Приложение Л. Оценка воздействия взрывной волны на конструктивные элементы зданий и сооружений промышленных предприятий

Информация об изменениях:

Свод правил дополнен приложением Л с 31 июля 2019 г. - Изменение N 3

Приложение Л

Оценка воздействия взрывной волны на конструктивные элементы зданий и сооружений промышленных предприятий

Оценка воздействия взрывной волны на конструктивные элементы зданий и сооружений, образующейся при взрыве облака топливно-воздушной смеси (ТВС), для случая аварийной разгерметизации сосуда железнодорожной цистерны, содержащего 26,648 т сжиженного пропана.

Пример расчета

При аварийной разгерметизации сосуда происходит его полное разрушение и в окружающую среду выбрасывается вся масса сжиженного углеводородного газа (СУГ). В результате интенсивного испарения пропана в облаке ТВС во взрывоопасных пределах оказывается 10% всей массы выброшенного топлива. Таким образом, масса горючего вещества в облаке ТВС, участвующая в создании взрывной волны, m составляет 2664,8 кг. Удельная теплота сгорания пропана q принята равной 46,353 МДж/кг.

Полная энергия, высвобождающаяся при взрывном превращении облака ТВС, (эффективный энергозапас) определяется по формуле

Е = mq (Л.1)

и составляет Дж. На момент инициирования облака ТВС окружающая его воздушная среда находится при нормальном атмосферном давлении Па и температуре К. При этом скорость звука в воздухе м/с.

В основу расчета максимального избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия I воздушной ударной волны, образующейся при аварийном взрыве, положены эмпирические формулы для оценки характеристик взрыва сферического облака ТВС в безграничной воздушной среде [2] - [4].

В рассматриваемом случае облако ТВС лежит на поверхности земли и воздушная ударная волна распространяется в полупространстве. Это обстоятельство учитывается удвоением эффективного энергозапаса горючей смеси. Формулы для вычисления величин , Па, и I, , записываются в виде:

, (Л.2)

,

где r - расстояние от центра облака ТВС, м;

- атмосферное давление, Па;

Е - эффективный энергозапас ТВС, Дж;

- скорость звука в воздухе, м/с.

Формулы (Л.2) применимы в диапазоне , в рассматриваемом случае эти формулы справедливы для значений величины r от 26,9 до 874,8 м.

Основные характеристики воздушной ударной волны, которыми являются максимальное избыточное давление и удельный импульс фазы сжатия I в зависимости от расстояния до центра облака ТВС, могут быть применены для оценки последствий аварийного взрыва. Степень повреждения промышленных зданий и сооружений, а также уровень поражения людей определяются с помощью диаграмм (обобщенного критерия поражения), которые для случая детонации облака ТВС имеют вид гиперболы с двумя асимптотами, отвечающими предельным случаям ударного нагружения (квазистатической и импульсной нагрузкам) [58], [59]. Если параметры воздушной ударной волны и I соответствуют точке, лежащей выше указанной кривой, то объекту будет нанесен определенный вид поражения. Функция, определяющая тот или иной уровень поражения объекта, представлена формулой

, (Л.3)

где , I* и k - константы, зависящие от характера поражения объекта.

Численные значения этих констант приведены в [58]. Для остекления зданий, которое характеризуется весьма малым периодом собственных колебаний относительно длительности фазы сжатия, критерий поражения (формула (Л.3)) переходит в частный критерий поражения вида

. (Л.4)

На рисунках Л.1 и Л.2 показаны соответственно диаграммы разрушения промышленных зданий и поражения людей, параметры которых приведены в [58]. На этих рисунках показан также график функции параметров поражения для случая детонации облака ТВС, содержащего 2664,8 кг пропана во взрывоопасных пределах. Этот график построен с использованием формулы (Л.2). Численное решение системы уравнений (Л.2) и (Л.3) позволяет определить радиусы поражения объектов, нагружаемых воздушной ударной волной (этим радиусам отвечают точки пересечения с графиком функции , см. рисунки Л.1 и Л.2.

В таблице Л.1 приведены значения радиусов поражения для различных характеристик действия воздушной ударной волны, полученные путем решения системы уравнений (Л.2) и (Л.3).

Необходимо иметь в виду, что реальное деление плоскости координат и I на две части (выше диаграммы - область разрушения, а ниже - область устойчивости) не имеет четкой границы. При приближении параметров воздушной ударной волны к границе опасной области вероятность заданного уровня поражения нарастает от 0 до 100%. При превышении известного уровня величин максимального избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия достигается 100%-ная вероятность поражения. Для учета этой особенности диаграмм поражения при оценке вероятности достижения того или иного уровня ущерба применяются пробит-функции [58].

Вероятность повреждения стен промышленных зданий, при которых возможно восстановление зданий без их сноса, может быть оценена по формуле

. (Л.5)

Вероятность разрушения промышленных зданий, при которых здания подлежат сносу, оценивается по формуле

. (Л.6)

Таблица Л.1 - Радиусы зон поражения при взрыве облака ТВС, содержащего во взрывоопасных пределах 2664,8 кг пропана

Характеристика действия ударной волны	r, м
Разрушение зданий
Полное разрушение зданий	87,3
Граница области сильных разрушений: 50%-75% стен разрушено или находится на грани разрушения	129,4
Граница области значительных повреждений: повреждение некоторых конструктивных элементов, несущих нагрузку	227,2
Граница области минимальных повреждений: разрывы некоторых соединений, расчленение конструкций	873,6
Полное разрушение остеклений	418,4

Связь вероятности поражения Р с пробит-функцией Рr показана на рисунке Л.2 и представлена в [58].

На рисунке Л.3 приведены вероятности поражения промышленных зданий воздушной ударной волной, образующейся при детонации облака пропано-воздушной смеси с m = 2664,8 кг в зависимости от расстояния до центра источника взрыва. Графики на рисунке Л.3 построены с использованием формул (Л.5) и (Л.6).

Допустимым расстоянием расположения промышленных зданий, при котором возможно восстановление зданий без их сноса, можно считать радиус r более 484,2 м от центра облака ТВС. Безопасный радиус r для случая разрушения промышленных зданий без возможности их восстановления составляет 318,4 м.

Такой сценарий развития аварии представляется весьма маловероятным, однако, оценка последствий такого аварийного взрыва дает представление о предельно возможных радиусах поражения объектов.

На рисунках Л.4 и Л.5 пунктирными кривыми приведены графики функций максимального избыточного давления и удельного импульса фазы сжатия воздушной ударной волны от расстояния до центра облака ТВС для случая m = 26648 кг. Видно, что основные ударно-волновые параметры взрыва при m = 26648 кг во много раз превосходят значения величин и I для случая m = 2664,8 кг, соответственно, существенно большими оказываются и радиусы поражения. Так, радиус, соответствующий полному разрушению зданий, при увеличении массы пропана во взрывоопасных пределах m в десять раз, возрастает в 2,16 раза и составляет 188,9 м. Примерно во столько же раз возрастают и радиусы поражения, отвечающие другим характеристикам действия ударной волны. Граница области сильных разрушений промышленных зданий при m = 26648 кг располагается на удалении 280,9 м от центра облака ТВС, граница области значительных повреждений - на 493,0 м, а граница области минимальных повреждений - на 1915,3 м.

Анализ диаграмм поражения, представленных на рисунке Л.1, показывает, что для рассматриваемых случаев аварийного взрыва облака ТВС нагрузка на различные объекты близка к квазистатической и для оценки последствий таких крупномасштабных взрывов можно использовать частный критерий поражения по амплитуде воздушной ударной волны (формула (Л.2)). Значения * [58], [59], которые отвечают тому или иному уровню разрушения промышленных зданий приведены в таблице Л.2. В таблице Л.2 указаны рассчитанные по формуле (Л.2) и формуле (Л.5) радиусы поражения промышленных зданий.

Таблица Л.2 - Уровни разрушения зданий

Категория повреждения	Характеристика повреждения	*, кПа	r, м
А	Полное разрушение здания	100	73,1
В	Тяжелые повреждения, здание подлежит сносу	70	87,9
С	Средние повреждения, возможно восстановление здания	28	148,6
D	Разрушение оконных проемов, легко сбрасываемых конструкций	14	236,9