Экспериментальное определение эффективности остекления при аварийных взрывах внутри зданий

Введение. Представлены результаты испытаний одинарного и двойного остекления, используемого в качестве легкосбрасываемых конструкций (ЛСК) для обеспечения взрывоустойчивости зданий и сооружений при внутренних аварийных взрывах. Критерием сравнительной эффективности ЛСК является значение макси мального давления внутри помещения, реализуемого вследствие аварийного дефлаграционного взрыва и срабатывания легкосбрасываемой конструкции. Чем ниже максимальное давление при прочих равных условиях (объем помещения, площадь сбросного проема, вид взрывоопасной смеси), тем выше эффективность ЛСК.

Цель и задачи. Целью настоящего исследования является экспериментальное определение эффективности остекления, используемого в качестве легкосбрасываемых конструкций, при аварийных дефлаграционных взрывах внутри зданий.

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

• экспериментально определить давление вскрытия ЛСК в виде одинарного и двойного остекления при внутреннем дефлаграционном взрыве;
• определить максимальное давление внутри взрывной камеры при использовании ЛСК в виде остекления;
• провести сравнительный (в том числе численный) анализ результатов экспериментальных исследований для подтверждения точности определения давления вскрытия ЛСК;
• сравнить результаты экспериментальных исследований с расчетными значениями давления вскрытия ЛСК, полученными с помощью методик, рекомендуемых нормативными документами.

Методы исследования. При проведении испытаний ЛСК была использована взрывная камера с рабочим объемом 8 м³ и площадью сбросного проема 1,3 м². Таким образом, удельная площадь ЛСК составляла 0,16 м² на 1 м³, что в 3,2 раза больше рекомендуемой нормативными документами. Поэтому превышение максимального давления внутри взрывной камеры свыше пороговых значений (5–7 кПа) однозначно показывает неэффективность работы ЛСК.

Результаты и их обсуждение. Результаты испытаний одинарного остекления толщиной 4 мм и площадью 1 м² (соответствует требованиям п. 6.2.30 СП 56.13330.2021) показали, что такое остекление неэффективно в качестве ЛСК. Избыточное давление вскрытия и максимальное давление в помещении даже при избыточной необходимой площади сбросного проема имеет высокие значения: Р_вск = 11 кПа, Р_max = 12 кПа. Такие нагрузки являются разрушающими для промышленных зданий и сооружений.

Высокие значения давления вскрытия (14,7 и 17,7 кПа) и максимального давления в камере (17,7 и 20,5 кПа) позволяют сделать вывод о неэффективности работы также и двойного остекления в качестве ЛСК. При испытаниях как одинарного, так и двойного остекления наблюдался значительный разлет осколков (до 30 м в глубину и до 13 м в ширину), что в случае аварии может привести к поражению людей, находящихся рядом со зданием в момент аварии.

Выводы. Эксперименты показали, что предполагаемые (расчетные) давления вскрытия остекления, рекомендуемые рядом нормативных документов и научных публикаций, могут значительно отличаться от реальных значений, что может послужить причиной обрушений зданий при аварийных внутренних взрывах.

1. Пилюгин Л.П. Конструкции сооружений взрывоопасных производств. М. : Стройиздат, 1988. 305 с.

2. Комаров А.А. Прогнозирование нагрузок от аварийных дефлаграционных взрывов и оценка послед ствий их воздействия на здания и сооружения : дис. … д­ра техн. наук. М. : МГСУ, 2001. 460 с.

3. Gorev V.A., Korolchenko A. Impact of the idle run of a rotating easily dumped structure on pressure in the room // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 869. Issue 5. P. 052069. DOI: 10.1088/1757­899X/869/5/052069

4. Поландов Ю.Х., Бабанков В.А. Влияние места расположения источника воспламенения в помещении на развитие взрыва газа // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. № 3. С. 68–76. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21639722

5. Bauwens C.R., Chaffee J., Dorofeev S. Effect of ignition location, vent size, and obstacles on vented explosion overpressures in propane­air mixtures // Combustion Science and Technology. 2010. Vol. 182. Issue 11. Pp. 1915–1932. DOI: 10.1080/00102202.2010.497415

6. Гимранов Ф.М. Оценка последствий взрыва быто вого газа // Промышленная и экологическая безопасность. 2012. № 2 (64). С. 150–151.

7. Чешко И.Д., Смирнов А.С., Тумановский А.А. Загорание утечек бытового газа, инициированное электрическими аварийными режимами // Вестник Воронежского института ГПС МЧС России. 2017. № 4 (25). С. 77–85.

8. Korolchenko A.D. New protecting structures on buildings of explosive production // Journal of Physics: Conference Series. 2020. Vol. 1425. Issue. 1. P. 012011. DOI: 10.1088/1742­6596/1425/1/012011

9. Cen K., Tang J.Y., Zhang Y., Wang F., Zha S.X., Luo M. Safetymanagement effectiveness evaluation of indoor gas facilities based on SE­DEA // Oil & Gas Storage and Transportation. 2018. Vol. 37. Issue 5. Pp. 486–492, 532.

10. Cen K., Song B., Shen R., Zhang Y., Yu W., Wang Q. Dynamic characteristics of gas explosion and its mitigation measures inside residential buildings // Mathematical Problems in Engineering. 2019. Vol. 2019. Pp. 1–15. DOI: 10.1155/2019/2068958

11. Xu Y., Yimiao H., Guowei M. A review on effects of different factors on gas explosions in underground structures // Underground Space. 2019. Vol. 5. Issue 4. Pp. 298–314. DOI: 10.1016/j.undsp.2019.05.002

12. Lyapin A., Korolchenko A., Meshalkin E. Expediency of application of explosion­relief constructions to ensure explosion resistance of production buildings. MATEC Web of Conferences. 2016. Vol. 86. P. 04029. DOI: 10.1051/matecconf/20168604029

13. Корольченко О.Н., Корольченко А.Д. Определение давления вскрытия легкосбрасываемых конструкций с учетом ветровых нагрузок // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 7. С. 914–921. DOI: 10.22227/1997­0935.2022.7.914­921

14. Koshiba Y., Hasegawa T., Kim B., Ohtani H. Flammability limits, explosion pressures, and applicability of le Chatelier’.rule to binary alkane– nitrous oxide mixtures // Journal of loss prevention in the process industries. 2017. Vol. 45. Pp. 11–19. DOI: 10.1016/j.jlp.2016.11.007

15. Janès A. Hazard characterization and risks assessment of ATEX explosion, contribution to the improvement of industrial processes safety. Perrin, Laurent : Université de Lorraine. 2012. 160 p.

16. Pan Z., Zhang Z., Yang H., Zhang P., Zhu Y. Experimental and numerical investigation on flame propagation and transition to detonation in curved channel // Aerospace Science and Technology. 2021. Vol. 118. P. 107036. URL: cience/ article/pii/S1270963821005460 DOI: 10.1016/j.ast.2021.107036

17. Yang Z., Zhao K., Song X., Li B., Zhang D., Xie L. Effects of mesh aluminium alloys and propane addition on the explosion­suppression characteristics of hydrogen­air mixture // International Journal of Hydrogen Energy. 2021. Vol. 46. Issue 70. Pp. 34998– 35013. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2021.08.035

18. Kawabata M., Maeda K., Yamanaka M., Nakaoka T., Kawabata K.S., Aoki K., Anupama G. et al. Intermediate luminosity type Iax Supernova 2019muj with narrow absorption lines: Long­lasting radiation associated with a possible bound remnant predicted by the weak deflagration model // Publications of the Astronomical Society of Japan. 2021. Vol. 73. Issue 5. Pp. 1295–1314. DOI: 10.1093/pasj/psab075

19. Yücel F.C., Habicht F., Arnold F., King R., Bohon M., Paschereit C.O. Controlled autoignition in stratified mixtures // Combustion and Flame. 2021. Vol. 232. P. 111533. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.111533

20. Zou Y., Li C. Structure design and characteristic analysis of a foam jetting pig for high­sulfur gas­liquid mixed pipelines // Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2021. Vol. 94. P. 104070. DOI: 10.1016/j.jngse.2021.104070

21. Li C., Kang Y., Zhang Y., Luo H. Effect of double holes on crack propagation in PMMA plates under blasting load by caustics method // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. 2021. Vol. 116. P. 103103. DOI: 10.1016/j.tafmec.2021.103103

22. Altunışık A.C., Önalan F., Sunca F. Effects of concrete strength and openings in infill walls on blasting responses of RC buildings subjected to TNT explosive // Iranian Journal of Science and Technology, Transactions of Civil Engineering. 2021. Vol. 45. Issue 4. Pp. 2525–2554. DOI: 10.1007/s40996­020­00563­x