Приложение А (справочное). Дополнительная информация и рекомендации

Приложение А
(справочное)

Дополнительная информация и рекомендации

А.1 Взрывы (см. 8.12.4)

А.1.1 Методы анализа

Избыточное давление взрыва на сооружение может меняться в диапазоне от 0 (небольшие сооружения с проницаемыми конструкциями) до более чем 0,8 МПа (8 бар) (сооружения с непроницаемыми конструкциями). Традиционные методы вычислений избыточного давления взрывных волн оказываются неприменимыми к морским нефтегазопромысловым сооружениям. Уравнения, составленные для применения на суше, не всегда учитывают значительную турбулентность, создаваемую фронтом пламени по мере его прохождения вокруг оборудования в открытом море. В результате традиционные методы могут значительно занизить значения давления взрывной волны, поэтому такие методы не следует использовать. Целесообразно использовать следующие методики:

- аэродинамические расчеты;

- феноменологические модели.

Модели должны позволять прогнозировать оба типа воздействий взрывных волн: избыточное давление и аэродинамическое воздействие. При проектировании взрывоустойчивых ВС необходимо учитывать оба типа воздействий. Выбранные модели должны позволять идентифицировать области чрезвычайно высокого избыточного давления. Использование лишь одного общего уровня давления может оказаться недостаточным.

А.1.2 Избыточное давление

Воздействие взрывных волн обусловлено повышением давления при расширении продуктов горения. Такие воздействия характеризуются кривой зависимости давления от времени. Пример такой зависимости показан на рисунке А.1. Необходимость учета воздействия взрывной волны может повлиять на проектирование многих элементов. При идеализации кривой зависимости давления от времени необходимо сохранить на определенном уровне значения важных характеристик. К таким характеристикам относятся скорость повышения давления, пиковое избыточное давление и площадь области, охваченной кривой. Для динамических и квазистатистических воздействий может потребоваться учет участка отрицательного давления на кривой.

Р - мгновенное избыточное давление, бар (1 бар = 0,1 МПа); T - время с момента воспламенения, мс; 1 - импульс, ; 2 - пиковое избыточное давление; 3 - идеализированные кривые избыточного давления; 4 - идеализированный импульс (действительный импульс); 5 - идеализированная длительность нарастания; 6 - идеализированная длительность импульса.

Рисунок А.1 - Зависимость избыточного давления от времени

А.1.3 Аэродинамическое воздействие

Аэродинамическое воздействие создается взрывной волной. Для небольших изолированных препятствий аэродинамическое воздействие пропорционально квадрату скорости газа, плотности газа, коэффициенту лобового сопротивления и площади поперечного сечения анализируемого объекта. Критически важные трубопроводы, оборудование и прочие части, открытые для воздействия взрывной волны, должны быть спроектированы с учетом необходимости противостояния прогнозируемым аэродинамическим воздействиям. Коэффициенты лобового сопротивления необходимо выбирать с надлежащим учетом числа Рейнольдса.

При наличии более крупных и групповых препятствий аэродинамическое сопротивление может возрастать под влиянием других воздействий, таких как инерциальные эффекты в ускоряющемся потоке, турбулентность, вибрации вихревого происхождения и торможение потока для больших чисел. В таких условиях воздействия вычисляют напрямую с использованием разности давлений входящего и исходящего потоков или коэффициентов аэродинамического сопротивления, которые надлежащим образом учитывают эти факторы.

Кроме прямого воздействия взрывной волны, конструкция может подвергаться сопутствующим воздействиям, таким как собственная масса и переменные рабочие воздействия. При анализе взрывов воздействиями окружающей среды допускается пренебрегать. Во время динамического анализа необходимо учитывать массу каждого объекта, связанного с воздействиями на месте эксплуатации.

Взаимное расположение небольших элементов конструкций, трубопроводов и оборудования может оказаться существенным фактором, который следует принять во внимание. Давление и характеристики взрыва невозможно точно оценить без учета репрезентативного скопления в рамках геометрической модели, используемой для анализа концепции ВС.

Данные факторы необходимо принимать во внимание при выборе аналитического метода и разработке геометрической модели.

Если подробная планировка сооружения и расположения оборудования не подготовлена на момент вычисления давления взрывных волн, воздействия и последствия могут базироваться на оценках, сделанных с использованием репрезентативных геометрических моделей (учитывают ожидаемое расположение оборудования), аналогичных геометрических моделей или предыдущих исследований геометрически подобных сооружений.

Следовательно, при выборе конструкции МНГС важно минимизировать плотность компоновки оборудования. Кроме того, полезно отделить зоны плотной компоновки оборудования с помощью открытых непереполненных зон аналогично береговым сооружениям.

Степень опасности взрывов зависит от барьеров, расположенных между зоной, затронутой взрывом, и персоналом и/или системами в прилегающих областях. Необходимо убедиться, что соединения соответствуют полной пластической прочности элементов конструкций. Воздействия взрывных волн могут распространяться в направлении, противоположном воздействию силы тяжести. Данное обстоятельство необходимо учитывать при проектировании соединений. Динамические воздействия создают быстрые деформации, которые в совокупности с механическими напряжениями высокой концентрации могут послужить причиной разрушений.

Во время анализа аварийных воздействий все частные коэффициенты и можно уменьшить до 1,0 и использовать наилучшие оценки пределов текучести. Скорости деформаций и результаты механического упрочнения необходимо учитывать при определении предела текучести и общих характеристик материалов.

Главными критериями являются пределы прочности и деформаций или механических напряжений.

А.1.4 Предел прочности

Если прочность имеет приоритетное значение при проектировании, повреждение определяют как событие, когда расчетное значение внутренней силы или момента превышает расчетное воздействие. Расчетное воздействие вычисляют по формуле (2) путем учета любых случайных воздействий и присвоения частным коэффициентам воздействия значения 1,0. Расчетное сопротивление вычисляют по формуле (9) с использованием частного коэффициента сопротивления, равного 1,0. Расчетная прочность должна удовлетворять комбинации этих двух уравнений согласно формул (А.1) и (А.2).

,

(А.1)

,

(А.2)

где - расчетная величина воздействия;

G - постоянное воздействие;

Q - переменное воздействие;

A - воздействие, обусловленное случайной ситуацией;

- расчетное значение внутренней силы или момента, обусловленное F_d;

- расчетное значение устойчивости;

- коэффициент соответствия строительным нормам и правилам (см. 9.1);

- характерное сопротивление конструкции или элемента.

А.1.5 Предел деформации

Пластическая деформация может оказаться допустимой после аварийной ситуации. В подобных случаях важно следующее:

а) никакая часть конструкции не ударяет по критически важному оборудованию;

б) деформации не приводят к разрушению какой-либо части конструкции, которая поддерживает критически важное оборудование, безопасную зону, маршруты эвакуации или места сбора; следует убедиться в сохранении целостности после возникновения последующего пожара;

в) деформации не способствуют распространению аварийной ситуации (например, путем повреждения целостности стояка или управления клапаном аварийного останова).

Пределы деформации можно определять на основе максимально допустимых механических напряжений или абсолютного смещения. Абсолютное смещение может возникать в результате пластического изгиба и поворота элементов конструкций.

А.1.6 Пределы механического напряжения

Конструкционные стали, используемые в морских сооружениях, как правило, обладают достаточной ударной вязкостью и не ограничиваются в способности к деформации без разрушения при высоких скоростях деформаций, связанных с откликом на взрыв. Для регионов с холодным климатом или стали с низкой вязкостью разрушения может потребоваться снижение пределов механических напряжений.

В общем случае пределы деформации растяжения связаны с информацией об удлинении, содержащейся в заводских сертификатах или спецификациях материалов. Нет необходимости устанавливать пределы механических напряжений. Если сопротивление ограничивается деформацией растяжения, подходящие пределы необходимо применять к локальной и общей деформациям. Для поперечного изгиба при наличии плоскостных механических напряжений могут оказаться допустимы более высокие поверхностные деформации. Если в областях высокой деформации находятся сварные изделия или болтовые отверстия, деформацию растяжения следует, как правило, ограничивать значениями, которые соответствуют напряжению при растяжении по средней линии значением не больше 0,9 ( - конечный предел прочности на разрыв). При ослабляющем влиянии болтовых отверстий не более 10 % необходимо уменьшить предельное значение прочности на растяжение. Поскольку прирост скорости деформации меньше, чем прирост при меньших деформациях, допустимые деформации оказываются немного выше в случае приложения быстрой нагрузки. Для типичных марок конструкционной стали прочность на растяжение, полученную в рамках анализа методом конечных элементов, необходимо ограничить 5 %.

Критическое растяжение для пластических деформаций секций, содержащих дефекты, следует устанавливать на основе методов механик разрыва. Сварные швы обычно имеют дефекты, поэтому ударная вязкость сварных швов ниже, чем у основного материала. По этим причинам конструкции, испытывающие большие пластические деформации, необходимо проектировать таким образом, чтобы пластические деформации возникали вне сварного шва. В обычных сварных швах с полным проплавлением металла превосходство прочности материала сварного шва относительно основного материала будет гарантировать, что минимальное пластическое деформирование возникает в сварных соединениях даже при переходе в состояние текучести поперечного сечения элемента конструкции. В таких ситуациях критическая деформация возникает в основном материале и зависит от следующего:

- градиенты механических напряжений;

- размеры поперечного сечения;

- наличие концентраций деформаций;

- отношение предела текучести к пределу прочности на разрыв;

- пластичность материалов.

Уровни деформаций следует оценивать с помощью подходящих аналитических моделей распределения деформаций в пластических зонах или с помощью нелинейного анализа методами конечных элементов достаточно детализированный в пластических зонах. Если конструкции проектируются таким образом, что переход в состояние текучести имеет место в основном материале, значение для критической усредненной деформации в центрально сжатом толстолистовом материале [см. формулу (А.3)] может использоваться вместе с нелинейным анализом конечных элементов или простым пластическим анализом.

Для конечных элементов с значение критической средней деформации вычисляют по формуле

,

(А.3)

где l - наибольшая боковая длина в модели конечных элементов;

- толщина конечного элемента.

А.1.7 Пределы абсолютной деформации

Пределы абсолютной деформации используют при наличии опасности удара деформированного элемента о другой элемент. Обычно это относится к оборудованию, используемому в технологическом процессе, чрезвычайной ситуации или ключевым элементам конструкций.

Анализируемый элемент конструкции должен прогибаться и деформироваться без повреждений, обусловленных, например, локальным выпучиванием или разрывом, инициированным в точках концентрации локальных механических напряжений (элементы конструкций, сварные швы и вырезы). Механические напряжения, возникающие в палубах плавучих сооружений при неправильном распределении балласта или грузов, могут снизить пластическую прочность и привести к отклонению за предел плоскости во время взрыва или пожара.

Живучесть смонтированных на палубе критически важных элементов обеспечения безопасности может потребовать использования нижних пределов пластичности конструкций с целью ограничения деформаций и ускорений опор оборудования. Аналогичным образом возможно снижение полного сопротивления конструкций ВС к воздействиям взрывных волн, когда пиковое избыточное давление взрыва, достигнутое на пределе пластичности конструкции, превышает сопротивление критически важных элементов обеспечения безопасности.

А.1.8 Методы анализа

Отклик конструкций на воздействия взрывных волн можно определить с помощью следующих методов:

- статический и квазистатический анализ;

- линейный динамический анализ (для конструкций без запаса прочности, обусловленного критериями предельной прочности);

- простые расчетные модели на основе аналогов с одной степенью свободы и упругопластические методы анализа или

- нелинейный динамический анализ методом конечных элементов.

Конструкции могут проектироваться с учетом необходимости упругого или пластичного отклика на давление взрывной волны. В последнем случае прочность конструкций будут превосходить уровни взрыва. При проектировании данное обстоятельство можно учесть путем указания двух различных уровней взрыва:

- взрыв, нарушающий прочность, возможен с вероятностью 10^-2 на протяжении года;

- взрыв, приводящий к пластическим повреждениям, возможен с вероятностью 10^-4 на протяжении года.

Два этих варианта аналогичны экстремальному и аномальному шторму.

Расчет и анализ взрывов, нарушающих прочность, выполняется намного легче и быстрее на этапе проектирования, чем оценка взрывов, наносящих пластические повреждения. Дополнительным преимуществом может служить то обстоятельство, что проверка оценки взрывов, нарушающих прочность, на соответствие требованиям действующим нормам и правилам является эффективным средством отбора для всех элементов конструкций, при этом необязательно выполнение нелинейного анализа конечных элементов. По этой причине оценку взрывов, нарушающих прочность, рекомендуется выполнять при проектировании всех конструкций.

Для расчетных ситуаций при наличии взрывов, нарушающих прочность, конструкция не должна необратимо повреждаться взрывом, однако окончательный выбор конструкций ВС должен учитывать воздействие взрывов, наносящих пластичные повреждения.

Окончательная приемка на основе взрывов, наносящих пластичные повреждения, должна продемонстрировать следующее:

а) отсутствие внезапного или прогрессирующего разрушения всей конструкции ВС;

б) отсутствие чрезмерного повреждения критически важных элементов обеспечения безопасности, например, за счет ограничения отклонений и ускорений конструкции (исключение потенциала распространения);

в) отсутствие повреждения конструкции, которые значительно влияют на последующую огнестойкость.

Для расчета взрывов, нарушающих прочность, обычно используют методы одной степени свободы совместно с квазистатическим анализом и линейным анализом методом конечных элементов согласно требованиям соответствующих норм и правил.

Взрывы, наносящие пластичные повреждения, допускается рассчитывать с помощью методов одной степени свободы, но при условии возможности определения пределов пластической деформации строительных элементов и применения типичной зависимости перемещения от нагрузки для конструкций ВС. Возможно возникновение трудностей при определении пределов пластической деформации и типичной зависимости деформации от нагрузки для сложных конструкций, поэтому оценка взрывов, наносящих пластичные повреждения, чаще всего выполняют с помощью нелинейного анализа методом конечных элементов.

Тип анализа конструкций следует выбирать на основе характеристик взрыва и длительности импульсного давления взрывной волны относительно периода собственных колебаний конструкции или элемента. Для небольших избыточных давлений может оказаться достаточным применение линейно-упругого анализа и коэффициентов, учитывающих динамический отклик. Высокие избыточные давления могут потребовать использования более подробного анализа, учитывающего физические и геометрические нелинейности. Сложность анализируемой конструкции влияет на выбор типа анализа (учитывается одна или несколько степеней свободы).

В случае использования нелинейного динамического анализа методом конечных элементов необходимо смоделировать или специальным образом проанализировать все основные воздействия, например локальный изгиб, конечную пластичность, прочность соединений, взаимодействие с соседними элементами.

А.1.8.1 Статический анализ

Если воздействия взрывной волны оказываются квазистатическими (т.е. продолжительность воздействия намного превышает период собственных колебаний конструкции или элемента конструкции), можно использовать методы статически упругого или статически пластического анализа.

А.1.8.2 Динамический анализ

Если продолжительность воздействия взрывной волны приблизительно равна периоду собственных колебаний конструкции или элемента конструкции, необходимо выполнить линейный или нелинейный динамический анализ. Упрощенные методы, использующие идеализированные зависимости давления от времени, можно применять для вычисления коэффициентов динамического усиления, благодаря которым статические воздействия масштабируются с целью имитации эффектов инерции и быстрых воздействий. Кривая зависимости давления от времени, полученная с помощью численного аэродинамического анализа в рамках процедуры оценки, может применяться к конструкции или элементу конструкции с целью повышения точности моделирования воздействия взрыва.

В рамках простых расчетных моделей, построенных на основе методов одной степени свободы, элемент конструкции преобразуется в пружинную систему с единичной массой, открытую для импульсных воздействий эквивалентного давления. Для этого используют функции подходящей формы, которые позволяют определить смещения в упругом и упругопластическом диапазонах.

Максимальный отклик на произвольное импульсное давление определяется в рамках метода одной степени свободы путем численного пошагового интегрирования дифференциального уравнения или с помощью интеграла Дюамеля. Максимальное смещение для первичного и обратного отклика должно соответствовать требованиям, предъявляемым к пластичности и сопротивлению элемента конструкции.

Отклик элемента конструкции можно классифицировать в рамках трех категорий согласно длительности импульса давления взрыва f_d относительно основного периода вибраций Т.

В импульсном диапазоне (t_d/T < 0,3) максимальное смещение зависит от импульса взрыва:

,

(А.4)

В динамическом диапазоне (0,3 < t_d/T < 3) отклик определяется путем интегрирования уравнений динамического равновесия.

В квазистатическом диапазоне (3 < t_d/T) максимальное смещение зависит от пикового давления р_mах и длительности нарастания давления относительно основного периода вибраций исследуемой конструкции или ее элемента. В случае длительного нарастания (например, если t_d/T намного больше 3) максимальную деформацию элемента можно определить с помощью статического равновесия. Если нарастание непродолжительно (например, когда t_d/T близко к 3), будет существовать динамическое усиление.

В ближней зоне импульсное давление при взрыве газа имеет конечную продолжительность нарастания (обычно от 30 % до 70 % длительности импульса), однако в дальней зоне нарастание давления происходит, как правило, мгновенно.

А.1.8.3 Нелинейный анализ методом конечных элементов

В случае использования нелинейного динамического анализа методом конечных элементов тип выбранного алгоритма (прямой или косвенный) должен соответствовать типу анализируемой конструкции, а также ожидаемым потенциальным локальным и глобальным воздействиям. Вследствие практических ограничений моделирования больших сложных конструкций, эквивалентная полная проверка действующих строительных норм и правил, использованных при линейно-упругом анализе, обычно не выполняется в рамках нелинейного анализа методом конечных элементов. Обычно требуется выполнение дополнительных проверок согласно признанным национальным и региональным строительным стандартам с использованием сил и механических напряжений, полученных во время нелинейного анализа методом конечных элементов. Проведение анализа сложных конструкций с использованием нелинейного анализа методом конечных элементов требует полного понимания потенциальных видов повреждений конструкций и учета влияния сопутствующих рабочих воздействий при использовании элементов. В рамках нелинейного анализа методом конечных элементов полную точность моделирования можно проверить путем сравнения определенного случая с результатами такого же случая при линейно-упругом анализе.

Использованная модель нелинейного анализа методом конечных элементов должна содержать исходные дефекты, значение которых достаточно для инициирования локальных и глобальных критических отказов. Начальные смещения можно описать с помощью искаженных координат или функциональных воздействий. Собственные моды, определенные в ходе анализа линейного изгиба, не всегда учитывают достаточное количество дефектов во всех необходимых местах. Вместо более точной информации дефекты следует анализировать на основе заводских допусков.

Кроме моделирования дефектов, необходимо убедиться, что моделирование балок допускает крутильное поведение изгиба.

Во время нелинейного анализа методом конечных элементов необходимо рассмотреть достаточное количество воздействий взрывов и обеспечить достаточную продолжительность моделирования, чтобы гарантировать охват всех сценариев взрывов.

Документация, связанная с анализом методом конечных элементов, должна содержать результаты нормативных проверок и заявление о допустимом постоянном повреждении при взрыве. Благодаря этому входные строительные данные, используемые для анализа реакций на возгорание, можно согласовать с выходными данными анализа взрывов.

Допускается использование общих принципов нелинейного анализа методом конечных элементов, изложенных в [4].

А.1.9 Простые методы расчета

А.1.9.1 Использование упрощенных методов для определения сопротивления элементов

Для проектирования элементов конструкций можно использовать упрощенные методы согласно нижеуказанным рекомендациям:

а) настилы палуб и продольные балки:

1) балки рабочей палубы соединены с настилом палубы и вспомогательной стальной ферменной конструкцией, поддерживающей настил (продольные балки) при поперечном и крутильном воздействиях. Настилы и продольные балки могут способствовать перераспределению нагрузок и траекторий нагружения в аварийных ситуациях. Кроме того, палубные настилы и продольные балки следует проектировать таким образом, чтобы они имели более высокую прочность при воздействии взрывных волн по сравнению с балочными фермами, которые их поддерживают. В зоне взрыва возможен широкий пространственный разброс давлений взрывных волн, поэтому усредненные давления (применительно к проектированию палубной балочной фермы) будут меньше, чем локальные пиковые давления (применительно к проектированию палубного настила и продольных балок),

2) если предполагается, что палубный настил и продольные балки разрушатся раньше опорных балок, при оценке прочности и предела пластической упругой деформации балок необходимо учесть сильное разрушающее воздействие на продольные балки,

3) совместное воздействие этих факторов традиционно расширено для настила палубы и ребер жесткости с учетом как минимум двух-, трехкратного запаса прочности опорных балочных ферм при квазистатическом воздействии давления взрывных волн. В результате проектируемая палуба должна обладать повышенным сопротивлением к пластическим деформациям и пожарам,

4) упругопластическое сопротивление можно довольно хорошо определить с помощью упругих и упруго-пластических методов расчета. Для плит, непрерывно нагруженных на протяжении нескольких пролетов, можно оценить условия защемленных границ. Предположение об отсутствии ограничений для смещений внутрь всегда приводит к заниженным оценкам. При учете благоприятного воздействия мембранных сил необходимо продемонстрировать способность смежной конструкции зафиксировать мембранные силы. Гибкость смежной конструкции может задержать наращивание мембранных сил. Необходимо учитывать предельную пластичность. В большинстве случаев сопротивление настила не является ограничивающим фактором, поскольку элементы жесткости начнут разрушаться до того, как настил достигнет своей критической деформации,

5) для продольных балок настила нередко применяется идеализация. Однако необходимо убедиться, что продольные балки не подвергаются значительному расцеплению, нарушающему их сопротивление. Если соединения и смежная конструкция могут фиксировать возникшие силы, благоприятное влияние мембранных сил в диапазоне больших прогибов может приниматься во внимание при условии учета снижения предела изгибной прочности вследствие мембранного механического напряжения в продольных балках. Необходимо также учесть возможность разрывов, обусловленных чрезмерными механическими напряжениями;

б) балка или балочная ферма:

1) балки и балочные фермы с тонкими поперечными сечениями следует проверять на наличие локальных разрушений при сдвиге и изгибе. Для определения предела прочности можно использовать концепцию поля растяжения. Прочность в ограниченной области может оказаться значительной, однако этот эффект как правило не учитывают. Деформации сдвига способны оказывать значительное воздействие на отклики балок и балочных ферм с защемленными концами и малыми отношениями длины к высоте,

2) палубные балочные фермы зачастую взаимодействуют с прилегающими палубными плитами в рамках составной секции, которая приводит к смещению вверх из позиции нейтральной оси. В этом случае повышается осевой момент сопротивления сечения, что изменяет класс сечения и прочность при пластическом изгибе. Аналогичным образом мембранные силы в смежном палубном настиле могут приводить к возникновению сил осевого сжатия в балочных фермах. В результате возможно снижение прочности при изгибе. Другие эффекты (например, поперечные палубные балки и вырезы для поперечных элементов жесткости) могут стабилизировать сжатую полку относительно кручения, а также способны повлиять на класс сечения и прочность при пластическом изгибе,

3) для областей отрицательных изгибающих моментов требуется периодическая поперечная стабилизация нижней полки балки, чтобы предотвратить поперечный изгиб с кручением перед формированием полного момента сопротивления секции. Палубные балочные фермы морских ВС могут подвергаться поперечным воздействиям взрывных волн,

4) Если балочные фермы используются в качестве опор труб, поперечные воздействия взрывной волны на поддерживаемые трубы и кабельные кронштейны могут привести к значительным дополнительным поперечным дестабилизирующим воздействиям на балочные фермы. Если анализ балочных ферм во временной области выполняется без учета этих дополнительных воздействий, поперечной неустойчивостью можно пренебречь без занижения результатов анализа.

А.1.9.2 Пределы упругой деформации и локальный продольный изгиб

Максимальная деформация элемента конструкции ограничивается локальным местным продольным изгибом на стороне сжатия или разрывом на стороне растяжения поперечных сечений, подвергающихся ограниченному вращению. Если элемент конструкции удерживается от осевого смещения внутрь, любой локальный продольный изгиб возникает раньше, чем деформация растяжения, обусловленная мембранным удлинением, превосходит влияние деформации сжатия, вызванной вращением. При отсутствии локального продольного изгиба дальнейшее отклонение может происходить до момента разрыва, когда деформация растяжения, обусловленная совместным воздействием вращения и мембранного удлинения, превышает критическое значение. Поперечные сечения должны соответствовать требованиям первого класса, чтобы обеспечить поддержание достаточного момента сопротивления для элементов конструкций с небольшим осевым ограничением во время значительного пластического углового смещения. Пределы пластичности балок первого класса ограничены начальным моментом локального продольного изгиба.

Кромка армированного палубного настила должна оцениваться с помощью методов одной степени свободы. Зарождение локального продольного изгиба не обязательно предполагает отсутствие устойчивости к рассеиванию энергии, в частности, для поперечных сечений первого и второго классов. При наличии подходящей информации возможен учет снижения прочности поперечных сечений в диапазоне после продольного изгиба.

А.1.9.3 Реакции опор, высвобождение балок и незакрепленные соединения

Чтобы предотвратить сдвиговое разрушение элемента конструкции на опорах, которому предшествует разрушение при изгибе, расчетные реакции опор для элементов конструкций должны как минимум на 20 % превосходить теоретические значения, благодаря чему прочность элементов конструкции оказывается выше аналогичной прочности, полученной в ходе анализа откликов.

Характеристики незакрепленных соединений балочных ферм обычно не устанавливают, если продольные балки простираются через балочную ферму иным образом (т.е. отсутствует непрерывность прочности нижней полки балки). Однако такие высвобождения моментов могут оказаться полезными для улучшения схемы распределения нагрузки в палубных конструкциях, особенно при деформациях палубы за пределами диапазона упругости. Преднамеренные высвобождения могут указать нижний допуск для пластического вращения в областях положительного изгибающего момента.

А.1.9.4 Свойства материалов для проектирования

Скорость деформации влияет на предел текучести и напряжение текучести. Повышение прочности, обусловленное скоростью деформации, является благотворным с точки зрения прочности, однако способно негативно повлиять на класс сечения и пластическую деформацию. Важно правильно согласовать упрочнение и скорость деформации. Для проектирования новых ВС, как правило, используют минимальный предел текучести, однако вместо определенного минимума допускается применять "вероятную" прочность материала при наличии таких данных. Значения прочности должны определяться на основе испытаний материалов для каждого элемента (например, с помощью сертификатов качества материалов).

А.1.9.5 Минимизация последствий взрывов

Последствия взрывов обычно можно минимизировать с помощью следующих мер:

- наличие большой вентиляционной зоны максимально возможной площади;

- хорошее распределение воздушных потоков в вентиляционной зоне;

- группирование по типу, размеру и местоположению внутреннего оборудования;

- использование перегородок для локализации взрыва.

Системы активного подавления и минимизации последствий допускается использовать для уменьшения воздействий взрывов в соответствующих обстоятельствах.

Вентиляционные зоны должны располагаться как можно ближе к потенциальным источникам воспламенения, чтобы минимизировать давление взрывной волны. Кроме того, необходимо учесть влияние размеров вентиляционных зон и местоположение при образовании воспламеняемого облака. Желательно располагать оборудование, трубопроводы, кабельные желоба и прочие элементы конструкции подальше от вентиляционных зон, чтобы минимизировать воздействие на них со стороны взрывной волны и полностью использовать вентиляционные зоны. Стеновые панели с аварийными окнами и жалюзи могут обеспечить дополнительный сброс давления во время взрыва, однако этого недостаточно для высоких избыточных давлений. Легкосбрасываемые конструкции должны проектироваться с учетом необходимости быстрого открывания при очень низких давлениях, чтобы обеспечить высокую эффективность сброса избыточных давлений. Принимая во внимание, что использование легкосбрасываемых конструкций базируется на испытаниях среднего масштаба при небольшом скоплении оборудования, необходимо проанализировать их влияние на риски, в частности, когда их используют с целью ограждения открытых перегородок. Давление взрывной волны, необходимое для раскрытия панелей, должно быть как можно низким, однако его не следует снижать до такой степени, что панели будут открываться под напором порыва ветра.

Примечание - Давление ветра по меньшей мере на порядок ниже давления взрывной волны.

Взрывозащитные перегородки и перекрытия можно использовать для отдельных частей ВС, чтобы взрыв в пределах одной зоны не повлиял на смежные зоны. При таком подходе взрывозащитные перегородки и перекрытия должны без повреждений выдерживать избыточные давления. Разрушение этих конструкций может сопровождаться образованием осколков и дальнейшим распространением повреждений. Взрывозащитные перегородки и перекрытия обычно располагаются параллельно противопожарным элементам конструкции, поэтому необходимо обеспечить их целостность после взрыва. Любые элементы пассивной противопожарной защиты, прикрепленные к перегородке или перекрытию, должны сохранить свои функциональные свойства после взрыва, однако во время проектирования необходимо учитывать утрату такой огнезащиты.

Взрывная волна распространяется из зоны взрыва, превращаясь в ударную волну, которая воздействует на персонал и оборудование в дальней области. Такие волны обычно существуют непродолжительное время, очень динамичны и обладают областями значительного разряжения. При отражении взрывных волн возрастающее давление может увеличивать приложенные воздействия, что приводит к росту числа погибших и раненых в таких зонах.

По возможности воздействия взрывных волн должны оцениваться и использоваться для проектирования инфраструктуры, а также временных укрытий.

А.2 Пожары (см. 8.12.5)

А.2.1 Расчетные возгорания

Для оценки воздействия пожаров используют следующие факторы:

- сценарий пожара, в том числе его продолжительность;

- характеристики теплового потока, направленного от места возгорания к защищенным и незащищенным стальным элементам конструкций;

- свойства материалов при повышенных температурах;

- характеристики противопожарных систем (активных и пассивных).

Сценарий пожара должен содержать описание типа пожара, местоположения, геометрии и интенсивности. Среди типов пожаров различают возгорания вследствие разлива углеводородов, струйное горение углеводородов и другие менее значимые типы пожаров. Местоположение и геометрия пожара характеризуют положение очага горения относительно конструкции, тогда как интенсивность (тепловой поток) позволяет указать количество теплоты, создаваемое очагом горения. Конструкция и оборудование, охваченные пламенем, подвергаются большему тепловому воздействию, чем неохваченные. Сценарии пожаров можно идентифицировать в ходе анализа технологических рисков.

Тепловой поток, направленный от очага горения к элементам конструкций (путем излучения, конвекции и теплообмена), вычисляют с целью определения температуры каждого элемента в зависимости от времени. Температура незащищенных элементов, охваченных пламенем, зависит от конвекции и излучения, в то время как температура защищенных элементов, охваченных пламенем, зависит от теплопроводности изолирующего материала. Количество излученной теплоты, достигающей поверхности элемента, определяют с помощью геометрической конфигурации или форм-фактора. Для элементов, охваченных пламенем, используют коэффициент формы, равный 1,0.

Необходимо учитывать тепловые и механические свойства конструкционных материалов при повышенных температурах. Для вычисления температуры материалов необходимо использовать тепловые свойства (удельную теплоемкость, плотность и теплопроводность). Механические свойства (коэффициент расширения, предел текучести и модули Юнга) используют для проверки исходного проекта на соответствие требованиям, предъявляемым к прочности и эксплуатационной пригодности. Воздействия, обусловленные тепловым расширением, могут оказаться важными для жестко закрепленных элементов, поэтому такие воздействия подлежат тщательному анализу.

А.2.2 Воздействия пожаров

Методики прогнозирования пожаров зачастую классифицируют следующим образом:

- эмпирические модели;

- зонные (феноменологические) модели;

- вычислительная аэродинамика;

- модели полей.

Эмпирические модели позволяют получить точные и надежные прогнозы при условии совпадения условий моделирования и базовых экспериментов. Примерами эмпирических моделей могут служить стандартные кривые зависимости температуры от времени при горении целлюлозы и углеводородов. Зонные модели учитывают большинство основных явлений, однако уравнения ограничены одной степенью свободы (уравнения выражают условия в каждой зоне и потоки на границах между этими зонами). Эмпирические и зонные модели не позволяют моделировать и прогнозировать процесс горения. Модели вычислительной гидродинамики позволяют выполнить анализ установившихся или переходных состояний в трех измерениях путем применения базовых законов физики (например, сохранения массы, момента и энергии), а также вспомогательных моделей возникновения и рассеяния турбулентности, образования сажи и химических реакций, связанных с горением. Модели прогнозирования пожаров применяются для топлив и горючих материалов с хорошо известными свойствами (например, газа или нефти), однако такие модели оказываются менее пригодными для материалов, характеристики горения которых изучены в недостаточной мере (например, дерево, строительные материалы и т.д.). Аэродинамические вычисления позволяют определить характеристики излучаемых и конвекционных тепловых потоков, воздействующих на окружающие конструкции, а также позволяют определить характеристики выделения и движения дыма.

Анализ на основе методов вычислительной аэродинамики позволяет получить наиболее глубокое понимание процессов и предоставляет широчайшие возможности прогнозирования, однако сложен с точки зрения математического моделирования и требует больших вычислительных ресурсов. В подходящих случаях можно использовать упрощенные методы и анализ методом конечных элементов. Для пассивной противопожарной защиты строгое численное решение может оказаться очень затруднительным вследствие значительного различия тепловых свойств конструкционных материалов и элементов пассивной противопожарной защиты. Необходимо использовать эквивалентный коэффициент теплопередачи, который получен на основе экспериментальных измерений.

А.2.3 Проектирование с учетом возгораний

Пожарная нагрузка может учитываться с использованием одного из следующих подходов:

а) зональный метод

Зональный метод предполагает, что в нормальных ситуациях каждый элемент используется целиком, при этом полный коэффициент прочности конструкционной стали соответствует механическим напряжениям на уровне 60 % предела текучести при нормальных условиях (без пожара). Вследствие этого максимальная допустимая температура определяется как температура, при которой предел текучести снижается до 60 % этого значения в диапазоне нормальных температур. Например, для конструкционной стали максимально допустимая температура - 400 °С. Пассивную противопожарную защиту применяют с целью недопущения нагрева всех стальных конструкций выше этой температуры. Толщина теплоизоляции зависит от характеристик теплового потока и свойств пожарозащитных материалов.

В случае приемлемости более высоких скоростей деформаций возможен нагрев до более высоких температур (см. таблицу А.1), при этом, однако, необходимо проанализировать снижение жесткости стали, что усложнит зональный метод.

Таблица А.1 - Максимально допустимая температура стали в зависимости от деформации для использования в рамках зонального метода

Деформация, %	Максимально допустимая температура, °С
0,2	400
0,5	508
1,5	554
2,0	559

б) метод линейно-упругих деформаций

Для метода линейно-упругих деформаций максимально допустимая температура стального элемента определяется на основе уровня механических напряжений в элементе до пожара. С увеличением температуры коэффициент использования элемента (UR) остается ниже 1,00, т.е. элемент продолжает сохранять упругие свойства. Для элементов, которые не подвержены потере устойчивости, допустимое механическое напряжение должно обеспечивать наличие предельных волокон в поперечном сечении при текучести. Предел текучести должен соответствовать средней температуре внутренней части элемента. Например, зависимость максимально допустимой температуры Т_{C, mах} стального элемента от коэффициента использования (UR) представлена в таблице А.2 для предела деформации 0,2 %.

Таблица А.2 - Зависимость максимально допустимой температуры стали от коэффициента использования (UR)

Максимальная температура элемента ТC, mах, °С	Коэффициент снижения предела текучести при ТC, mах	Коэффициент перехода UR элемента конструкции при температуре + 20 °С к UR при температуре ТC, mах
400	0,60	1,00
450	0,53	0,88
500	0,47	0,78
550	0,37	0,62
600	0,27	0,45

При более высоких температурах снижение модулей Юнга может превысить снижение предела текучести, поэтому необходимо обеспечить неизменность режимов разрушения (в том числе любые формы изгиба) для этих повышенных температур;

в) упругопластический метод (например, анализ прогрессирующего разрушения)

Для упругопластического метода максимально допустимую температуру стального элемента устанавливают на основе уровня механических напряжений в элементе до пожара. По мере повышения температуры коэффициент использования элемента может оказаться выше 1,00, т.е. поведение элемента является упругопластическим. Необходимо выполнить нелинейный анализ, чтобы убедиться в отсутствии разрушения конструкции и ее соответствии критериям эксплуатационной пригодности. Такой анализ должен учитывать температурную зависимость механических напряжений/деформаций и ползучести, а также способность адаптации к большим отклонениям и деформациям.

Линеаризация нелинейного соотношения "механическое напряжение/деформация" для стали при повышенных температурах необходима для программ упругопластического анализа, которые не позволяют использовать температурные зависимости кривых механических напряжений/деформаций.

А.2.4 Анализ теплопроводности в переходном состоянии

Тепловой поток, направленный от очага горения к элементам конструкций (путем излучения, конвекции и теплообмена), вычисляют при анализе теплопроводности в переходном состоянии. Такой анализ допускается выполнять с помощью:

- упрощенных методов;

- метода конечных элементов.

Для вычисления температуры необходимы тепловые свойства конструкционного материала, удельная теплота, плотность и теплопроводность. Внутреннее излучение, направленное от теплых поверхностей к холодным поверхностям, необходимо учитывать для пустотелых и открытых секций, имеющих значительные взаимные форм-факторы. При анализе теплопроводности в переходном режиме необходимо учитывать пассивную противопожарную защиту. Точное моделирование пассивной противопожарной защиты оказывается затруднительным вследствие значительного отличия коэффициентов теплопроводности элементов пассивной противопожарной защиты и строительного материала, а также вследствие сложного физического поведения системы пассивной противопожарной защиты. Вместо этого характеристики пассивной противопожарной защиты можно описывать коэффициентом эквивалентной передачи тепла. Данный коэффициент можно определить в ходе испытаний на огнестойкость. Коэффициент эквивалентной передачи тепла зависит от толщины элемента и соответствует усредненной защите, обеспечиваемой пассивной противопожарной защитой в установившемся состоянии независимо от имеющихся физических процессов. Тип и толщину элементов пассивной противопожарной защиты определяют для типа и интенсивности или степени и продолжительности горения, в течение которой такая защита должна оставаться эффективной. Если горение продолжается по истечении этого периода времени, пассивная противопожарная защита теряет эффективность.

Большие деформации могут оказаться приемлемыми, если допустимы постоянные деформации. При проектировании эффективный предел текучести углеродистой стали может выбираться равным пределу текучести при деформации 2,0 %. При проектировании на основе нелинейного анализа методом конечных элементов вместо более точных значений предел текучести должен предполагаться постоянным значением в диапазоне от 2 % до предельной деформации.

А.2.5 Ползучесть

Ползучесть стали может оказаться значительной при температурах выше 600 °С. Коэффициенты снижения предела текучести неявным образом учитывают ползучесть. Учитывая относительно короткую продолжительность пожаров, оценкой ползучести можно пренебречь в большинстве ситуаций. Однако, если важный элемент сжатия в статически определимой конструкции близок к своей критической температуре на протяжении значительного времени (намного больше 20 мин), влияние ползучести требует явного учета.

Структурный анализ допускается выполнять для различных элементов конструкций или систем, таких как отдельные элементы конструкций, составные части сборок и система целиком.

Оценку результатов воздействий и механических откликов, связанных с пожаром, следует выполнять на основе одного из следующих методов:

а) простые методы расчета, применяемые к отдельным элементам конструкций;

б) нелинейный анализ методом конечных элементов;

в) комбинация простого и нелинейного методов.

Простые методы расчета могут дать чрезмерно заниженные результаты. Нелинейный анализ методом конечных элементов обеспечивает более реалистичное моделирование основных процессов.

А.2.6 Нелинейный анализ методом конечных элементов

А.2.6.1 Общие сведения

Методы структурного анализа для нелинейной оценки предельной прочности допускается классифицировать следующим образом:

- методы на основе зависимости механического напряжения от деформации;

- методы на основе результирующего механического напряжения (пластический шарнир).

Методы на основе зависимости механических напряжений от деформаций учитывают нелинейные характеристики материалов на уровне волокон. Методы на основе результирующего механического напряжения учитывают нелинейные характеристики материалов с помощью аналитических решений уравнений взаимодействия сил и моментов поперечного сечения.

А.2.6.2 Моделирование физических свойств углеродистых сталей

Для анализа механических напряжений и деформаций конструкций из углеродистой стали необходимо использовать температурные зависимости напряжений от деформаций.

При проектировании на основе результирующих механических напряжений допускается использовать температурное понижение модулей упругости. Температурное понижение предела текучести следует учитывать при проведении моделирования.

А.2.6.3 Начальное отклонение от прямолинейности

При нелинейном анализе методом конечных элементов необходимо использовать модель, которая учитывает начальное нарушение прямолинейности элементов, достаточное для порождения всех локальных и глобальных разрушений, которые могут стать критическими. Такое начальное нарушение прямолинейности можно описать с помощью искаженных координат или вынужденных функциональных воздействий. Собственные колебания, определенные в ходе линейного анализа изгиба, не всегда позволяют получить достаточные несовершенства для всех необходимых местоположений. Вместо более точной информации допускается использовать нарушение прямолинейности, установленное следующим образом:

- значения производственного допуска с множителем 1,0 в случае точного моделирования градиентов температур поперечных сечений или

- значения производственного допуска с множителем 2,5 в случае приблизительного моделирования градиентов температур поперечных сечений.

Начальное нарушение прямолинейности следует применять к каждому физическому элементу конструкции. Если элемент моделируют с использованием нескольких конечных элементов, начальное нарушение прямолинейности следует применять в виде смещенных узлов. Начальное нарушение прямолинейности должно быть ориентировано в том же направлении, что и деформации, обусловленные градиентами температур.

А.2.6.4 Локальный изгиб поперечного сечения

Если используют моделирование оболочек, необходимо убедиться, что программное обеспечение и модель позволяют прогнозировать локальные изгибы с достаточной точностью. При необходимости локальные дефекты оболочки следует анализировать аналогично методике, используемой в А.2.6.3 для поперечной деформации балок.

Если используют моделирование балок, локальный изгиб поперечного сечения следует анализировать в явном виде.

Вместо более точного анализа поперечные сечения, подвергнутые пластическим деформациям, должны удовлетворять требованиям компактности:

- первый класс. Местоположения с пластическими шарнирами (приблизительно полное пластическое использование);

- второй класс. Местоположения с переходом шарниров в состояние текучести (частичная пластификация).

Если этот критерий не удовлетворяется, воздействия пластических деформаций следует анализировать в явном виде. Прочность будет существенно снижаться после начала изгиба, но по-прежнему останется значительной. В рамках консервативного подхода дальнейший анализ выполняют после исключения соответствующего элемента.

Требованиями компактности для поперечных сечений первого и второго классов можно пренебречь при условии, что элемент развивает значительное мембранное растяжение по мере его конечного перемещения.

А.2.6.5 Пределы деформаций

Пластичность балок и соединений при повышенных температурах превосходит аналогичные характеристики для нормальных условий. Вместо более точного анализа необходимо использовать положения для элементов конструкций, подверженных взрывам:

а) растягиваемые элементы

Вместо более точного анализа можно предположить среднее удлинение 3 % длины элемента при разумно одинаковой температуре. Локальные температурные пики могут локализовать пластические деформации. Использование критических деформаций для стали при нормальных температурах приводит к заниженным оценкам;

б) соединения

Вместо более точных вычислений прочность соединения при температуре допускается вычислять по формуле

,

(А.5)

где - прочность соединения при максимальной температуре ;

- прочность соединения при нормальной температуре;

- коэффициент уменьшения предела текучести при максимальной температуре соединения.

А.2.6.6 Надежность вычислений

Принимая во внимание неопределенности, неявно выраженные в процессе пожара, переходная теплопередача, механический отклик и вычисления методик нелинейного конечно-элементного анализа следует проверять путем увеличения функциональных воздействий для наиболее критического периода горения во время пожара. Если конструкция остается нетронутой при увеличении функциональных воздействий на 10 %, можно считать, что конструкция имеет достаточное сопротивление к воздействиям пожара. В иных случаях необходимо провести более точный анализ, например упругопластический.

Для упругопластического метода максимально допустимую температуру стального элемента определяют на основе уровня механических напряжений до пожара, при этом по мере увеличения температуры коэффициент использования элемента может превысить 1,00, т.е. поведение элемента является упругопластическим. Необходимо выполнить нелинейный анализ, чтобы убедиться в отсутствии разрушения конструкции и ее соответствии критериям эксплуатационной пригодности.

А.2.7 Минимизация последствий пожаров

Минимизация последствий пожаров может обеспечиваться системами активной и пассивной противопожарной защиты, которые гарантируют отсутствие превышения максимальных допустимых температур элементов в течение определенного периода времени. Кроме того, системы активной и пассивной противопожарной защиты способны подавлять распространение пожара. Предполагаемый период защиты вычисляют на основе ожидаемой продолжительности пожара или необходимой длительности эвакуации (в зависимости от того, что короче) и используют для точного определения характеристик материалов и их толщины.

Материалы системы пассивной противопожарной защиты обладают различной огнестойкостью. Такие материалы используют для оболочечного покрытия отдельных элементов конструкций или формирования противопожарных перегородок, которые ограничивают или предотвращают воздействие огня на отсеки, маршруты эвакуации и безопасные зоны. Категории различных типов противопожарной защиты определяют на основе испытаний с использованием набора температурных кривых, зависящих от времени. Данные оценки применяют к материалам пассивной противопожарной защиты для пролитых горючих жидкостей. Особое внимание необходимо уделять применению материалов для пассивной защиты от струйного пламени, обеспечению защиты балок, силового набора и опорам оборудования, критически важного для обеспечения безопасности.

Активная противопожарная защита может обеспечиваться с помощью воды, пены и, в некоторых случаях, газа, которые подаются на место пожара специальным оборудованием, предварительно установленным для этой цели.

А.3 Взаимосвязь между взрывом и пожаром (см. 8.12.6)

А.3.1 Общие сведения

Во многих случаях возникают противоречия между противопожарными и противовзрывными технологиями. Например, чтобы противостоять пожару конструкция может быть разделена на небольшие зоны с помощью противопожарных перегородок. Однако такое разделение может повысить избыточное давление при возникновении взрыва. Снижение избыточного давления взрыва возможно за счет уменьшения числа ограничивающих элементов. Для этого используют открытые блоки, обеспечивающие беспрепятственный доступ наружу. В результате возникает прямое противоречие со схемой ограничения пожара. Такое противоречие необходимо учитывать при проектировании ВС.

Необходимо провести совместную оценку пожаров и взрывов, при этом необходимо внимательно проанализировать их взаимное влияние. Более вероятно, что взрыв произойдет первым, после чего возникнет пожар. Однако возможны случаи, когда начавшийся пожар становится причиной взрыва. Процедура подробной оценки конструкций, подвергающихся воздействию пожаров и взрывов представлена на рисунке 2. При оценке пожаров и взрывов необходимо продемонстрировать живучесть маршрутов эвакуации и безопасных зон.

Подразделы А.3.2-А.3.6 содержат практические рекомендации по проектированию конструкций, устойчивых к воздействиям пожаров и взрывов.

А.3.2 Палубный настил

Во время пожаров и взрывов настил палубы может порождать поперечные силы, а не сжатие элементов конструкции палубы. Необходимо учесть данный фактор при моделировании конструкций настилов палубы.

В общем случае анализ палубы следует выполнять для последовательности балок. Эффективную ширину настилов палубы следует учитывать во время анализа, поскольку способна повлиять на расчет периода собственных колебаний палубы. Палубы с металлическим покрытием обычно деформируются пластически в направлении вне плоскости при условии, что происходит адекватное функционирование первичной опорной конструкции.

А.3.3 Взрывозащитные и противопожарные перегородки

В проекте следует предусмотреть максимально возможное смещение взрывозащитных и противопожарных перегородок к середине пролета ВС, при этом:

а) противопожарная защита должна сохранять целостность при определенной деформации;

б) элементы конструкции, укорачивающиеся при больших поперечных смещениях, могут оказывать сильные воздействия на верхние и нижние узлы соединения;

в) вращательная способность концевых соединений должна соответствовать требованиям недопущения предварительного разрыва.

Проемы для трубопроводов, электрооборудования, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха должны быть расположены как можно ближе к верхнему или нижнему краю перегородки в местах маловероятных деформаций. Однако для противодействия взрывным волнам может потребоваться армирование проемов с целью предотвращения ухудшения прочностных и изгибных свойств перегородок.

А.3.4 Балки и соединения

Элементы конструкций, имеющие изгиб, могут испытывать значительные осевые воздействия во время пожаров и взрывов. Такие осевые воздействия могут повлиять на прочность и жесткость элементов конструкций. Любой дополнительный изгибающий момент, обусловленный осевым воздействием и поперечным отклонением следует рассматривать в рамках анализа гибкости или пластичности.

Осевые ограничения могут привести к возникновению значительной осевой силы в элементе при поперечных воздействиях, которые частично связаны с мембранным воздействием. Необходимо учитывать результаты этих воздействий на окружающую конструкцию.

Балки, подвергающиеся воздействию пожара, могут потерять устойчивость к изгибу и сдвигу с последующим смещением и прогрессирующим деформированием. Такой эффект необходимо учесть с целью обеспечения значительно большей устойчивости проектируемых соединений к мембранному поведению. Соединения должны соответствовать предельным пластическим свойствам балки при воздействии пожаров, а также осевому сжатию или растяжению.

При расчете воздействий взрыва необходимо учитывать локальную и общую устойчивость балок. С точки зрения поперечного выпучивания важно обеспечить сжатие полок балок в поперечном направлении. Восходящее воздействие на кровельную балку может привести к сжатию нормально незащемленной нижней полки балки.

А.3.5 Гибкие элементы конструкций

Во время пожара возможно преждевременное коробление гибких элементов конструкций. Для таких элементов конструкций необходимо обеспечить подходящие боковое и крутильное ограничения.

Примечание - Элементы и части конструкций классифицируют в качестве "гибких" с использованием коэффициента гибкости или отношения предела текучести к модулю Юнга.

А.3.6 Опоры трубопроводов и резервуаров

Опоры трубопроводов и резервуаров могут подвергаться сильным поперечным воздействиям, обусловленным взрывными волнами и/или тепловыми эффектами.

Целостность опор резервуаров должна сохраняться как минимум до завершения технологической аварийной продувки. Опоры резервуаров, содержащих огнеопасные жидкости, должны оставаться неповрежденными в течение времени, достаточного для эвакуации с МНГС.

Продольные балки, к которым прикрепляют оборудование, могут характеризоваться значительно отличающимися периодами собственных колебаний по сравнению с прилегающей конструкцией. Их динамический отклик необходимо оценивать отдельно.

А.4 Удары падающих и качающихся предметов (см. 8.12.8)

В общем случае процедура проектирования с учетом ударов падающих и качающихся предметов состоит из следующих этапов:

- определение сценариев возможного падения и раскачивания предметов с учетом их габаритов, массы и скорости;

- выявление наиболее активно разрушающихся механизмов, которые могут стать причиной раскачивания или падения предметов (например, общее разрушение конструкции, локальный удар по трубопроводу высокого давления и т.д.);

- определение достаточности энергии предмета с точки зрения инициирования механизма разрушения при отсутствии ограждающих конструкций;

- при наличии ограждающих конструкций выполняют проверку их способности остановить или затормозить предмет, чтобы избежать инициирования механизма разрушения, кроме того, выполняется проверка механизмов перераспределения нагрузки между конструкцией ограждения и основной конструкцией ВС;

- проверка устойчивости поврежденной конструкции к функциональным и внешним воздействиям с периодом повторяемости, который необходим для эффективного ремонта: необходимо использовать событие окружающей среды с 10-летним периодом повторяемости.

А.5 Вибрации (см. 8.12.10)

Сильные вибрации проявляются в виде тряски конструкций ВС сооружения. При этом возможны значительные общие перемещения ВС из стороны в сторону. Результатом таких перемещений является ударное повреждение. Например, ВС при взрыве газа может испытывать большой дисбаланс, обусловленный односторонним отводом газа. В результате возникают большие горизонтальные отклонения и ускорения локальных конструкций, в том числе жилых отсеков и вертолетной ПП. Даже при отсутствии значительного общего воздействия возможно возникновение сильных высокочастотных вибраций ВС.

Во время землетрясения стационарные морские сооружения могут смещаться в вертикальном и горизонтальном направлениях. Первоначально морское сооружение находится в состоянии покоя (если пренебречь смещениями, обусловленными воздействием волн и нормальными операциями) до тех пор, пока перемещение грунта не начинает сотрясать основание опорных колонн. Перемещение грунта может продолжаться не менее 20 с. Землетрясения оказывают незначительное влияние на плавучие сооружения, поэтому в общем случае их воздействием можно пренебречь, однако вертикальные ускорения грунта способны оказывать сильное влияние на сооружения с натяжными опорами, а также на плавучие сооружения для хранения и отгрузки добытой нефти при использовании системы крепления на натяжных связях.

При взрыве газа на ВС или при столкновении с судном ускорение или удар могут оказаться более значительными, а продолжительность приложенного воздействия будет короче. Импульс давления взрыва обычно оказывает воздействие длительностью не более 1 с, однако сооружение может продолжать вибрировать еще некоторое время после инициирующего события.

В состав систем, критически важных для обеспечения безопасности, могут входить вспомогательные дизельные генераторы, аварийные пожарные насосы, кольцевые магистральные трубопроводы пожарного водоснабжения, электрические панели управлении и кабельные соединения. Виброгасители оборудования обладают ограниченной способностью сопротивляться сильным вибрационным воздействиям, которые могут послужить причиной больших поперечных смещений.

А.6 Проектирование конструкций из нецилиндрических элементов (см. 9.3)

А.6.1 Общие сведения

К числу строительных норм и правил, подходящих для проектирования конструкций ВС из нецилиндрических элементов, относят: СП 16.13330.2011, Правила РМРС [1], ANSI/AISC 360-05, CSA-S16-09, BS EN 1993-1-1 и NS 3472.

А.6.2 Проектирование конструкций из двутавровых профилей

К числу строительных норм и правил, подходящих для проектирования конструкций ВС из двутавровых профилей, относят: СП 16.13330.2011, Правила РМРС [1], ANSI/AISC 360-05, CSA-S16-09, BS EN 1993-1-1, и API Bulletin 2V.

А.6.3 Проектирование конструкций из коробчатых профилей

К числу строительных норм и правил, подходящих для проектирования конструкций ВС из коробчатых профилей, относят: СП 16.13330.2011, Правила РМРС [1], ANSI/AISC 360-05, CSA-S16-09, BS EN 1993-1-1, и API Bulletin 2V.

A.6.4 Проектирование конструкций с армированными элементами жесткости

К числу строительных норм и правил, подходящих для проектирования жестких листовых обшивок морских конструкций ВС, относят: СП 16.13330.2011, Правила РМРС [1], CSA-S16-09, BS EN 1993-1-1, API Bulletin 2V.

А.6.5 Проектирование обшивки

К числу строительных норм и правил, подходящих для расчета сдвиговых сил обшивок конструкций ВС, относят: СП 16.13330.2011, Правила РМРС [1], BS EN 1993-1-1.

А.7 Опорные конструкции грузоподъемных кранов (см. 10.6)

У опорных конструкций грузоподъемных кранов встречаются два основных типа узлов сопряжения:

- грузоподъемный кран обладает опорно-поворотным кольцом;

- грузоподъемный кран поворачивается вокруг грузовой полумачты, основание которой прикреплено болтами к фланцу опорной конструкции крана.

При отсутствии поставки готовых узлов сопряжения от производителя крана рекомендуется руководствоваться следующим. Фланец опорной конструкции необходимо обработать на станке для достижения плоскостности и чистоты поверхности, сопоставимой с типом поворотного кольца или основания используемой грузовой полумачты. Производитель грузоподъемного крана должен предоставить допуски вместе со значениями жесткости, необходимой для поддержания поворотного кольца крана или фланца грузовой полумачты. Информация, полученная от производителя, позволит вычислить подходящий диаметр поворотного кольца и толщину верхнего фланца. В результате этого можно вычислить наружный диаметр трубы опорной конструкции после определения допусков зазора для механизма натяжения монтажного болта или гаечного ключа с регулируемым вращающим моментом.

Любую опорную конструкцию грузоподъемного крана, который имеет высоту над узлом закрепления на ВС более чем 10 диаметров трубы опорной конструкции, следует проверять на соответствие динамическим характеристикам крана. В случае необходимости эти характеристики следует учитывать при вычислении усталостного срока эксплуатации опорной конструкции крана.

Верхний фланец опорной конструкции грузоподъемного крана не следует делать горячекатаным или штампованным. Его необходимо механически обработать на станке до нужного профиля. Фасонный фланец следует присоединить к стенке опорной конструкции посредством стыкового шва с полным проваром. Фланец должен быть расположен перпендикулярно и концентрично с осью опорной конструкции. Материал фланца должен быть совместимым с материалом опорной конструкции и должен иметь сопроводительную документацию от поставщика фланца.

После изготовления опорной конструкции грузоподъемного крана верхнюю поверхность фланца следует обработать на станке с допусками и значениями, установленными поставщиком крана. Отверстия с гарантированным зазором под болты следует сверлить по шаблону, который поставляет производитель крана. Никакую дополнительную сварку не следует проводить вокруг площади фланца после машинной обработки, так как любая тяжелая сварочная работа может подвергнуть риску целостность и плоскостность обработанной на станке поверхности. При подгонке верхних фланцев оснований обработанную поверхность следует удерживать под углом 90° к центральной оси трубчатой опоры. Значения углового допуска следует определять для диаметра используемого основания и типа станка, использованного в процессе снятия верхнего слоя металла.

Для обеспечения целостности опорной конструкции грузоподъемного крана необходимо проанализировать следующие три состояния:

а) статическое состояние

Такое состояние определяют опрокидывающим моментом и прямым воздействием с учетом только статических значений без динамических коэффициентов или учитываемых воздействий ветра. Установившееся или статическое состояние необходимо использовать для вычисления усталостного срока нависающего выступа фланца основания. Допускается использование метода конечных элементов с целью вычисления уровней концентраций механических напряжений при любых изменениях сечения профиля фланца и области сопряжения "фланец/сварной шов". Необходимо учесть вращение на 360° вокруг фланца с полным изменением направления воздействия на обратное, которое возникает на верхнем и нижнем торцах фланца во время каждого поворота. Производитель грузоподъемного крана должен предоставить значения спектрального коэффициента для воздействий. Такой коэффициент обычно зависит от спецификаций, регламентирующих проектирование подъемного крана. Число ожидаемых поворотов крана следует определять на основе ожидаемой периодичности эксплуатации и планируемого срока службы крана. Для установившихся состояний с подходящим спектральным коэффициентом воздействия анализируют минимальный усталостный срок в 1 млн циклов;

б) динамическое состояние

Динамическое состояние определяют статическими значениями опрокидывающего момента и осевого воздействия со стороны гака крана, умноженного на динамический коэффициент, который определяют на основе жесткости крана, превалирующего состояния моря, скорости подъема груза и гравитационной постоянной. Данное состояние должно учитывать воздействие ветровой нагрузки на конструкцию крана в наиболее неблагоприятном направлении во время его работы. Влияние любого демпфирующего устройства, установленного на кран, не следует учитывать в качестве нагрузки, поскольку такое устройство может отказать во время эксплуатации и, следовательно, после демонтажа не будет оказывать никакого влияния на динамические воздействия, передаваемые в основание крана.

в) состояние обеспечения живучести

Следует рассмотреть два случая:

1) разрушение грузоподъемного крана

В этом случае главные элементы конструкции крана разрушаются от приложенных общих воздействий без активизации всех устройств демпфирования перегрузки. Кран следует проектировать с таким расчетом, чтобы последний разрушаемый элемент находился ниже машинного отделения крана, примыкающего к опорно-поворотному кольцу или грузовой полумачте. В данных экстремальных условиях опорная конструкция грузоподъемного крана не должна разрушаться или получать локальное повреждение боковой стенки или фланца. В конструкции опорной конструкции грузоподъемного крана допускается смещение центральной оси крана вследствие деформаций,

2) штормовая нагрузка

Кран и его опорную конструкцию подвергают воздействиям экстремальных погодных условий, например ветровой нагрузке, создаваемой ураганами, тайфунами или циклонами. В этих условиях окружающей среды кран обычно прекращает работу, а его стрелу закрепляют на опоре.

А.8 Изготовление верхних строений (см. 12.1)

При рассмотрении вопросов организации строительства ВС необходимо учитывать следующие аспекты:

а) планирование своевременной доставки и монтажа основных узлов оборудования и минимизация последствий потенциального запаздывания доставки;

б) расчет сочленений и соединений, подходящих для наиболее эффективного метода строительства;

в) планирование, позволяющее предусмотреть влияние проектной информации, зависимой от закупочного цикла оборудования;

г) проектирование, изготовление и пусконаладка ВС на берегу с целью минимизации работ, выполняемых в море;

д) планирование покраски и нанесения противопожарных покрытий с целью минимизации влияния на монтаж и ввод в эксплуатацию оборудования;

е) учет потенциальных препятствий со стороны оборудования и труб при перемещении и транспортировке ВС во время и после строительства;

ж) учет обратного направления нормальных траекторий нагружения во время выгрузки, транспортировки и монтажа, а также их влияния на перегородки, трубопроводы и оборудование.

А.9 Сварка (см. 12.2)

Объемы сварочных работ оказывают значительное влияние на стоимость конструкций ВС, при этом подводимое тепло сварных швов чрезмерного размера может увеличивать деформации. Конструкции ВС обладают большим числом малогабаритных элементов конструкций, которые изготовляют в основном с учетом удобства размеров и отделки, при этом механические напряжения анализируют в последнюю очередь. Тщательный анализ минимальной допустимости размеров сварных швов позволяет значительно сократить расходы без ухудшения безопасности или эксплуатационной пригодности.

А.10 Маршруты перемещения персонала и настилы (см. 15.2.2)

С практической точки зрения необходимо определить главные и вторичные маршруты эвакуации и подробно проанализировать принятые решения с учетом техники безопасности. Такие маршруты подлежат тщательной инспекции, чтобы исключить любую преграду эвакуации.

А.11 Повторное использование верхних строений (см. 17)

В настоящем разделе приложения дано описание минимально рекомендованного объема проверки элементов ВС. Возможно изменение процедуры проверки с учетом конструкционной оценки для повторного использования, а также результатов предыдущего эксплуатационного контроля.

Ультразвуковую или магнитопорошковую дефектоскопию следует выполнить для:

- 10 % узлов соединений элементов ферменных конструкций;

- 10 % элементов поясов ферм;

- 10 % элементов составной двутавровой балки со сплошной стенкой;

- 25 % узлов соединений несущих опорных колонн ВС;

- 100 % узлов соединений опорной конструкции грузоподъемного крана;

- 100 % узлов соединений консолей ВС;

- 100 % узлов соединений оборудования, обеспечивающего безопасность, с палубой ВС.