Обеспечение взрывобезопасности и взрывоустойчивости зданий при использовании окон нового типа

  Для обеспечения устойчивости зданий и помещений к воздействию нагрузок от аварийных взрывов необходимо рассмотреть физические основы формирования взрывных нагрузок и математические модели, адекватно описывающие физическую картину протекания аварийных взрывов газовоздушных смесей внутри зданий.
   Во-первых, аварийные взрывы внутри зданий и помещений характеризуются не детонационным (почти мгновенным), а дефлаграционным типом (быстрое горение) взрывного превращения, при котором скорость распространения пламени и темп изменения давления в сотни раз меньше. Это накладывает определенные особенности на способы прогнозирования взрывных нагрузок и методы уменьшения последствий аварийных взрывов.
   Во-вторых, при взрывах внутри зданий и сооружений избыточное давление не должно превышать 5 кПа, что регламентировано нормативными документами и лимитируется прочностью строительных конструкций.
   При дефлаграционных взрывах, происходящих в замкнутых объемах, избыточное давление достигает в зависимости от вида газовоздушной смеси (ГВС) 700–900 кПа. Для обеспечения допустимых (неразрушающих) нагрузок используются сбросные проемы, оборудованные предохранительными конструкциями (ПК): окнами с глухим остеклением или легкосбрасываемыми конструкциями (ЛСК).
   В процессе взрывного горения сбросной проем должен вскрыться. Если сбросной проем остеклен, то при взрыве стекло разрушится (выдавится) взрывным давлением.
   К недостаткам глухого остекления (с точки зрения взрывобезопасности) можно отнести непредсказуемость (случайность) вскрытия стекла и достаточно большое расстояние разброса осколков при аварийном взрыве, что опасно для людей. Поэтому некоторая модернизация окон с глухим остеклением может обеспечить прогнозируемость их вскрытия при внутреннем взрыве. В этом случае они вскрываются по принципу ЛСК. Величина максимального давления при использовании в качестве предохранительных конструкций ЛСК в основном зависит от размеров помещения и инерционности ЛСК.
   Из сказанного можно сделать вывод о неприемлемости использования в качестве предохранительных конструкций окон с глухим остеклением, имеющим малые ячейки, и многослойных стеклопакетов с толстыми стеклами. Давление вскрытия последних достаточно велико, что приводит к резкому увеличению избыточного давления при аварийных взрывах. Следствием превышения взрывного давления над допустимым является потеря устойчивости строительной конструкции и ее обрушение.
   В качестве иллюстрации сказанного рассмотрим последствия неправильного выбора типа предохранительных конструкций. В июле 1998 г. в жилом доме № 54 по ул. Щербаковская (г. Москва) в кв. № 186 произошел взрыв природного газа. Общий вид фасада дома после аварийного взрыва приведен на рис. 1, в результате взрыва обрушились все этажи здания. Состояние боковой стены дома приведено на рис. 2. Особо следует отметить, что оконные проемы кв. № 186 (3-й этаж) были оборудованы стеклопакетами, а оконные рамы кухни и комнаты выбиты из проемов только после частичного выпадения кирпичей вокруг оконного проема, т. е. для их вскрытия (начального разрушения) потребовалось, чтобы в квартире создалось достаточно высокое избыточное давление.
   Применяющиеся в настоящее время при ремонтах квартир стеклопакеты оборудуются 4- и 5-миллиметровыми витринными стеклами, которые достаточно прочны и начинают разрушаться только при значительных избыточных давлениях (около 4–6 кПа в зависимости от размеров стекла). Поэтому при аварийных взрывах окна, остекленные таким образом, не выполняют роль сбросных проемов, что приводит к резкому повышению взрывного давления. В данном случае именно самостоятельный и неудачный выбор жильцами кв. 186 типа остекления окон на кухне привел к столь значительным разрушениям здания.
   Для подтверждения того, что решающую роль в разрушении дома сыграл тип оконного остекления, рассмотрим результаты математического моделирования динамических характеристик взрывных нагрузок.
   Величина избыточного давления для любого момента времени определяется темпом роста давления, вызванного выделением продуктов сгорания на фронте пламени, и темпом снижения давления вследствие истечения газа (свежей смеси или продуктов сгорания) через открытый проем. Учитывая, что взрывное давление является функцией времени и не зависит от пространственной координаты (принцип квазистатичности давления), динамику изменения давления (нагрузок) можно описать обычным дифференциальным уравнением:

где P(t) – текущее значение давления; DP – избыточное давление; S(t) – текущее значение площади поверхности фронта пламени; Sпр – суммарная площадь сбросных проемов; r1 – плотность свежей смеси; e – степень расширения смеси при сгорании; gj – показатель адиабаты; Uн – нормальная скорость распространения пламени; Vj – объем свежей смеси или продуктов сгорания; f(t,DP) – функциональная зависимость освобождения сбросного проема от предохранительной конструкции (стекол в оконных проемах, ЛСК и т. д.); a – коэффициент интенсификации процесса горения, вызванный ускорением горения за счет формирования ячеистой структуры, начальной турбулизацией смеси, наличием на пути пламени препятствий и т. д.; m – коэффициент расхода газов, истекающих через сбросной проем; Z – величина, значение которой зависит от плотности истекающего через сбросные отверстия газа. Если через все сбросные отверстия истекает свежая смесь, то Z = 1, если истекают только продукты сгорания Z = e.
   Как следует из уравнения (1), динамику взрывного давления определяют четыре заранее неизвестных параметра – a, S (t), f(t,DP), Z, к расчету которых и сводится задача определения избыточного давления в зданиях и помещениях. Функциональная зависимость вскрытия ПК в процессе взрыва f(t,DP) является одним из основных факторов, влияющих на взрывные нагрузки.
   Для определения динамики взрывного давления в помещении, оборудованном окнами с глухим остеклением, используется следующая эмпирическая функциональная зависимость освобождения оконных проемов от стекол:

где DPвскр – избыточное давление, при котором происходит вскрытие стекол, зависящее от размера единичной ячейки и толщины стекла.
   Анализ решений уравнения (1) при использовании зависимости (2) показывает, что максимальный уровень взрывного давления в здании с остекленными оконными проемами зависит от единственного параметра , где DP2 – максимальный уровень взрывной нагрузки в помещении без учета характера остекления. При К > 3 максимальная взрывная нагрузка DPмакс » DP2, т. е. тип остекления не влияет на уровень взрывного давления, а при DP2 ® 0 величина DPмакс ®  1,8ЧDPвскр, т. е. взрывные нагрузки не могут быть меньше, чем 1,8ЧDPвскр.
   Результаты численного расчета уравнения (1) применительно к аварийному взрыву, описанному ранее, с учетом функциональной зависимости (2) приведены на рис. 3.

   Одним из эффективных способов быстрого вскрытия остекления при аварийном взрыве является соответствующая подрезка стекла по его периметру (около 30–50 % толщины стекла).

   Для обоснования эффективности использования остекления с соответствующей подрезкой рассмотрим результаты расчета, выполненного применительно к зданию насосно-компрессорного отделения установки МНПЗ “Капотня” (рис. 4). Из результатов математического моделирования следует, что при обычном остеклении окон (здание остеклено 4 мм стеклом) взрывные нагрузки могут составить около
   10 кПа. Подрезка имеющегося стекла снижает максимальные уровни взрывных нагрузок до безопасного уровня – DРмакс= 5 кПа.
  
   Выводы
   1. Использование окон с глухим остеклением, имеющим малые ячейки, и многослойных стеклопакетов с толстыми стеклами, давление вскрытия которых достаточно велико, приводит к резкому увеличению избыточного давления при аварийных взрывах. Следствием превышения взрывного давления над допустимым является потеря устойчивости строительной конструкции и ее обрушение.
   2. Одной из причин значительных разрушений, которыми сопровождался аварийный взрыв на ул. Щербаковской, явилась замена типового остекления квартиры на стеклопакеты.
   3. Снизить взрывные нагрузки можно с помощью способов, основанных на изменении характеристик оконного остекления.
   4. Характер остекления играет решающую роль в формировании взрывных нагрузок.
   5. Разработанные в НТЦ “Взрывоустойчивость” методики позволяют определять параметры оконного остекления, обеспечивающие взрывоустойчивости промышленных и гражданских объектов.