Вплив ударних хвиль при вибуху

Надлишковий тиск DP_ф 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 DP_ф 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 DP_ф, 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 P_о (вихідний атмосферний тиск) до максимального значення P_о+DP_ф і потім падіння до атмосферного тиску P_о Час t₊, протягом якого тиск падає з P_о+DP_ф до P_о, 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 вибухудо 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 DP_Ф, 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 r_yx 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 2-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 М_Т:

кг

2. Визначення приведеного радіусу вибуху R_np:

3. Визначення надмірного тиску DP_Ф:

кПа

4. За додатком 42, зменшуючи розраховане значення ΔP_Ф 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 k_m, k_h, f(b) – 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 R_c – радіус сейсмічно небезпечної зони, м; а_с – коефіцієнт пропорційності, величина якого залежить від показника дії вибуху (див. додаток 39); К_с – 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; M_T – тротиловий еквівалент заряду в кілограмах; K_p – коефіцієнт, відповідний різним ступеням руйнування:

К_p < 5,6 – повне руйнування будівель;

К_p = 5,6…9,6 – сильні руйнування будівлі (будівля підлягає зносу);

К_p = 9,6…28 – середні руйнування (можливо відновлення будівлі);

К_p = 28…56 – руйнування внутрішніх перегородок, дверних і віконних отворів;

К_p = 56 – руйнування 90% скління.

ПРИКЛАД 2-Б.

Визначити для умов міської забудови відстань, починаючи з якої будівлі одержать сильні руйнування при вибуху заряду 500 кг гексогена.

1. Визначення тротилового еквівалента:

M_T = K_rf C = 1.3 · 500 = 650 кг

2. Визначення шуканої відстані:

= = 48.6 м.

2.3.2 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: Р_П – початковийтиск суміші до горіння, Па; Р_В – тиск продуктів згоряння після реакції, Па; Т_В – температура продуктів горіння під час вибуху, К; Т_П – початкова температура суміші, К; Sn_П – початкова кількість молей суміші до горіння; Sn_ПГ – число молей продуктів згоряння, що утворились в результаті реакції. Величини Sn_п та Sn_ПГ визначаються з реакції горіння.

Враховуючи об’єднаний закон газового стану, рівняння (12.22) можна подати у вигляді:

; , (12.23)

де V_П – початковий об'єм суміші до горіння; V_В – 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 V<sub>cум</sub> = V<sub>пр</sub>, де V<sub>сум</sub> – об`єм вибухонебезпечної суміші при стехіометричній концентрації, а V_пр – об`єм приміщення.

Його можна визначити за формулою:

, Па, (12.26)

де: Р_П – початковий тиск в приміщені, Па; Sn_ПГ, Sn_П – кількість молей продуктів горіння та початкової суміші, моль; Т_в, Т_П – 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 Р_max – максимальний тиск вибуху стехіометричної газоповітряної або пароповітряної суміші в замкнутому об'ємі, визначений експериментально або за довідковими даними. За відсутності даних допускається приймати Р_max = 900 кПа;

Р_O – початковий тиск повітря до вибуху, кПа (допускається приймати рівним Р_O = 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;

V_св – вільний об'єм приміщення, м³;

К_Н – коефіцієнт, що враховує негерметичність приміщення і неадіабатичність процесу горіння. Допускається приймати К_Н = 3;

ρ _ПГ – густина газу або пари при розрахунковій температурі t_р, кг·м^-3, що обчислюється за формулою (наприклад, для ацетилену С₂Н₂ =1,079 кг/м³);

, (12.29)

де М – молярна маса, кг·кмоль^-1;

V_О – молярний об'єм, V_О = 22,413 м³·кмоль^-1;

t_р – 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 t_р з яких-небудь причин визначити не вдається, допускається приймати її рівній 61 ^oС;

С_ст – 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 n_С, n_Н, n_О, n_Х – 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;

ρ_в – густина повітря до вибуху при початковій температурі ТЕ, кг·м^-3;

с_В – теплоємність повітря, Дж·кг^-1·К^-1 (допускається приймати с_В = 1,01·10³ Дж·кг^-1·К^-1);

V_пр – об`єм приміщення, м³;

Т_О – 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 ΔР_ф, а критерієм оцінки за перекиданням і зсувом – швидкісний натиск вибуху P_ск.

. (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; C_x – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м²; f – коефіцієнт тертя; G – вага об'єкту, Н; ξ_x – коефіцієнт опору; S – площа поперечного перетину, м².

ПРИКЛАД 2-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 Т_О = 300 К;– густина повітря до вибуху ρ_в = 1,29 кг·м^-3; – теплоємність повітря с_В = 1,01·10³ Дж·кг^-1·К^-1; Р_O = 101 кПа;

– об`єм приміщення V_пр = 100 м³; – коефіцієнт негерметичності і неадіабатичності К_Н = 3;

– параметри устаткування: a= 3 м; b= 2 м; G= 20 кН; C_x =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 М_Т (кг) визначається із співвідношення (12.5), в якому K_ef=Q/Q_Т 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: С_В – маса речовини, що вибухає у складі хмари ГПС (кг); Q – теплота, що виділяється при згоранні даної речовини (кДж/кг); Q_Т – 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 C_В визначається співвідношенням

, (12.37)

де: M_ХР – 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: V_a – об'єм кіломоля ідеального газу (постійна Авогадро: V_a= 22.4 м³/кмоль); μ – молярна маса речовини, що зберігається (кг/кмоль); c_стх – 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 ΔР_ф (кПа):

; (12.41)

; , (12.42)

де: M_Т – тротиловий еквівалент наземного вибуху півсферичної хмари ГПС (кг); P₀ – атмосферний тиск, P₀ = 101 кПа.

Питомий імпульс І, Па·c:

; (12.43)

. (12.44)

Приклад 2-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; ΔR_III – надмірний тиск вибухової хвилі на відстані r₃.

ПРИКЛАД 2-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 Р_В = (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 вибухув 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: Р_доп – допустимий тиск на конструкції приміщення, Па.

Швидкість витікання та витрати газу при адіабатичному стисканні залежать від відношення тиску в середовищі, в яке витікає газ Р_а, до тиску в замкненому приміщенні Р_ПГ, 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 Р_а/Р_доп, при якому витрати газу стають максимальними, при незруйнованому об'ємі приміщення називається критичним і позначається n_кр.

Для двоатомних газів n_кр= 0,528. Тобто для будь-яких значень має зберігатися нерівняння Р _а /Р_доп> 0,528. Це означає, наприклад, що при Р_а= 1·10⁵ Па, Р_доп 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;

V_t – питомий об’єм продуктів горіння з урахуванням температури, м³/Н;

φ – коефіцієнт витрати;

Р_а – 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 μс_υ= 12,6 кДж/моль·град;

– двохатомний газ μс_υ= 21 кДж/моль·град;

– трьох- і багатоатомний газ μс_υ= 29,4 кДж/моль·град.

Між молярними теплоемкостями ідеальних газів при P=const і υ=const існує залежність μс_р - μс_υ= 8,4 кДж/моль град. Таким чином, μс_р 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 V_t з урахуванням поправки на температуру:

, (12.51)

де ρ₀ – питома вага продуктів згоряння при 0 °С, Н/м³; T_ПГ – 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, P_а= 10⁵ Н/м², Т_о= 273 К, γ_o= 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:

∆V_в = ∆V_і; (12.54)

, (12.55)

де ∆V_в — надлишковий об’єм продуктів згоряння, що утворилися при вибуху, м³;

∆V_і — 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 f_ВП – площа вибухових прорізів, м²; υ – швидкість витікання продуктів згоряння, м/с; t_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 f_ВП:

. (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 Р_доп= 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 Р_доп. 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.

Р_доп, 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 - Т_в=2073 К; ΔV_в=5,6…6,05 м³/м³; 2 - Т_в=2273 К; ΔV_в=6,3…6,75 м³/м³; 3 - Т_в=2473 К; ΔV_в=6,95…7,4 м³/м³; 4 - Т_в=2773 К; ΔV_в=8…8,45 м³/м³; 5 - Т_в=3073 К; ΔV_в=9…9,45 м³/м³; 6 - Т_в=3273 К; ΔV_в=9,6…10,05 м³/м³; 7 - ΔV_в=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: v_н – швидкість розповсюдження полум'я, м/с.

Розрізнюють нормальну швидкість розповсюдження полум'я v_н, яка менша від тієї, що спостерігається, на ступінь розширення продуктів згоряння при вибуху e. 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 V_cум рівняється об'єму приміщення V_пр, можна розрахувати час вибуху:

. (12.61)

Дані величин v_н та e дуже обмежені.

Для розрахунків на практиці рекомендують час вибуху приймати:

- для газоповітрянної суміші – 0,1 с;

- для пароповітрянної суміші – 0,2 с;

- для пилоповітрянної суміші – 0,3 с.

2.3.3 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:

- вибухонебезпечна суміш розподілена по всьому об'єму приміщення або його частини;

- концентрація суміші близька до стехіометричної;

- горіння суміші розповсюджується по сфері;

- ЛСК руйнуються миттєво при досягненні в приміщенні допустимого надмірного тиску DR_д;

- процес витікання газів через отвори розглядається як адіабатичний.

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, F_ВП визначається за формулою:

, (12.62)

де: f_вп – питома площа перерізу ЛСК, м²/м³; V_п – об'єм приміщення, м³.

2. Питома площа перерізу ЛСК.

Питома площа перерізу ЛСК визначається із рівняння нерозривності:

, (12.63)

де: DV_в – надмірний об'єм продуктів горіння, які утворилися під час вибуху, м³/м³; υ_в – швидкість витікання продуктів горіння, м/с; t_в – час вибуху, с.

Для визначення площі вибухових прорізів у приміщеннях з неповною загазованістю f_вп^нп 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 f_вп^нп до питомої площі вибухових прорізів за повної загазованості f_вп^п. Враховуючи, що допустимий тиск на конструкції Р_доп за неповної і повної загазованості однаковий, а також, що ΔV_в^нп = ΔV^п _, 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

1. Що таке вибух? Що такевибухова хвиля?

2. Охарактеризуйте види вибухових хвиль.

3. Назвіть параметри вибухових хвиль. Від чого вони залежать?

4. Що таке швидкісний натиск?

5. Що таке тротиловий еквівалент?

6. Охарактеризуйте детонаційний вибух.

7. Охарактеризуйте дефлаграційний вибух.

8. У чому різниця між детонаційним та дефлаграційним вибухом?

9. Чим повинна забезпечуватися вибухобезпечність об'єкту?

10. Що таке вибухозахист?

11. Назвіть планувальні заходи щодо вибухопопередження.

12. Назвіть конструктивні заходи щодо вибухопопередження.

13. Чим характеризуєтьсявибухотривкість конструкцій?

14. Чим забезпечують вибухотривкість об'єкту при зовнішніх аварійних вибухах?

15. Наведіть принципи проектування вибухотривких будівель при загрозі зовнішніх аварійних вибухів.

16. Наведіть напрями забезпечення вибухозахисту будівель при загрозі внутрішніх аварійних вибухів.

17. Як забезпечують зниження надмірного тиску, що виникає при внутрішніх аварійних вибухах?

18. Наведіть приклади легкоскидних конструкцій.

19. Як під впливом динамічного навантаження руйнується балка ззащемленими кінцями?

20. Як під впливом динамічного навантаження руйнується балка з шарнірно-обпертими кінцями?

21. Наведіть причини руйнування будівельних конструкцій при аварійних вибухах.

22. Наведіть особливості впливу вибухових хвиль на будівельні об'єкти.

23. За якими граничними станами розраховують конструкції при загрозі аварійних вибухів?

24. Наведіть вимоги до будівельних конструкцій вибухонебезпечних виробництв.

25. Охарактеризуйте особливості наземного вибуху.

26. Охарактеризуйте особливості розповсюдження вибухових хвиль при наземному вибуху.

27. Наведіть особливості зонування при вибуху конденсованої ВР.

28. Наведіть особливості зонування при вибуху газоповітряної суміші.

Дата добавления: 2015-05-24