Попов Н. Н., Расторгуев Б. С. - Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений

Н. Н. Попов, Б. С. Расторгуев

Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений

Москве   Стройиздат   1980

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство»

ББК 38.712

Попов Н. Н., Расторгуев Б. С.

П 58 Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений: Учеб. пособие для вузов. — М.: Стройиздат, 1980. — 190 с, ил.

Приведены современные методы расчета специальных сооружений на воздействие взрывных волн. Рассмотрены методы расчета железобетонных конструкций — балок с различными условиями закрепления концов, впецентренно сжатых элементов (колонн, арок); описан метод, позволяющий учитывать влияние вертикальных перемещений, вызываемых податливостью грунтового основания. Методы расчета изложены с учетом работы конструкций в упругой и пластической стадиях.

Пособие предназначено для студентов строительных вузов и факультетов

© Стройиздат, 1980

Предисловие

Основные направления развития народного хозяйства СССР на 1976—1980 годы предусматривают снижение материалоемкости и стоимости конструкций, повышение качества проектов. В решении этих проблем важное место принадлежит совершенствованию методов расчета конструкций, в частности методов расчета конструкций и сооружений на непериодические динамические нагрузки, вызванные интенсивными кратковременными воздействиями. Для гражданских и промышленных зданий и сооружений кратковременными динамическими нагрузками являются случайные однократные воздействия аварийного типа (взрывы газо- или пылевоздушных смесей, паровых котлов, баллонов с сжиженным газом, обрушения, удары и т. п.). Для специальных защитных сооружений (убежищ гражданской обороны) динамическую нагрузку создает взрыв обычных или ядерных зарядов.

Анализ аварий на взрывоопасных производствах показывает, что последствиями взрыва могут быть огромный материальный ущерб, травмы и даже гибель обслуживающего персонала. Взрывобезопасность промышленных здании и сооружений обеспечивается комплексом мероприятий по предотвращению взрыва, локализации его воздействия, повышению взрывостойкости основных несущих строительных конструкций и устройству специальных легкосбрасываемых элементов.

Задача защиты населения в условиях возможной войны решается посредством эвакуации и рассредоточения его из районов вероятных ударов противника, а также путем укрытия в убежищах рабочих и служащих, оставшихся в городах. Убежища должны быть спроектированы таким образом, чтобы обеспечить надежную защиту от современных средств поражений и быть экономичными.

Расчет несущих конструкций, воспринимающих действие взрыва как во взрывоопасных производствах, так и в защитных сооружениях, основан на общих принципах специального раздела динамики сооружений, в котором рассматриваются кратковременные динамические воздействия. Поэтому принят единый подход к расчету на воздействие взрывных волн несущих конструкций сооружений различного назначения. В настоящем пособии основное внимание уделено расчету железобетонных конструкций специальных защитных сооружений (убежищ) на действие кратковременных динамических нагрузок.   Рассмотрено также проектирование специальных сооружений, в том числе объемно-планировочные и конструктивные решения. Все эти вопросы, встречающиеся при выполнении дипломных  проектов,   недостаточно освещены в  учебной  литературе.

Мероприятия по предотвращению взрыва во взрывоопасных производствах и общие инженерные мероприятия гражданской обороны в пособии не рассматриваются.

Книга предназначена для использования в качестве пособия при решении специальных вопросов дипломного проектирования студентами строительных вузов и факультетов и при подготовке аспирантов, специализирующихся в области динамических расчетов строительных конструкций. Кроме того, книга может быть использована инженерами-проектировщиками и научными работниками, занятыми расчетами специальных сооружений.

Глава I написана Н. Н. Поповым, гл. V и VI — Б. С Расторгуевым, остальные разделы написаны совместно. В книге использованы работы авторов и результаты исследований, выполненных авторами и их аспирантами в последние годы. Авторы выражают глубокую благодарность профессорам Р. О. Бакирову, А. И. Цейтлину за ценные замечания, сделанные при рецензировании рукописи.

ГЛАВА  I. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СООРУЖЕНИЯ  (УБЕЖИЩА)

Специальные сооружения предназначены для защиты рабочих и служащих в городах на жизненно важных промышленных объектах для обеспечения их бесперебойного функционирования. Такие сооружения возводятся заблаговременно и обычно располагаются в помещениях, предназначенных в мирное время для нужд народного хозяйства.

§ 1. Характеристика поражающих факторов при ядерном взрыве

Действие ядерного взрыва основано на использовании энергии, выделяющейся при ядерных реакциях. Огромное количество энергии, высвобождающейся при взрыве, расходуется на образование ударной волны, радиоактивное и световое излучение г. Ударная волна разрушает или повреждает сооружения, а также поражает людей, не успевших укрыться в убежищах. Радиоактивное излучение поражает людей как в момент взрыва (проникающая радиация), так и после выпадения осадков по следу радиоактивного облака (радиоактивное заражение местности). Световое излучение вызывает ожоги кожи, а также воспламенение материалов, приводящее к пожарам.

Характер поражающих факторов и размеры зон поражения зависят от мощности заряда, вида взрыва и других факторов. Мощность ядерных боеприпасов, которые могут при меняться для ядерных ударов по городам и другим объектам эквивалентна энергии, выделяемой сотнями тысяч и даже миллионами тонн обычного  взрывчатого   вещества – тротила.

Взрыв может быть проведен в воздухе на различной высоте - воздушный  взрыв у поверхности   земли   (воды)— надземный (надводный) и под землей (водой) – подземный (подводный подземный  ()ергии могут при-) (рис. 1). Вид взрыва определяется характером цели и поставленной задачей.

Воздушный взрыв характеризуется большей площадью разрушения и повреждения наземных объектов по сравнению с наземным. Радиоактивное заражение местности при там незначительно. При наземном взрыве радиус действия ударной волны и светового излучения уменьшается, а радиоактивное заражение местности увеличивается. При взрыве под землей (водой) радиус действия ударной волны меньше по сравнению с наземным взрывом, а при большом заглублении воздушная ударная волна может вообще отсутствовать.

Города и народнохозяйственные объекты будут разрушаться воздушными и наземными ядерными взрывами. Подземный (подводный) взрыв ядерного боеприпаса может быть применен для разрушения особо прочных подземных сооружений.

Для определения параметров поражающих факторов ядерного взрыва, необходимых при проектировании убежищ, в настоящее время разработаны различные методики [3, 4, 8]. Некоторые сведения об основных поражающих факторах приведены ниже.

Радиоактивные излучения при ядерном взрыве принято делить на начальное, действующее в течение примерно 15 с с момента взрыва \ и остаточное, действующее продолжительное время. Начальное излучение состоит в основном из потока нейтронов и гамма-лучей, которые наиболее опасны из-за большого радиуса действия и высокой поражающей способности.

Остаточное излучение выделяется радиоактивными осколками деления и частицами грунта, попавшими в радиоактивное облако. При выпадении этих частиц на поверхность земли по направлению движения облака происходит радиоактивное заражение местности, в результате в районе взрыва с подветренной стороны от эпицентра образуется радиоактивный след. Радиоактивные частицы попадают в организм человека через органы дыхания и с пищей, вызывая внутреннее облучение, однако основную опасность для человека представляют гамма-излучения радиоактивных осадков, поскольку никаких эффективных мер от внешнего облучения, вызванного начальными и остаточными излучениями, кроме укрытий, не существует.

Защитные свойства зданий и сооружений по отношению к гамма-излучению характеризуются коэффициентом ослабления радиации, который показывает, во сколько раз уменьшается доза облучения человека в сооружении по сравнению с дозой облучения на открытой местности. При расчетах защитной толщины обычно пользуются слоем половинного ослабления гамма-лучей, т. е. толщиной слоя поглотителя, которая снижает интенсивность или дозу радиации в 2 раза. Толщина слоя половинного ослабления, см,

d=13/y,

где у — объемная масса материала преграды, т/м3.

Световое излучение распространяется от центра взрыва со скоростью света и вызывает воспламенение материалов и ожоги людей. Характер и степень поражения от светового излучения определяются световым импульсом, временем его действия и характером объекта. Световой импульс зависит от расстояния до объекта и состояния атмосферы (содержания влаги и пылевых частиц). Среднее значение светового импульса, вызывающего воспламенение возгораемых горючих материалов домашнего обихода, 5—10 кал/см2. При наземном взрыве мощностью  1  млн. т световой  импульс достигает таких значений на расстоянии 8—10 км. Средства защиты от ударной волны и проникающей радиации обеспечивают защиту и от светового излучения.

Характер завалов и пожаров. В результате разрушения наземных зданий и сооружений ударной волной ядерного взрыва на улицах и во дворах образуются завалы. Размеры завалов в плане и по высоте зависят от объема материала, попавшего в завал, и от дальности разлета обломков. При увеличении давления во фронте ударной волны дальность разлета обломков увеличивается, а высота завала в контурах зданий уменьшается. Завалы, образующиеся при разрушении зданий, представляют собой хаотическое нагромождение и переплетение обломков стен, перекрытий, перегородок, санитарно-технических устройств и других элементов сооружений. При полном разрушении жилых зданий на каждые 1000 м3 объема образуется от 350 до 500 м3 рыхлых завалов. В зависимости от плотности и этажности застройки, а также избыточного давления могут образоваться местные и сплошные завалы. При давлении ударной волны более 1,2 кгс/см2 (0,12 МПа), как правило, образуются сплошные завалы по всей территории застройки. Ожидаемая высота завалов является определяющей при назначении высоты оголовка аварийного выхода из убежища и его удалении от наружной    стены.

Неизбежным следствием ядерного взрыва являются пожары, вызываемые непосредственным воздействием светового излучения на сгораемые конструкции, разрушением топящихся печей, повреждением газовых магистралей, коротким замыканием электросетей в поврежденных зданиях и т. п. В зависимости от плотности застройки, огнестойкости зданий и степени разрушения различают пожары отдельные, сплошные, штормовые и в завалах.

Отдельные пожары возникают при малой плотности застройки (менее 20%), когда удаление их друг от друга таково, что каждый из них развивается самостоятельно. При увеличении плотности застройки, когда отдельно горящие объекты оказывают взаимное влияние, возможны сплошные пожары. В городских кварталах с высокой плотностью застройки (до 40%), при большом количестве горючих материалов возникает штормовой пожар — особый вид сплошного пожара, который характеризуется интенсивным горением материалов с образованием центростремительных потоков воздуха, а также колонны нагретого воздуха и продуктов сгорания, поднимающихся на высоту до 5 км. Перечисленные виды пожаров следует ожидать на территории, где давление во фронте ударной волны не превышает 0,5 кгс/см2 (0,05 МПа). В зоне с большим давлением возможны пожары в завалах, которые характеризуются большой длительностью и относительно невысокими температурами воздуха [3].

Температура в очаге пожара может держаться длительное время в пределах 300—1000 СС. Поэтому при отсутствии надежной защиты температура в убежищах, находящихся под горящими зданиями, в результате прогрева ограждающих конструкций может повыситься до величины, опасной для жизни люден.

В связи с этим ограждения убежищ должны иметь теплоизоляцию, что достигается увеличением толщины несущих конструкций или устройством теплоизоляционного слоя, экранов и продухов.

Предельная температура на внутренней поверхности конструкций вследствие прогрева при пожарах принимается не более 30° С. Теплоизоляцию устраивают на наружной и внутренней поверхности ограждений. Наружную теплоизоляцию изготовляют из негорючих материалов с низким коэффициентом теплопроводности (шлак, керамзит и др.)