
- •Глава 1. Теоретические основы прогнозирования чрезвычайных ситуаций и их последствий
- •1.1.Общие положения
- •1.2. Законы поражения
- •1.2.1. Координатный закон поражения
- •1.2.2.Параметрический закон
- •1.2.3 Показательное (экспоненциальное) распределение
- •Глава 2. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций природного характера
- •2.1. Прогнозирование обстановки в районе землетрясений
- •2.2. Прогнозирование наводнений
- •2.3. Прогнозирование селевых потоков
- •2.4. Прогнозирование снежных лавин
- •2.4.1. Расчет основных параметров лавин
- •2.5. Прогнозирование опасных атмосферных явлений
- •Глава 3. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций, вызванных взрывными явлениями
- •3.1. Поражающие факторы взрывов. Расчетные зависимости основных параметров поражающих факторов
- •3.2.Оценка воздействия взрывов на людей и различные объекты
- •3.3. Примеры решения задач
- •Глава 4. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций, вызванных авариями на химически опасных объектах
- •4.1. Общая характеристика аварийно химически опасных веществ (ахов)
- •4.2. Основные расчетные формулы для характеристик зон химического заражения
- •4.3. Расчет количества и структуры пораженных
- •Глава 5. Прогнозирование последствий чрезвычайных ситуаций, вызванных авариями на радиационно опасных объектах
- •5.1. Особенности радиоактивного загрязнения окружающей среды при авариях на радиационно опасных объектах
- •5.2. Основные расчетные зависимости для определения получаемых доз облучения
- •5.3. Примеры решения типовых задач по выявлению и оценке радиационной обстановки
- •Глава 6. Прогнозирование последствий аварий, связанных с пожарами
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Пожар разлития
- •6.3. Горение парогазовоздушного облака
- •6.4. Горение зданий и промышленных объектов
- •6.5. Методические основы обоснования числа пожарно-спасательных депо
- •Глава 7. Прогнозирование устойчивости работы отдельных элементов объекта в чрезвычайных ситуациях
- •Основные положения по оценке устойчивости работы объектов экономики
- •Примеры оценки устойчивости некоторых элементов объекта
- •Приложения
- •Содержание
- •Глава 1. Теоретические основы прогнозирования чс и их последствий……..3
- •Глава 2. Прогнозирование последствий чс природного характера………….14
- •Рубцов Борис Николаевич Расчетно-графические задачи для исследования полей и уровней поражающих факторов источников чрезвычайных ситуаций
- •127994 Москва, ул Образцова, д.9, стр.9.
2.5. Прогнозирование опасных атмосферных явлений
Ураганы (тайфуны), бури (штормы), смерчи (торнадо), грозы – опасные метеорологические явления, характеризующиеся высокими скоростями ветра. Эти явления вызываются неравномерным распределением атмосферного давления на поверхности земли и прохождением атмосферных фронтов, разделяющих воздушные массы с разными физическими свойствами. Они зарождаются вокруг мощных восходящих потоков теплого влажного воздуха (циклоны и тайфуны – над океанами), быстро вращаются против часовой стрелки в Северном полушарии и по часовой стрелке – в Южном, при этом смешиваются вместе с окружающей воздушной массой. Влажный воздух может конденсироваться и при этом выделяется тепло, которое питает ураганы энергией.
Важнейшими характеристиками ураганов, бурь (штормов) и др. опасных явлений, определяющими объемы возможных разрушений и потерь, являются скорость ветра, ширина зоны, охваченная этими явлениями, и продолжительность их действий. Фактором опасности является также интенсивные осадки.
Кинетическая энергия опасных атмосферных явлений громадна. В табл.2.19 приведены кинетические энергии некоторых атмосферных явлений.
Таблица 2.19. Энергия катастрофических атмосферных явлений
Опасные явления |
Энергия, Дж |
Пылевые смерчи Торнадо Шквалы Ураганы Циклоны |
4∙107 4.1010 4∙1012 4∙1016 4.1017 |
Разрушительную способность ветра выражают условными баллами в зависимости от скорости ветра (Шкала Фьюджита):
Класс разрушений F |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
Скорость ветра V,м/с |
18 |
33 |
50 |
70 |
93 |
117 |
Повреждения, соответствующие классам F: 0-слабые разрушения (повалены слабые деревья…); 1-средние разрушения (ураганная скорость ветра; сорваны крыши, деревья вырваны с корнем и др.); 2-значительные разрушения (разрушены слабые здания и сооружения); 3-серьезные разрушения (перевернуты поезда, разрушены дома и др.); 4-опустошительные разрушения; 5-катастрофические разрушения (дома сорваны с фундаментов, металлические конструкции сильно повреждены и др.).
Более подробные оценки разрушений содержат скорости ветра по шкале Бофорта.
17 балльная шкала скорости ветра: 0 баллов - Vв до 0,4 м/с – затишье, дым с труб идет прямо; 7 баллов - Vв > 14м/c – сильный ветер; 9 баллов –Vв > 20м/c – буря; 11 баллов – Vв > 28м/с – шторм; 12 баллов – Vв > 30м/с – ураган; 17 баллов – Vв > 250км/ч (Vв > 70м/с) – ураган (при скорости ветра 110 м/с практически все каменные дома разрушаются ; штормовой нагон воды выше 5,5м; интенсивные разрушения наводнением).
Энергия скорости ветра оценивается скоростным напором Pск=ρv2/2, где
ρ- массовая плотность воздуха, кг/м3;v-скорость ветра, м/с.
Ураганы - обычно формируются в тропических районах земли, затем, следуя в северные и южные районы Земли, медленно рассеиваются. Ширина зоны действия урагана может достигать несколько тысяч километров, продолжительность действия ураганного ветра может изменяться от 9 до 12 суток. Скорость ветра, зарегистрированная при урагане, – 64м/c (около 230 км/ч). Ураганы сопровождаются ливнями, снегопадами, градами, возникновением снежных и пыльных бурь.
Торнадо (смерчи) – сильные вихри в виде воронок, спускающиеся от нижней границы облаков, размер торнадо не превышает 1,5км в диаметре (обычно =100м). Многие не достигают Земли. Наземный след может достигать 100 километров. Диапазон скоростей движений вихря относительно земли – 18-30м/с. В горизонтальном сечении торнадо представляет ядро, окруженное вихрем. Имеются точки всасывания, которые движутся вокруг ядра и способны приподнимать объекты массой до 13 тонн (при этом скорость может составлять 100 м/с). В пределах вихря имеются и нисходящие потоки, которые могут вдавливать в грунт отдельные предметы. Разница давления на внешней поверхности вихря и внутри его может составлять 8 кПа.
Торнадо (смерчи) не поддаются прогнозу, хотя многие атмосферные аномалии могут определяться заблаговременно по данным спутников, радиолакационной разведки и др. способами.
Грозы
– наиболее распространенные атмосферные
опасные явления. При грозе выпадает
большое количество осадков, но наибольшую
опасность представляют электрические
разряды – молнии, от которых могут
возникнуть пожары в лесах и зданиях,
могут поражаться люди, разрушаться
электротехнические устройства. Средняя
продолжительность одного грозового
цикла составляет порядка 30 мин, а
электрический заряд каждой вспышки
молнии соответствует 2030
Кл и может образоваться на участке
грозовой тучи радиусом до 2 км.
Основной
отрицательный заряд расположен вблизи
изотермы минус 5С,
а положительные заряды находятся на
несколько километров выше и около нижней
границы облака. Для оценки последствий
от удара молнии важным является разряд
между слоями атмосферы и землей.
Предельное напряжение пробоя, вызывающее
образование ионизированного канала,
равно
3∙106В/м.
Лавинный заряд движется вниз ступеньками
по 50
100
м, пока не достигнет Земли (ступенчатый
лидер). На удалении
от
Земли молния «выбирает» какой-либо
возвышающийся предмет. Обычно ступенчатый
лидер переносит вниз отрицательный
заряд. Он может переносить и положительный
заряд. При этом время нарастания, а
затем уменьшения тока более продолжительно,
а значения заряда могут достигать 200 Кл
и тока 218 КА.
Повреждения, наносимые молнией,
обусловлены высоким напряжением, большой
силой тока в канале движения и температурой,
достигающей 40000 К. Особо опасны шаровые
молнии.
Громоотвод
притягивает приблизившегося ступенчатого
лидера, образуя защитный конус с углом
90
ниже его верхушки. Ударное расстояние
h
для ударов молнии от головной части
лидера к точке заземления представляют
как функцию от высоты грозового облака
H
и величины заряда Q.
Удар происходит, если напряженность
поля между головой лидера и заземленной
точкой превысит пробивное напряжение
поля, равное в воздухе 3 кВ/см. Для практики
важна зависимость h
от силы тока i.
При средней продолжительности заряда
100 мс сила тока i
=2∙104Q.
На рис. 2.11 показана зависимость ударного
расстояния h
от различных разрядов i
в зависимости от высоты H
грозовой тучи [3. КН.1].
Рис 2.11. Ударное расстояние h для различных разрядов i в зависимости от высоты H грозовой тучи
Опасные атмосферные явления могут быть выявлены заблаговременно, за исключением различных вихрей (торнадо), что позволяет иметь некоторый запас по времени для принятия различных мер защиты населения и объектов, а также спрогнозировать возможные последствия от этих опасных явлений.
Пример 1. Получено штормовое предупреждение. Надвигается ураган. Ожидаемая скорость ветра 180 км/ч. Оценить устойчивость стекол в жилых и производственных помещениях.
Решение. Условие разрушения стекол:
PckPck
доп
или Vв
Vдоп
,
где Pck=ρV2/2 – давление скоростного напора ветра при урагане, Па. Здесь: ρ – массовая плотность воздуха (ρ=1,225 кг/м3 при нормальных условиях); V – скорость ветра при урагане, м/с.
Pck
доп
и Vдоп
– допустимые величины давления
скоростного напора ветра и скорости
ветра соответственно. Pck
доп=850
Па ( по данным СНиП), а Vдоп=,
м/с.
Скорость ветра Vв=180/3,6=50 м/с.
Давление
скоростного напора ветра Pck=1,225∙502/2
=1531 Па
1,53 кПа.
Допустимая
скорость ветра Vдоп=
=37,25 м/с.
Вывод. Условия разрушения стекол выполняются. Стекла разрушаются. Необходима их защита.
Пример 2. По условиям примера 1 оценить возможность смещения (угона) грузового вагона от воздействия на него ветра. Вагон: крытый цельнометаллический 4-осный; пустой; не закреплен; вес – 24,5 тс; длина по кузову (х) – 13,9 м, ширина(y) – 3,28 м, высота (z) – 4.7 м.
Решение. Вариант 1. Действие ветра перпендикулярно торцу вагона.
Условие смещения (угона вагона)
FcмFтр,
Fcм= СхРскS – смещающая сила ветра, приложена к центру давления обдуваемой площади (миделя). Здесь: Сх=0,85 – коэффициент аэродинамического сопротивления набегающему воздушному потоку (см.табл. 2.19); S=y∙z=3,28∙4.70=15,42 м2 – площадь обдуваемой части вагона (площадь миделя); Рск=1,53 кПа, скоростной напор;
Fтр=f∙FT – сила трения. Здесь: f=0,05 – коэффициент трения качения стального колеса по рельсу (см.табл.2.20); FT=mg=24500 кгс∙9,8 =240100 Н =240,1 кН – сила тяжести вагона. Приложена к центру тяжести.
Тогда:
сила смещения Fcм=0,85∙1,53∙103∙15,4220,0
кН; сила трения Fтр=0,05∙240,1∙103=12,0∙103
Н=12 кН.
Вывод.
Угон вагона возможен, т.к. условия
смещения выполняются FcмFтр
(20,0
12,0
кН). Необходимо вагон закрепить.
Вариант
2. Действие ветра под углом 45
к боковой поверхности вагона.
Решение.
Проекция смещающей силы Fсм
на продольную ось вагона (ох) равна Fсмх=
0,707Fсм=0,707
СхРскS=
0,707∙1,3∙1,53∙103∙(13,94,7)
=92,0 кН.
Сила трения Fтр=f∙FT= 12,0 кН.
Или:
площадь обдуваемого миделя вагона
S=x∙z∙cos45=13,9∙4,7∙0,707=46,2
м2.
Тогда Fсм=1,3∙1,53∙103∙46,2
92,0
кН. F
тр=12,0
кН.
Вывод.
Угон вагона возможен, т.к. FcмFтр
(92,0
12,0
кН).
Пример 3. По условиям примера 1 оценить возможность опрокидывания вагона при условии, что боковая грань вагона перпендикулярна направлению ветра.
Решение. Условие опрокидывания вагона
Мопр
Мст,
где
Мопр=
Fcм∙z/2
– опрокидывающий момент, кН∙м. Здесь:
Fcм=
СхРскS
= =1,3∙1,53∙103∙(13,94,7)
130,0
кН – сила смещения (опрокидывания
вагона; z/2=4,7/2=2,35
м, плечо действия силы. Мопр=130,0∙2,35=305,5
кН∙м;
Мст=FT∙y/2 – стабилизирующий момент. Здесь: FT=240,1 кН (см. пример 2); y/2=3,28/2=1,64 м – плечо действия силы тяжести.
Мст=240,1∙1,64393,8
кН∙м.
Вывод.
Опрокидывание вагона не произойдет,
т.к. МопрМст
(305,5
393,8
кН∙м).