Аннотация
За последние несколько лет, на рынке РФ появилось большое количество взрывозащитных преград (окон, дверей, экранов), которые «защищают» малопонятно от чего.
Любой гаражный кооператив, которому посчастливилось заключить договор, с соответствующей лабораторией и детонировать рядом со своим изделием пару шашек аммонита, громко начинает именовать свою квартирную дверь «взрывоустойчивой» и участвовать в государственных тендерах.
При этом, ввиду отсутствия, до января 2017 г, каких-либо стандартов, регламентирующих, порядок подобных испытаний, основным критерием годности является принцип «не развалилась и хорошо».
Сравнительное испытание, вполне себе сертифицированного изделия, от подобного производителя показало его полную несостоятельность от чего-либо защитить.
Аварийные взрывы на взрывопожароопасных химических нефтехимических и нефтеперерабатывающих производствах особенны впечатляющей массой детонирующего (дефлагирующего) вещества и соответственно, большой (нескольких десятков миллисекунд) продолжительностью действия взрывной волны.
Для их корректной имитации во время полигонных испытаний необходимо задействовать сотни килограммов конденсированного ВВ.
Масштабирование, в соответствии с формулой подобия Хопкинсона-Кранца, ударной волны от аварийного взрыва (500 кг – 5 тонн) меньшим на порядок количеством тротилового эквивалента (10-50 кг), корректно лишь для конструкций, которые в результате подобного испытания останутся в области упругих деформаций. Возникновение же в испытуемой конструкции пластических деформаций – прогиб металлической конструкции, возникновение трещин в стеклах, вызывает сомнение в пригодности к защите от аварийного взрыва, т.к. скорость распространения необратимых деформаций в материале конечна, и длительности воздействия ударной волны от небольшого заряда ВВ может не хватить для разрушения материала, в то время как при воздействии аварийного взрыва, даже меньшей амплитуды, но большей длительности материал успеет разрушится.
Рассмотрим вопросы экспериментального определения допустимой несущей способности защитных конструкций при воздействии на них воздушных ударных волн (ВУВ) от зарядов конденсированных взрывчатых веществ (ВВ).
Известно, что последствия воздействия ВУВ на объекты и людей зависят от двух параметров: максимального давления - Р и импульса фазы сжатия - I (см., например, [7,8]). При этом роль максимального давления или импульса фазы сжатия в разрушении строительных конструкций зависит от соотношения между периодом собственных колебаний строительной конструкции - Т0 и длительностью фазы сжатия ВУВ - ТНАГРУЗКИ. При ТНАГРУЗКИ<<Т0 решающую роль в степени разрушения конструкции (СР) играет импульс фазы сжатия: \(\mathrm{СР}=\mathrm{СР}(I)\). При ТНАГРУЗКИ>>Т0 нагружение конструкции происходит практически в статическом режиме, поэтому степень разрушения конструкции определяется величиной максимального давления: \(\mathrm{СР}=\mathrm{СР}(P)\). При длительности нагрузки, сопоставимой с периодом собственных колебаний конструкции ТНАГРУЗКИ ~ Т0, степень разрушения конструкции зависит как от импульса фазы сжатия, так и от максимального давления в ВУВ, т.е. \(\mathrm{СР}=\mathrm{СР}(P,I)\).
При расчетах последствий динамического воздействия на строительные конструкции используется следующая методология. Динамическая нагрузка заменяется эквивалентной ей по действию статической нагрузкой, которая определяется по формуле [1-4]:
Согласно вышеприведенной методике для моделирования взрыва 500кг ТНТ на расстоянии R1=17.8м, при использовании заряда в 50 кг ТНТ, его следовало бы располагать на расстоянии R2=3.86 м; а при заряде 5кг ТНТ на расстоянии R3= 0.83м. Эта зависимость основана на равенстве импульсов положительной фазы ВУВ.
Следует помнить, что вышеприведенные методики условно достоверны для конструкций, которые в результате испытаний остались в области упругих деформаций. В случае если конструкция или ее части оказались подвержены пластической деформации (что происходит в 90 % испытаний), подобное моделирование недостоверно ввиду множества факторов: влияния динамического коэффициента текучести, скорости распространения деформация, остающейся конечной, при любой скорости нагружения и т.д.
Из сказанного вытекает, что испытания защитных конструкций, проведенные на маломощных зарядах, не дают реальной оценки их взрывоустойчивости применительно к зарядам большей мощности.
Следует отметить следующую особенность воздействия ВУВ от взрывов ТНТ на конструкции. Как видно из рисунка 1 фаза сжатия в ВУВ сопровождается фазой разрежения. Следствием этого является, например, отброс фрагментов конструкций в направлении источника взрыва. Фаза сжатия ломает конструкцию, а фаза разрежения тянет фрагменты конструкции в направлении расположения заряда. Данное явление достаточно часто приводит в недоумение сотрудников, проводящих расследование террористических атак, связанных с взрывными устройствами. Например, наличие фрагментов облицовочной плитки в центре подземного перехода, где был произведен взрыв ВВ, долго порождало различные гипотезы их происхождения.
Поэтому при рассмотрении воздействия ВУВ на конструкции следует учитывать не только фазу сжатия, но и разрежения.
Рассмотрим вопросы, связанные с методологией проведения испытаний изделий на их взрывоустойчивость.
При размещении и закреплении изделия необходимо учитывать следующие особенности распространения волновых потоков, в том числе и ВУВ. Характер взаимодействия волны с преградой определяется соотношением между длиной волны - L и линейным размером преграды - D. При L>>D волна «не замечает» преграду и практически на ней не искажается. При L<<D происходит полное отражение волны от преграды. Процесс взаимодействия ВУВ от заряда 50кг с преградой иллюстрирует рисунок 2, где приведены изолинии равного давления в ВУВ для нескольких моментов времени. Шаг по времени составлял 10мс. Уровни изолиний от 10кПа до 100кПа в шагом в 10кПа. Для наглядности и для иллюстрации линейных размеров задачи на рисунке 2 в масштабе приведены контуры среднестатистического человека и легкового автомобиля.
Из приведенного рисунка следует, что ударная волна взрыва затекает за препятствие достаточно большого размера, разгружая его с тыльной стороны. При испытаниях защитных конструкций необходимо исключать подобные явления. Для обеспечения этого необходимо помещать испытуемый образец в непроницаемый вертикальный экран достаточных размеров (в этом случае испытания будут моделировать воздействие на изделие отраженной ВУВ) или по краям изделия устанавливать сплошные непроницаемые заграждения для исключения проникновения ВУВ за испытываемую конструкцию (в этом случае испытания будут моделировать воздействие на изделие проходящей ВУВ).
1 | 2 |
3 | 4 |
Рисунок 2 - Изолинии равного давления в ВУВ при ее взаимодействии с препятствием. Шаг по времени 10мс. | |
При испытаниях изделий на взрывоустойчивость малыми зарядами ТНТ возникает следующая проблема, приводящая к дополнительной невозможности распространения полученных данных на заряды большой мощности. Для обеспечения необходимых уровней давления в ВУВ малые заряды располагают достаточно близко к испытуемой конструкции. Это приводит к тому, что на конструкцию набегает ВУВ, имеющая сферическую форму. Заряды большой мощности создают необходимые уровни давлений на значительном удалении от образца, когда сферическая ВУВ вырождается в практически плоскую ударную волну. Нагружение конструкций плоской и сферической волной происходит по-разному, что иллюстрирует рисунок 3.
На рисунке 3 приведены мгновенные прогибы панели при воздействии на нее плоской и сферической ВУВ, которые имеют одинаковые амплитуды в момент их подхода к панели.
Воздействие на панель плоской ВУВ | |
1 | 2 |
Воздействие на панель сферической ВУВ | |
1 | 2 |
Рисунок 3 - Положение панели для двух моментов времени после воздействия на нее ВУВ. 1 – через 3 мс после подхода к панели ВУВ; 2 - через 5 мс после подхода к панели ВУВ. | |
Из приведенного рисунка следует, что нагружение и деформация конструкции качественно отличаются при воздействии на нее плоской или сферической ВУВ. Из этого следует вывод о невозможности распространения экспериментальных данных, полученных на зарядах малой мощности, на состояние взрывоустойчивости конструкции по отношению к зарядам большой мощности.
Следующая проблема связана с характером распространения ВУВ и ее взаимодействием с поверхностью земли. Отраженная от грунта УВ образует с падающей УВ третью волну, называемую головной ударной волной, проходящей ударной волной или волной Маха, виду того что скорость распространения отраженной УВ выше
скорости распространения УВ падающей. Рис 4
Давление в волне Маха рассчитывается по формуле:
Где R- расстояние до преграды, м; m-масса заряда, кг; α-угол между распространением УВ и нормалью к преграде, град;
Давление во фронте Головной ударной волны может быть в несколько раз больше давления во фронте падающей УВ. Соответственно и преграда, погруженная в волну Маха испытывает в несколько раз большие нагрузки, чем такая же преграда омываемая падающей УВ. При испытаниях зарядами малой мощности, которые располагают достаточно близко от преграды, возникшая Головная УВ или вообще не воздействует на преграду или действует на ее нижнюю часть (рис. 5, рис 6), в то время как при настоящем аварийном взрыве преграда и конструкция полностью погружаются в волну Маха, что и призвано отразить испытание взрывом большой мощности, когда расстояние от центра взрыва до преграды во много раз больше самой преграды (рис.7).
Рисунок 5:
Профиль давления от приподнятого
заряда массой 50 кг ТНТ, t=3,442 мс.
Рисунок 6:
Испытания на взрывоусточивость окна БОПВЗ-2. Подрыв 50,4 кг ТНТ, на высоте от земли 1,3 метра, на расстоянии 5,2 метра до центра конструкции. Одинакового состава и размера бронестекла, одинаково закрепленные. На верхнем стекле пробития не зафиксировано, в то время как нижнее полностью разрушилось.
Рисунок 7
Выводы
Проведенный в статье анализ показал, что испытания взрывозащитных конструкций малыми зарядами ВВ недопустимо распространять на заряды большой мощности, ссылаясь на равенство избыточных давлений в проходящей ВУВ. Это противоречит как теоретическим, так и нормативным положениям, касающимся вопросов воздействия взрывных волн на строительные конструкции.
Показано, что при проведении испытаний недопустимо использовать в качестве креплений конструкций обычные рамы, что приводит к затеканию ВУВ с тыльной стороны конструкции и разгружает ее. В итоге данные об уровне взрывоустойчивости конструкции значительно занижаются.
Список использованных источников
Попов Н.Н., Расторгуев Б.С. Динамический расчет железобетонных конструкций. - М.: Стройиздат, 1974. 219с.
Расторгуев Б.С. Методические указания по проектированию новых и обследованию существующих строительных конструкций зданий взрывоопасных производств (1 редакция) - М., 1996. 227
СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. (Дополнения. Разд.10. Прогибы и перемещения).
Справочник проектировщика. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. - М.: Стройиздат, 1981. 248с.
Кошляков Н.С., Глинер Э.Б., Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М. Высшая школа. 1970. С.710.
Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка последствий их воздействия на здания и сооружения. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. М. МГСУ. 2001. -460с.
ГОСТ Р 12.3.047-98 ССБТ «Пожарная безопасность технологических процессов». –М.: Гостандарт России. – 85 с.
Методика оценки последствий аварийных взрывов топливно-воздушных смесей. Сборник документов Госгортехнадзор России, НТЦ «Промышленная безопасность», серия 27, выпуск 2. – М.: 2001. – 224 с.
А.А.Комаров, Е.В.Бажина. Особенности взрывных явлений в пешеходных переходах. //Научно-технический журнал, Вестник МГСУ. 2009 № 3 с. 107-109.
Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. Оборонгиз, М., 1960., 595с.
Садовский М.А. Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований – в кн. Физика взрыва, №1, М., изд. АН СССР, 1952.
Поможем подобрать и рассчитать защиту — консультация бесплатна.
