Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Безопасность жизнедеятельности в условиях чрезвычайных ситуаций. Теория и практика. Учебное пособие.pdf
3.1.Термины и определения
Воздушная ударная волна (ВУВ)- это зона сжатого воздуха,
распространяющаяся от центра взрыва. Ее источник - высокие
давление и температура в точке взрыва [9]. Основные параметры
ударной волны, определяющие ее поражающее действие:
- избыточное давление во фронте ВУВ ΔР
- скоростной напор (динамическое давление) ΔР
, Па (кгс/см2);
ф
, Па (кгс/см2).
ск
За предел устойчивости сооружений и оборудования
принимают величину избыточного давления на фронте воздушной
ударной волны ΔР
, при превышении которой объект (элемент
ф
объекта) выходит из строя и прекращает работу. Большинство зданий,
сооружений и оборудования считаются вышедшими из строя при
средних разрушениях. При этом их восстановление возможно.
Техника, транспорт и другие объекты (изделия), которые
имеют относительно небольшие фронтальные поверхности обтекания
(˂ 3 м
2
), а также малые глубины обтекания (автомобили, станки,
мосты, краны, опоры линии передач и другие объекты), подвергаются
динамическому давлению ударной волны (давлению скоростного
напора) ΔР
поверхность более 3 м
(лобовому давлению) – ΔР
. Объекты, которые имеют фронтальную обтекаемую
ск
Скоростной напорΔР
2
подвергаются суммарному давлению:
= ΔРф + ΔРск.
лоб
- это динамическая нагрузка,
ск
создаваемая потоком воздуха, движущимся за фронтом ударной
волны. Метательное действие скоростного напора воздуха заметно
сказывается в зоне с избыточным давлением (более 50 кПа), где
скорость перемещения воздуха более 100 м/с. При давлениях менее
50 кПа влияние ΔР
быстро падает.
ск
Критерии устойчивости зданий, защитных сооружений (ЗС),
коммуникаций, проложенных под землей, определяются меньшим
пределом среднего разрушения, критерии устойчивости
технологического оборудования, коммуникаций, расположенных в
здании, - меньшим пределом слабого разрушения, критерий
устойчивости людей - меньшим пределом легких поражений
(ΔР
= 20 кПа), когда люди не теряют работоспособность.
ф
Другие критерии элементов ОЭ определяются по таблицам, а
избыточное давление ΔР
, вызывающее различные разрушения, может
ф
быть рассчитано по формулам.
41
При воздействии на людей ударная волна вызывает различные
Степень поражения
ΔРф, кПа
Полное разрушение зданий
>100
Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу
70
Средние повреждения зданий, возможно восстановление здания
28
Разрушение оконных проемов, легкосбрасываемых конструкций
14
Частичное разрушение остекления
< 2
по степени тяжести поражения (травмы):
- прямые – от избыточного давления и скоростного напора;
- косвенные - от ударов обломками ограждающих
конструкций, осколков стекла и т.д.
По степени тяжести поражения людей от ударной волны
делятся:
- на легкие - при ΔР
= 20-40 кПа (0,2-0,4 кгс/см2) (вывихи,
ф
ушибы);
- средние - при ΔР
= 40-60 кПа (0,4-0,6 кгс/см2) (контузии,
ф
кровь из носа и ушей);
- тяжелые - при ΔР
≥ 60 кПа (тяжелые контузии, повреждения
ф
слуха и внутренних органов, потеря сознания, переломы).
Величина избыточного давления на фронте падающей ударной
волны ΔР
= 5 кПа принимается безопасной для человека.
ф
Воздействие на человека ударной волной с избыточным давлением на
фронте ΔР
> 120 кПа рекомендуется принимать в качестве
ф
смертельного поражения [10].
Сопротивляемость зданий и сооружений к воздействию
ударной волны зависит от их конструкции, размеров и других
параметров.
Критерии повреждения и степень разрушения зданий
приведены соответственно в таблицах 3.1 и 3.2
Таблица 3.1
Критерии разрушения типовых промышленных зданий от
избыточного давления ΔР
ф
42
Таблица 3.2
Тип зданий, сооружений
Разрушение при избыточном давлении на
Слабое
Среднее
Сильное
Полное
Промышленные здания с тяжелым
20 - 30
30 - 40
40 - 50
> 50
Промышленные здания с легким
конструкции
10 - 20
25 - 35
35 - 45
> 45
Одноэтажные складские
из листового металла
5 - 7
7 - 10
10 - 15
> 15
Здания железобетонные
этажности
25 - 45
45 - 105
105 - 170
170 - 215
Котельные, регуляторные станции в
кирпичных зданиях
10 - 15
15 - 25
25 - 35
35 - 45
Деревянные дома
6 - 8
8 - 12
12 - 20
> 20
Подземные сети, трубопроводы
400 -
600
600 1000
1000 -
1500
1500
Трубопроводы наземные
20
50
130
-
Цистерны для перевозки
нефтепродуктов
30
50
70
80
Резервуары и емкости стальные
наземные
35
55
80
90
Подземные резервуары
40
75
150
200
Степени разрушения зданий и сооружений, имеющих разную устойчивость
железобетонным каркасом
каркасом и бескаркасной
помещения с металлическим
каркасом и стеновым заполнением
монолитные повышенной
фронте ударной волны, кПа
металлическим или
3.2. Оценка устойчивости сооружений и оборудования
к воздействию ударной волны
Промышленное оборудование (в первую очередь дымовые
трубы, ректификационные колонны, опоры линий электропередач,
реакторы и др.) рассчитывается на действие скоростного напора
воздуха, движущегося за фронтом ударной волны.
Выход из строя оборудования от воздействия ΔР
может быть вызван:
- смещением его относительно основания или отбросом;
- опрокидыванием;
43
, ΔРф и ΔР
ск
лоб
- инерционными разрушениями элементов оборудования,
вызванными кратковременными ударными перегрузками [9].
3.2.1. Оценка устойчивости технологического оборудования к
смещению от воздействия ударной волны
Силы, действующие на оборудование при воздействии
ударной волны, показаны на рис. 3.1.
Рис. 3.1. Силы, действующие на оборудование при смещении: ЦД – центр
давления; ЦТ – центр тяжести
Условие смещения:
F
≥ Fтр + Qб,
см
где F
давления (ЦД), Н; C
= Cх · S · ΔPск – смещающая сила, приложенная к центру
см
– коэффициент аэродинамического
х
сопротивления объекта (табл. 3.3); S – площадь обдуваемой
поверхности (миделево сечение S = ℓ · ); ℓ – длина объекта, м
(наиболее неблагоприятный случай воздействия ударной волны –
перпендикулярно наибольшему размеру объекта; для предмета
цилиндрической формы ℓ = ); h – высота объекта, м; ΔP
скоростного напора волны давления, кПа; F
(F
= Fт·f = m·g·f); Fт - сила тяжести; f – коэффициент трения
тр
тр
– давление
ск
– сила трения
44
(табл. 3.4); m – масса объекта (оборудования), кг; g – ускорение
Форма тела
Сх Направление движения воздуха
Параллелепипед
0,85
Перпендикулярно квадратной
стороне
Куб
1,6
Перпендикулярно стороне
Диск
1,6
Перпендикулярно диску
Цилиндр при отношении
h/D = 10
Сфера
0,25
Перпендикулярно поверхности
Полусфера
0,8
Параллельно плоскости основания
Пирамида с квадратным
основанием
1,1
Параллельно основанию и
перпендикулярно грани основания
Наименование
трущихся материалов
Наименование трущихся
материалов
При скольжении
При качении
Сталь по стали
0,15
Стальное колесо:
Сталь по чугуну
0,30
по рельсу
0,05
Металл по линолеуму
0,2 – 0,4
по кафелю
0,1
Металл по дереву
0,6
по линолеуму
0,15 – 0,2
Металл по бетону
0,2 – 0,5
по дереву
0,12 – 0,15
Чугун по бетону
0,35
Дерево по дереву
0,4 – 0,6
свободного падения (9,8 м/с
2
).
Таблица 3.3
Коэффициент аэродинамического сопротивления С
х
лобовой
площадки для тел различной формы
стороне
Перпендикулярно прямоугольной
1,3
высоты к диаметру h/d:
h/D = 1
Перпендикулярно оси цилиндра
0,4
0,2
Таблица 3.4
Коэффициент трения f между поверхностями
Суммарное усилие болтов крепления, работающих на срез,
находим по формуле (16)
Qб = τср ·
f
f
б
·n = 0,25·σ
б
·
·n, Н, (16)
т
45
где τср – допустимое напряжение на срез, кг/мм2 (Н/м2); σт – предел
текучести стали, кг/мм
6,33х10
8
Н/м2; dб – диаметр болта, м; n – количество болтов.
2
(Н/м2), например, для Ст. 35 - 65кг/мм2 =
Таким образом, величина скоростного напора вызывающего
смещение оборудования, определится соотношением
ΔРск =
· ·
С·ℓ·
б
, Па, (17)
Для незакрепленного оборудования (Q
= 0) величина
б
скоростного напора, вызывающего смещение оборудования,
составляет
ΔРск =
· ·
, Па, (18)
·ℓ·
С
Связь скоростного напора с избыточным давлением во фронте
ударной волны определяется следующим соотношением:
, ·Р
ΔР
ск
=
ф
РФ ,
(кПа) (19)
где ∆РФ - избыточное давление во фронте ударной волны, кПа.
Примеры решения задач
Задача 1. Определить предельное значение избыточного
давления, не вызывающее смещение незакрепленной абсорбционной
колонны (Q
данные: диаметр колонны D = 4 м, высота h = 60 м, масса
m = 4,5·105 кг, коэффициент трения f = 0,2; коэффициент
аэродинамического сопротивления объекта C
Решение:
Определяем по формуле (18) предельное значение давления
скоростного напора, при котором колонна не смещается:
= 0) относительно бетонного основания. Исходные
б
= 0,46.
х
ΔРск =
, · , · · ,
, · ·
= 7989,1 Па ≈ 8 кПа.
46
ΔР
Вывод: По величине ΔP
lim
= 50 кПа. При значениях ΔРф ˃ 50 кПа, ударная волна приведет
ф
≈ 8 кПа, используя рис. 3. 2, находим
ск
к смещению незакрепленной колонны.
Рис. 3.2. Зависимость скоростного напора от давления во фронте
ударной волны
Задача 2. Определить предельное значение избыточного
давления, не вызывающее смещение закрепленной на опоре
абсорбционной колонны относительно бетонного основания.
Исходные данные: диаметр аппарата D = 4 м, высота h = 60 м, масса
m = 5·105 кг, коэффициент трения f = 0,2; коэффициент
аэродинамического сопротивления объекта C
= 0,46;, диаметр болта
х
d = 27 мм, количество крепежных болтов n = 4.
По формуле 16 рассчитываем суммарное усилие болтов
крепления, работающих на срез:
Qб = τср ·
·n = 0,25·σ
·
·n, Н,
т
Qб = 0,25·6,33 10
, ·,
8
·
·4 = 362427 , Н,
ΔРск =
, · · , ,
, · · ,
≈ 443,2 , кПа.
47
Вывод: По величине ΔPск ≈ 443 кПа, используя рис. 3.2,
находим ΔР
lim
≈ 450 кПа. При значениях ΔРф ˃ 450 кПа ударная
ф
волна приведет к смещению закрепленной колонны.
Задача 3. При аварийном взрыве на технологической
установке образуется волна давления ΔР
= 280 кПа, действующая на
ф
расположенный рядом не закрепленный на опоре эмалированный
реактор с якорной мешалкой. Исходные данные: диаметр аппарата
d = 1600 мм, высота h = 3300 мм, масса m = 3200 кг, коэффициент
трения f = 0,15, коэффициент аэродинамического сопротивления
объекта C
= 0,4.
х
Определить возможность смещения теплообменника.
Решение:
По формуле (19) рассчитываем значение скоростного напора,
создаваемого волной давления:
ΔР
=
ск
,
, ·
= 196, кПа.
По формуле (18) рассчитываем значение скоростного напора,
приводящее к смещению оборудования
ΔР
ск
=
, · , · ,
= 19, кПа.
, · · ,
lim
Вывод: Смещение незакрепленного реактора возможно, так
как ΔР
ск
≥ ΔР
3.2.2. Оценка устойчивости технологического оборудования к
lim
, (196 кПа ˃ 19,0 кПа).
ск
опрокидыванию от воздействия ударной волны
При опрокидывании на оборудование действуют два момента:
опрокидывающий и удерживающий (рис. 3.3).
48
.
22
L
G
h
⋅>⋅
.
22
LQ
L
G
h
⋅+⋅>⋅
Рис. 3.3. Силы, действующие на оборудование при опрокидывании:
ЦД – центр давления; ЦТ – центр тяжести
Опрокидывающий момент создается силой F
, действующей
см
на плече Z = 0,5 h. Удерживающий момент создается весом
оборудования G (F
) на плече L/2 и реакцией крепления болтов на
т
разрыв Q на плече L.
При отсутствии крепления оборудования условием
опрокидывания является превышение опрокидывающего момента над
удерживающим (стабилизирующим):
F
см
(20)
Для закрепленного оборудования
F
см
(21)
49
Развернув формулу (20), получим
,
2
2
L
g
mh
SСР
хск
⋅⋅
>⋅⋅⋅∆
., Па
hSC
Lgm
Р
х
ск
⋅⋅
⋅⋅
=∆
.
22
dQ
Dgmh
hD
СР
ск
⋅+
⋅⋅
=⋅⋅⋅⋅∆
Χ
.
2
2
2
gm
hСР
ск
⋅
−
⋅⋅∆
≥
Χ
(22)
откуда можно определить предельное значение скоростного напора
ΔР
, при превышении которого произойдет опрокидывание:
ск
(23)
Развернув формулу (21), определяем усилие болтов
крепления (приняв при этом L = D
,
):
(24)
Из формулы (24) следует
Q
(25)
Если будет получен отрицательный ответ, значит, при данном
скоростном напоре ΔР
действием силы тяжести F
предмет устоит без крепления, т.е. под
ск
.
т
Примеры решения задач
Задача 1. Компрессорный модуль установлен на бетонном
основании и имеет следующие размеры: длина = 2200 мм, ширина L
= 900 мм, высота h = 1600 мм и масса m = 1200 кг. Определить
предельное значение скоростного напора, не приводящее к
опрокидыванию незакрепленного аппарата при воздействии
скоростного напора перпендикулярно прямоугольной стороне.
50