Проведена оценка эффективности применения различных предохранительных конструкций при взрывном воздействии внутри здания. Рассмотрены примеры определения предельных нагрузок на колонну при взрыве боеприпаса различной мощности.
Ключевые слова: допускаемое избыточное давление, предохранительные конструкции, взрывоустойчивость производственных зданий, предельные нагрузки.
Основным назначением предохранительных конструкций является снижение нагрузок, возникающих при внутренних взрывах, на несущие элементы производственных зданий. При проектировании производственных зданий величина допускаемого избыточного давления 
должна назначаться с учетом прочности несущих конструкций зданий, обеспечивающих его взрывоустойчивость, и принимается, как правило, от 3 до 5 кПа, согласно
Нижнее значение избыточного давления соответствует зданиям, конструкции которых не рассчитаны на воздействие аварийного взрыва.
Одним из самых эффективных мероприятий, снижающих взрывные нагрузки до безопасного уровня, является устройство сбросных проемов, оборудованных предохранительными конструкциями. Предохранительные конструкции, в частности, легкосбрасываемые конструкции (ЛСК), применяются на взрывоопасных промышленных объектах. Но в виду того, что нормативы по их применению носят рекомендательный характер, они не всегда должным образом обеспечивают взрывоустойчивость зданий и сооружений.
Основной задачей выбора конструктивной особенности сбросных проемов является сохранение основных строительных конструкций здания.
К решению проблем обеспечения взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий, учитывающих реальную физику взрывных процессов и особенности воздействия взрывных нагрузок на предохранительные конструкции, наиболее близко подошли Попов Н. Н., Расторгуев Б. С., Пилюгин Л. П., Мишуев A. B., Комаров A. A., Казеннов В. В. Применение предохранительных конструкций во взрывоопасных помещениях рассмотрено в работах Пилюгина Л. П., Шлега А. М., Орлова Г. Г. 
.
Предохранительные конструкции, заполняющие сбросные проемы, делятся на два типа: глухое остекление и легкосбрасываемые конструкции (ЛСК).
Оценка эффективности работы каждого из типов ЛСК существенно зависит от параметров взрывного воздействия, основным из которых является такая величина, как избыточное давление на фронте воздушной ударной волны (ВУВ) 
.
Для определения зависимости избыточного давления на фронте ударной волны 
Рф (кПа) от расстояния R (м) до эпицентра взрыва конденсированного взрывчатого вещества, наиболее часто используют формулу М. А. Садовского для наземного взрыва
:
(1)
Здесь q — мощность взрыва в тротиловом эквиваленте, тс,
q =1000 G
kбp, (2)
где G — вес заряда БП ОСП, кгс;
kбp — коэффициент повышения мощности (бризантности) взрыва заряда ВВ по отношению к тротилу (нитротолуолу).
Так как в расчетном случае значение избыточного давления находится в интервале 
, и расчет по приведенной выше формуле дает значительное отклонение от действительности, воспользуемся аппроксимационными зависимостями, приведенными в исследовании Д. В. Сурина, для расчета избыточного давления 
ВУВ в заданном диапазоне, которая определяется на основе зависимости
:
(3)
Где 
приведенное расстояния от центра взрыва до преграды, м/тс1/3
(4)
Для конструкций зданий, возвышающихся над поверхностью земли, приближённо можно принимать давление отражения, возникающее в момент встречи падающей ударной волны с отражающейся поверхностью, что определяется на основе формулы Измайлова-Власова [8]:
, МПа (5)
Полученные значения 
являются нагрузкой на ограждающие панели, которая передается колоннам производственного здания. Нагрузку, передаваемую на колонну производственного здания от панелей, можно регулировать за счет узла крепления, предложенного авторами 
Узел крепления панели с колонной представлен на рисунке 1.
Величина нагрузки, вызывающая сброс панели, зависит от количества, диаметра и материала болтов 5.
Рис. 1. Узел крепления несущей колонны здания со стеновой панелью: 1-железобетонная колонна; 2- стеновая панель; 3 и 4 стальные уголки; 5-срезные болты; 6-анкерные болты; 7- закладная деталь.
Количество болтов при заданном диаметре d определяется на основе зависимости 
.
(6)
где: 
- максимально избыточное давление от взрыва, действующее на панель, (КПа);
— количество срезных болтов;
— площадь сечения срезного болта, 
;
S– площадь панели, ;
d — диаметр срезного болта, 
— допускаемое напряжение на срез, (КПа);
–коэффициент динамичности, определяемый частными характеристиками конструкции и видом нагрузки;
Для определения количества срезных болтов, необходимо провести двухстороннюю оценку, так как в цеху может возникнуть избыточное давление, связанное с перемещением масс воздуха при его эксплуатации, за счет открытия въездных ворот, дверей, окон. При этом панели должны сохранить свое монтажное положение. С одной стороны, количество срезных болтов должно обеспечить сохранение срезных болтов от нагрузки, возникающей при повседневной эксплуатации и связанной с перемещение масс воздуха. С другой стороны, количество срезных болтов должно обеспечить прогнозируемое сбрасывание панелей при воздействии динамических нагрузок вызванных взрывом. Неравенство имеет следующий вид.
(7)
где: 
бытовое давление перемещения, зависящее от внутреннего давления в помещении, определяемых масс воздуха;
- плотность воздуха, при 15
равна 1,225 (кг/
;
— максимальная скорость воздуха в сооружении, (м/с).
Сохранение несущей способности колонн каркаса при действии динамической нагрузки от взрыва обеспечивается за счет снижения нагрузки на колонны при срыве стеновых панелей.
Сброс панели происходит в результате воздействия на нее предельной прогнозируемой нагрузки от взрыва. Гарантированное разрушение конструкции соединения каркаса здания со стеновой панелью при воздействии предельной прогнозируемой нагрузки от взрыва обеспечивается подбором количества n срезных болтов в узле соединения колонны с панелями, с учетом нагрузки от веса покрытия, передаваемого на колонну через фермы, собственного веса колонны, нагрузки от собственного веса панелей в местах крепления к колонне, а также постоянных нагрузок. Длительные нагрузки (в том числе снеговая) учитываются в том случае, когда они влияют на условие работы колонны при взрыве.
Рассмотрим конкретный пример воздействия ВУВ с различным избыточным давлением на производственное здание. Производственное здание размером в плане 72´54 м, трехпролетное, с несущим железобетонным каркасом (колонны каркаса здания сечением 800´400 мм, с высотой 7,2 м.).
Рассмотрим состояние колонн производственного здания, выполненного с различными вариантами навесных панелей при взрыве на нулевой отметке внутри здания. Оценим состояние колонн по четырем вариантам, отличающимся узлами крепления.
В первом варианте принимаем, что наружное ограждения здания сплошное и выполнено из закрепленных традиционным способом трехслойных железобетонных панелей. Во втором варианте, часть ограждения здания выполнена из закрепленных традиционным способом трехслойных железобетонных панелей, а часть здания выполнена в виде остеклённых панелей. В третьем варианте крепление железобетонных панелей к колонне осуществляется с помощью специального узла, который сбрасывает панель при заранее рассчитанной нагрузке Рвскр = 2,0 кПа. В четвертом варианте рассматриваются панели из третьего варианта совместно с остеклёнными панелями.
Традиционная панель размером 1,8 х 6 м. весом 2,7 т выполнена из бетона В25. Панели крепятся к колоннам по углам 4-мя стержнями d = 14 мм из прутков арматуры класса А-1 (монтажный сварной шов длиной 100 мм и высотой 8 мм), армирование рядовой панели — Аs= А’s= 2,012 см2 (4Æ8 А-III).
В третьем и четвертом варианте рассмотрена традиционная панель с закреплением специального узла, который обеспечивает срыв панели при 2 кПа. Во втором и четвертом варианте оконные переплеты выполнены с глухим одинарным остеклением толщиной 3 мм.
Расчет прочности колонны по первому предельному состоянию показывает, что, при традиционном закреплении ограждающих панелей, разрушение колонны наступает при превышении избыточного давления от взрыва 
. Таким образом, при рассмотрении четырех вариантов применения различных ограждающих конструкций, получены предельные нагрузки, приводящие к разрушению колонны. Предельные нагрузки приведены в таблице 1.
Таблица 1
Предельные нагрузки на колонну при взрыве боеприпаса на нулевой отметке
|
|
Вариант 1 |
Вариант 2 |
Вариант 3 |
Вариант 4 |
|
|
1,9 |
4,3 |
7,7 |
9,3 |
|
|
4 |
10 |
20 |
25 |
|
|
1 |
2,5 |
5 |
6,25 |
На основании результатов выполненных расчетов, приведенных в таблице 3, можно сделать вывод о том, что ограждающие конструкции, выполненные из панелей, закрепленных с помощью специального узла, который сбрасывает панель при заранее рассчитанной нагрузке, обеспечивают прочность колонн при нагрузках более чем в пять - шесть раз превышающих допустимую, в отличие от панелей, закрепленных традиционным способом.
Литература:
1. Гляков М. Ю., Капустин Д. И., Агеев С. М. Конструкция анкерного захвата крупногабаритных обломков. Патент на полезную модель. № 141381, 2014г.
2. НПБ 105–03. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности. — М., 2003. -29с.
3. Пилюгин Л. П. Обеспечение взрывоустойчивости зданий с помощью предохранительных конструкций. Ассоциация «Пожарная безопасность и наука».: М. 2000г.- 224с.
4. Прогнозирование и оценка обстановки при чрезвычайных ситуациях. Омский государственный университет путей сообщения. Омск 2007.
5. Шлег А. М. Определение параметров легкосбрасываемых конструкций, обеспечивающих допустимые взрывные давления во взрывоопасных помещениях. Дис. …канд. тех. наук. М.: МГСУ. 2002.-187с.
6. Орлов Г. Г. Лекгосбрасываемые конструкции для взрывозащиты промышленных зданий.- М.: Стройиздат, 1987. -200с.
7. Сурин Д. В. Специальные фортификационные сооружения. — СПб., ВКА им. А. Ф. Можайского, 2010.- 429 с.
8. Лапшин Г. А. Специальные фортификационные сооружения и их комплексы. -СПб., ВИТИ, 2011. — 198с.
