Прогнозирование и оценка последствий завалов

Цель работы

Завалы, образующиеся при разрушении зданий

Расчет завалов

Дальность разлета обломков

Высота завалов

Потери населения

Взрыв конденсированных ВВ

Структура и объемно-массовые характеристики завалов

Структура завалов

Показатели обломков

Расчетная часть

Пример задания

Варианты задач

Результаты расчетов

Разработать методику прогнозирования и оценки последствий завалов.

Ежегодно в мире происходит множество чрезвычайных ситуаций различного характера и происхождения: ураганы, землетрясения, цунами, наводнения, оползни, взрывы, обвалы и др. Они приводят к разрушению жилых и производственных зданий, степень разрушения которых зависит от силы воздействия, от типа здания и качества его постройки. Разрушения наносят не только вред экономике, требуя затрат на расчистку и на восстановление, но и вызывают потери среди населения.

Вот почему важной проблемой становится умение противостоять различным чрезвычайным ситуациям. Первым шагом является прогнозирование. Необходимо выяснить когда, где и какой силы произойдет землетрясение, какие районы могут пострадать от наводнения и т.д. Далее идет предупреждение чрезвычайной ситуации. Необходимо по возможности предотвратить или хотя бы минимизировать их разрушительное действие. И, наконец, третий шаг – ликвидация последствий чрезвычайных ситуаций. Нужно по возможности оперативно ликвидировать опасность, спасти уцелевших и восстановить стабильное существование данного региона.

А для этого необходимо уметь рассчитывать возможные размеры завалов и потери среди населения при различных чрезвычайных ситуациях, для различных зданий и сооружений.

Завалы, образующиеся при разрушении зданий

При воздействии поражающих факторов взрывов, землетрясений, цунами и разрушения плотин здания могут получить ту или иную степень разрушения. Анализ характера разрушений зданий при чрезвычайных ситуациях показал, что здания при полном разрушении практически полностью превращаются в обломки, образуя завалы. При разрушении зданий на ступень ниже полной в расчетах можно принять, что объем завалов составляет примерно 50% от объемов завалов зданий в случае их полного разрушения.

Завалы различных типов зданий характеризуются показателями. Показатели завалов зданий являются определяющими параметрами при выборе технологии спасательных работ. Показатели можно свести к двум группам:

– показатели, непосредственно характеризующие завал;

– показатели, характеризующие обломки завала.

К показателям, непосредственно характеризующим завал, можно отнести:

– дальность разлета обломков;

– высоту завала;

– объемно-массовые характеристики завалов;

– структуру завалов по весу обломков, составу строительных элементов и арматуры.

К показателям, характеризующим обломки завала, относят.

– вес обломков;

– геометрические размеры;

– структуру и содержание арматуры.

Расчет завалов

На основании анализа материалов натурных завалов зданий установлено, что завалы зданий можно упрощенно представить как обелиски – геометрические фигуры с прямоугольными основаниями, расположенными в параллельных плоскостях (рис.1). Противоположные боковые грани обелиска наклонены к основанию. Основными данными для построения этой фигуры являются размеры основания здания А и В, высота завала h и дальность разлета обломков L. Характерными геометрическими показателями завала также являются длина и ширина завала.

Длина завала – геометрический размер завала в направлении наибольшего размера А здания:

A_ЗАВ = 2L + A               (1)

Ширина завала – геометрический размер завала в направлении наименьшего размера В здания

B_ЗАВ = 2L + B                         (2)

где L - дальность разлета обломков, L = Н/2 … Н.

Расчетные схемы завалов зависят от воздействия поражающего фактора. Принимается, что при аварии со взрывом внутри здания, обломки разлетаются в стороны равномерно, а при взрыве вне здания обломки смещаются по направлению действия воздушной ударной волны.

Рис. 1. Расчетные схемы завалов: а – при взрыве внутри здания; б – при взрыве вне здания; в – при землетрясении.

h – высота завала;

l – дальность разлета обломков;

А, В, Н – длина, ширина, высота здания;

А_ЗАВ, В_ЗАВ – длина, ширина завала;

------ 1 - контур здания до разрушения;

—— 2 - контур завала.

Характерный размер завала по направлению действия воздушной ударной волны в последнем случае равен

B_ЗАВ = B + L или A_ЗАВ = A + L                 (3)

Верхняя грань расчетного обелиска при авариях со взрывом принимается равной площади основания здания. При землетрясениях площадь верхней грани обелиска по размерам меньше площади основания здания. Длина и ширина верхней грани обелиска, для этого случая, соответственно равна:

A₁ = A – 2L; B₁ = B – 2L.               (4)

Дальность разлета обломков

завал разрушение обломок взрыв

Дальность разлета обломков при взрывах:

Рассмотрим методику определения дальности разлета обломков при взрывах, приняв следующие предпосылки:

– волна мгновенно обтекает обломки вследствие их небольших размеров;

– вращения обломков при разлете и изменения за счет этого лобовой площади F_Л (миделя) не происходит.

Дальность разлета обломков (L) – расстояние от контура здания до основной массы обломков.

Смещение обломков можно описать уравнениями движения в горизонтальном и вертикальном направлениях. Рассмотрим сначала горизонтальное движение обломков с учетом сопротивления воздуха.

Силу, создаваемую скоростным напором воздушной ударной волны действующим на обломок, вычисляют по формуле

,               (5)

где С_Х – коэффициент лобового сопротивления, который для обломков принимают равным 1,5;

r_Ф(t) и U_Ф(t) – плотность и скорость воздушного потока в момент времени t;

F_Л – площадь лобового сечения обломков.

По мере увеличения скорости обломков возрастает сопротивление воздушного потока горизонтальному движению обломка

,              (6)

где х (t) - горизонтальная скорость обломка в момент времени t.

Теперь рассмотрим вертикальное движение обломков с учетом сопротивления воздуха. Нагрузка, создаваемая силой тяжести, составит

P = F_Л*d*r*g,                (7)

где d – толщина стены здания;

r – плотность материала;

g – ускорение свободного падения.

Сопротивление воздушного потока вертикальному движению можно описать зависимостью

,               (8)

где С_у – коэффициент сопротивления (С_у = С_Х);

F_H – площадь горизонтального сечения обломка;

y²(t) – вертикальная скорость обломка в момент времени t.

Тогда движение обломка можно описать системой уравнений

,                  (.9)

где m = F_Л * d * r – масса обломка.

Расчеты по формуле (9) и данные натурных завалов показывают, что дальность разлета обломков при минимальном давлении, вызывающем полное разрушение стен зданий, приближенно составляет

, (Н - высота здания).

Дальность разлета обломков при землетрясениях

При землетрясениях дальность разлета обломков рассчитывается из условия, что угол наклона боковых сторон обелиска равен углу естественного откоса. Исходя из этого условия, дальность разлета обломков составляет

, м (Н- высота зданий).

Подведя итоги, можно рекомендовать, при оперативном прогнозировании заваливаемости улиц и подъездных путей, дальность разлета обломков принимать равной (м):

при авариях со взрывом – L = H;           (10)

при землетрясениях – L = H/3.                (11)

Высота завалов

Высота завалов при взрывах.

Высота завала (h) - расстояние от уровня земли до максимального уровня обломков в пределах контура здания.

Основными факторами, определяющими высоту завала, являются этажность здания и величина действующего давления во фронте воздушной ударной волны. Чем больше давление, тем дальше разлетаются обломки, что приводит к уменьшению высоты завала (рис.2). Максимальной по величине высота завала будет в том случае, если на здание действует минимальное давление, вызывающее разрушение стен здания. За минимальное давление обычно принимают DР_Ф = 0,05 МПа.

Высоту завала можно определить из условия равенства объема образовавшегося завала

,             (12)

и объема обелиска

,                   (13)

где А, В, Н – длина, ширина и высота здания;

у – объем завала на 100 м³ объема здания;

h – высота завала;

L – дальность разлета обломков;

А_ЗАВ, В_ЗАВ – длина и ширина завала

А_ЗАВ = A + 2L; B_ЗАВ = B + 2L (при взрыве внутри здании)

A_ЗАВ = A + L; B_ЗАВ = B + L (при взрыве вне здания) (14)

При расчете высоты завала по формуле (2.13) дальность разлета обломков для аварий со взрывом рекомендуется принимать равной половине высоты здания (L = Н/2).

Рис. 2. Расчетная схема образования завала при различных давлениях во фронте воздушной ударной волны

Н₁, h_n, 1₁, 1_n – соответственно высота и длина завала;

DP₁, DP_i, DP_n – значения давлений (DP₁ < DP_i < DP_n);

В – размер здания.

Высота завала на различных расстояниях х: от здания зависит от высоты завала в пределах контура здания и дальности l разлета обломков

Показатель g в формуле (12) при ориентировочных расчетах рекомендуется принимать равным:

– для промышленных зданий g = 20 м³;

– для жилых зданий g = 40 м³.

Более точные значения показателей g, с учетом различных типов и конструктивных решений зданий, приведены в табл. 1. Эти данные получены на основе статистической обработки соответствующих показателей натурных завалов.

Таблица 1. Объемно-массовые характеристики завала.