ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ РАЗРУШАЮЩАЯСЯ КОНСТРУКЦИЯ ОГРАЖДЕНИЯ ЗДАНИЙ
BUILDINGS ENCLOSURE EXPLOSION-PROOF BREAKABLE STRUCTURE

Изобретение относится к защитным устройствам, применяющимся во взрывоопасных объектах, таких как легко сбрасываемые панели и кровли, противовзрывные ограждения и заслонки, клапаны избыточного давления.
Известно устройство противовзрывных панелей (заявка DE №19638658, МПК Е04В 1/92 от 16.04.1998), где возможность поднятия и опускания панели на прежнее место при взрыве осуществляется действием пружин, вставленных в патрубки-опоры.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является противовзрывная панель по патенту РФ №2334063, Кл. Е04В 1/92, Б.И. №28 от 20.09.2008 (прототип), состоящая из бронированного металлического каркаса с бронированной металлической обшивкой и наполнителем - свинцом. В покрытии объекта у проема заделаны четыре опорных стержня, телескопически вставленных в неподвижные патрубки-опоры, заделанные в панели. Для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней приварены листы-упоры.
Технически достигаемый результат - повышение надежности срабатывания взрывозащитных устройств при аварийном взрыве на объекте и обеспечение возврата этих конструкций в исходное положение после взрыва за счет введения в систему элемента одноразового действия, а также выполнения защитного экрана выпуклым со стороны неразрушающейся части конструкции.
Это достигается тем, что в взрывозащитной разрушающейся конструкции ограждения, содержащей железобетонные панели размером 6000×1800 мм, панель состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей, при этом неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер, размещенных по контуру разрушающейся части, а разрушающаяся часть выполнена в виде по крайней мере двух коаксиально расположенных углублений в стене здания, одна из которых, внешняя, образована плоскостями правильной четырехугольной усеченной пирамиды с прямоугольным основанием, а другая, внутренняя, представляет собой две наклонные поверхности, соединенные ребром, с образованием паза, при этом толщина стены от ребра до внешней поверхности ограждения здания должна быть не менее δ=20 мм, при этом при воздействии ударной, взрывной нагрузки этот участок стены может быть разделен на отдельные части, а напротив разрушающейся части, с внешней стороны ограждения здания, расположен защитный экран из материала повышенной прочности, например бронебойного материала, который закреплен на по крайней мере трех горизонтально расположенных и перпендикулярных ограждению здания стержнях, по концам которых закреплены диски и которые проходят сквозь отверстия в защитном экране, причем диски, расположенные с правой стороны стержней, замурованы в ограждения здания, а в диски с левой стороны стержней упираются упругие элементы, подпирающие защитный экран к ограждению зданий.
На фиг. 1 представлена общая схема взрывозащитной разрушающейся конструкции ограждения зданий, на фиг. 2 - схема расположения защитного экрана, на фиг. 3 - характер изменения давления Δр от времени τ при горении горючих смесей внутри помещения, на фиг. 4 - схема амортизатора одноразового действия с разрушающимися элементами.
Взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения (фиг. 1) бесфонарных зданий (организованно разрушающаяся конструкция - ОРК), в которых отсутствуют оконные проемы, состоит из железобетонных панелей 1 размером 6000×1800 мм. Панель состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер 9 (200×150 мм), размещенных по контуру ОРК. Разрушающаяся часть выполнена в виде по крайней мере двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), одна из которых, внешняя, образована плоскостями 2, 3, 4, 5 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая, внутренняя, представляет собой две наклонные поверхности 6 и 7, соединенные ребром 8, с образованием паза, при этом толщина стены от ребра 8 до внешней поверхности ограждения здания должна быть не менее δ=20 мм. За счет этих пазов в стене здания, при воздействии ударной взрывной нагрузки этот участок стены может быть разделен на отдельные части. Соединение разрушающихся частей панели в пазах производится арматурой (на чертеже не показано) с таким расчетом, чтобы плиты не деформировались при перевозке, монтаже и ветровой нагрузке.
Напротив разрушающейся части, с внешней стороны ограждения здания, расположен защитный экран 10 (фиг. 2) из материала повышенной прочности, например бронированного материала, который закреплен на по крайней мере трех горизонтально расположенных и перпендикулярных ограждению здания стержнях 11, по концам которых закреплены диски 12 и 13 и которые проходят сквозь отверстия 14, выполненные в защитном экране, причем диски 13, расположенные с правой стороны стержней, замурованы в ограждения здания, а в диски 12, расположенные с левой стороны стержней 11, упираются упругие элементы 15, подпирающие защитный экран 10 к ограждению зданий.
Углубления в стене здания (ниши), одна из которых, внешняя, образована плоскостями 2, 3, 4, 5 правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая, внутренняя, представляет собой две наклонные поверхности 6 и 7, соединенные ребром 8, могут быть заполнены тепло-звукопоглощающим материалом 16 и закрыты декоративной, легко разрушающейся при взрыве панелью 17.
Возможен вариант, когда защитный экран 10, выполненный из материала повышенной прочности и закрепленный на горизонтально расположенных и перпендикулярных ограждению здания стержнях, выполнен выпуклым (на чертеже не показано) со стороны неразрушающейся части 9 в виде несущих ребер, размещенных по контуру организованно разрушающейся конструкции.
Возможен вариант, когда со стороны диска 12 к защитному экрану 10 прикреплен элемент 23 из литьевого полиуретана, охватывающий одновременно элемент одноразового действия, выполненный в виде втулки 21 из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, и часть упругого элемента 15, выполненного в виде конической пружины, обращенной в сторону защитного экрана 10. Это позволяет дополнительно сдемпфировать резкие динамические нагрузки в начальный момент разрушения элемента одноразового действия, выполненного в виде втулки 21.
Амортизатор одноразового действия с разрушающимися элементами (фиг. 4) содержит стержень 11, к которому жестко закреплен диск 12, к которому прикреплено демпфирующее основание 18 винтами 19. К демпфирующему основанию 18, коаксиально стержню 11, жестко прикреплена выполненная в виде усеченного конуса упругая втулка 20, например выполненная из полиуретана, причем нижнее основание усеченного конуса связано с демпфирующим основанием 18, а верхнее упирается в элемент одноразового действия, выполненный в виде втулки 21 из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, которую поджимает упругий элемент 15, выполненный в виде конической пружины, обращенной своим большим основанием в сторону диска 12, а нижним - в сторону защитного экрана 10, где оно закреплено в канавках 22, выполненных в защитном экране 10, посредством литьевого полиуретана.
Сборка амортизатора одноразового действия с разрушающимися элементами осуществляется в следующей последовательности. К стержню 11, перпендикулярно его оси, приваривается диск 12, после чего к нему винтами 19 крепится демпфирующее основание 18, имеющее канавки (на чертеже не показано) для установки большего основания конической пружины 15, которое заливаются литьевым полиуретаном. После чего на стержне 11 устанавливаются упругая втулка 20, выполненная из полиуретана, и втулка 21, выполненная из хрупкого разрушающегося материала, которая поджимается защитным экраном 10 посредством конической пружины 15.
Взрывозащитная разрушающаяся конструкция зданий работает следующим образом.
max
вск
доп
доп
Для большинства газовоздушных смесей (ГВС) максимальное давление взрыва в замкнутом объеме р при μ=1 составляет 0,7÷1,0 МПа, т.е. в 6÷9 раз превышает атмосферное давление (фиг. 3). Такое давление создает нагрузку, существенно превышающую несущую способность конструкций (стен, перекрытий) промышленных зданий. Очевидно, что такое большое давление допускать нельзя. Для этого при разработке проекта производства предусматриваются проемы. На фиг. 2 представлен характер изменения давления Δр от времени τ при горении горючих смесей внутри помещения: Δ - давление, вызывающее вскрытие предохранительных конструкций (ПК); Δр - допускаемое давление в помещении (Δр=5 кПа); 1 - динамика изменения давления для помещений с проемами; 2 - динамика изменения давления для помещений с ПК.
Рассмотрим основные сценарии, приводящие к возгоранию горючих систем (ГС) для сжатых газов - разгерметизация оборудования с образованием газовоздушных смесей; для ЛВЖ - аварийный разлив жидкости с образованием паровоздушных смесей; для пылей - скопление пыли на поверхностях конструкций и оборудования с образованием пылевоздушных смесей.
На практике для отвода энергии в процессе горения широко используются предохранительные конструкции. Для этого необходимо в нарушенных ограждающих конструкциях зданий иметь такое количество отверстий, которые смогли бы обеспечить пропуск требуемого количества как сгоревшего, так и холодного газа. Эти отверстия принято называть сбросными, а конструкции, их ограждающие - предохранительными конструкциями (ПК). Предохранительные конструкции вскрываются при сравнительно небольшом избыточном давлении и тем самым обеспечивают возможность интенсивного истечения газа (продуктов горения и не прореагировавшей части ГС) через образовавшиеся проемы из помещения в наружную атмосферу. Истечение газа в атмосферу приводит к снижению избыточного давления в помещении. Степень снижения давления зависит от площади ПК, закономерностей их вскрытия, вида ГС, характера загазованности помещения, его объемно-планировочного решения и других факторов. Весьма интересное применение в качестве ПК получили стекла, остекления помещений. Стекла, используемые в качестве ПК, могут устанавливаться как в стенах здания (в виде застекленных оконных переплетов), так и в фонарях (фонарных надстройках), монтируемых на покрытии сооружения. В последнем случае может использоваться не только вертикальное остекление, но и наклонное и горизонтальное остекления. Образование проемов в застекленных оконных переплетах и фонарях (фонарных надстройках) происходит в результате разрушения стекол под действием избыточного давления, возникающего в помещении при взрывном горении ГС. Закономерности вскрытия остекления в значительной степени зависят от размеров стекол, их толщины, условий закрепления и вида остекления (одинарное, двойное или тройное).
Имеются решения ПК в виде облегченных сбрасываемых стеновых панелей. Эти панели крепятся к каркасу здания таким образом, чтобы при сравнительно небольшом избыточном давлении, возникающем в помещении при взрывном горении ГС, обеспечивалось разрушение креплений и отделение панелей от каркаса. В результате сброса стеновых панелей ликвидируется определенная часть наружного ограждения помещения. В покрытиях сооружения ПК могут устраиваться в виде облегченных плит, перекрывающих заранее предусмотренные проемы. Освобождение этих проемов осуществляется в результате подъема плит под действием нагрузки, возникающей при взрывном горении ГС. Значительный интерес представляют организованно разрушающиеся конструкции (ОРК). Вскрытие ОРК происходят в результате разрушения плит при взрывном горении. Разрушение плит происходит в местах размещения специальных пазов. Толщина слоя бетона в пазу δ=20 мм. Рассмотренные типы ОРК при действии нагрузок быстро разрушаются, не образуя при этом обломков, хорошо сохраняют тепло в отапливаемых зданиях и изготавливаются с использованием существующей технологической оснастки, ОРК представляют собой железобетонные панели размером 6000×1800 мм. Панель состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер (200×150 мм), размещенных по контуру. Плиты имеют ослабленные участки за счет прямолинейных, треугольных в поперечном сечении пазов. За счет этих пазов плита при воздействии нагрузки может быть разделена на отдельные части. Соединение разрушающихся частей панели в пазах производится арматурой с таким расчетом, чтобы плиты не деформировались при перевозке, монтаже и ветровой нагрузке.
Получена формула для определения потребной площади таких проемов:
о
3
где V - свободный объем помещения, м;
α - коэффициент интенсификации горения;
н
w - нормальная скорость распространения пламени в смеси стехиометрического состава, м/с;
3
ρ - плотность газов, истекающих из проемов, кг/м;
ε - степень теплового расширения продуктов сгорания;
доп
Δр - допускаемое давление в помещении (5 кПа).
Амортизатор одноразового действия с разрушающимися элементами (фиг. 4) работает следующим образом.
От воздействия ударной волны защитный экран 10 начинает сжимать коническую пружину 15. При дальнейшем движении защитного экрана 10 он разрушает втулку 21 одноразового действия, выполненную из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, и сжимает выполненную в виде усеченного конуса втулку 20, выполняющую функцию демпфера, а также коническую пружину 15, а затем взаимодействует с демпфирующим основанием 18. В случае большого (более 5 КПа) давления взрывной волны либо срезается сварочное соединение, которое крепит стержень 11 к диску 12, либо происходит заклинивание и разрыв стержня 11, что также способствует уменьшению разрушений.
Возможен вариант, когда на боковой поверхности втулки 21 (фиг. 4), выполненной из быстроразрушающегося материала, например стекла типа «триплекс», закреплен индикатор безопасности в виде тензорезистора 24, сигнал с которого по линии связи поступает на тензоусилитель 25, а с него в блок системы оповещения 26 об аварийном режиме, которая позволяет принять соответствующие меры для предотвращения начальной фазы возникновения чрезвычайной ситуации.
Использование предложенного технического решения позволяет осуществить предотвращение взрывоопасных объектов от разрушения и снижение поступления вредных веществ в атмосферу при аварийном взрыве.