Главная » Литература » Конструкции промышленных зданий » Расторгуев - Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействия
Расторгуев - Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействия
Приведены общие рекомендации по проектированию взрывоустойчивых зданий и сооружений из железобетонных, стальных и каменных конструкций. Изложены методики определения параметров динамических нагрузок, возникающих при взрывах газопаровоздушных смесей (ГПВС). Сформулированы основные положения расчета конструкций и несущих систем промышленных зданий на особое сочетание нагрузок с учётом взрывной нагрузки. В пособии использован упрощенный метод расчета, основанный на сведении кратковременных динамических нагрузок от действия взрыва к эквивалентным статическим нагрузкам. Даны подробные примеры расчётов основных конструктивных элементов и несущих систем зданий в целом на действие наружного взрыва вследствие детонации конденсированных ВВ, взрывного горения (дефлаграции) ГПВС, а также внутреннего дефлаграционного взрыва.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Некоторые производственные здания в процессе эксплуатации могут подвергнуться особым динамическим воздействиям, возникающим вследствие взрывов газопаровоздушных смесей (ГЛВС), конденсированных взрывчатых веществ (ВВ), баллонов со сжиженным газом, паровых котлов и т.п. В настоящее время в связи с развитием химической, нефтяной, других отраслей промышленности, связанных с применением горючих газов и жидкостей, в индустриально развитых странах наблюдается устойчивая тенденция к увеличению количества взрывных воздействий на конструкции производственных зданий и сооружений [1,3]. Такие воздействия характеризуются большой интенсивностью, временем действия, сопоставимым с периодом собственных колебаний конструктивных элементов здания, и способом приложения, отличным от приложения статических нагрузок (противоположное направление действия, набегание взрывной волны на сооружение и т.п.). При этом в зависимости от расположения источника взрыва по отношению к зданию различают внутренние и наружные взрывы. Их последствиями может быть огромный материальный ущерб, травмы и гибель обслуживающего персонала.
Проектирование взрывобезопасных зданий включает комплекс мероприятий, направленных на предотвращение и локализацию взрыва, снижение интенсивности взрывных волн и восприятие их воздействия с установленной степенью повреждений,
Предотвращение взрыва обеспечивается исправным состоянием технологического оборудования, строгим выполнением правил безопасности по его эксплуатации, систематическим и качественным проведением профилактического ремонта оборудования, предупреждением образования искр и т.д. Кроме того, производства должны быть оснащены надёжными средствами противоаварийной защиты от загазованности и исправно работающей вентиляцией.
Снижение интенсивности взрывных волн при внутреннем взрыве обеспечивается устройством предохранительных конструкций (ПК) [легкоразрушающихся (остекление), легкосбрасываемых и легкооткрывающихся] в ограждении здания [14].
Снижение давления в проходящей ударной волне при внешнем взрыве достигается за счёт достаточного удаления взрывоопасного здания и его рационального расположения по отношению к рассматриваемому производственному зданию. При невозможности значительного разноса зданий целесообразно возведение между ними различных экранирующих устройств: зелёных насаждений, защитных преград (сплошных и перфорированных) и т.п.
В настоящем Пособии рассматривается широкий круг вопросов, связанных с проектированием взрывоопасных производственных зданий. Приведены основные требования к зданиям и сооружениям, их конструктивным элементам, подвергающимся интенсивным взрывным воздействиям, а также зависимости для определения параметров нагрузок, возникающих при взрывах конденсированных ВВ и ГПВС. При этом большое внимание уделено определению нагрузок на здания при воздействии наружных дефлаграционных взрывов, поскольку данный вопрос освещен в специальной литературе недостаточно полно. Изложены особенности проектирования одноэтажных и многоэтажных производственных зданий, которые могут подвергнуться аварийным взрывным воздействиям,
Предисловие, разделы 1,3,4,5, пп, 2.3-2.6 написаны проф., д.т.н. Расторгуевым Б.С. и к.т.н. Плотниковым А.И., пп. 2.1, 2.2 написаны к.т.н Хуснутдиновым Д.З. В написании раздела 1 и при обсуждении общего построения Пособия принимал участие проф., д.т.н. Попов Н.Н, являющийся одним из основоположников расчёта конструкций на действие кратковременных динамических нагрузок.
Пособие предназначено для студентов и аспирантов строительных вузов и факультетов, инженерно-технических работников проектных и научно-исследовательских организаций.
1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЗРЫВОУСТОЙЧИВЫХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ
1.1. В Пособии даются рекомендации по расчету и проектированию железобетонных, каменных и стальных конструкций производственных зданий и сооружений, которые могут подвергнуться воздействию взрывных нагрузок от внутреннего или внешнего взрыва (взрывоопасные сооружения). Специальные конструктивные требования распространяются только на здания и сооружения, прочность которых, удовлетворяющая условиям воздействия обычных эксплуатационных нагрузок, может оказаться недостаточной для восприятия взрывных нагрузок:
1.2. Для основных несущих конструкций взрывоопасных сооружений целесообразно применять сборно-монолитный и монолитный железобетон.
Для сборно-монолитных конструкций необходимо предусматривать специальные мероприятия, обеспечивающие надежную совместную работу сборных элементов с монолитным бетоном: выпуски арматуры в сторону контакта с монолитным бетоном, устройство продольных ребер, поперечных шпонок и т.п.
При применении сборных железобетонных конструкций следует стремиться максимально использовать типовые железобетонные несущие конструкции зданий и сооружений для сейсмических районов. Для обеспечения пространственной жёсткости здания конструкции должны надёжно соединяться между собой сваркой закладных деталей, устройством шпоночных соединений, замоноличиванием выпусков арматуры и т.п. Целесообразно стыки соединений элементов выполнять жёсткими для создания более эффективных статически неопределимых систем.
1.3. Помещения со взрывоопасными производствами могут быть расположены как в одноэтажных, так и в многоэтажных промышленных зданиях. В последнем случае взрывоопасные помещения целесообразно размещать в верхних этажах, при этом необходимо стремиться к такому их расположению в плане, чтобы обеспечивалась максимально возможная площадь поверхности вертикального наружного ограждения. Располагать помещения со взрывоопасными производствами в подвальных этажах не допускается. Тяжелое оборудование целесообразно располагать в нижнем этаже. Технологическое оборудование, трубопроводы и т.п., должны быть надежно закреплены (заанкерены) для предотвращения их смещения при воздействии нагрузок от аварийных взрывов. Прочность анкерных соединений должна проверяться расчётом.
1.4. В одноэтажных каркасных зданиях следует применять минимально возможную по технологическим условиям сетку колонн с шагом ригелей, совпадающим с шагом колонн 6x12 м, 6x18 м). При необходимости оборудования здания мостовыми кранами целесообразно устраивать внутреннюю эстакаду, отделенную от несущего каркаса.
Рекомендуется по возможности локализовывать объемы с взрывоопасными участками технологического процесса устройством монолитных или сборно-монолитных защитных конструкций. При этом в зависимости от особенностей технологического процесса возможны следующие схемы расположения защищаемых участков в плане здания:
1 - в любой части здания с образованием замкнутой защитной конструкции, полностью отделяющей взрывоопасный участок от окружающего объема остального помещения (рис. 1.1, а);
2 - в частях здания, примыкающих к одной из наружных стен, в которых устраиваются предохранительные конструкции (ПК) (п. 1.15, рис. 1.1,6);
3 - на участках, занимающих всю ширину здания с примыкающими наружными стенами, в которых устраиваются ПК (рис. 1.1, в).
Защитные конструкции могут выполняться из плоских элементов и с использованием для покрытия криволинейных элементов. Возможны также круглые в плане защитные конструкции с купольным покрытием.
При размещении защитных конструкций в здании в соответствии с указанными схемами основное здание может возводиться с применением типовых конструкций.
1.5. Форма взрывоопасных помещений должна быть по возможности простой. Ограждающие конструкции помещения, а также расположенные в нем строительные конструкции и оборудование не должны приводить к значительной интенсификации взрывного горения ГПВС вследствие заужения сечений помещения на пути распространения пламени.
При разработке объемно-планировочных решений помещений взрывоопасных производств нужно стремиться к тому, чтобы линейные размеры (высота, ширина и длина) не более чем в 5 раз отличались один от другого. Отношение наибольшего из указанных размеров к наименьшему, большее 10, допускается только в тех случаях, когда это связано с осуществлением предусмотренных в помещении технологических процессов.
1.6. Для размещения пунктов управления крупных промышленных предприятий с взрывоопасными производствами целесообразно возводить отдельно стоящие монолитные здания с сеткой колонн 4,5x6 м, 6x6 м, способные обеспечивать защиту от взрывной волны интенсивностью до 100 кПа и более. Конструктивная схема здания принимается каркасной с продольным и поперечным расположением ригелей (рис. 1.2).
Покрытия в промышленных зданиях с прямолинейными ригелями и пунктах управления могут быть выполнены сборно-монолитными, состоящими из сборных ребристых плит типа перевернутого 2Т шириной
1.7. При взрывной нагрузке с ∆pф≤ 10 кПа для одноэтажных промышленных зданий возможно применение типовых сборных конструкций, в которых поперечные рамы образованы колоннами и ригелями в виде стропильных конструкций, шарнирно соединенных с колоннами. Плиты покрытия следует применять шириной
При воздействии взрывной нагрузки на торец здания необходимо в соответствующих крайних шагах колонн предусмотреть специальные конструкции (рамы, связи), рассчитанные на восприятие динамической нагрузки. Торцевые стены в этих случаях целесообразно выполнять из монолитного железобетона.
1.8. При проектировании многоэтажных зданий следует стремиться к уменьшению размеров сетки колонн и высоты этажей. Наибольшая степень взрывоустойчивости обеспечивается для зданий из монолитного железобетона рамно-связевой системы с вертикальными железобетонными диафрагмами, расположенными в направлении действия взрывной волны. В другом направлении здание может быть выполнено по рамной системе.
Несущая система здания также может устраиваться в виде рамного каркаса с ригелями, расположенными в двух направлениях, и монолитными или сборными перекрытиями.
1.9. Конструктивное решение многоэтажных зданий зависит от расположения помещений со взрывоопасным производством в плане здания и по его высоте. Возможны следующие варианты расположения взрывоопасных помещений:
- на одном этаже или его части (рис. 1.4. а);
- на двух или более смежных этажах (рис. 1.4. б).
Второй вариант может иметь место в случаях, когда площадь проемов в перекрытии между этажами занимает не менее 20 % площади перекрытия взрывоопасных помещений. Эти помещения следует по возможности располагать так, чтобы они примыкали к наружному ограждению здания, в котором устраиваются ПК.
Помещения со взрывоопасным производством целесообразно отделять от остального здания разделительными стенками, которые должны рассчитываться на нагрузку, превышающую расчетную для взрывоопасных помещений на 20 %.
1.10. Для исключения передачи динамических усилий с несущих конструкций помещений со взрывоопасным производством на каркас остального здания рекомендуется устраивать деформационные швы, отделяющие эти помещения от соседних. Ширина деформационного шва не должна препятствовать взаимному горизонтальному смещению частей здания. Проемы в стенах взрывоопасных помещений, отделяющих их от соседних, должны перекрываться защитными конструкциями (двери, люки, ворота и т.п.), рассчитываемыми на нагрузку от избыточного давления, возникающего при взрывном горении ГПВС. Под действием этой нагрузки указанные конструкции не должны разрушаться или открываться.
Если по условиям технологического процесса защитные конструкции между взрывоопасным отсеком здания и соседними помещениями не могут быть установлены, то помещения, в которых невозможно образование и воспламенение ГПВС, также считаются взрывоопасными. Необходимые устройства в стенах и перекрытиях в виде технологических каналов, трубопроводов, электрических кабелей должны исключать проникание в соседние помещения горючих смесей, а также их скопление. Места прохождения в стенах и покрытиях каналов, трубопроводов и т.п. должны уплотняться раствором на полную толщину стены или перекрытия.
1.11. Поверхность стен и потолков в помещениях, в которых могут образовываться взрывоопасные пылевоздушные смеси, должна быть гладкой, без борозд, раковин, неровностей, способствующих накапливанию пыли. Элементы строительных конструкций (а также внутреннее оборудование) в таких помещениях должны быть удобными для удаления оседающей на них пыли. Полы в помещениях, где могут образовываться взрывоопасные пылевоздушные смеси, не должны иметь борозд, швов, стыков и других неровностей, за исключением тех случаев, когда необходимость их устройства обусловливается соответствующими технологическими процессами. Углы и пазы между полами и стенами должны быть сглажены или закруглены. Подпольные каналы и приямки в помещениях, где возможно выделение газов с большим объёмным весом, не устраиваются.
1.12. Непосредственное примыкание к взрывоопасным отсекам здания помещений с постоянным пребыванием в них более 5 человек или эпизодическим одновременным пребыванием более 15 человек (бытовки, комнаты приёма пищи и т.п.) не допускается.
1.13. Прокладка транзитных инженерных коммуникаций сжатого воздуха, газо- и паропроводов через взрывоопасные помещения не допускается. При необходимости прокладки указанных магистралей следует предусматривать устройства для их отключения.
Технологическое оборудование, трубопроводы и т.п. должны быть закреплены в основных несущих конструкциях для предотвращения их от смещения при воздействии взрывных нагрузок от аварийных взрывов.
1.14. Взрывоустойчивость производственных зданий при внутренних взрывах достигается путем снижения избыточного давления внутри взрывоопасных помещений и обеспечением несущей способности или пригодности к дальнейшей эксплуатации основных строительных конструкций.
1.15. Снижение избыточного давления достигается с помощью установки в ограждении взрывоопасных помещений предохранительных конструкций (ПК), которые могут быть инерционными и безынерционными (вскрывающимися практически мгновенно). В качестве безынерционных ПК могут использоваться остекление помещений, поворотные элементы заполнения оконных и дверных проемов, в качестве инерционных - облегченные стеновые панели, а также элементы, расположенные в покрытии (поверхностная плотность ПК не должна превышать 70 кг/м2). Устройство ПК в покрытии помещений необходимо предусматривать лишь в случаях, когда площадь ПК в наружном стеновом ограждении недостаточна для снижения максимального избыточного давления до допускаемой величины.
Применяемые типы ПК должны вскрываться при избыточном давлении, не превышающем безопасных для основных несущих конструкций здания значений. Для этого при устройстве смещающихся и вращающихся ПК необходимо использовать крепежные (запорные) устройства, которые бы обеспечивали надежное и независимое вскрытие этих конструкций при достижении указанных значений избыточных давлений.
В наружном ограждении помещений ПК нужно устанавливать по возможности ближе к ожидаемым местам воспламенения ГПВС. Конструктивные решения наружного ограждения взрывоопасных зданий должны приниматься с учетом видов и размеров используемых ПК, а также требуемой площади перекрываемых ими проемов в наружном ограждении. Проектирование ПК осуществляется по специальным руководствам [12-14].
1.16. В одноэтажных промышленных зданиях для предотвращения обрушения сборных плит покрытия необходимо соединять их между собой стальными накладками (рис. 1.5.) и крепить каждую плиту к стропильным конструкциям сваркой опорных закладных деталей не менее чем в трёх углах. В качестве стропильных конструкций целесообразно использовать балки пролетом до
Одноэтажные промышленные здания из монолитного железобетона рекомендуется проектировать каркасными с прямолинейными , ломаными и криволинейными с затяжками ригелями поперечных рам. Покрытие может быть выполнено гладким в виде плиты постоянной толщины или ребристым с продольными балками, объединенными плитой. Стеновое ограждение решается с применением монолитного железобетона, сборных железобетонных панелей или каменной кладки. При необходимости в стенах могут устраиваться оконные проемы, используемые в качестве ПК.
1.17. При проектировании конструкций зданий и сооружений, которые могут подвергаться воздействию взрывных нагрузок, необходимо:
- применять материалы и конструкции, обеспечивающие развитие пластических деформаций и перераспределение усилий в наиболее напряженных элементах;
- использовать конструктивные схемы, обеспечивающие общую устойчивость сооружения (при развитии в конструкциях и их соединениях пластических деформаций), а также живучесть сооружения (при полном разрушении некоторых несущих элементов от взрывного воздействия).
1.18. Несущие железобетонные конструкции взрывоопасных зданий и сооружений следует выполнять с использованием конструкционных бетонов, соответствующих ГОСТ 25192-82:
- тяжёлого средней плотности от 2200 до 2500 кг/м2 включительно;
- мелкозернистого средней плотности свыше 800 кг/м2.
Класс бетона по прочности на сжатие должен приниматься не менее В15.
1.19. Для армирования железобетонных конструкций взрывоопасных зданий следует применять в качестве рабочей ненапрягаемой арматуры горячекатаную стержневую арматуру классов А300(А-П), А400(А-111,Ат-111С), A600(A-IV) и арматурную проволоку В500(Вр-1), в качестве напрягаемой - стержневую арматуру классов A600(A-IV), A800(A-V), A1000(A-VT).
Применение сталей с относительными удлинениями после разрыва менее 4% не допускается. Изгибаемые железобетонные элементы не следует проектировать переармированными. Для повышения предельных деформаций бетона при сжатии в сечениях железобетонных элементов рекомендуется предусматривать косвенное сетчатое армирование.
1.20. Каменные и армокаменные несущие и самонесущие стены взрывоопасных зданий рекомендуется проектировать с использованием полнотелого (керамического) кирпича, керамических и бетонных камней марки не нижеМ75 на растворах марки не ниже М50 со специальными добавками, повышающими сцепление раствора с кирпичом или камнем (группа кладки I).
Для повышения несущей способности каменных конструкций следует применять:
а) сетчатое армирование (для внецентренно сжатых с малыми эксцентриситетами элементов);
б) продольное армирование (для изгибаемых и внецентренно сжатых с большими эксцентриситетами элементов).
Для сетчатого армирования каменных конструкций следует применять стали классов А240(А-1) и В500(Вр-1). Для продольного армирования каменной кладки следует применять стали классов А240(А-1), А300(А-11), В500(Вр-1).
Здания с каменными и армокаменными несущими стенами следует проектировать по конструктивной схеме с жёсткими (неподвижными) горизонтальными опорами в виде перекрытий, опирающихся на поперечные стены, расстояния между которыми не должны превышать
1.21. Стальные несущие конструкции взрывоопасных зданий и сооружений следует проектировать из сталей группы I согласно [22]. При взрывах внутри помещений необходимо предусматривать мероприятия по повышению огнестойкости стальных конструкций при возможном высокотемпературном воздействии на них в результате пожара, вызванного взрывом.
...