Котляревский - Убежища гражданской обороны. Конструкции и расчет

Убежища гражданской обороны: Конструкций У 17 и расчет/В. А. Котляревский, В. И. Ганушкин, А. А. Костин и др.; Под ред. В. А. Котляревского.—М.: Стройиздат, 1989. — 606 с: ил.

Рассмотрены объемно-планировочные и конструктивные решения убежищ гражданской обороны. Изложены  инженерные, а также с применением ЭВМ методы динамического  расчета конструкций и заглубленных сооружений на  механическое действие взрыва.

Для инженерно-технических и научных работников  проектных и научно-исследовательских организаций, а также  штабов гражданской обороны. Может быть использована  студентами строительных вузов.

© Стройиздат, 1989

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основной задачей гражданской обороны является защита  населения от современных средств поражения путем размещения в  защитных сооружениях (убежищах и противорадиационных  укрытиях). Строительство этих сооружений осуществляют заблаговременно либо в короткие сроки по особому указанию. Убежища в системе защитных сооружений занимают главенствующую роль, так как  обеспечивают противоядерную, противохимическую,  противорадиационную и противобактериологическую защиту укрываемых.

Основополагающим фактором, учитываемым при  проектировании убежищ, является поражающее действие взрыва ядерного боеприпаса, которое наиболее существенно влияет на конструктивно- планировочное решение убежищ и их стоимость.

В настоящей книге рассмотрены вопросы проектирования  сооружений гражданской обороны и их расчета на действие  кратковременных динамических нагрузок от современных средств  поражения. В первой части книги изложены общие сведения о  поражающих факторах ядерного взрыва и его последствиях, рассмотрены объемно-планировочные и конструктивные решения современных убежищ, оценено влияние ряда факторов на их  технико-экономические показатели, даны рекомендации и технические предложения по снижению материалоемкости и стоимости защитных сооружений.

Вторая часть посвящена инженерным методам расчета  сооружений, включающим определение параметров динамических  нагрузок на конструкции убежищ под разрушаемыми зданиями,  расчет элементов многоэтажных заглубленных убежищ, а также расчет конструкций на местное действие удара обломками надземной  части здания.

В третьей части изложены методы динамического расчета  конструкций сооружений на ЭВМ. Описаны оригинальные  вычислительные комплексы и программы, позволяющие проводить численный анализ напряженно-деформированного состояния и параметров  движения сооружений гражданской обороны с учетом реального  поведения в динамике грунтовых сред и конструкционных материалов.

Численные методы применены и для динамического расчета  наиболее распространенных в строительстве балочных железобетонных и стальных конструкций с учетом эффектов скоростного нагружения.

Глава 1 написана В. А. Котляревским и В. И. Ганушкиным; главы 2, 9, 10, 11, 12 —В. А. Котляревским; глава 3 (кроме 3.1) и 8.8 — А. И. Костиным; главы 4, 5 и 3.1—В. И. Ганушкиным; главы 6, 7, 8 (кроме 8.8) — В. И. Ларионовым; глава 13 — В. А. Котляревским и А. А. Костиным. Авторы выражают благодарность проф. Р. О. Бакирову, кандидатам техн. наук В. И. Морозову и А. Н. Самородову за советы,  которые были учтены при подготовке рукописи к изданию, канд. техн. Чаук Е. Г. Майоровой и инж. В. С. Репиной за помощь в решении Ряда задач на ЭВМ и их обработке.

Часть первая

УБЕЖИЩА ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ

Глава 1. СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ

1.1. Общие сведения о средствах поражения 12, 3, 18, 19, 28, 47)

К оружию массового поражения (ОМП) относятся ядерное, химическое и биологическое оружие. Качества ОМП могут приобрести обычные виды оружия в  процессе совершенствования при внесении элементов,  основанных на новых принципах (инфразвуковой, лучевой, радиологический и др.)- К наиболее мощным средствам ОМП относится ядерное оружие, которое состоит из ядерных боеприпасов (боевые части ракет, бомб, мин, снарядов) и средств доставки (носителей). Ядерный взрыв (ЯВ) происходит в результате ядерной реакции деления или синтеза. Калибр («мощность») ядерного боеприпаса (ЯБ) определяется энергией, выделяющейся при ЯВ, сравниваемой с энергией взрыва заряда  химического взрывчатого вещества (ВВ) нормальной  мощности (тротил с теплотой взрыва 4240 кДж/кг). Величина С массы тротилового заряда, эквивалентного по энергии ядерному боеприпасу, называется его тротиловым  эквивалентом.

По мощности ЯБ условно подразделяют на малые — мощностью до 15 кт, средние—15—100 кт, крупные — 100—500 кт, сверхкрупные — свыше 500 кт. Различают взрывы воздушные, наземные и приземные, подземные и подводные. Поражающими факторами воздушного и наземного ЯВ являются воздушная ударная волна,  световое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности (РЗМ) и электромагнитное  излучение (ЭМИ). Около 50 % энергии ЯВ расходуется на  образование ударной волны и воронки в грунте, 30— 40 % — на световое излучение, до 5 % — на  проникающую радиацию и ЭМИ и до 15 % на РЗМ. Нейтронные ЯБ — разновидность ядерных  боеприпасов небольшой мощности с повышенным выходом  радиации. Для этих ЯБ на образование ударной волны расходуется до 10% энергии взрыва, 5—8%—на световое излучение и около 85 % —на нейтронное и  гамма-излучения (проникающую радиацию).

При подземном взрыве на глубине проникания в грунт боеголовок или заложения ядерных фугасов основными поражающими факторами являются сейсмовзрывные волны в грунте и сильное радиоактивное заражение  местности. При подземных взрывах в зонах воронок  разрушаются особо прочные подземные и полузаглубленные сооружения.

К средствам доставки ЯБ к цели относятся ракеты наземного, морского и воздушного базирования,  специальные самолеты и артиллерия. Данные о ЯБ,  доставляемых ракетами стратегического назначения США,  Великобритании и Франции, приведены в табл. 1.1. Стратегическая авиация — бомбардировщики  тяжелые «Стратофортресс» В-52 и В-1, средние FB-111 (США), средние «Вулкан» В-2 (Великобритания),  «Мираж» IV (Франция) могут нести авиабомбы, снаряды и ракеты с ядерными, химическими и  бактериологическими боеголовками. Нейтронные боеприпасы могут  доставляться оперативно-тактическими ракетами Ланс и Першинг-1А, 155 мм и 203,2 мм гаубицами.

Очаги поражения могут возникать от применения обычных средств поражения — зажигательного оружия, площадного оружия (кассетные боеприпасы), а также боеприпасов объемного взрыва и фугасных боеприпасов, снаряженных тротилом.

Боеприпасы объемного взрыва снаряжаются  углеводородными горючими веществами. При распылении в  атмосфере аэрозоля образуется газовоздушная смесь, взрыв которой создает по всему своему объему  интенсивную ударную волну. Поражающее действие волны в несколько раз превышает механическое действие  взрыва тротилового боеприпаса той же массы. Мощность  боеприпасов объемного взрыва близка мощности ядерных боеприпасов сверхмалого калибра.

Разработанные в странах НАТО управляемые  авиабомбы и крылатые ракеты различных классов,  относящиеся к так называемому высокоточному оружию,  способны селективно поражать избранные цели при  круговом вероятном отклонении до 20 м.

При взрывах боеприпасов их механическое  воздействие на объекты обусловлено воздушными ударными и сейсмовзрывными волнами. При наземных и воздушных ЯВ ударная волна является основным поражающим  фактором. Исключение составляют нейтронные боеприпасы, основным поражающим фактором которых является  проникающая радиация.

1.2. Воздушная ударная волна

Взрыв представляет собой кратковременный процесс превращения вещества с выделением большого  количества энергии в небольшом объеме. Указанные  превращения возникают в результате химической реакции (конденсированные, жидкие и газообразные ВВ) или  ядерной (ЯБ). К взрывам, вызванным физическими  причинами, можно также отнести взрывы резервуаров со сжатым газом, паровых котлов, а также мощные искровые разряды.

При взрыве в атмосфере возникают воздушные  ударные волны, распространяющиеся в виде области  сжатия-разрежения со скачком на своем фронте давления, температуры, плотности и скорости частиц среды  (массовой скорости). При взрывах компактного заряда ВВ произвольной формы на расстояниях, превышающих  несколько его характерных размеров, эффективность  действия ударной волны эквивалентна действию заряда  сферической формы. Форма фронта волны также является сферической. Таким образом, форма заряда  несущественно сказывается на параметрах воздушной ударной волны на расстояниях, представляющих практический интерес. Кроме того, масса заряда ВВ на этих  расстояниях оказывается несущественной по сравнению с  массой сферического объема воздуха (за фронтом ударной волны), вовлекаемого в движение. Эти обстоятельства привели к полезной абстракции, облегчающей  постановку и решение задачи о расчете параметров ударных волн — схеме «точечного взрыва».

В теории точечного взрыва [3, 63] считается, что  конечное количество энергии мгновенно выделяется в  точке, т.е. масса продуктов детонации пренебрежимо мала. На не слишком больших расстояниях от центра взрыва давление в волне значительно выше атмосферного  (сильная ударная волна), и атмосферным давлением  пренебрегают. Решение без учета атмосферного  противодавления является автомодельным (самоподобным). На  расстояниях, где давление в волне становится соизмеримым с атмосферным, формулируется задача о точечном  взрыве с учетом противодавления. Такая задача является  неавтомодельной и в общем случае может быть решена только численными методами на ЭВМ. Полное решение автомодельной задачи о точечном взрыве в замкнутом виде дано Л. И. Седовым (1946 г.). В связи с развитием вычислительной техники теория точечного взрыва  интенсивно развивается на неавтомодельные и неодномерные задачи, а также на ситуации, связанные с фазовыми переходами и излучением. Задачу о точечном взрыве обычно формулируют для трех видов симметрии:  сферической, цилиндрической и плоской. Цилиндрическая  симметрия относится к зарядам, распределенным вдоль  некоторой прямой, а плоская — к зарядам, расположенными некоторой плоскости. Эффект действия ударных волн зависит как от вида симметрии, так и от расположения точки (линии, плоскости) взрыва относительно земной поверхности. При воздушном взрыве ударная  сферическая волна достигает земной поверхности и отражается от нее (рис. 1.1). На некотором расстоянии от эпицентра взрыва (проекции центра взрыва на земную поверхность) фронт отраженной волны сливается с фронтом  падающей, вследствие чего образуется так называемая  головная волна с вертикальным фронтом, распространяющаяся от эпицентра вдоль земной поверхности. Ближняя зона, где отсутствует слияние фронтов, называется зоной  регулярного отражения, а дальняя зона, в которой  распространяется головная волна, — зоной нерегулярного  отражения (ниже траектории тройной точки слияния трех фронтов). В ближней зоне при умеренной высоте взрыва давление в ударной волне очень велико. Поэтому  наибольший интерес представляют данные об ударной  волне в дальней зоне.

Характер воздушной ударной волны при наземном взрыве (за пределами воронки) соответствует дальней зоне воздушного взрыва. Таким образом, как при  воздушном, так и при наземном взрывах обычно  рассматривают воздушную ударную волну,  распространяющуюся от эпицентра с вертикальным фронтом. Характерная волновая картина при наземном взрыве приведена на рис. 1.2. В двухслойном грунтовом массиве энергия  взрыва, переданная грунту, вызывает прямую взрывную волну. Воздушная ударная волна В, распространяющаяся вдоль поверхности грунта, замедляется, а ее  интенсивность уменьшается, что вызывает в мягком слое волну сжатия, режим которой 2 на траектории 4 переходит в опережающий режим 5. Кроме того, образуется  преломленная волна 3. При достаточно мощном мягком грунтовом слое наклон волны сжатия весьма мал, т.е. ее фронт почти параллелен поверхности грунта.

При подземном взрыве [60] воздушная ударная  волна ослабляется грунтовой средой. При глубинах,  оптимальных для образования воронок в скальных породах и близких к ним глубинах взрыва, вначале возникает воздушная ударная волна, «наведенная» движением  поверхности грунта, а затем происходит выход или прорыв газов, т. е. воздушная ударная волна имеет два максимума. При взрывах на малых глубинах  наблюдается только волна от выхода газов, а на больших глубинах при камуфлетах — только «наведенная» волна.