Результат интеллектуальной деятельности: ВЗРЫВОЗАЩИТНАЯ РАЗРУШАЮЩАЯСЯ КОНСТРУКЦИЯ ОГРАЖДЕНИЯ ЗДАНИЙ

Изобретение относится к защитным устройствам, применяющимся во взрывоопасных и радиоактивных объектах, таких как легкосбрасываемые и противовзрывные панели, кровли, противовзрывные экраны.

Известна предохранительная конструкция [1] (рис. 3 на стр. 4), выполненная в виде взрывозащитной плиты, располагаемая, как правило, на кровле или покрытии здания, которая состоит из бронированного металлического каркаса с бронированной металлической обшивкой и наполнителем - свинцом. В покрытии объекта у проема симметрично относительно оси заделаны четыре опорных стержня, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры, заделанные в панели. Для фиксации предельного положения панели к торцам опорных стержней приварены листы-упоры. Для того, чтобы сдемпфировать (смягчить) ударные нагрузки при возврате панели, наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец.

Недостатком известного устройства является то, что при повышенном взрывном давлении в защищаемом объекте взрывозащитная плита за счет возрастающей кинетической энергии срезает упоры на опорных стержнях, что приводит к нарушению целостности кровли или покрытии здания.

Известна противовзрывная панель [2], состоящая из бронированного металлического каркаса с бронированной металлической обшивкой и наполнителем - свинцом. В покрытии объекта, у закрываемого проема, заделаны четыре опорных стержня с упорами, телескопически вставленные в неподвижные патрубки-опоры, а чтобы сдемпфировать ударные нагрузки при возврате панели, наполнитель выполнен в виде дисперсной системы воздух-свинец.

Недостаток известного устройства - при повышенном взрывном давлении в защищаемом объекте взрывозащитная плита за счет энергии взрыва срезает упоры на опорных стержнях, что приводит к нарушению целостности кровли или покрытии здания.

Известен способ взрывозащиты производственных зданий [3], когда взрывозащитную плиту располагают на кровле здания, и выполняют ее из бронированного металлического каркаса с бронированной металлической обшивкой и наполнителем - свинцом. Для фиксации предельного положения взрывозащитной плиты используют опорные стержни с упорами, а для демпфирования ударных нагрузок при возврате панели - наполнитель выполняют в виде дисперсной системы воздух-свинец.

Однако при повышенном взрывном давлении в защищаемом объекте взрывозащитная плита срезает упоры на опорных стержнях, а дисперсная система воздух-свинец не обеспечивает необходимого гашения ударной энергии возврата плиты.

Известна предохранительная разрушающаяся конструкция ограждения безфонарных зданий [4], в которых отсутствуют оконные проемы, и которая состоит из железобетонных панелей размером 6000×1800 мм, при этом панель состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Разрушающаяся часть выполнена в виде, по крайней мере, двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), одна из которых, внешняя образована плоскостями правильной четырехугольной усеченной пирамидой с прямоугольным основанием, а другая - внутренняя представляет собой две наклонные поверхности, соединенные ребром, с образованием паза, при этом толщина стены 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.

Недостаток известного устройства - при повышенном взрывном давлении в защищаемом объекте, при воздействии ударной, взрывной нагрузки разрушающаяся часть стены здания может быть разделена на отдельные части и осколки, которые могут нанести травмы людям и находящимся рядом объектам.

Наиболее близким техническим решением к заявленному объекту является взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения зданий по патенту РФ №131757 [5], F16D 3/04, (прототип), в которых отсутствуют оконные проемы, и которая состоит из железобетонных панелей, причем несколько панелей состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Разрушающаяся часть выполнена в виде углублений в стене здания, при этом толщина стены до внешней поверхности ограждения здания должна быть не менее δ=20 мм. За счет этих углублений (пазов) в стене здания, при воздействии ударной, взрывной нагрузки этот участок стены может быть разделен на отдельные части и осколки. Для предотвращения этого служит взрывозащитный экран разрушающейся части взрывозащитного ограждения зданий, который базируется на несущих стержнях, один конец которых жестко замурован в железобетонной панели, а на другом находится упругий элемент, подпирающий экран к разрушающейся части взрывозащитного ограждения зданий.

Недостаток известного устройства - при повышенном взрывном давлении в защищаемом объекте, при воздействии ударной, взрывной нагрузки разрушающаяся часть стены здания может быть разделена на отдельные части и осколки, и нанести травмы людям и находящимся рядом объектам за счет того, что упругий элемент, например в виде обычной пружины, сожмется и срежет ограничительные диски на несущих стержнях.

Технически достижимый результат - повышение надежности крепления взрывозащитного экрана разрушающейся части взрывозащитного ограждения зданий при аварийном взрыве на объекте.

Это достигается тем, что во взрывозащитной разрушающейся конструкции ограждения зданий, содержащей железобетонные панели из разрушающейся и неразрушающейся частей, 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

,

где Vo - свободный объем помещения, м³; α - коэффициент интенсификации горениями; w_н - нормальная скорость распространения пламени в смеси стехиометрического состава, м/с; ρ - плотность газов, истекающих из проемов, кг/м³; ε - степень теплового расширения продуктов сгорания; Δр_доп - 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, при этом углубления 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, заполнены тепло-, звукопоглощающим материалом и закрыты декоративной, легко разрушающейся при взрыве панелью, а на горизонтально расположенных и перпендикулярных ограждению здания стержнях расположены упругие элементы в виде предохранительного пакета тарельчатых упругих элементов для защитного экрана разрушающейся части взрывозащитного ограждения зданий, содержащие несущий стержень, один конец которого жестко замурован посредством диска несущего стержня в железобетонной панели, а на другом, свободном, конце несущего стержня размещен пакет упругих элементов для защитного экрана, несущий стержень жестко и перпендикулярно закреплен к замурованному в железобетонной панели базовому диску, а защитный экран через герметизирующую прокладку устанавливается на четыре несущих стержнях, при этом к защитному экрану жестко и перпендикулярно, одним из своих концов, закреплена направляющая втулка, соосная с несущим стержнем и охватывающая его с зазором, а второй конец направляющей втулки входит с зазором в соосное с ней отверстие упорной крышки пакета тарельчатых упругих элементов, которая фиксируется на свободном резьбовом конце несущего стержня с помощью стопорной шайбы и гайки, а пакет тарельчатых упругих элементов состоит из последовательно соединенных тарельчатых упругих элементов, внутренняя поверхность центральных отверстий которых взаимодействует с соосно расположенной с ними направляющей втулкой, причем каждый упругий элемент тарельчатого типа содержит тарельчатую упругую поверхность в виде усеченного конуса, большие основания которых попарно упираются друг в друга, образуя пакет, зафиксированный на направляющей втулке.

На фиг. 1 представлена общая схема взрывозащитной разрушающейся конструкции ограждения зданий, на фиг. 2 - схема расположения защитного экрана, на фиг. 3 - схема упругого элемента тарельчатого типа, подпирающего защитный экран к ограждению здания.

Взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения (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 пирамиды 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.

На фиг. 3 представлена схема упругого элемента 15, выполненного в виде предохранительного пакета тарельчатых упругих элементов для защитного экрана 10 разрушающейся части взрывозащитного ограждения здания. В железобетонную панель 9 жестко замурован базовый диск 13 несущего (опорного) стержня 11 предохранительного пакета тарельчатых упругих элементов. Несущий стержень 11 жестко и перпендикулярно закреплен к замурованному в железобетонной панели 1 базовому диску 13. Защитный экран 10 через герметизирующую прокладку 23 устанавливается на стержнях 4 (фиг. 2 и 3). К защитному экрану 10 жестко и перпендикулярно, одним из своих концов, закреплена направляющая втулка 22, соосная с несущим стержнем 4 и охватывающая его с зазором, а второй конец направляющей втулки 22 входит с зазором в соосное с ней отверстие 21 упорной крышки 20 пакета тарельчатых упругих элементов. Упорная крышка 20 фиксируется на свободном резьбовом конце несущего стержня 4 с помощью диска 12 с гайкой. Пакет тарельчатых упругих элементов состоит из последовательно соединенных тарельчатых упругих элементов 18 и 19, внутренняя поверхность центральных отверстий которых взаимодействует с соосно расположенной с ними направляющей втулкой 22, а каждый упругий элемент тарельчатого типа содержит тарельчатую упругую поверхность в виде усеченного конуса, большие основания которых попарно упираются друг в друга, образую пакет, зафиксированный на направляющей втулке 22.

Возможен вариант, когда поверхности каждого упругого элемента тарельчатого типа 18 и 19 покрыты вибродемпфирующим материалом, например мастикой ВД-17, а полости, образованные ими, заполнены полиуретаном.

Предохранительный пакет тарельчатых упругих элементов для защитного экрана разрушающейся части взрывозащитного ограждения зданий работает следующим образом.

Взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения (фиг. 2 и 3) безфонарных зданий (организованно разрушающаяся конструкция - ОРК), в которых отсутствуют оконные проемы, состоит из железобетонных панелей размером 6000×1800 мм. Разрушающаяся часть панелей выполнена в виде, по крайней мере, двух коаксиально расположенных ниш (углублений в стене здания), а напротив разрушающейся части, с внешней стороны ограждения здания, расположен защитный экран 10 из материала повышенной прочности, например бронированного материала, который базируется на горизонтально расположенных и перпендикулярных ограждению здания стержнях 4, по концам которых закреплены предохранительные пакеты тарельчатых упругих элементов.

Разрушение железобетонных панелей и плит происходит в местах размещения специальных пазов. Толщина слоя бетона в пазу δ=20 мм. Неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер (200×150 мм), размещенных по контуру. Плиты имеют ослабленные участки за счет прямолинейных, треугольных в поперечном сечении пазов. За счет этих пазов плита при воздействии взрывной нагрузки может быть разделена на отдельные части, которые ударяют с большой силой в защитный экран 2, выполненный из материала повышенной прочности, например бронированного материала. При этом защитный экран 2 движется по несущим стержням 4 вместе с направляющими втулками 8, сжимая при этом упругие элементы тарельчатого типа 9 и 10, которые в свою очередь упираются в упорную крышку 7 пакета, гася энергию взрывной волны и предотвращая вылет осколков разрушающейся части панелей и плит наружу, т.е. обеспечивая тем самым безопасность находящихся вне разрушающегося здания производственных объектов и людей.

Взрывозащитная разрушающаяся конструкция зданий работает следующим образом.

Для большинства газо-воздушных смесей (ГВС) максимальное давление взрыва в замкнутом объеме составляет 0,7÷1,0 МПа, т.е. в 6÷9 раз превышает атмосферное давление. 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.

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 решения 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 происходит 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. Панель состоит из разрушающейся и неразрушающейся частей. Неразрушающаяся часть выполнена в виде несущих ребер (200×150 мм), размещенных по контуру. Плиты имеют ослабленные участки за счет прямолинейных, треугольных в поперечном сечении пазов. За счет этих пазов плита при воздействии нагрузки может быть разделена на отдельные части. Соединение разрушающихся частей панели в пазах производится арматурой с таким расчетом, чтобы плиты не деформировались при перевозке, монтаже и ветровой нагрузке.

Получена формула для определения потребной площади таких проемов:

Где Vo - свободный объем помещения, м³;

α - коэффициент интенсификации горения;

w_н - нормальная скорость распространения пламени в смеси стехиометрического состава, м/с;

ρ - плотность газов, истекающих из проемов, кг/м³;

ε - степень теплового расширения продуктов сгорания;

Δр_доп - допускаемое давление в помещении (5 кПа).

Использование предложенного технического решения позволяет осуществить предотвращение взрывоопасных объектов от разрушения и снижение поступления вредных веществ в атмосферу при аварийном взрыве.

Источники информации

1. Кочетов О.С. Расчет конструкций взрывозащитных устройств. Интернет-журнал «Технологии техносферной безопасности» (http://ipb.mos.ru/ttb). Выпуск №3 (49), 2013 г.

2. Кочетов О.С., Стареева М.О. Противовзрывная панель // Патент РФ на изобретение №2458212. Опубликовано 10.08.2012. Бюллетень изобретений №22.

3. Сошенко М.В., Шмырев В.И., Стареева М.О., Кочетов О.С. Способ взрывозащиты производственных зданий // Патент РФ на изобретение №2471936. Опубликовано 10.01.2013. Бюллетень изобретений №1.

4. Кочетов О.C., Акатьев В.А., Шмырев В.И., Тюрин М.П., Сошенко М.В., Стареева М.О. Предохранительная разрушающаяся конструкция ограждения зданий // Патент РФ на изобретение №2459912. Опубликовано 27.08.2012. Бюллетень изобретений №24.

5. Дурнев Р.А., Иванова О.Ю., Кочетов О.С., Взрывозащитная разрушающаяся конструкция ограждения зданий // Патент РФ на полезную модель №131757. Опубликовано 27.08.2013. Бюллетень изобретений №24.