибухових прорізів існує зв'язок. Чим міцніше конструкція, тим менше може бути площа вибухових прорізів. Попередні розрахунки, а також аналіз вибухів показують, що при площі вибухових прорізів, що рекомендується нормами і дорівнює 0,05 м2/м3, тиск при вибуху може значно перевищити припустимий і зруйнувати будівельні конструкції. Виходячи з цього нормами рекомендується визначати площу вибухових прорізів розрахунком.
У випадку, коли Рдоп=1,5 104 Н/м2.
. (12.59)
Залежність площі вибухових прорізів від різних факторів представлена на рис. 12.8. Графіками цього малюнка можна користатися для визначення площі прорізів. Для цього потрібно знати надлишковий об’єм продуктів горіння при вибуху, припустимий тиск на конструкції і температуру горіння при вибуху.
Легкоскидна конструкція розкривається миттєво при досягненні в приміщенні тиску, що дорівнює Рдоп. При цьому зміна тиску в будинку з легкоскидними конструкціями характеризується схемою, яка наведена на рис.1.
Противибуховий захист повинен створити такі умови, щоб тиск під час вибуху не перевищував допустимий.
Іншими словами, конструктивні елементи будівель та споруд повинні забезпечувати зниження тиску під час вибуху в замкнутому просторі до величини, яка є безпечною.
Якщо рішення противибухового захисту забезпечують зниження тиску під час вибуху до 5 кПа, то перевірка несучої здатності основних конструкцій не потрібна.
У протилежному випадку необхідно виконати розрахунок вибухостійкості конструкцій і, в разі потреби, передбачати їх зміцнення.
Рдоп, Н/м2
1,05·105 1,15·105 1,25·105 1,35·105
Рисунок 12.8 – Графік визначення площі вибухових прорізів у залежності від тиску, що допускається, на будівельні конструкції
1 - Тв=2073 К; ΔVв=5,6…6,05 м3/м3; 2 - Тв=2273 К; ΔVв=6,3…6,75 м3/м3; 3 - Тв=2473 К; ΔVв=6,95…7,4 м3/м3; 4 - Тв=2773 К; ΔVв=8…8,45 м3/м3; 5 - Тв=3073 К; ΔVв=9…9,45 м3/м3; 6 - Тв=3273 К; ΔVв=9,6…10,05 м3/м3; 7 - ΔVв=5 м3/м3;
Вибух, як один з вторинних проявів небезпечних факторів пожежі, приводить до руйнування будівель та споруд і нерідко супроводжується загибеллю людей. Противибуховий захист будівель та споруд повинен здійснюватися на стадії проектування.
Дослідженнями встановлено, що фронт полум'я має форму сфери, всередині якої знаходяться продукти горіння, а поза неї незгорівша суміш. Сферичний фронт полум'я зберігається до моменту торкання ним стінок приміщення.
Розміщення джерела запалювання в суміші суттєво не впливає на величину надмірного тиску, але впливає на час вибуху. При розрахунку часу вибуху робиться припущення, що джерело запалювання розміщується в геометричному центрі вибухонебезпечного об'єму. Це найгірший випадок, тому що проходить найбільше зростання тиску.
Різке підвищення тиску до небезпечного для конструкцій при вибуху починається з моменту досягнення фронтом полум'я 0,4-0,5 R. Іншими словами, мить досягнення максимального тиску фіксується, як мить досягнення фронтом полум'я стінок приміщення.
Таким чином, час вибуху (розрахунковий) може бути визначений як час переміщення фронту полум'я від центру сфери до стінки приміщення. Фронт полум'я проходить відстань 0,5r.
, (12.60)
де: vн – швидкість розповсюдження полум'я, м/с.
Розрізнюють нормальну швидкість розповсюдження полум'я vн, яка менша від тієї, що спостерігається, на ступінь розширення продуктів згоряння при вибуху . Вона залежить від складу суміші, тиску та температури. Розповсюдження полум'я йде тільки за рахунок теплопередачі.
Враховуючи вираз радіуса сфери через об'єм
і те, що об'єм вибухонебезхпечної суміші Vcум рівняється об'єму приміщення Vпр, можна розрахувати час вибуху:
. (12.61)
Дані величин vн та дуже обмежені.
Для розрахунків на практиці рекомендують час вибуху приймати:
12.3.3 Розрахунок площі легкоскидних конструкцій
Питання противибухового захисту будівель та споруд висвітлюються у СНиП 2.09.02-85. Производстенные здания.(п.2.42.)
В приміщеннях категорії А і Б слід передбачати зовнішні легкоскидні огороджуючі конструкції. Площа ЛСК визначається розрахунком.
Зниження тиску під час вибуху досягається за рахунок випуску продуктів вибуху та вибухонебезпечної суміші, яка не вступила в реакцію, через отвори, які звільнили ЛСК, що відкрилися або зруйнувалися.
Площа ЛСК, відповідно до СНиП 2.09.02-85, визначається розрахунком.
При цьому приймаються припущення:
Прийняті допущення добре сходяться з експериментальними даними.
Якщо відсутні розрахункові дані, площа ЛСК приймається не менше 0,05 м2 на 1 м3 об'єму приміщення категорії А і не менше 0,03 м2 на 1 м3 об'єму приміщення категорії Б.
Загальна методика розрахунку площі легкоскидних конструкцій.
1. Загальна площа отворів ЛСК.
Загальна площа отворів ЛСК, які відчиняються, FВП визначається за формулою:
, (12.62)
де: fвп – питома площа перерізу ЛСК, м2/м3; Vп – об'єм приміщення, м3.
2. Питома площа перерізу ЛСК.
Питома площа перерізу ЛСК визначається із рівняння нерозривності:
, (12.63)
де : Vв – надмірний об'єм продуктів горіння, які утворилися під час вибуху, м3/м3; υв – швидкість витікання продуктів горіння, м/с; в – час вибуху, с.
Для визначення площі вибухових прорізів у приміщеннях з неповною загазованістю fвпнп розглянемо два випадки. Неповна загазованість по висоті приміщення і неповна загазованість по площі приміщення. У першому випадку приймається рівномірний розподіл вибухонебезпечної суміші по всій площі підлоги на частину висоти приміщення, а в другому випадку приймається рівномірна загазованість по усій висоті приміщення, але на обмеженій площі.
Відношення питомої площі вибухових прорізів за неповної загазованості fвпнп до питомої площі вибухових прорізів за повної загазованості fвпп. Враховуючи, що допустимий тиск на конструкції Рдоп за неповної і повної загазованості однаковий, а також, що ΔVвнп = ΔVп, одержимо для першого випадку загазованості:
, (12.64)
звідки
, (12.65)
де індекси НП і П позначають відповідно неповну і повну загазованість.
Для другого випадку загазованості питому площу вибухових отворів визначають як для випадку повної загазованості приміщень, однак загальну площу вибухових отворів визначають у залежності від об’єму вибухонебезпечних ділянок.
Питання для самоконтролю
PAGE 8
Піддатливий матеріал
Піддатливий грунт
Пружні елементи
а)
б)
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
EMBED PBrush
а)
б)
EMBED Excel.Chart.8 \s
і
Ti ,c
I
II
III
t
2
Δрф
ро
0
+
-
ро
р
ударна хвиля
хвиля стиску
N
а)
N
б)