Прогнозирование и оценка последствий завалов

Оглавление

Цель работы

Завалы, образующиеся при разрушении зданий

Расчет завалов

Дальность разлета обломков

Высота завалов

Потери населения

Взрыв конденсированных ВВ

Структура и объемно-массовые характеристики завалов

Структура завалов

Показатели обломков

Расчетная часть

Пример задания

Варианты задач

Результаты расчетов

Цель работы

Разработать методику прогнозирования и оценки последствий завалов.

Ежегодно в мире происходит множество чрезвычайных ситуаций различного характера и происхождения: ураганы, землетрясения, цунами, наводнения, оползни, взрывы, обвалы и др. Они приводят к разрушению жилых и производственных зданий, степень разрушения которых зависит от силы воздействия, от типа здания и качества его постройки. Разрушения наносят не только вред экономике, требуя затрат на расчистку и на восстановление, но и вызывают потери среди населения.

Вот почему важной проблемой становится умение противостоять различным чрезвычайным ситуациям. Первым шагом является прогнозирование. Необходимо выяснить когда, где и какой силы произойдет землетрясение, какие районы могут пострадать от наводнения и т.д. Далее идет предупреждение чрезвычайной ситуации. Необходимо по возможности предотвратить или хотя бы минимизировать их разрушительное действие. И, наконец, третий шаг – ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций. Нужно по возможности оперативно ликвидировать опасность, спасти уцелевших и восстановить стабильное существование данного региона.

А для этого необходимо уметь рассчитывать возможные размеры завалов и потери среди населения при различных чрезвычайных ситуациях, для различных зданий и сооружений.

Завалы, образующиеся при разрушении зданий

При воздействии поражающих факторов взрывов, землетрясений, цунами и разрушения плотин здания могут получить ту или иную степень разрушения. Анализ характера разрушений зданий при чрезвычайных ситуациях показал, что здания при полном разрушении практически полностью превращаются в обломки, образуя завалы. При разрушении зданий на ступень ниже полной в расчетах можно принять, что объем завалов составляет примерно 50% от объемов завалов зданий в случае их полного разрушения.

Завалы различных типов зданий характеризуются показателями. Показатели завалов зданий являются определяющими параметрами при выборе технологии спасательных работ. Показатели можно свести к двум группам:

– показатели, непосредственно характеризующие завал;

– показатели, характеризующие обломки завала.

К показателям, непосредственно характеризующим завал, можно отнести:

– дальность разлета обломков;

– высоту завала;

– объемно-массовые характеристики завалов;

– структуру завалов по весу обломков, составу строительных элементов и арматуры.

К показателям, характеризующим обломки завала, относят.

– вес обломков;

– геометрические размеры;

– структуру и содержание арматуры.

Расчет завалов

На основании анализа материалов натурных завалов зданий установлено, что завалы зданий можно упрощенно представить как обелиски – геометрические фигуры с прямоугольными основаниями, расположенными в параллельных плоскостях (рис.1). Противоположные боковые грани обелиска наклонены к основанию. Основными данными для построения этой фигуры являются размеры основания здания А и В, высота завала h и дальность разлета обломков L. Характерными геометрическими показателями завала также являются длина и ширина завала.

Длина завала – геометрический размер завала в направлении наибольшего размера А здания:

A_ЗАВ = 2L + A(1)

Ширина завала – геометрический размер завала в направлении наименьшего размера В здания

B_ЗАВ = 2L + B (2)

где L - дальность разлета обломков, L = Н/2 … Н.

Расчетные схемы завалов зависят от воздействия поражающего фактора. Принимается, что при аварии со взрывом внутри здания, обломки разлетаются в стороны равномерно, а при взрыве вне здания обломки смещаются по направлению действия воздушной ударной волны.

Рис. 1. Расчетные схемы завалов: а – при взрыве внутри здания; б – при взрыве вне здания; в – при землетрясении.

h – высота завала;

l – дальность разлета обломков;

А, В, Н – длина, ширина, высота здания;

А_ЗАВ, В_ЗАВ – длина, ширина завала;

------ 1 - контур здания до разрушения;

—— 2 - контур завала.

Характерный размер завала по направлению действия воздушной ударной волны в последнем случае равен

B_ЗАВ = B + Lили A_ЗАВ = A + L(3)

Верхняя грань расчетного обелиска при авариях со взрывом принимается равной площади основания здания. При землетрясениях площадь верхней грани обелиска по размерам меньше площади основания здания. Длина и ширина верхней грани обелиска, для этого случая, соответственно равна:

A₁ = A – 2L; B₁ = B – 2L. (4)

Дальность разлета обломков

завал разрушение обломок взрыв

Дальность разлета обломков при взрывах:

Рассмотрим методику определения дальности разлета обломков при взрывах, приняв следующие предпосылки:

– волна мгновенно обтекает обломки вследствие их небольших размеров;

– вращения обломков при разлете и изменения за счет этого лобовой площади F_Л (миделя) не происходит.

Дальность разлета обломков (L) – расстояние от контура здания до основной массы обломков.

Смещение обломков можно описать уравнениями движения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Рассмотрим сначала горизонтальное движение обломков с учетом сопротивления воздуха.

Силу, создаваемую скоростным напором воздушной ударной волны действующим на обломок, вычисляют по формуле

, (5)

где С_Х – коэффициент лобового сопротивления, который для обломков принимают равным 1,5;

r_Ф(t) и U_Ф(t) – плотность и скорость воздушного потока в момент времени t;

F_Л – площадь лобового сечения обломков.

По мере увеличения скорости обломков возрастает сопротивление воздушного потока горизонтальному движению обломка

, (6)

где х (t) - горизонтальная скорость обломка в момент времени t.

Теперь рассмотрим вертикальное движение обломков с учетом сопротивления воздуха. Нагрузка, создаваемая силой тяжести, составит

P= F_Л*d*r*g, (7)

где d– толщина стены здания;

r– плотность материала;

g– ускорение свободного падения.

Сопротивление воздушного потока вертикальному движению можно описать зависимостью

, (8)

где С_у – коэффициент сопротивления (С_у = С_Х);

F_H– площадь горизонтального сечения обломка;

y²(t) – вертикальная скорость обломка в момент времени t.

Тогда движение обломка можно описать системой уравнений

, (.9)

где m = F_Л * d* r– масса обломка.

Расчеты по формуле (9) и данные натурных завалов показывают, что дальность разлета обломков при минимальном давлении, вызывающем полное разрушение стен зданий, приближенно составляет

, (Н - высота здания).

Дальность разлета обломков при землетрясениях

При землетрясениях дальность разлета обломков рассчитывается из условия, что угол наклона боковых сторон обелиска равен углу естественного откоса. Исходя из этого условия, дальность разлета обломков составляет

, м (Н- высота зданий).

Подведя итоги, можно рекомендовать, при оперативном прогнозировании заваливаемости улиц и подъездных путей, дальность разлета обломков принимать равной (м):

при авариях со взрывом – L= H; (10)

при землетрясениях – L= H/3. (11)

Высота завалов

Высота завалов при взрывах.

Высота завала (h) - расстояние от уровня земли до максимального уровня обломков в пределах контура здания.

Основными факторами, определяющими высоту завала, являются этажность здания и величина действующего давления во фронте воздушной ударной волны. Чем больше давление, тем дальше разлетаются обломки, что приводит к уменьшению высоты завала (рис.2). Максимальной по величине высота завала будет в том случае, если на здание действует минимальное давление, вызывающее разрушение стен здания. За минимальное давление обычно принимают DР_Ф = 0,05 МПа.

Высоту завала можно определить из условия равенства объема образовавшегося завала

, (12)

и объема обелиска

, (13)

где А, В, Н – длина, ширина и высота здания;

у – объем завала на 100 м³ объема здания;

h– высота завала;

L– дальность разлета обломков;

А_ЗАВ, В_ЗАВ – длина и ширина завала

А_ЗАВ = A+ 2L; B_ЗАВ = B+ 2L(при взрыве внутри здании)

A_ЗАВ = A+ L; B_ЗАВ = B+ L(при взрыве вне здания) (14)

При расчете высоты завала по формуле (2.13) дальность разлета обломков для аварий со взрывом рекомендуется принимать равной половине высоты здания (L= Н/2).

Рис. 2. Расчетная схема образования завала при различных давлениях во фронте воздушной ударной волны

Н₁, h_n, 1₁, 1_n– соответственно высота и длина завала;

DP₁, DP_i, DP_n– значения давлений (DP₁<DP_i<DP_n);

В – размер здания.

Высота завала на различных расстояниях х: от здания зависит от высоты завала в пределах контура здания и дальности l разлета обломков

Показатель g в формуле (12) при ориентировочных расчетах рекомендуется принимать равным:

– для промышленных зданий g = 20 м³;

– для жилых зданийg = 40 м³.

Более точные значения показателей g, с учетом различных типов и конструктивных решений зданий, приведены в табл. 1. Эти данные получены на основе статистической обработки соответствующих показателей натурных завалов.

Таблица 1. Объемно-массовые характеристики завала.

Примечания:

1. Пустотность завала (a) – объем пустот на 100 м³ завала, используется при подготовке предложений по технологии спасательных работ, в частности, при проходке галерей в завалах. Анализ информации по разрушению зданий показал, что пустотность завалов промышленных зданий может быть почти в два раза больше жилых.

2. Удельный объем завала (g) – объем завала на 100 м³ строительного объема. Этот показатель используется при определении высоты завала (4) и объема завала (1).

3. Объемный вес завала (b) – вес в т 1 м³ завала.

На основании обобщения расчетов получена формула для определения высоты завала при оперативном прогнозировании

, м (15)

где Н – высота здания в м;

g – объем завала на 100 м³ объема здания;

k – показатель, принимаемый равным:

для взрыва вне здания k = 2; для взрыва внутри здания k = 2,5.

Высота завалов при землетрясениях

При землетрясениях высота завала рассчитывается по тем же формулам, но с учетом поправки на расчетную схему завала (рис. 2.1). Объем обелиска в этом случае равен

(16)

где А_ЗАВ, В_ЗАВ – размеры нижних граней обелиска (длина и ширина завала);

A_ЗАВ= A + 2L; B_ЗАВ = B + 2L;

А₁ и В₁ – размеры верхних граней обелиска;

A₁ = A – 2L; B₁ = B – 2L.

При оперативном прогнозировании высоту завала для землетрясения рекомендуется определять по формуле (15), в которой показатель К принимается равным К=0,5.

Потери населения

Для ориентировочного определения безвозвратных потерь населения (персонала) вне зданий и убежищ можно использовать формулу:

(17)

где Р – плотность населения (персонала), тыс. чел./км²;

G_тнт – тротиловый эквивалент, т.

Санитарные потери принимают равными:

(18)

Общие потери:

(19)

Таблица 2. Потери персонала на объекте, С_i (%).

При определении потерь среди персонала объекта экономики необходимо учитывать степень его защищенности в зданиях и сооружениях и степень разрушения последних:

, чел, (20)

где N_i– количество персонала на объекте , чел;

n– число зданий (сооружений) на объекте;

С_i – процент потерь, % (табл. 2)

Взрыв конденсированных ВВ

Для определения зависимости избыточного давления на фронте ударной волны DP_ф, кПа, от расстояния R, м, до эпицентра взрыва конденсированного взрывчатого вещества наиболее часто используют формулу М.А. Садовского, применимую для наземного взрыва, а также для воздушного взрыва на R > 8h (h – высота взрыва)

, (21)

Таблица 3.Степень разрушения объектов в зависимости от избыточного давления DР_ф, кПа

Примечание:* Слабые разрушения - повреждение или разрушение крыш, оконных и дверных проемов. Ущерб – 10 – 15% от стоимости здания.

Средние разрушения – разрушения крыш, окон, перегородок, чердачных перекрытий, верхних этажей. Ущерб – 30 – 40%.

Сильные разрушения – разрушение несущих конструкций и перекрытий. Ущерб – 50%. Ремонт нецелесообразен.

Полное разрушение – обрушение зданий.

При вероятностном методе поражающее действие ударной волны определяется как избыточным давлением на фронте ударной волны DР_ф, кПа, так и импульсом фазы сжатия ударной волны I₊, кПа.с.

Величину импульса фазы сжатия I₊, кПа.с на расстоянии R, м от эпицентра взрыва для ориентировочных расчетов можно определить по приближенной формуле

(22)

Здесь G_тнт – «тротиловый эквивалент», равный массе тринитротолуола (тротила), при взрыве которой выделяется такое же количество энергии, как и при взрыве рассматриваемого взрывчатого вещества G, кг. Величина G_тнт, кг, определяют по формуле

(23)

где Q_v,вв и Q_v,тнт , кДж/кг, – энергии взрыва, соответственно, рассматриваемого взрывчатого вещества и тротила, приведенные в табл. 4.

Таблица 4. Энергии взрыва конденсированных взрывчатых веществ.

Таблица 5. Выражения пробит-функций для разных степеней поражения (разрушения).

Таблица 6. Зависимость степени поражения (разрушения) от пробит-функции.

Структура и объемно-массовые характеристики завалов

Структура завалов влияет как на способы выполнения спасательных работ, так и на состав сил и средств, привлекаемых для ликвидации последствий землетрясения. Основными показателями, характеризующими структуру завала, являются распределение обломков по весу, составу элементов (материала) и содержанию арматуры.

Таблица 7. Структура завала по весу обломков, (%).

Примечание: в числителе – значения для стен из крупных панелей, в знаменателе – значения для стен из каменных материалов (кирпича, мелких обломков).

Структура завала по весу обломков – процентное содержание в завалах различных типов обломков – определяется по табл. 7. Эти показатели получены на основе анализа информации о завалах зданий, разрушенных при авариях и катастрофах, а также при проведении ряда натурных испытаний. При определении состава сил и средств следует иметь в виду, что очень крупные и крупные обломки весом более 2-х т, перемещаются с использованием инженерной техники, средние – весом до 2-х т, могут быть перемещены с помощью ручных лебедок, а мелкие – весом до 0,2 т, могут быть перемещены спасателями вручную.

Структура завала по составу элементов – процентное содержание в завалах обломков из различного материала – определяется по табл. 8. Эти показатели могут быть использованы при оценке объемов и видов работ.

Таблица 8. Структура завала по составу элементов (%) при разрушении зданий.

Структура завала по составу арматуры – содержание арматуры в различных сечениях завала.

В настоящее время, в литературе отсутствуют какие-либо сведения по содержанию арматуры в сечениях завала. Эти показатели получены на основе анализа проектов производственных и жилых зданий. Результаты обобщения материалов приведены в табл. 6. Содержание арматуры в завале за пределами контура здания определяется по формуле

, см²,

где F_a– содержание арматуры в пределах контура здания (табл. 4);

х – рассматриваемое расстояние от контура здания;

l– дальность разлета обломков.

Показатели по содержанию арматуры в завале могут быть использованы при планировании распределения технических средств, используемых для резки металла.

Показатели обломков

К показателям, характеризующим крупные обломки завалов, отнесены максимальный вес, размеры и структура обломка по составу арматуры. Максимальный вес обломков необходимо знать, для подбора грузоподъемности крана, а их размеры – для подбора транспортных средств. Эти показатели получены на основе анализа проектом производственных и жилых зданий и могут быть приняты для производственных зданий по табл. 9, для жилых – по табл. 10.

Как видно из таблиц, для выполнения спасательных работ при разборке завалов производственных зданий может возникнуть потребность в кранах грузоподъемностью свыше 30-ти т. При ведении работ в районах размещения жилых зданий достаточно иметь грузоподъемные средства до 4-х тонн.

Таблица 9. Вес основных конструктивных элементов производственных зданий и содержание арматуры.

Таблица 10. Вес основных конструктивных элементов жилых зданий и содержание арматуры.

Расчетная часть

Пример задания

Исходные данные. На складе взрывчатых веществ произошел взрыв 40 т нитроглицерина. На расстоянии R₁ = 250 м от склада находится производственный объект – одноэтажное здание среднего типа механических мастерских размеров 20х20х5 м³, на расстоянии R₂ = 700 м – поселок с многоэтажными кирпичными зданиями. В здании мастерских во время взрыва находились n = 20 человек, плотность персонала на территории объекта экономики Р = 1200 чел./км².

Определить степень разрушения зданий на объекте экономики и в населенном пункте, потери людей, размеры завалов от разрушенных зданий. Найти радиусы зон летального поражения, контузии и безопасной для человека. Сделать выводы.

Решение.

1. С использованием данных табл. 4 по формуле 23 находим величину тротилового эквивалента G_тнт

G_тнт = (6700 / 4520) 40000 = 59292 кг

2. Избыточные давления на фронте ударной волны DР_ф на расстояниях R = 250 м и R = 700 м найдем по формуле 21

DР_ф²⁵⁰ = 95 х 59292^1/3 / 250 + 390 х 59292^2/3 /250² + 1300 х 59292/ 250³ = 29,24 кПа

DР_ф⁷⁰⁰ = 95 х 59292^1/3 / 700 + 390 х 59292^2/3 / 700² + 1300 х 59292/ 700³ = 6,73 кПа

3. Как следует из табл. 3 при избыточном давлении на фронте ударной волны DР_ф = 29,24 кПа здание механической мастерской получит средние разрушения, а многоэтажные кирпичные здания в населенном пункте (DР_ф = 6,73 кПа) получат слабые разрушения.

4. Население поселка получит легкие поражения (ушибы, потеря слуха), персонал механической мастерской получит различные поражения (ушибы, переломы, порезы,) а на объекте экономики потери персонала вне зданий определим по формулам 17 – 19.

N^безв= 1,2 х 59,292^2/3 = 18 человек

N^сан = 4 х 18 = 72 человека

N^общ = 18 + 72 = 90 человек

5. Согласно табл. 2 при среднем разрушении здания механической мастерской из 30 работников пострадает 1 человек, никто не погибнет.

6. Радиусы зон летального поражения, контузии и безопасной для человека определим графическим путем. Для этого найдем величину избыточного давления на фронте ударной волны на расстоянии R = 200 м.

DР_ф⁵⁰⁰ = 95 х 59292^1/3 / 500 + 390 х 59292^2/3 / 500² + 1300 х 59292/ 500³ = 10,4 кПа

DР_ф¹⁵⁰ = 95 х 59292^1/3 / 150 + 390 х 59292^2/3 / 150² + 1300 х 59292/ 150³ = 73,89 кПа

Графически зависимость DР_ф = f(R) представлена на рис. 3.

Как следует из графика на рис. 3. радиус зоны летального поражения (DР_ф = 100 кПа) равен R_лет = 120 м, контузии (DР_ф = 70 кПа) R_конт = 150 м и безопасной зоны (DР_ф = 10 кПа) R_без = 500 м.

7. Проверим вероятность 100% гибели персонала на границе зоны летального поражения (DР_ф = 100 кПа, R_лет = 120 м).

По формуле 22 найдем импульс фазы сжатия ударной волны

I₊¹⁶⁵ = 0,4 х (59292)^2/3х (120)^-1/2 = 55,52 кПа.с.

По формуле 3 для определения пробит-функции для летального поражения человека табл. 5 найдем

В соответствии с табл. 6 значению Pr = 7,58 соответствует вероятность (поражающий фактор) летального поражения 99,5 %.

8. Определим вероятность различного разрушения зданий в населенном пункте (R = 700 м, DР = 6,73 кПа)

I₊⁵⁰⁰ = 0,4 х (59292)^2/3 х (700)^-1/2 = 22,99 кПа.с

По формуле 4 из табл. 5 находим значение пробит-функции для случая слабого разрушения зданий

,

чему, согласно табл. 6, соответствует вероятность 65 %.

Вероятность сильного разрушения зданий будет равна (форм. 6 табл. 5)

,

чему соответствует вероятность 2 %.

Таким образом, вероятностный метод прогнозирования последствий взрыва дает более точное представление о возможных последствиях техногенной аварии.

9. При внешнем взрыве длина завала составит (формулы 1, 2)

А_зав = 20 + 5/2 = 22,5 м

ширина завала В_зав = 20 + 5/2 = 22,5 м

высота (формула 15) h = 20 х 5 / (100 + 2 х 5) = 0,91 м.

Выводы:

Завал представляет собой обелиск с квадратным основанием 22,5 х 22,5м. и высотой 0,91 м.

Пустотность завала при разрушении одноэтажного производственного здания среднего типа будет равна (табл. 1) a = 0,5 м³/м³, удельный объем g = 0,16 м³/ м³, объемные вес b = 1,2.т/м³.

Рассматривая структуру завала можно сказать: (исходя из таблицы 7) что 60 % завала составят очень крупные обломки (от 5 т.), 10 % – крупные (от 2 до 5 т.), 5 % – средние (от 0,2 до 2 т.), 25 % – мелкие (до 0,2 т.); (исходя из таблицы 8) что большую часть завала (80 %) составят обломки бетонных конструкций и кирпича. Поэтому при расчистке завалов понадобится инженерная техника, способная передвигать тяжелые обломки.

Несмотря на то, что в здании мастерских пострадавших будет немного, необходимо по возможности удалить здание от взрывоопасных объектов на случай взрыва большего объема взрывчатого вещества.

Варианты задач

Результаты расчетов