Значения базовых давлений для зданий и сооружений
Практическое занятие
Модели прогноза тяжести ущерба от взрыва топливовоздушных смесей
Цель: исследовать модели прогноза ущерба от взрыва топливновоздушных смесей (ТВС).
Вопросы:
1. Модели прогноза ущерба.
2. Исследование моделей прогноза ущерба от взрыва (ТВС).
1
Статистика современных аварий и катастроф свидетельствует: наибольший техногенный ущерб людским, материальным и природным ресурсам (60%) связан с пожарами, разрушениями зданий, ДТП. При этом основными поражающими факторами являются: тепловой - 56%, фугасный - 16%, осколочный - 13% и токсический - 7%. Большинство техногенных происшествий обусловлено неконтролируемым высвобождением энергии, которая накоплена в взрывчатых веществах (ВВ), ТВС или в сосудах, находящихся под давлением сжатых газов.
Классификация условий среды. ТВС, по чувствительности к взрыву делятся на 4 подгруппы (примеры веществ в табл. 1):
1 -особо чувствительные,
2 -чувствительные,
3 -умеренно чувствительные
4 -слабо чувствительные;
Таблица 1.
Вещества и коэффициенты удельного энерговыделения ( b )
| Подгруппа 1 | Подгруппа 2 | Подгруппа 3 | Подгруппа 4 |
| Ацетилен - 1,1 | Бутан - 1,04 | Ацетон- 0,56 | Аммиак- 0,42 |
| Виниацетилен - 1,03 | Бутилен - 1,0 | Бензин - 1,0 | Диз. топливо- 1,0 |
| Водород - 2,73 | Бутадиен - 1,0 | Гексан - 1,0 | Керосин - 1,0 |
| Гидразин - 0,44 | Пропан - 1,05 | Метиламин- 0,7 | Метан- 1,0 |
| Изопропилнитрат-0,4 | Пропилен - 1,04 | Метилацетат-0,5 | Метилбензол- 1,0 |
| Метилацетилен -1,05 | Этан - 1,08 | Октан- 1,0 | Окись углерода-.2 |
| Нитрометан - 0,25 | Этилен - 1,07 | Сероводород-0,3 | Хлор бензол - 0,5 |
| Окись этилена - 0,62 | Эфиры - 0,7 | Спирт этил.- 0,62 | Фенол - 0,92 |
| Этилнитрат - 0,3 | ШФЛУ* - 1,0 | Прир. сж. газ- 1,0 | Этилбензол - 1,0 |
Примечания: Поправочный коэффициент b уточняет теплоемкость горючего относительно ее стандартной величины, равной 44МДж/кг.
|
|
|
* - ШФЛУ - широкая фракция легких углеводородов.
Способы трансформации энергии. Исходя из особенностей ситуации подгруппы аварийно опасного вещества и класса заполненного им объема, который так же классифицируется по 4 типам:
1 - сильно загроможденные, с замкнутыми полостями,
2 - загроможденные, с полузамкнутыми объемами,
3 - частично загроможденные отдельно стоящими сооружениями,
4 - слабо загроможденные.
может быть определен вероятный режим разрушительного высвобождения энергии ТВС (см. табл. 2).
В качестве режимов подразумеваются следующие:
Режим 1- детонация (взрывное горение со скоростью более 500 м/с),
|
|
|
Режим 2 - дефлаграция при 300-500 м/с, (распространение пламени по горючей газовой смеси, происходящее путем диффузии активных центров и передачи тепла из фронта пламени в несгоревшую смесь.).
Режим 3 - дефлаграция со скоростью 200-300 м/с,
Режим 4 - дефлаграция при 100-200 м/с,
Режим 5 - дефлаграция со скоростью, равной 40×М1/6 (М - масса облака, т)
Режим 6 -медленная дефлаграция со скоростью, равной 21 М1/6.
Таблица 2.
Режимы взрывного горения топливовоздушных смесей
| Подгруппа | Класс загроможденности пространства | |||
| вещества | 1-й класс | 2-й класс | 3-й класс | 4-й класс |
| 1 | Режим 1 | Режим 1 | Режим 2 | Режим 3 |
| 2 | Режим 1 | Режим 2 | Режим 3 | Режим 4 |
| 3 | Режим 2 | Режим 3 | Режим 4 | Режим 5 |
| 4 | Режим 3 | Режим 4 | Режим 5 | Режим 6 |
2
Укажем рекомендации по априорной оценке размеров зон поражения людских, материальных и природных ресурсов, оказавшихся под воздействием каждого из перечисленных выше основных поражающих факторов. При этом, помимо только что изложенных общих положений, будем руководствоваться и специфическими особенностями, присущими конкретным ресурсам и факторам.
|
|
|
Оценка зон фугасного поражения . В процессе предварительного определения зон поражения различных ресурсов, вызванных аварийным взрывным высвобождением энергии, необходимо исходить из того, что основным поражающим фактором является генерируемая им воздушная ударная волна (ВУВ). Чтобы количественно оценить последствия ее фугасного воздействия на людские, материальные и природные ресурсы, необходимо знать характер изменения избыточного давления на фронте ВУВ - D P ф. Чаще всего этот параметр определяется по известной формуле М.Садовского:
D P ф =(106/Хф)+(428/Хф2)+(1400/Хф3),кПа; Хф=Хф/M 1/3 , (1)
где, Хф - расстояние от предполагаемого центра взрыва, м;
М- масса взрывающегося вещества, эквивалентная по мощности соответствующему весу тротила, кг.
Поскольку эта формула дает большие погрешности за пределами диапазона [4 < Х ф < 10], то она непригодна для прогноза избыточного давления, ожидаемого на очень малых и больших расстояниях от точки взрыва. Поэтому, более точное выражение будет иметь вид:
D P ф =[((1,60+0,9 × Х ф) / Х ф )2-1] Р0 , (2)
где Р0 - нормальное атмосферное давление, равное 103,32 кПа.
Целесообразно также уточнить и условия получения рассматриваемыми нами ресурсами конкретного ущерба.
|
|
|
Например, зданиями j-го типа i-ых фугасных разрушений - одной из четырех степеней тяжести:
1 - легкая (10%- стекол повреждены),
2 - средняя (полное разрушение остекления),
3 - реставрируемые тяжелые повреждения,
4 - не восстанавливаемые тяжелые повреждения.
В этом случае следует руководствоваться соответствующими каждой степени барическими параметрами ВУВ -D Pji, которые равны следующим значениям:
D Pj 1=0,01 бар, D Pj 2=0,03 бар, D Pj 3=0,1 бар, D Pj 4=0,3 бар.
Прогноз материального ущерба. Для уточненной предварительной оценки размеров ущерба конкретным объектам, находившимся в зоне возможного поражения и подвергнутым барическому воздействию, должны учитываться параметры их стойкости.
Так, для зданий и сооружений могут использоваться а)два давления: базовое - D Pj ср и среднее арифметическое от давлений, приводящих к повреждениям определенной тяжести - D P 0 j ср, и б)два коэффициента, указывающих на их стойкость по отношению к ВУВ: KHj-его высоты (Н j ,м) и KFj-доли фронтального остекления (Fj ,%).
Эти коэффициенты рассчитываются по следующим формулам:
KHj =1+(3,40/Н j ); KFj =[(1,36+ Fj )2+ Fj (1- Fj )]1/2-0,36, (3)
а уточненные давления -D Pji , приводящие к разрушениям каждой из рассмотренных выше четырех степеней тяжести, - таким образом:
D Pji = D Pj ср (0,07+0,37 × i ); D Pj ср = KHj × KFj × D P 0 j ср ; (4)
Входящий во вторую формулу параметр D P 0 j ср определяется экспериментально; его значения приведены в табл. 3
Таблица. 3
Значения базовых давлений для зданий и сооружений
| Наименование (тип) зданий или сооружений | D P 0 j ср , кПа |
| Антисейсмические, повышенной прочности | 80 |
| С тяжелым каркасом и крановым оборудованием | 30 |
| То же самое, но без кранового оборудования | 25 |
| Железобетонные каркасные | 27 |
| С легким металлическим каркасом и без него | 20 |
| Кирпичные бескаркасные | 13 |
| С металлическим каркасом и под волнистой сталью | 10 |
| Деревянные | 7 |
Критерии оценки ущерба. При известных значениях давлений D Pj ср , D P 0 j ср и D Pji, следует руководствоваться детерминистскими и вероятностными критериями оценки тяжести ущерба.
В первом случае, например, такими:
а)если барическое давление DPф превышает DPj4, то в данной точке зоны поражения будут необратимые повреждения зданий и транспортных средств, массовая гибель людей;
б)при давлениях на фронте ВУВ DPj3<DPф£DPj4, возможны реставрация неподвижных и подвижных сооружений, выживание людей;
в)при D P 2 < D P ф £ D P 3 -полное разрушение остекления зданий и увечья людей;
г)при D P 1 < D P ф £ D P 2 - незначительные повреждения остекления и мелкие ушибы людей.
|
Во втором случае - при вероятностной оценке исхода фугасного воздействия на здания и сооружения, учитывающей реально наблюдаемый разброс прочностных свойств даже однотипных объектов, можно руководствоваться зависимостью между вероятностями конкретных (i -ых) степеней повреждения - Qi и ее средним значением (математическим ожиданием данной случайной величины) - i ср .
Графическое представление данной функции дано на рис.1, а значение входящего в нее параметра i, характеризующего ожидаемую степень ущерба, рассчитывается по следующим формулам:
i ср =5[1- exp (- f 1 )]; f 1 = 0,7 × [( D P ф / D Pj ср )-0,3]. (5)
Конкретные рекомендации. При оценке непосредственного ущерба поврежденным зданиям и сооружениям, следует пользоваться рекомендациями ЦНИИ ОМТП РФ. (Центральный научно-исследовательский институт организации, механизации и технической помощи строителям).
Следуя им, средняя относительная стоимость ремонтно-восстановительных работ, определяемая как процентная доля начальной цены рассматриваемых объектов, может быть аппроксимирована такими полуэмпирическими формулами:
Cicp=1-exp(-f2); f2=0,05 × icp2,4 . (6)
В случае отсутствия данных о начальной цене поврежденных зданий, величина причиненного им ущерба должна рассчитываться путем оценки стоимости социального времени, необходимого для реставрационных работ: через известную в строительстве цену одного человеко-дня и их количество, определяемое перемножением среднего числа строительных рабочих -Nicp(чел) на продолжительность ремонта -t icp(дн). Значения последних параметров можно прогнозировать с помощью следующих формул:
Nicp = 2(9+0,015 × Cicp × Sj ); t icp =(7,2 × Cicp × Sj )/ Nicp , (7)
где, Sj - общая площадь восстанавливаемого здания, м2.
Воздушная ударная волна обладает метательным эффектом. Расчеты показывают, что давления в 5...8 бар влекут безусловное смертельное поражение людей; 3,5...5 бар -приводят к летальному исходу в 50% случаев, 2...3 бар - являются порогом смертельного поражения, а 1,3...2 бар сопровождаются тяжелой степенью поражения легких человека и разрывом его барабанных перепонок в 50% случаев. (1 бар=100 000 Па)
В целом же, при прогнозировании ущерба от взрывоподобного высвобождения энергии, следует также учитывать способность ВУВ отбрасывать с большой скоростью людей и другие, не прикрепленные к земле объекты, а также поражать их летящими фрагментами зданий, транспортных средств и оборудования. В некоторых случаях по этим причинам возможен разброс массивных предметов на удаления до 1 км. Поскольку предусмотреть подобный аэродинамический эффект практически невозможно, то обычно ограничиваются учетом лишь небольших осколков режущего и ударного воздействия.
Приближенная оценка. Подобным, если не большим разрушительным действием обладают объемные взрывы облака сжиженных газов или легких фракций нефти, испарившихся в ограниченных объемах. Размеры зон поражения, вызванных дефлаграционной вспышкой облака нефтяных газов, приведены в табл. 4.
Таблица 4.
Размеры зон фугасного поражения, м
| Масса облака нефтяных газов, кг | 1000 | 10000 |
| Давление ВУВ (бар) и степень повреждения в радиусе, м: | ||
| 0,3...0,1- тяжелые повреждения зданий и увечья людей | 16 | 35 |
| 0,1...0,03 - полное разрушение стекол и контузии людей | 54 | 117 |
| 0,03...0.01 - 10% разрушение остекления и ушибы людей | 163 | 352 |
Для приближенной оценки последствий таких взрывов, используется изложенный выше подход, в предположении о возможности определения их тротилового эквивалента (кг) по такой формуле:
q = 0,044 × a × b × n × M /4,52, (8)
где, a , b , n - доля участвующего во взрыве газа, коэффициенты его удельного энерговыделения и возможного усиления избыточного давления на фронте ВУВ (для наземного взрыва n =2);
М - масса горючего газа в топливовоздушной смеси, кг.
При использовании формулы (8) рекомендуется следующее: а)величину a принимать принадлежащей отрезку [0,1...0,5] - меньшие значения соответствуют открытым пространствам, средние -замкнутым объемам, максимальные - водородным смесям;
б) коэффициент b следует брать из табл.1 или соответствующей справочной литературы.
Прогноз ущерба от фугасных факторов.
(Пример)
Последствия большого пролива топлива: 375 тводорода образовали ТВС, взрыв которой привел к разрушениям на площади около 6 га.
Оценим, степень фугасного разрушения трехэтажного кирпичного завода, имеющего высоту 12м и предназначенного для производства жидкого водорода. Здание имеет степень фронтального остекления 30% и расположено на удалении от точки взрыва в 100 м. В качестве модели причинения ущерба используем формулы (2-8).
Определение давлений ВУВ, воздействующих на здание завода, проведем в следующей последовательности. Вначале по формуле (8) найдем тротиловый эквивалент облака испарившейся смеси:
q = 0,044 × a × b × n × M /4,52, (8)
q=0,044×0,5×2,73×375×1000×2/4,52=9966 кг.
Коэффициенты здания рассчитаем по формуле (3):
KHj =1+(3,40/Н j ); KFj =[(1,36+ Fj )2+ Fj (1- Fj )]1/2-0,36, (3)
KH=1+(3,4/12)=1,28 KF=[(1,36+0,3)2+0,3(1-0,3)]0,5-0,36=1,36.
Затем, используя данные табл. 3 и эти коэффициенты, по формуле (4) оценим усредненное, а затем и все пороговые давления:
D Pji = D Pj ср ·(0,07+0,37· i ); D Pj ср = KHj × KFj × D P 0 j ср ; (4)
D Pj ср=1,28×1,36×13=22,63 кПа, D Pj 1=22,63×(0,07+0,37×1)= 10 кПа, D Pj 2=18,41 кПа; D Pj 3 =26,81 кПа
и D Pj4 =35,22 кПа.
Руководствуясь выражением (2), найдем величину давления на фронте ВУВ в месте расположения завода. С учетом приведенного расстояния ; Хф=Хф/q 1/3 , q -масса тротилового эквивалента ( кг)
Х ф=100/(10 000)1/3=4,65 м/кг,
ее значение равно:
D P ф =[((1,60+0,9 × Х ф) / Х ф )2-1] Р0 , (2)
D P ф=[[(1,60 + 0,9×4,65)/4,65]2 -1]×103,32=56,65 кПа.
Оценку среднеожидаемой степени повреждения завода осуществим с помощью формулы (5):
i ср =5·[1- exp (- f 1 )]; f 1 = 0,7 × [( D P ф / D Pj ср )-0,3]. (5)
f 1=0,7×[(56,65/22,63)-0,30]=1,54,
i ср =5·(1- exp (-1,54)=5·(1-0,21)=5·0,8=4
а вероятности причинения ущерба конкретной степени тяжести - по графикам рис.1 (при i ср=4). Они равны:
для первой степени поражения Qj 1~0; для второй -Qj 2=0,05; для третьей -Qj 3=0,28 и для четвертой -Qj 4=0,65.
Наконец, величина ущерба, причиненного заводскому зданию, может быть рассчитана по формулам (6 и 7). Его относительная стоимость:
Cicp=1-exp(-f2); f2=0,05 × icp2,4 . (6)
Cicp=1-exp(-0,05×3,952,4)=0,73.
В единицах социального времени:
а) число работающих
Nicp = 2(9+0,015 × Cicp × Sj );
Nicp=2×(9+0,015×0,73×6000)=150 чел;
b) продолжительность работ
t icp =(7,2 × Cicp × Sj )/ Nicp ,
t icp=(7,2×0,73×6000)/150=211 дн;
c) трудоемкость - 150×211=31 766 чел×дн.
При стоимости одного человеко-дня, равной в настоящее время примерно $50, такой ущерб оценивается в 1 588 317, 97 $ .
Задание.
На основе математической модели оценки тяжести ущерба вычислить следующие количественные характеристики ущерба, нанесенного объекту от взрыва ТВС:
1. Величину давления на фронте ВУВ D P ф и пороговые значения барических параметров соответствующие четырем степеням тяжести повреждений D Pj 1,. D Pj 2, D Pj 3, D Pj 4.
2. Оценить ожидаемые степени поражения объекта:
1 - легкая (10%- стекол повреждены), Q 1 i .
2 - средняя (полное разрушение остекления) Qj 2.,
3 - реставрируемые тяжелые повреждения Qj 3.,
4 - не восстанавливаемые тяжелые повреждения Qj 4.
Найти наиболее вероятную степень поражения объекта Qji .
3. Оценить стоимостную величину ущерба объекта $ →(Nicp × t icp )×$50
4. По полученным результатам исследования сделать выводы.
Исходные данные для расчета взять в Таблице 5.
Исходные данные для расчета:
Таблица 5
|
| Варианты | |||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | |||
| Высота объекта H (м) | 15 | 25 | 27 | 30 | 10 | 16 | 23 | 33 | 35 | 8 | ||
| Доля фронтального остекления Fj (%) | 25 | 35 | 45 | 50 | 15 | 20 | 30 | 40 | 10 | 25 | ||
| Расстояние от взрыва до объекта X (м) | 15 | 150 | 200 | 50 | 80 | 90 | 25 | 40 | 50 | 50 | ||
| Масса облака ТВС (т) | 320 | 500 | 350 | 600 | 250 | 150 | 450 | 300 | 550 | 320 | ||
| a | 0.1 | 0,3 | 0,5 | 0,5 | 0,4 | 0,3 | 0,2 | 0,5 | 0,5 | 0,5 | ||
| b | 0,7 | 1,1 | 2,1 | 0,6 | 0,8 | 0,9 | 1,9 | 2,2 | 0,8 | 0,2 | ||
| n | 2 | |||||||||||
| Атмосферное давление Р0 (кПа) | 103,32 | |||||||||||
| Базовое давление D P 0 j ср (кПа) | 10 | 7 | 13 | 20 | 27 | 25 | 30 | 35 | 40 | 60 | ||
| Площадь здания Sj (м2) | 2000 | 3000 | 4000 | 12000 | 6000 | 7000 | 10000 | 2000 | 3000 | 9000 | ||
Дата добавления: 2021-01-21; просмотров: 293; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!