Пособие по обследованию и проектированию зданий и сооружений подверженных воздействию взрывных нагрузок

ПОСОБИЕ по обследованию и проектированию зданий и сооружений, подверженных воздействию взрывных нагрузок

Москва, 2000 г.

Содержание

ПРЕДИСЛОВИЕ

В АО «ЦНИИПромзданий» были выполнены две работы, касающиеся основных положений расчета и проектирования элементов зданий при воздействии аварийных и других видов взрыва: «Пособие по проектированию несущих и ограждающих конструкций промышленных зданий для взрывоопасных производств», 1994 г., «Методические указания по проектированию новых и обследованию существующих строительных конструкций зданий и сооружений взрывоопасных производств», 1996 г. Первая из них была утверждена Госстроем России в письме от 26.05.1993 г. № 4.2-09-131/93.

Наличие двух работ затрудняет использование их материалов в обследовании и реальном проектировании. Поэтому целесообразным является создание на основе этих работ единого документа, который мог бы дать ответы на основные вопросы, связанные с воздействием взрывов на строительные конструкции.

Следует подчеркнуть, что формализация таких задач может быть выполнена на математических уровнях, очень разных по глубине. Принято считать, что математический аппарат должен соответствовать точности исходных данных. В проблеме взрывов последние достаточно определены, в то же время подготовка инженеров-строителей не всегда соответствует предлагаемым математическим методикам. Поэтому в данном пособии принят упрощенный подход к некоторым краеугольным проблемам расчета на взрывные нагрузки, в частности, расчетам по предельным состояниям 1б.

Перечень вопросов, затронутых в пособии, достаточно велик: изложены требования к обследованию существующих и проектированию новых зданий и сооружений взрывоопасных производств, некоторые частные способы определения нагрузок, действующих на конструкции, способы расчета площади предохранительных легкосбрасываемых конструкций и их конструктивные решения, методы расчета железобетонных, стальных и каменных конструкций на взрывные нагрузки, а также примеры определения площади предохранительных конструкций и расчета отдельных строительных элементов.

Пособие может быть использовано при разработке проекта «Инженерно-технические мероприятия гражданской обороны. Мероприятия по предупреждению чрезвычайных ситуаций» и составлении Декларации о безопасности, так как содержит материалы по предупреждению взрывов и определению ущербов от их последствий. Пособие может применяться при воздействии как дефлаграционных, так и детонационных взрывов.

В пособии использованы концептуальные подходы к проблеме взрывов и отдельные результаты исследований сотрудников Госгортехнадзора России и МГСУ академика А.А. Шаталова, д.т.н. академика А.В. Мишуева, д.т.н. профессора Б.С. Расторгуева, к.т.н. доцента А.А. Комарова, а также материалы, разработанные д.т.н. профессорами В.А. Горевым, Л.П. Пилюгиным, Г.Г. Орловым.

Пособие одобрено секцией строительных конструкций зданий НТС АО «ЦНИИПромзданий» (протокол от 20.07.2000 г. № К-21).

1. ВВЕДЕНИЕ.

1.1. Настоящие указания содержат материалы для обследования и проектирования строительных конструкций помещений, зданий и сооружений*, которые могут подвергаться воздействию аварийных взрывов газо- паро- пылевоздушных горючих смесей (ПТВС) или взрывчатых веществ (ВВ).

* Далее по тексту, где это возможно, слова помещения, здания и сооружения заменены словом здания.

Указания могут применяться в следующих случаях:

- при проектировании новых взрывопожароопасных объектов промышленности, энергетики, транспорта и т.д.;

- для определения взрывоустойчивости* строительных конструкций существующих зданий при возможных внешних и внутренних взрывах;

- при восстановлении повреждённых или разрушенных зданий, а также их отдельных конструкций;

- при текущем определении технического состояния строительных конструкций взрывоопасных объектов;

- при прогнозировании ущерба от последствий внешних и внутренних взрывов на объектовом, местном и региональном уровнях.

* Под условным термином «взрывоустойчивость» понимается предельное давление во фронте взрывной волны, которое могут воспринять конструкции здания без потери ими несущей способности или пригодности к дальнейшей эксплуатации.

Указания не распространяются на помещения и здания, обследование и проектирование которых осуществляется по специальным нормам и правилам.

1.2. Аварийные взрывы могут иметь детонационный и дефлаграционный характер. Детонационные взрывы в атмосфере характеризуются совместным движением ударной волны и химической зоны горения со сверхзвуковой скоростью или скоростью близкой к скорости звука. В момент подхода ударной волны к препятствию давление скачком повышается от атмосферного Р_о до значения Р_о + ΔР_ф* во фронте волны, а затем постепенно убывает.

* Обозначение ΔР_ф применяется обычно для детонационных взрывов [30], для дефлаграционных взрывов может быть принято Р_ф.

По прошествии времени τ_t от момента прихода ударной волны фаза сжатия переходит в фазу разряжения, но максимальное разряжение ΔР < 0.3ΔР_ф. Одновременно с давлением в фазе сжатия возникает движение воздуха в направлении распространения волны (скоростной напор). В фазе разряжения воздух движется в обратном направлении.

Модель детонационного взрыва реализуется при взрывах оружия массового поражения обычных взрывчатых веществ, например тротила, и, в ряде случаев, при подрыве смесей углеводородных газов с воздухом.

Дефлаграционное горение в атмосфере с дозвуковой скоростью распространения пламени характеризуется тем, что фронт пламени является "проницаемым поршнем", создающем при движении впереди себя волну сжатия. Избыточное давление ΔР_ф в волне сжатия постепенно увеличивается от фронта волны к фронту пламени. Максимальные значения избыточного давления и скоростного напора достигаются перед фронтом пламени, позади которого образуется огненный шар с высокой температурой излучения (1800÷2500°С). Дефлаграционные взрывы создают волну сжатия, переходящую на дальних расстояниях в слабую ударную волну.

1.3. Дефлаграционное взрывное горение в полузамкнутом объёме (внутренний взрыв) характеризуется одинаковым давлением в каждой точке объёма в данный момент времени. При этом отношение линейных размеров здания или помещения, оборудованных сбросными проёмами для снижения ΔР_ф до безопасного значения, не должно превышать 10.

1.4. Взрывобезопасность объекта должна обеспечиваться:

- системой предотвращения взрыва (взрывопредупреждение);

- системой противовзрывной защиты (взрывозащита);

- организационно-техническими мероприятиями.

1.5. Взрывозащита - это мероприятия, обеспечивающие защиту обслуживающего персонала, технологического оборудования, а также зданий и сооружений от опасных и вредных воздействий взрыва, основными из которых являются:

- максимальное избыточное давление Р_ф;

- обрушающиеся конструкции зданий, оборудования, коммуникаций и разлетающиеся их части;

- опасные факторы пожара (открытый огонь и искры, токсичные продукты горения, дым и т.д.).

1.6. К строительным мероприятиям по взрывопредупреждению и взрывозащите относятся:

- рациональная планировка территории предприятия;

- расположение на ней технологических установок, зданий и сооружений, обеспечивающее эффективное проветривание и исключающее образование зон возможного скопления взрывоопасных паров и газов;

- размещение зданий административного, хозяйственно-бытового назначения вне зоны опасной интенсивности воздействия взрывной волны;

- рациональное взаимное размещение технологических установок и производственных зданий с учётом воздействия на них взрывной волны, исключающее возможность последовательного развития аварии;

- устройство защищенных пунктов управления технологическими процессами во взрывоопасных зданиях (операторные);

- использование предохранительных (легкосбрасываемых) конструкций (стёкол глухого остекления, открывающихся наружу створок оконных переплётов, дверей, ворот, легкосбрасываемых стеновых панелей и покрытий);

- ограничение разлива жидкости при возможных авариях (устройство обвалования, поддонов и т.д.);

- обоснованный выбор материалов и устройство поверхностей (твёрдых покрытий), снижающих скорость теплоотдачи, количество испарившейся жидкости и пр.;

- размещение технологического оборудования на открытых этажерках и площадках и т.д.

1.7. Количественная оценка допустимой степени возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС), в том числе от взрывов ГПВС, должна определяться возможным социальным, экологическим и экономическим ущербами [1,2].

В настоящее время формируется единое мнение, что территории с социальным риском, не превышающим 10^-6, являются безопасными и не должны предусматривать дополнительных мероприятий (кроме типовых) по предупреждению опасных воздействий и защите от них.

1.8. Уровень ЧС от взрывов ВВ или ГПВС определяется, прежде всего, территорией поражения, характером и масштабом опасности. При этом учитываются различные сценарии развития ЧС. Масштабы опасности определяются величиной ущерба. В зависимости от вероятности развития ЧС в пределах одного типа аварии или катастрофы может прогнозироваться разная величина ущерба [3,18,21].

При выявлении и пространственно-временном прогнозировании возникновения взрывов и развития их последствий, т.е. возможных сценариев развития опасных процессов, необходимо учитывать пожары, обрушение конструкций здания, а также следующие аварии: на энергетических системах, транспорте, на коммунальных системах инженерного обеспечения городских территорий и промышленных очистных сооружениях, с выбросами радиоактивных, сильнодействующих ядовитых (СДЯВ) и биологически опасных веществ, с воздействием ионизирующего и электромагнитного излучений и т.д.

1.9. Мероприятия по обеспечению взрывоустойчивости здания или снижению нагрузок от взрыва должны определяться на основе технико-экономического сравнения альтернативных вариантов, при реализации которых однозначно обеспечивается выполнение заданных требований и сопоставимость по целевому эффекту. Объём стоимостных и натуральных показателей мероприятий должен сравниваться с показателями, характеризующими последствия взрывов с учётом вероятности их возникновения, т.е. величиной возможного ущерба.

1.10. Различают внешние и внутренние по отношению к зданиям и сооружениям взрывы, мероприятия по защите от которых имеют принципиально разный характер [27].

1.11. Проектная документация для строительства или реконструкции зданий и сооружений взрывоопасных производств по составу и объёму выполняется в соответствии с требованиями нормативных документов.

Пояснительная записка к проекту должна содержать перечень заданных требований и обоснование принятых решений [18].

2. ВНЕШНИЕ ВЗРЫВЫ.

2.1. Общие положения.

2.1.1. Настоящие указания содержат материалы для проектирования несущих и ограждающих конструкций промышленных зданий при внешних взрывах, включающие строительные мероприятия по взрывозащите, рекомендации по объёмно-планировочным и конструктивным решениям взрывоустойчивых объектов, а также расчёт несущих и ограждающих систем зданий и их отдельных элементов.

Указания распространяются на обследование и реконструкцию взрывоустойчивых зданий. В материалах основное внимание уделено взрывам ГПВС и обычных ВВ. При проектировании защитных сооружений гражданской обороны (ЗСГО) необходимо использовать указания и положения документов [12, 30].

2.1.2. При выполнении условия

Р_ф < 2.5·W₀,    (1)

где Р_ф - избыточное давление во фронте проходящей воздушной волны в фазе сжатия, определяемое по соответствующим методикам;

W₀ - нормативное значение ветрового давления, определяемое по [4],

конструкции, узлы и основания таких зданий следует рассчитывать только на основное сочетание нагрузок, т.е. без учёта воздействия взрыва.

2.1.3. В настоящее время нормативные документы регламентируют особые условия проектирования зданий управления производством (операторных) взрывопожароопасных химических, нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий, в которых предусмотрено постоянное пребывание технического персонала [20].

Расчёты показывают, что существующие здания операторных не выдерживают нагрузок от аварийных взрывов газовоздушных горючих смесей (ГС). При традиционных конструктивных решениях эти здания пришлось бы располагать от источника взрыва на расстояниях более километра, что экономически нецелесообразно и практически невозможно. Взрывоустойчивые здания являются объектами нового типа по конструктивному исполнению.

Для других зданий и сооружений взрывопожароопасных производств взрывозащитное исполнение без специального обоснования не предусматривается.

2.1.4. Во взрывоустойчивых зданиях должна быть исключена возможность разрушения основных несущих и ограждающих конструкций. Допускаются повреждения конструкций случайного характера, не влияющие на их прочность, устойчивость и некоторые эксплутационные характеристики, а также требующие незначительных материальных затрат на проведение ремонтных работ.

2.1.5. Обеспечение взрывоустойчивости при внешних аварийных взрывах ГС может осуществляться по двум направлениям:

- снижением избыточного давления Р_ф, за счёт удаления зданий операторных от потенциальных источников взрыва ГС;

- повышением прочности и устойчивости конструкций к действию динамических нагрузок от воздушной волны взрыва ГС.

При разработке оптимальных решений по обеспечению взрывоустойчивости зданий при внешних аварийных взрывах ГС рекомендуется учитывать оба указанных направления.

2.1.6. При проектировании конструкций взрывоустойчивые здания следует относить к 1-му классу ответственности зданий и сооружений [4].

2.1.7. В настоящих указаниях рассматриваются отдельно стоящие, не заглубленные в грунт и не обвалованные грунтом взрывоустойчивые здания.

2.1.8. Взрывоустойчивые здания на территориях предприятий следует располагать:

- на расстояниях от соседних зданий и сооружений, превышающих половину высоты большего из них, но не менее расстояний, определяемых по [14];

- на отметках земли, более высоких по отношению к производственным зданиям, сооружениям и проходящим по территории предприятия железным и автомобильным дорогам;

- торцевым фасадом к возможному источнику взрыва;

- с учётом розы ветров и рельефа местности.

Расположение зданий с учётом розы ветров и рельефа местности связано с возможным дрейфом облака ГС, который зависит от преимущественного направления ветра и объёмного веса газа. Взрыв может произойти при дрейфе облака или накоплении газа на более низких отметках местности, что целесообразно учитывать при разработке генплана предприятия. При соответствующем обосновании допускается указанные выше требования не учитывать.

2.1.9. Прокладка транзитных линий водопровода, канализации, отопления, электроснабжения, а также трубопроводов сжатого воздуха, газопроводов и трубопроводов с перегретой водой через взрывоустойчивые здания не допускается.

При воздействии расчётных нагрузок, превышающих 400 кПа, канализационные стояки должны быть заключены в стальные трубы или железобетонные короба, надёжно заделанные в конструкции пола.

2.1.10. В районах с объёмом снегопереноса за зиму 400 м³/м и более, определяемом в соответствии с требованиями [15], необходимо предусматривать мероприятия по снегозащите взрывоустойчивых зданиях с учётом направления переноса снега при общих и низовых метелях.

2.1.11. В помещениях взрывоустойчивых зданий следует предусматривать системы вентиляции, отопления, связи, водоснабжения, электроснабжения и канализации.

Резервирование (дублирование) оборудования этих систем, как правило, не предусматривается.

Системы отопления, водоснабжения, электроснабжения и канализации следует предусматривать от наружных площадочных сетей предприятия.

По надёжности электроснабжения электроприёмники следует относить к первой категории или к особой группе первой категории.

2.1.12. Системы вентиляции взрывоустойчивых зданий предназначаются для обеспечения нормативных параметров внутренней воздушной среды подаваемым в здание очищенным наружным воздухом, а также для обеспечения эксплутационного подпора (избыточного давления воздуха) внутри здания.

Систему вентиляции следует проектировать на два режима: чистой вентиляции (режим I) и фильтровентиляции (режим II).

При режиме I требуемый газовый состав и температурно-влажностные параметры воздуха внутри помещения обеспечиваются путём подачи наружного воздуха, очищенного от пыли.

При режиме II подаваемый в помещение здания наружный воздух, кроме того, должен очищаться от газообразных и аэрозольных составляющих.

Работающая во взрывоустойчивом здании смена должна быть оснащена индивидуальными средствами защиты (противогазами) и обучена пользованию ими.

В местах, где возможна загазованность приземного наружного воздуха вредными веществами, во взрывоустойчивых зданиях следует предусматривать оснащение систем вентиляции средствами, обеспечивающими режим III подпора и регенерации внутреннего воздуха для защиты от окиси углерода (при пожаре) и СДЯВ.

2.2. Объёмно-планировочные решения.

2.2.1. Объёмно-планировочные решения взрывоустойчивых зданий должны обеспечивать:

- простую и чёткую планировку с минимальным разнообразием пролётов, а также с наименьшим периметром наружных стен;

- наиболее экономичное использование внутреннего объёма и площадей;

- удобство размещения обслуживающего персонала, а также возможность самостоятельного выхода персонала из здания после аварийного взрыва ГС;

- рациональное размещение инженерно-технического оборудования, удобство его монтажа и эксплуатации;

- возможность реконструкции и перехода на новые принципы и системы управления.

2.2.2. Взрывоустойчивые здания операторных следует проектировать, как правило, одноэтажными, небольшого размера, простой формы в плане, без перепада высот смежных участков, с организованным наружным водостоком.

Фасады взрывоустойчивых зданий должны быть простыми - без выступающих частей, выемок и ниш, а наружные стены - обтекаемыми и гладкими, т.е. без архитектурных деталей, парапетных плит, козырьков и т.п.

Устройство чердачных перекрытий и установка технологического оборудования на покрытии зданий операторных не допускается.

2.2.3. Габаритные схемы взрывоустойчивых зданий определяются их функциональным назначением и конструктивными решениями, а также уровнем расчётных нагрузок.

В зданиях операторных с использованием железобетонных сборно-монолитных конструкций целесообразно применять сетки колонн 6´6, 6´4.5, 6´3, 6´2 м. Более крупная сетка колонн с пролётами до 18 м применяется при необходимости создания больших зальных помещений. Здания операторных из монолитного железобетона могут иметь размеры помещений, определяемые технологическим заданием, технико-экономическими показателями и расчётом.

2.2.4. Высоту помещений следует принимать минимально возможной, но не менее 2.4 м.

Высота от пола до низа выступающих частей коммуникаций, оборудования и строительных конструкций в местах регулярного прохода людей и на путях эвакуации - не менее 2.2 м, а в местах нерегулярного прохода людей - не менее 2.0 м.

Под высотой помещения понимается расстояние от чистого пола до плоскости потолка. При этом плоскостью потолка следует считать: при плоском покрытии - низ сборных или монолитных плит, при ребристых покрытиях - низ стропильных конструкций.

Вентиляционные короба и воздуховоды следует прокладывать вдоль стен или балок без увеличения высоты помещений.

2.2.5. Здания операторных могут иметь кроме производственных и бытовых помещений фильтровентиляционные камеры, санитарные узлы или комнаты и тамбуры.

Планировку помещений следует проводить в соответствии с требованиями СНиПов или отраслевых документов.

2.2.6. Входы и оконные проёмы следует располагать на боковых и заднем по отношению к возможному направлению распространения взрывной волны фасадах взрывоустойчивых зданий.

Количество входов в здание операторной должно быть, как правило, не менее 2-х.

2.2.7. В наружных стенах взрывоустойчивых зданий следует предусматривать раздельные оконные проёмы с минимально возможной площадью, используемые для естественного освещения помещений или их отдельных участков. При этом размеры ячеек оконных переплётов должны быть минимальными.

При соответствующем обосновании допускается проектирование зданий операторных с искусственным освещением без световых проёмов.

2.2.8. В качестве заполнения окон следует применять обычное оконное или неполированное витринное стекло, а также ударопрочное безосколочное стекло, поликарбонатный пластик и т.п. материалы. С целью повышения несущей способности обычное оконное или витринное стекло может быть оклеено с внутренней стороны полихлорвиниловой плёнкой.

С целью предохранения стёкол от разрушения допускается устраивать специальные жалюзи, закрывающиеся при наружном взрыве.

2.2.9. Для входов в здание операторной следует устраивать тамбуры, оборудованные наружными защитно-герметическими дверями, воспринимающими расчётные нагрузки, и внутренними герметическими дверями. Двери тамбура должны открываться наружу.

В северной строительно-климатической зоне [15] допускается устройство двойных тамбуров с тремя дверями, из которых последняя дверь внутри помещения может быть обычной.

При соответствующем обосновании допускается устройство входов без тамбуров.