Определение параметров динамических нагрузок от аварийных взрывов, действующих на здания и сооружения взрывоопасных производств

ВЕСТНИК 12/2013

12/2013

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ

СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ. ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИКИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

УДК 624.042

А.А. Комаров, Е.В. Бажина

ФГБОУВПО «МГСУ»

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ДИНАМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК ОТ АВАРИЙНЫХ ВЗРЫВОВ, ДЕЙСТВУЮЩИХ НА ЗДАНИЯ И СООРУЖЕНИЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Рассмотрена методология расчета процесса распространения ударных волн и волн сжатия, формирующихся при аварийных взрывах в атмосфере, по территориям, прилегающим к взрывоопасным производствам. Метод расчета базируется на интегрировании уравнений сохранений, записанных в интегральной форме, что позволяет проводить расчеты для разрывных начальных и граничных условий.

В расчетах учтена реальная застройка территории зданиями и сооружениями, что позволяет оценивать влияние застройки на распространение взрывных волновых потоков по территории.

Приведены результаты расчета распространения взрывных волн по территории реального взрывоопасного объекта. А также приведены исходные данные, необходимые для проектирования зданий во взрывоустойчивом исполнении.

Ключевые слова: динамические нагрузки, аварийные взрывы, взрывоопасное производство, взрывная волна, ударная волна, волна сжатия.

При проектировании зданий и сооружений, расположенных на территории взрывоопасных производств, необходимо определить предполагаемые максимальные нагрузки, которые могут возникнуть при аварийных взрывах. По полученным значениям взрывной нагрузки и следует проектировать здания. При выполнении подобных расчетов проектировщики сталкиваются со следующей проблемой: выполнение приближенных расчетов, основанных на достаточно примитивных расчетных схемах и физических представлениях о процессе, приводит к значительному завышению параметров взрывной нагрузки, что, в свою очередь, приводит к неоправданному удорожанию строительства. С другой стороны, выполнение точных численных расчетов принципиально невозможно из-за того, что неизвестны начальные и граничные условия развития аварийного взрыва. Хотя существующие вычислительные процедуры позволяют достаточно точно описывать процесс развития взрывного горения, формирования и распространения взрывной нагрузки.

В настоящей публикации делается попытка найти разумный компромисс при решении данной задачи. Расчетная схема должна быть достаточно простой, но при этом максимально точно описывать физические процессы, связанные с формированием и распространением по территории предприятия взрывной нагрузки.

Дг

Рассмотрим используемую численную схему расчета параметров газодинамических потоков, возникающих при аварийных взрывах [1, 2]. Расчетная схема построена на численном интегрировании общих уравнений движения воздушной среды.

В используемой численной схеме предполагается, что на границе произвольной расчетной ячейки протяженностью Ах происходит распад произвольного разрыва [3], а давление и скорость среды в месте распада разрыва, т.е. на границе расчетной ячейки, определяются из решения задачи о распаде произвольного разрыва [3, 4].

Задача о распаде произвольного разрыва применительно к численной схеме сводится к системе нелинейных уравнений относительно давления Р и скорости ир среды в точке распада разрыва [1, 3]. Данные величины определяют потоки массы М^ г+ и импульса I ^ +1, которыми обмениваются соседние расчетные ячейки I и I +1.

Расчет плотности и скорости среды в ¿-й ячейке в момент времени

^ , „ V „ и+1\

I + т —^ I рг- , иI I производится через значения плотности и скорости для предыдущего момента времени ? — (рп, ип ) по явной разностной схеме

(рП+1 -РП Ь^ (Мг,г +1 -Мг ) = 0;

<

(ри )п+1 - (ри )п+Ах (1- ^)=0.

Выписанные явные формулы для вычисления величин рп+1, мг"+1 приближенно описывают состояние среды в момент времени ? + т . Из соображений устойчивости схемы промежуток времени т должен быть меньше, чем

Дг

шах

При таком подходе к основным неизвестным начальным параметрам следует отнести: тип взрывного превращения (детонация или дефлаграция) и значение видимой скорости пламени при дефлаграционном взрыве [5, 6].

Не вдаваясь в подробности интегрирования указанным способом уравнений движения, приведем только окончательные решения задачи применительно к аварийному взрыву в атмосфере на территории взрывоопасного предприятия.

Рассматривалось два здания: здание контрольно-пропускного пункта (КПП), т.е. места массового скопления людей, и здание операторной — места управления технологическим (взрывоопасным) процессом. Принималось, что при аварийном взрыве может реализоваться детонационный или дефлаграци-онный тип взрывного превращения.

Рассмотрим детонационный взрыв. Начальные параметры взрывной нагрузки (параметры огненного шара) определялись по методикам, приведенным в [1, 5, 6]. На рис. 1 приведены мгновенные профили взрывного давления при взаимодействии воздушной ударной волны (ВУВ) со зданием операторной и КПП для трех характерных моментов времени.

0,5min

ВЕСТНИК

МГСУ-

12/2013

а б

Рис. 1. Мгновенные профили давления при взаимодействии ВУВ со зданиями операторной и КПП для трех характерных моментов времени: а — начало взаимодействия ВУВ с операторной; б — начало взаимодействия ВУВ с КПП

Видно, что здание операторной выполняет функцию определенной защиты КПП от воздействия ВУВ. Уровни равного максимального давления приведены на рис. 2.

Рис. 2. Уровни равного давления в ВУВ при ее взаимодействии со зданием КПП и зданием операторной

В результате выполненных расчетов можно сделать следующий вывод. При проектировании здания КПП во взрывоустойчивом исполнении по отношению к аварийному взрыву, при котором будет реализован детонационный тип взрывного превращения, следует принять следующие параметры нагрузки, действующей на фасады здания (номера фасадов отсчитываются против часовой стрелки):

на фасад 1 будет действовать ВУВ с коэффициентом усиления (по отношению к параметрам проходящей ВУВ) — 1,35. Максимальное давление в ВУВ составит около 22 кПа;

на фасад 2 будет действовать ВУВ с параметрами, соответствующими параметрам в проходящей ВУВ (коэффициент усиления около 1). Максимальное давление в ВУВ составит около 15 кПа;

на фасады 3 и 4 будет действовать ослабленная ВУВ с коэффициентом ослабления (коэффициентом разгрузки) около 0,6. Максимальное давление в ВУВ составит не более 10 кПа;

временные параметры воздействия ВУВ на фасады КПП будут соответствовать временным параметрам в проходящей ВУВ: продолжительность фазы сжатия Т = 59 мс; продолжительность фазы разрежения Т = 297 мс, общая продолжительность: Тсум = 356 мс.

Проведенные расчеты показали, что значения коэффициента динамичности для типичных частот собственных колебаний строительных конструкций не превысят Кд = 1,25.

Были проведены расчеты максимальных предполагаемых взрывных нагрузок, которые могут воздействовать на здание КПП при аварийном дефлаграци-онном взрыве. Необходимо подчеркнуть, что этот сценарий взрывной аварии наиболее вероятен. При дефлаграционном взрыве формируется волна сжатия (ВС), которая не имеет крутого переднего фронта, характерного для воздушной ударной волны (ВУВ).

Уровни равного максимального давления, которые реализуются при деф-лаграционном аварийном взрыве, приведены на рис. 3.

Рис. 3. Уровни равного давления в ВС при ее взаимодействии со зданием КПП и зданием операторной

При сравнении рис. 3, а с рис. 2 видно, что нагрузки на КПП при реализации дефлаграционного взрыва значительно меньше, чем при детонационном аварийном взрыве. На рис. 3, б приведены уровни равного давления с уменьшенным шагом (шаг — 2,5 кПа).

Таким образом, при проектировании здания КПП во взрывоустойчивом исполнении по отношению к аварийному взрыву с дефлаграционным типом взрывного превращения необходимо принять следующие параметры нагрузки на фасады здания:

на фасад 1 будет действовать ВС с коэффициентом усиления (по отношению к параметрам проходящей ВС) — 1,27. Максимальное давление в ВС составит около 14,7 кПа;

на фасады 2, 3 и 4 будет действовать ослабленная ВС с коэффициентом ослабления (коэффициентом разгрузки) около 0,89. Максимальное давление в ВС составит не более 9,9 кПа;

ВЕСТНИК 12/2013

12/2013

временные параметры воздействия ВС на фасады КПП: продолжительность фазы сжатия Т = 332 мс; продолжительность фазы разрежения Т() = 553 мс, общее время воздействия волны: Тсум = 885 мс.

Значения коэффициента динамичности при воздействии на КПП ВС от дефлаграционного взрыва не превысят Кд = 1,15.

Выводы. Приведена общая концепция определения параметров взрывных нагрузок, действующих на здания и сооружения взрывоопасных производств.

Полученные значения параметров нагрузок позволяют выполнять проектирование и строительство объектов во взрывоустойчивом исполнении.

Библиографический список

1. Комаров А.А. Расчет газодинамических характеристик потоков при аварийных дефлаграционных взрывах на наружных установках // Пожаровзрывобезопасность. 2002. Т. 11. № 5. С. 15—18.

2. Абросимов А.А., Комаров А.А. Механизмы формирования взрывных нагрузок на территории нефтеперерабатывающих комплексов // Нефть, газ и бизнес. 2002. № 6 (50). С. 58—61.

3. Численное решение многомерных задач газовой динамики / под ред. С.К. Годунова. М. : Наука, 1976. 400 с.

4. Ландау Л.Д., Лифишц У.М. Механика сплошных сред. М. : Изд-во технико-теоретической литературы, 1953. 788 с.

5. Clavin P. & Williams F.A. Analytical studies of the dynamics of gaseous detonations. Phil. Trans. R. Soc. A 370. 2012.

6. Poludnenko A.Y., Gardiner T.A. & Oran E.S. Spontaneous transition of turbulent flames to detonations in unconfined media. Phys. Rey. Lett. 107, 054 501—054 514, 2011.

Поступила в редакцию в ноябре 2013 г.

Об авторах: Комаров Александр Андреевич — доктор технических наук, профессор кафедры гидравлики и водных ресурсов, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, bzbb@mail.ru;

Бажина Елена Витальевна — кандидат технических наук, доцент кафедры гидравлики и водных ресурсов, Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, BazhinaEV@mgsu.ru.

Для цитирования: Комаров А.А., Бажина Е.В. Определение параметров динамических нагрузок от аварийных взрывов, действующих на здания и сооружения взрывоопасных производств // Вестник МГСУ 2013. № 12. С. 14—19.

A.A. Komarov, E.V. Bazhina

DETERMININGTHE DYNAMIC LOAD CAUSED BY ACCIDENTAL EXPLOSIONS AFFECTING BUILDINGS AND STRUCTURES OF HAZARDOUS AREAS

When designing buildings and structures located on the territory of explosive plants, it is necessary to calculate the maximum load that can occur during emergency explosions. The buildings should be designed with regard to the obtained values of explosive load. When performing such calculations designers face the following problem. The calculations based on simple formulas and simplified physical ideas about the process of explosion, lead to a considerable overestimation of the parameters of explosive load.

This leads to unjustified increase of the price of construction. Performing precise numerical calculations is not essentially possible due to the fact that we don't know the initial and boundary conditions for the development of accidental explosion.

This publication is an attempt to find a compromise in respect of this issue. Calculation scheme should be simple enough, but should accurately describe the physical processes related to the formation and distribution of explosive load in the enterprise territory.

The article considers a methodology of calculating the propagation of shock waves and waves of compression, which are formed by accidental explosions in the atmosphere. The wave flows propagation is considered on the territories adjacent to the explosive objects. The method is based on the conservation laws written in the integral form, which allows carrying out calculations for discontinuous boundary and initial conditions.

The calculations take into account the actual location of buildings and constructions in the territory under consideration. This allows determining the influence of buildings and structures on the distribution of the blast wave. The article presents the results of calculating the propagation of blast waves on the territory of a real explosive object. The article provides the basic data, which designers need for designing buildings in explosion version.

Key words: dynamic loads, emergency explosion, potentially explosive production, blast wave, shock waves, waves of compression.

References

1. Komarov A.A. Raschet gazodinamicheskikh kharakteristik potokov pri avariynykh def-lagratsionnykh vzryvakh na naruzhnykh ustanovkakh [Calculation of Gas-dynamic Characteristics of the Flows in Case of Emergency Explosions at Outdoor Installations]. Pozharovzryvo-bezopasnost' [Fire-Explosion Safety]. 2002, vol. 11, no. 5, pp.15—18.

2. Abrosimov A.A., Komarov A.A. Mekhanizmy formirovaniya vzryvnykh nagruzok na territorii neftepererabatyvayushchikh kompleksov [The Formation Mechanisms of Explosive Loads in Oil Refineries Territories]. Neft', gaz i biznes [Oil, Gas and Business]. 2002, no. 6 (50), pp. 58—61.

3. Godunov S.K., editor. Chislennoe reshenie mnogomernykh zadach gazovoy dinamiki [Numerical Solutions of Multi-dimensional Problems of Gas Dynamics]. Moscow, Nauka Publ., 1976, 400 p.

4. Landau L.D., Lifishts U.M. Mekhanika sploshnykh sred [Continuum Mechanics]. Moscow, Izd-vo tekhniko-teoreticheskoy literatury Publ., 1953, 788 p.

5. Clavin P., Williams F.A. Analytical Studies of the Dynamics of Gaseous Detonations. Philosophical Transactions of the Royal Society. A 370, 2012.

6. Poludnenko A.Y., Gardiner T.A., Oran E.S. Spontaneous Transition of Turbulent Flames to Detonations in Unconfined Media. Phys. Rey. Lett. 2011, 107, 054 501—054 514.

About the authors: Komarov Aleksandr Andreevich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Hydraulics and Water Resources, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; bzbb@mail.ru;

Bazhina Elena Vital'evna — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydraulics and Water Resources, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; bazhinaEV@ mgsu.ru.

For citation: Komarov A.A. Bazhina E.V., Opredelenie parametrov dinamicheskikh nagruzok ot avariynykh vzryvov, deystvuyushchikh na zdaniya i sooruzheniya vzryvoopas-nykh proizvodstv [Determimimg the Dynamic Load Caused by Accidental Explosions Affecting Buildings and Structures of Hazardous Areas]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 12, pp. 14—19.