автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.01, диссертация на тему:Взрывозащита одноэтажных промышленных зданий от нагрузок, возникающих при аварийных взрывах газовоздушных смесей внутри помещений

ВВЕДЕНИЕ.4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

1.1. Обзор нормативных материалов по защите от взрывов внутри производственных помещений . 8

1.2. Анализ архитектурно-планировочных решений зданий взрывоопасных производств . 12

1.3. Обзор исследований по определению нагрузок на строительные конструкции при взрывном горении

ГВС . 15

1.4. Вы в о д ы. 38

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЛИЯНИЯ ИНЕРЦИОННОСТИ ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМОГО ПОКРЫТИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ НАГРУЗКИ, ВОЗНИКАЮЩЕЙ ПРИ ВЗРЫВНОМ ГОРЕНИИ ГВС

2.1 Л. Цель экспериментальных исследований . 40-41 2.1.2. Методика проведения экспериментов . 41

2.2.1. Результаты экспериментальных исследований и их анализ .45

2.2.2. Математическая обработка результатов экспериментальных исследований . 63

2.3. Выв о д ы. 67

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАГРУЗОК, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ ВЗРЬЮНОМ ГОРЕНИИ ГВС ВНУТРИ ПОМЕЩЕНИЙ ВЗРЫВООПАСНЫХ

ПРОИЗВОДСТВ

3.1. Определение нагрузок в объеме с учетом истечения при взрывном горении ГВС.69

3.2.1. Параметры истекающей турбулентной струи из отверстия переменного сечения . 76

3.2.2. Изменение давления во времени с учетом инерционности легкосбрасываемого покрытия . 78

3.3. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований . 83

3.4. Определение нагрузок, возникающих при взрывном горении ГВС в помещениях взрывоопасных производств с учетом инерционности легкосбрасываемого покрытия.103

3.5. Выводы.109

4. ДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

4.1. Существующие методы расчета зданий на импульсивные воздействия.III-II

4.2. Расчет поперечной рамы одноэтажного промышленного здания на динамическую нагрузку с учетом срабатывания JICK.II5-I

4.3. Анализ несущей способности типовых ограждающих конструкций.127

4.4. Вы в о д ы

Быстрый рост химической и нефтехимической промышленности приводит к расширению процессов, связанных с производством или переработкой взрывоопасных продуктов. Режимы протекания таких процессов близки к критическим режимам воспламенения, что нередко приводит к аварийным ситуациям.

Анализ аварий на взрывоопасных производствах показывает, что последствия взрыва приводят к разрушению элементов оборудования и строительных конструкций, к человеческим жертвам, повреждению технологического оборудования и остановке производства. Большинство аварий (около 90%), происходящих на предприятиях химической и нефтехимической промышленности в нашей стране и за рубежом, связано с образованием и взрывом газовоздушных смесей /II/.

Взрывобезопасность промышленных зданий и сооружений -это комплекс проблем, охватывающих мероприятия по предотвращению взрыва, локализации его воздействия, а также инженерные решения, связанные с защитой зданий и сооружений при действии нагрузки от взрывного горения ГВС. Для снижения нагрузки, возникающей при взрывном горении ГВС внутри помещений, применяют легкосбрасываемые конструкции (ЛСК) как мгновенно разрушающиеся (остекление), так и инерционные (стеновые панели, покрытие). Устройство ЛСК приводит, с одной стороны, к удорожанию строительства и эксплуатации зданий взрывоопасных производств, а с другой - не всегда может обеспечить прочность строительных конструкций, не рассчитанных на действие нагрузок от взрывного горения ГВС, вследствие инерционности легко-сбрасываемого покрытия, особых условий формирования и развития фронта пламени. Следовательно, наиболее разумным является такой подход, когда требуемая площадь ЛСК будет определяться с учетом прочности основных несущих элементов и условий формирования процесса взрывного горения.

В настоящее время при проектировании зданий взрывоопасных производств расчет несущих элементов строительных конструкций на действие взрыва газовоздушной смеси внутри помещений не производится. Для внедрения в практику проектирования этих расчетов необходимы достаточно достоверные данные о параметрах нагрузки, возникающей при взрывном горении ГВС, и методы динамического расчета несущих систем.зданий. В настоящее время процесс сгорания газа в замкнутом объеме разработан достаточно хорошо, но модели, описывающие процесс взрывного горения после вскрытия ЛСК, развиты недостаточно и без учета инерционности ЛСК. Существующие методы расчета конструкций на взрывные воздействия разработаны в основном для отдельных элементов (балок, плит, арок, оболочек и др.). Методы динамического расчета зданий различных конструктивных систем интенсивно разрабатываются главным образом в теории сейсмостойкости. Однако эти методы не позволяют учесть важные особенности работы конструкций зданий при взрывных воздействиях. Существующие же методы расчета на эти нагрузки являются недостаточными для практики проектирования. Поэтому разработка метода расчета каркаса одноэтажного промышленного здания на действие нагрузки, возникающей при взрывном горении ГВС внутри помещений с учетом инерционности ЛСК, позволит проектировать надежные и экономичные сооружений и является актуальной задачей, представляющей научный и практический интерес.

Целью исследований в диссертации является:

- разработка методики определения параметров нагрузки, возникающей при взрывном горении ГВС внутри помещений с учетом инерционности легкосбрасываемого покрытия;

- определение воздействия динамической нагрузки от взрывного горения ГВС на строительные конструкции одноэтажных промышленных зданий взрывоопасных производств.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать расчетную модель, описывающую динамику сгорания газа внутри помещения с учетом инерционности покрытия.

2. Провести экспериментальные исследования по определению влияния массы легкосбрасываемого покрытия(ЛСП)на увеличение нагрузки, возникающей при взрывном горении ГВС внутри помещений.

3. Разработать метод динамического расчета каркаса одноэтажного промышленного здания на воздействия типа взрывного горения внутри помещений.

Научная новизна работы заключается в разработке метода определения параметров нагрузки с учетом инерционности легко-сбрасываемого покрытия и метода расчета каркаса одноэтажного промышленного здания на динамические нагрузки, возникающие при взрывном горении ГВС внутри помещений. Эти мероприятия направлены на повышение взрывобезопасности зданий взрывоопасных производств. Выполненные исследования доведены до инженерных решений.

На защиту выносятся:

- теоретическая модель, описывающая динамику сгорания ГВС внутри помещений с учетом инерционности легкосбрасываемо-го покрытия;

- результаты экспериментальных исследований, подтверждающие данные теоретических расчетов;

- метод расчета каркаса одноэтажного промышленного здания на динамические воздействия типа взрывного горения.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на 17 научно-технической конференции МИСИ им. В.В.Куйбышева, на 35 научной конференции в Казанском инженерно-строительном институте, на II Всесоюзной конференции "Пожаровзрывобезопа-сность производственных процессов в металлургии" в 1983 году в г. Москве.

Основное содержание выполненных исследований опубликовано в 5 печатных работах.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТИ ОДНОЭТАЖНЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обеспечение взрывобезопасности зданий взрывоопасных производств требует комплексного подхода к вопросу учета действительной работы ЛСК и основных строительных конструкций. Нагрузки, возникающие при взрывном горении ГВС, зависят от режима горения ГВС, свойств горючего газа и его концентрации в объеме, площади и массы ЛСК, геометрии и конфигурации помещения.

2. Получена математическая модель, описывающая динамику сгорания ГВС в объеме с истечением для случаев: I - открытое сбросное отверстие; 2 - мгновенное вскрытие проема; 3 - постепенное вскрытие проема при использовании инерционных ЛСК различных типов.

3. Выявлен критерий подобия £ , который характеризует объем помещения, его линейные размеры, степень проемности и химические свойства ГВС и позволяет переносить результаты экспериментальных исследований на производственные помещения.

4. Получены номограммы, по которым можно определять максимальное избыточное давление в зависимости от массы легкосбрасываемого покрытия, безразмерного параметра р , давления разгерметизации проемов в производственных помещениях взрывоопасных производств при взрывном горении ГВС.

5. Сравнение теоретических и экспериментальных исследований, проведенных на объемах V = 0,1; I; 14; 200 м3, дает хорошее соответствие по величине избыточного давления и скорости нарастания давления при взрывном горении ГВС.

6. Экспериментальное подтверждение дает возможность использования в инженерных расчетах разработанного метода по определению нагрузок от взрывного горения ГВС с учетом инерционности легкосбрасываемого покрытия.

7. Разработан метод динамического расчета каркаса одноэтажного промышленного здания при работе колонн в упругой стадии. Этот метод позволяет рассчитывать каркасы одноэтажных промышленных зданий на нагрузки, возникающие при взрывном горении ГВС внутри помещений.

8. Для зданий взрывоопасных производств объемом до п

10000 м коэффициент динамичности изменяется в пределах от 1,1 до 1,3 при дефлаграционном горении пропановоздушной смеси.

9. При использовании в качестве ЛСК стеновых панелей и плит покрытия особое внимание надо уделять вопросу расчета узлов креплений.

1. Абдурагимов И.М. Актуальные вопросы повышения пожарной безопасности промышленных объектов. - ЖВХО им. Д.И.Менделеева, 1976, т. 21, 1. 4, с. 363-365.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика 4-е изд., перераб. - М.: Наука, 1976. - 888 с.

3. Александров В.Е., Иващенко П.Ф., Румянцев B.C., Эффективность защитных мероприятий от взрыва газовых смесей. В кн.: Горючесть веществ и химические средства пожаротушения. М., 1976, вып. 3, с. 34-41.

4. Александров В.Е., Иващенко П.Ф., Румянцев B.C. Влияние источника зажигания на процесс сгорания метано-воз-душной смеси. В кн.: Горючесть веществ и химические средства пожаротушения. М., 1976, вып. 3, с. 42-48.

5. Бабкин B.C., Бабушок В.И. О начальной стадии горения газа в замкнутом объеме. ФГВ, 1977, т. 13, № 3, с. 24-29.

6. Бабкин B.C., Бабушок В.И., Михайлова Л.Г. Влияние термодинамических и кинетических параметров на динамику сгорания газа в сферическом сосуде. ФГВ, 1979, т. 15, № 6,с. 14-20.

7. Бабкин B.C., Кононенко Ю.Г. Уравнения для определения нормальной скорости пламени в сферической бомбе постоянного объема. ФГВ, 1967, т. 3, № 2, с. 268-275.

8. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1977, 783 с.

9. Бесчастнов М.В., Соколов В.М., Кац М.И. Аварии в химических производствах и меры их предосторожности. М.: Химия, 1976. - 367 с.

10. Болотин В.В. Динамическая устойчивость упругих систем: М.: Гостехиздат, 1956. - 600 с.

11. Бурлаков И.С. К расчету конструкций зданий и сооружений для взрывоопасных производств. Промышленное строительство, 1972, № 8, с. 8-12.

12. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

13. Взрывобезопасность и огнестойкость в строительстве / Под ред. Н.А.Стрельчука. М.: Стройиздат, 1970. - 127 с.

14. Временные правила и нормы по технике безопасности и промышленной санитарии для проектирования, строительства и эксплуатации производств ацетилена. М.: Госхимиздат, 1962.- 79 с.

15. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. -7-е изд. М.: Наука, 1964. - 872 с.

16. Гнускин А.М. Исследование защиты промыпленных зданий при взрывах газов внутри помещений. Дис. . канд.техн.наук- М., 1965. 239 с.

17. Годжелло М.Г. Расчет площади легкосбрасываемых конструкций для зданий и сооружений взрывоопасных производств. -М.: Стройиздат, 1981. 49 с.

18. Годунов Б.В., Орлов Г.Г. Исследование параметров горения ГВС в опытных камерах при их локальной загазованности.- В кн.: Вопросы охраны труда при проектировании и строительстве зданий. Казань, 1978, вып. I, с. 49-52.

19. Гольденблат И.И., Николаенко H.A. Расчет конструкций на действие сейсмических и импульсивных сил. М.: Госстрой-издат, 1961. - 320 с.

20. ГОСТ 8.207-76. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений. -Взамен ГОСТ 8.010-72; Введ. I.01.77. 152-164 с.

21. Дикович И.Л. Динамика упруго-пластических балок. -М.: Судпромгиз, 1962. 292 с.

22. Дыховичный A.A. Статически неопределимые железобетонные конструкции. Киев: Будивильник, 1978. - 108 с.

23. Ефимов A.B., Золотарев Ю.Г., Тернигорева В.М. Математический анализ (специальные разделы). Ч. 2. Применение некоторых методов математического и функциального анализа: Учебн. пособие для втузов. М.: Высш. школа, 1980. - 295 с.

24. Исследование прочности и деформативности железобетонных конструкций при особых воздействиях и условиях эксплуатации: Отчет / МИСИ им. В.В.Куйбышева; Руководитель работы Расторгуев Б.С. № ГР 78042029; Инв. № Б809887. - М., 1983.- 66 с.

25. Кейл А. Проблема пластичности корабельных конструкций при взрывном и ударном нагружении. Механика, 1961,т. 35, № I, с. 107-123.

26. Киселев В.А. Строительная механика (специальный курс). Динамика и устойчивость сооружений. 3-е изд., испр. и доп. - М.: Стройиздат, 1980. - 616 с.

27. Коротких Н.И., Баратов А.Н. Особенности применения инерционных легкосбрасываемых конструкций. В кн.: Горючесть веществ и химические средства пожаротушения. М., 1979, вып. 5, с. I6I-I67.

28. Крикунов Г.Н., Насонов В.В., Потапов А.Ю. Адиабатическое воспламенение газа в полузамкнутом объеме. ФГВ, 1980, т. 16, Р б, с. 42-45.

29. Крылов А.Н. Вибрация судов. М.-Л.: АН СССР, 1948, т. 10. - 402 с.

30. Легкосбрасываемое заполнение оконных проемов (технические решения). М.: Главпромстройпроект, 1973, вып. 2. -36 с.

31. Дисков А.И. Расчет инженерных конструкций на импульсную нагрузку. В кн.: Строительная механика сооружений. Л., 1980, с. 61-70.

32. Льюис Б., Эльбе Г. Горение, пламя и взрывы в газах. 2-е изд. - М.: Мир, 1968. - 592 с.

33. Маркштейн Дж.Г. Нестационарное распространение пламени. М.: Мир, 1968. - 437 с.

34. Методика определения площади "вышибных" поверхностейри веса I м поверхности. М.: ЦНИИП0, 1965. - 42 с.

35. Мольков В.В., Некрасов В.Н. Динамика сгорания газа в постоянном объеме при наличии истечения. ФГВ, 1981, т. 18, !Р 4, с. 17-24.

36. Овечкин A.M. Расчет железобетонных оссесимметричных конструкций. М.: Гоостройиздат, 1961. - 259 с.

37. Орлов Г.Г. Исследование некоторых противовзрывных устройств в зданиях взрывоопасных производств. Дис. . кавд. техн. наук. - М., 1967. - 209 с.

38. Орлов Г.Г. Предотвращение разрушения зданий при взрывах в химических производствах. ЖВХО им. Д.И.Менделеева, т. 21, № 4, с. 409-416.

39. Орлов Г.Г. Определение требуемой площади легкосбра-сываемых ограждающих элементов. В кн.: Вопросы охраны труда при проектировании и строительстве зданий. Казань, 1979, вып. 2, с. 58-62.

40. Орлов Г.Г., Яковлев A.C., Годунов Б.В. Исследование работы основных несущих конструкций при вскрытии легкосбрасы-ваемых ограждающих элементов. В кн.: Охрана труда в строительстве. М., 1978, Р 161, с. 34-55.

41. Петров А.И. Исследование нагрузок от взрывного горения газовоздушных смесей. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1979. - 131 с.

42. Пилюгин Л.П. Нагрузки, возникающие при взрывном горении газовоздушных смесей в помещениях взрывоопасных производств. В кн.: Взрывобезопасность в строительстве. М., 1983, с. 77-87.

43. Померанцев В.В., Шагалов С.Л., Резник В.А. Самовозгорание и взрывы пыли натуральных топлив. Л.: Энергия, 1978. - 144 с.

44. Попов Г.И. К расчету нелинейных колебаний системы с одной степенью свободы на действие мгновенных и кратковременных сил. В кн.: Исследования по теории сооружений. М., 1959, вып. 8, с. 145-156.

45. Попов H.H., Расторгуев B.C. Расчет железобетонныхконструкций на действие кратковременных динамических нагрузок. М.: Стройиздат, 1964. - 149 с.

46. Попов H.H., Расторгуев Б.С. Вопросы расчета и конструирования специальных сооружений. М.: Стройиздат, 1980. - 190 с.

47. Правила и нормы техники безопасности и промышленной санитарии для проектирования и эксплуатации пожаро- и взрывоопасных производств химической и нефтехимической промышленности. М.: Недра, 1967. - 79 с.

48. Противопожарные технические условия проектирования производств синтетического аммиака, метанола, азотной кислоты и аммиачной селитры. М.: Госхимиздат, 1963. - 84 с.

49. Противопожарные технические условия строительного проектирования заводов синтетического каучука и синтетического спирта. М.: Госхимиздат, 1959. - 52 с.

50. Рабинович И.М., Синицын А.П., Теренин Б.М. Расчет сооружений на действие кратковременных и мгновенных сил. -М.: ВИКА, 1956, ч. I. 464 с.

51. Расторгуев Б.С. Расчет несущих железобетонных производственных зданий на взрывные нагрузки: Тез. докл. / П Всесоюзная конференция. Совершенствование методов расчета зданий и сооружений на динамические воздействия. Тбилиси, 1982,с. 139.

52. Расчет конструкций убежищ / Боданский М.Д., Горшков

53. Л.М., Морозов В.И., Расторгуев Б.С. М.: Стройиздат, 1974. -207 с.

54. Расчет сооружений на импульсные воздействия / Рабинович И.М., Сорокин А.П., Лужин О.В., Теренин Б.М. М.: Стройиздат, 1970. - 304 с.

55. Ржаницын А.Р. К вопросу о движении упруго-пластических балок и пластинок, нагруженных за пределом их несущей способности. В кн.: Исследования по вопросам пластичности и прочности строительных конструкций. М., 1958, с. 62-71.

56. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1980. - 376 с.

57. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента (справочное руководство). М.: Наука, 1971. -192 с.

58. Румянцев B.C. Исследование нагрузок на конструкции зданий от взрыва газовоздушных смесей внутри помещений с учетом интенсификации горения. Дис. . канд. техн. наук. -М., 1977. - 196 с.

59. Светланов Н.Д. Оценка избыточного давления и времени его действия при взрывах на объектах химической и нефтехимической промышленности. Химическая промышленность, 1970,1. Р 10, с. 17-21.

60. Светлозарова Г.И., Сигитов Е.В., Козловский А.В. Практикум по программированию на алгоритмических языках. -М.: Наука, 1980. 320 с.

61. Седов Л.М. Методы подобия и размерности в механике. 6-е изд., доп. - М.: Наука, 1967. - 428 с.

62. Сейлер Д., Коттер Б., Саймондс П. Импульсивное нагружение упруго-пластических балок. Механика, 1957, т. 44, Р 4, с. I0I-II4.

63. Синицын А.П. Анализ общей стойкости зданий воздействию взрывной волны. В кн.: Общая прочность и устойчивость сооружений при действии взрывной нагрузки. М., 1944, с. I0I-I24.

64. СНиП 11-90-81. Производственные здания промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1982. - 14 с.

65. Сорокин Е.С. Динамический расчет несущих конструкций зданий. М.: Госстройиздат, 1956. - 340 с.

66. Сполдинг Д.Б. Основы теории горения. М.: Госэнерго-издат, 1959. - 320 с.

67. Стрельчук H.A., Иващенко П.Ф. Расчет нагрузок на конструкции зданий от взрыва газовоздушных смесей. В кн.: Пожарная профилактика и тушение пожаров. М., 1966, вып. 3, с. 13-19.

68. Стрельчук H.A., Иващенко П.Ф., Румянцев B.C. К расчету легкосбрасываемых конструкций для зданий взрывоопасных производств. Промышленное строительство, 1975, № I, с. 24-26.

69. Стрельчук H.A., Имайкин Г.А. Анализ взрывов газов воздушных смесей. Пожарное дело, 1969, IP 10, с. 26-27.

70. Стрельчук H.A., Орлов Г.Г. Исследование остекления зданий взрывоопасных производств. Промышленное строительство, 1967, Р 6, с. 34-36.

71. Стрельчук H.A., Орлов Г.Г. Защита зданий взрывоопасных производств от нагрузок, возникающих при взрывном горении газовоздушных смесей (ГВС) внутри помещений. В кн.: Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. М., 1981, с. 29-40.

72. Строительная механика. Стержневые системы: Учебник для вузов/ Смирнов А.Ф., Александров A.B., Лащеников Б.Я., Шапошников H.H.; Под ред. Смирнова А.Ф. М.: Стройиздат, 1981. - 512 с.

73. Томсон В. Поведение балок при ударе в упругой и пластической областях. Механика, 1956, т. 35, № I, с. II0-I23.

74. Третьякова Э.В. Применение метода перемещений к расчету на ЭВМ стержневых систем в линейной и нелинейной постановке. В кн.: Труды ЦНИИСК. М., 1970, вып. 12, с. 143-147.

75. Фортран ЕС ЭВМ / Брич З.С., Капилевич Д.В., Котик С.Ю., Цагельский В.И. М.: Статистика, 1978. - 264 с.

76. Хьгоз Ч., Пфлигер Ч., Роуз Л. Методы программирования: курс на основе Фортрана. Пер. с англ. Ю.В.Ступина/ под ред. и с предисл. Ю.М.Банковского. М.: Мир, 1981. - 336 с.

77. Щелкин К.И., Трошин Я.К. Газодинамика горения. М.: АН СССР, 1963. - 255 с.

78. Эльтанатов А.И. Пожары и взрывы на химических предприятиях. ЖВХО им. Д.И.Менделеева, 1976, т. 2, № 4, с. 402-408.

79. Hmiim Á/.M. Seímic Relance of fkorkemd and fkuaó-t

80. Cctmde StxuctüxM. PCI, /378,)/- /, p. 40-58.

81. Иа\1м& D.j\ Ш witef cf § ал and m/xm wpSyiom ¿n demote UkucÎuwù > (kit Dtt¿> $¡Íú S¿*ucíu>m¿ Ырспеех, í$£9> v.47J№-/o)p- 403-408.

82. Ш. RmÍgaA A J.j Roßowzii IK itpébùm in mnteddtiotà. -Conti* and Manto} 19£0, v.4, №4, p.307-372. Ш Rcttké, ù.J.j RcfcmSi Z w. Re6¿ef of tapfaícm in dad yft-ùrtià, tywpmbri on c&mcaí7ргшм iïazaïdô, Ma/icii&t&t) /Щ p.J8-£8.