ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ РАЗРУШАЮЩАЯСЯ КОНСТРУКЦИЯ ДЛЯ ВЗРЫВООПАСНЫХ ЗДАНИЙ
EXPLOSION-PROOF DESTRUCRIBLE STRUCTURE FOR EXPLOSIVE BUILDINGS

Изобретение относится к защитным устройствам, применяющимся во взрывоопасных объектах, таких как легкосбрасываемые 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 взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения по патенту РФ №131757, Кл. Е04В 1/92, (прототип), содержащая железобетонные панели размером 6000×1800 мм, а 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 площадь разрушающейся части проемов вычисляется по формуле:
3
Где Vo - свободный объем помещения, м; α - коэффициент интенсификации горения;
н
доп
3
w - нормальная скорость распространения пламени в смеси стехиометрического состава, м/с; ρ - плотность газов, истекающих из проемов, кг/м; ε - степень теплового расширения продуктов сгорания; Δр - допускаемое давление в помещении (5 кПа), а напротив разрушающейся части, с внешней стороны ограждения здания, расположен защитный экран из материала повышенной прочности, например бронированного 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.
Технически достижимый результат - повышение надежности срабатывания разрушающихся взрывозащитных устройств при аварийном взрыве на объекте.
Это достигается тем, что в взрывозащитной разрушающейся конструкции для взрывоопасных зданий, 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 для взрывоопасных зданий, на фиг. 2 - схема расположения защитного экрана, на фиг. 3 - характер изменения давления Δр от времени  при горении горючих смесей внутри помещения, на фиг. 4 - схема амортизатора одноразового действия с разрушающимися элементами, фиг. 5 - вариант амортизатора одноразового действия с разрушающимися элементами.
Взрывозащитная разрушающаяся конструкция для взрывоопасных зданий (фиг. 1) безфонарных 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.
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 23 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.
Возможен вариант (фиг. 5), когда элемент 23 одноразового действия, выполнен в виде втулки из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, и расположен коакси-
ально стержню 11, охватывает упругий элемент 15, выполненный в виде конической пружины, при этом один конец втулки упирается в защитный экран 10, а другой - в диск 12, а втулка 21, расположенная между экраном 10 и упругой втулкой 20 в виде усеченного конуса из полиуретана, выполнена упругой.
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.
Возможен вариант, когда каждый диск 12, который приварен к торцам опорных стержней 11, выполнены комбинированными, и состоящими из твердой основы, на которой размещены три промежуточных вибродемпфирующих слоя: первый слой - из дисперсного упругодемпфирующего материала, в котором может быть использована крошка, например следующих материалов: резины, пробки, пенопласта, капрона, вспененного полимера, а также крошка твердых вибродемпфирующих материалов, например таких, как пластикат типа «Агат», «Антивибрит», «Швим» с размером фракций крошки 1,5÷2,5 мм, второй слой - из вязаных упругих синтетических нитей, причем размер ячеек, вязаных из упругих синтетических нитей, на 10÷15% меньше размеров фракций крошки вибродемпфирующих материалов; и третий слой - из сплошного демпфирующего материала, в котором может быть использована губчатая резина, иглопробивной материал типа «Вибросил» на базе кремнеземного или алюмоборосиликатного волокна, а также нетканый вибродемпфирующий материал.
Взрывозащитная разрушающаяся конструкция для взрывоопасных зданий работает следующим образом.
max
вск
доп
доп
Для большинства газо-воздушных 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: Δp - 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 непрореагировавшей 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 ре-
шения 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.
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 23 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.
Во втором варианте (фиг. 5), от воздействия ударной волны защитный экран 10 разрушает элемент 23 одноразового действия, выполненный из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора, и расположенный между защитным экраном 10 и диском 12, а затем начинает сжимать коническую пружину 15.
Возможен вариант, когда элемент 23 (фиг. 4) одноразового действия выполнен в виде спирального разрушающегося элемента из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора или стекла типа «триплекс».
Возможен вариант, когда элемент 23 (фиг. 4) одноразового действия выполнен в виде втулки с тремя равномерно распределенными по ее поверхности пазами, параллельными ее оси (на чертеже не показано) из хрупкого, разрушающегося материала, например фарфора или стекла типа «триплекс», при этом в пазах втулки закреплены тензорезисторы, соединенные с тензоусилителем, который, в свою очередь, связан с системой оповещения начала возникновения аварийной ситуации.
Использование предложенного технического решения позволяет осуществить предотвращение взрывоопасных объектов от разрушения и снижение поступления вредных веществ в атмосферу при аварийном взрыве.