Оценка устойчивости зданий (сооружений) к воздействию ударной волны

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

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

Ориентировочно величина определяется по формуле:

ΔР_Ф = К_ЗД* К_Р* К_К * К_М * К_В * К_С* К_КР, кПа

где К_ЗД – коэффициент, учитывающий тип здания; К_Р – коэффициент, учи­тывающий степень разрушения; К_К – коэффициент, учитывающий тип кон­струкции; К_М – коэффициент, учитывающий вид строительного материала; К_В – коэффициент, учитывающий высоту здания; К_С – коэффициент, учиты­вающий сейсмостойкость конструкции; К_КР – коэффициент, учитывающий грузоподъемность кранового оборудования.

Значения коэффициентов приведены в таблице 1.

Сильное разрушение: ∆Р_Ф^с₌ 0,87 * ∆Р_Ф

Среднее разрушение: ∆Р_Ф^ср ₌ 0,56 * ∆Р_Ф

Слабое разрушение: ∆Р_Ф^сл ₌ 0,35 * ∆Р_Ф

Таблица 1– Коэффициенты, отражающие конструкцию промышленного (офисного, административного) здания

КЗД	КР	КК
промыш.	офисно-админ.	полн.	сильн.	сред.	слаб.	бескаркас	каркасн.	мон ж/б
			0,87	0,56	0,35			3,5

КМ	КВ
кирпич	дерево	ж/б не армированный	ж/б армированный	< 5 м	5-15	> 15 м
1,5					0,85	0,8

КС	ККР
не сейсмостойкие	сейсмостойкие	10т	20 т	40 т	60 т	100 т
	1,5	1,05	1,1	1.2	1,3	1,45

3.2 Оценка устойчивости технологического оборудования к воздей­ствию ударной волны

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

, кПа

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

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

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

ü опрокидывание оборудования;

ü мгновенное инерционное разрушение элементов оборудования (удар­ные перегрузки).

Смещение оборудования может привести к слабым, а в ряде случаев и средним разрушениям. Величина скоростного напора, вызывающего сме­щение оборудования (расчетная схема представлена на рисунке 1) состав­ляет:

, Па

где f - коэффициент трения (табличная величина); т - масса объекта (оборудования), кг; g - ускорение свободного падения (9,8 м/с²); С_х - коэф­фициент аэродинамического сопротивления объекта (табличная величина); l - длина объекта, м (наиболее неблагоприятный случай воздей­ствия ударной волны - перпендикулярно наибольшему размеру предмета); h - высота объекта, м; Q_Б - суммарное усилие болтов крепления, рабо­тающих на срез, Н.

Величина Q_Б равна

где τ_ср - допустимое напряжение на срез, кг/мм² (н/м²); σ_Т - предел текуче­сти стали, кг/мм² (н/м²), для Стали 35 σ_Т = 65 кг/мм² = 6,33х10⁸ н/м²; d_σ - диа­метр болта, м; п - количество болтов.

Для незакрепленного оборудования ( = 0) величина скоростного на­пора, вызывающего смещение оборудования, составляет

, Па

, Па

при l=d

По величине скоростного напора ∆Р_СК, используя рисунок 2, находят предельное избыточное давление ∆Р_ф ^lim, при котором предмет не смеща­ется.

Рисунок 1–Силы, действующие на объект при смещении: 1–результирующее давление; 2–центр тяжести	Рисунок 2–Зависимость скоростного напора ∆РСК от избыточного давления ∆Рф lim

Опрокидывание оборудования приводит к средним и сильным разруше­ниям. Смещающая сила Р_см, действующая на плече z = h/2 будет созда­вать опрокидывающий момент, а вес (масса) оборудования на плече l/2 (d /2) и реакция крепления Q_r плече l (d) - стабилизирующий момент.

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

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

\

Суммарное усилие болтов крепления, работающих на разрыв, равно

где σ_P - допустимое напряжение болта на разрыв, кг/мм² (табличная величина).

Рисунок 3–Силы и реакции, действующие на предмет при опрокидывании	Рисунок 4–Зависимость избыточного лобового давления ∆Pлоб от избыточного давления ударной волны ∆Pф.

По величине скоростного напора ∆Р_СК, используя рисунок 1, находят предельное избыточное давление ∆Р_ф^,lim, при котором оборудование не оп­рокинется.

Основные пути повышения инженерной устойчивости промышленных объектов:

ü использование оптимальных конструкций и материалов зданий и со­оружений;

ü надежное закрепление оборудования на фундаменте;

ü применение демпфирующих (деформируемых) опор оборудования;

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

ü расположение массивной техники на нижних этажах и вне помещения;

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

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

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

Контрольные задания:

Задание №1 Определить избыточные давления ударной волны, при которых здание цеха химического машиностроения получит различные степени разрушения. Исходные данные: тип здания - каркасный; стены - кирпичные; высота - 10 м; здание не сейсмостойкое; грузоподъемность мостового крана - 10 т.

Задание №2 Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее смещение абсорбционной колонны относительно бетонно­го основания (незакрепленное оборудование). Исходные данные: диаметр колонны d = 4 м; высота h = 60 м; масса m = 5*10⁵ кг; f = 0,2; C_Х = 0,46. Сделайте вывод о том, при каком давлении будет наблюдаться смещение оборудования.

Задание №3 Определить предельное значение избыточного давления, не вызывающее опрокидывание абсорбционной колонны. Исходные дан­ные: см. задание 2. Сделайте вывод о том, при каком давлении будет наблюдаться опрокидывание оборудования.