Прочность встроенных защитных сооружений убежищ гражданской обороны при совместном действии воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций зданий

Созданию системы гражданской обороны уделяется большое внимание во многих странах, в том числе и в России [26,66]. Система гражданской обороны обеспечивает, прежде всего, защиту населения в условиях возможной ядерной войны. При этом должна предусматриваться защита населения от воздушной ударной волны, теплового (светового) излучения и радиоактивного излучения ядерного взрыва, а также от химического и бактериологического оружия. Используются два пути защиты населения.

1. Заблаговременная эвакуация большей части населения (менее, чем за 10 часов на расстояние до 80 км).

2. Укрытие оставшейся в городах части населения в специальных защитных сооружениях — убежищах (заполнение за 15 минут, радиус сбора до 1 км).

В качестве убежищ ГО используются метрополитены и специальные возведенные сооружения ГО. Вопросы их проектирования в России регламентируются СНиП [61].

Согласно этому документу убежища ГО должны, как правило, возводиться под наземными зданиями и служить их подвальными частями. Это вызвано необходимостью снижения стоимости строительства убежищ. Кроме того, следует предусматривать использование убежищ в мирное время (подземные гаражи, склады и т. д.).

Действие ядерного оружия приводит к массовым разрушениям городской застройки воздушной ударной волной. Это сопровождается падением на убежища обрушаемых конструкций зданий.

Если методы расчета конструкций убежищ на действие ядерного взрыва разработаны достаточно подробно, то сведения о действии обрушаемых конструкций в литературе очень скудны, и в СНиП II-11−77* требования к таким расчетам отсутствуют. Это, видимо, вызвано большой сложностью задачи и присутствием в ней ряда неопределенных факторов.

Гражданская оборона стран НАТО является составной частью системы общегосударственных оборонных мероприятий, проводимых в мирное и военное время для защиты населения от оружия массового поражения и других средств нападения. Вопросам строительства убежищ ГО уделяет внимание в Англии, Германии и других странах НАТО. На гражданскую оборону расходы в этих странах невелики и составляет 1% - 4,5% общих военных расходов [26].

В изданном для слушателей штабного колледжа управления ГО США учебном пособии гражданского оборона определяется как все действия и меры, предназначенные и предпринимаемые в целях сведения к минимуму последствий нападения на США, преодоления чрезвычайных условий и восстановления жизненно важных предприятий коммунального обслуживания объектов, уничтоженных или разрушенных в результате этого нападения.

По мнению отца «водородной бомбы США» Э. Теллера для создания эффективной системы гражданской обороны расходы на нее должны находиться в течение ряда лет на уровне не менее 10% всех военных расходов США.

Целью настоящей работы является развитие методов расчета железобетонных конструкций защитных сооружений убежищ гражданской обороны на совместное действие воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций наземных зданий.

Актуальность темы

.

В диссертации рассматривается совместное действие на конструкции убежищ ГО воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций. При этом из условия равнозащищенности конструкций решаются две задачи:

1. При проектировании здания заданной этажности со встроенным убежищем ГО определяется расчетное избыточное давление Арф на фронте воздушной ударной волны взрыва, соответствующее нагрузке от обрушаемых конструкций.

2. При возведении многоэтажного здания на существующем убежище ГО с расчетным давлением Дрф определяется предельная этажность этого здания.

Методы расчета на действие обрушаемых конструкций не разработаны. Диссертационная работа на эту тему является актуальной.

Научную новизну работы составляют.

1. Определение нагрузок от обрушаемых конструкций с учетом: а) неравномерного распределения плотности массы по высоте обрушаемого зданияб) формы завала в виде прямоугольного параллелепипеда и обелискав) податливости завала при распространении волны сжатия.

2. Методика расчета железобетонных конструкций в упругой и пластической стадиях на совместное действие ВУВ взрыва и обрушаемых конструкций наземного здания без и с учетом затухания и присоединенной нарастающей массы завала.

3. Результаты натурных измерений некоторых параметров завала, используемых в расчетах.

Практическая ценность работы.

Разработана методика расчета всех несущих ограждающих конструкций, образующих раму защитного сооружения ГО, на совместное действие ВУВ взрыва и обрушаемых ею конструкций.

Решаются две задачи проектирования: расчет прочности вновь возводимого убежища, встроенного в здание заданной этажностиопределение этажности наземного здания, возводимого на существующем убежище.

Определены некоторые расчетные параметры завала по результатам натурных наблюдений.

Достоверность результатов обеспечивается использованием классических законов механики, апробированных методов динамики сооружений и теории железобетона, результатами натурных измерений параметров завалов и использованием литературных данных по ним. На защиту выносятся:

— методика определения нагрузок от обрушаемых конструкций;

— методика расчета конструкций с учетом затухания и нарастающей присоединенной массы завала;

— натурное определение некоторых параметров завала (на сносимых объектах различной конструкции);

— практические рекомендации по расчету нагрузок и железобетонных конструкций убежищ ГО.

Апробация работы.

Основные положения и результаты доложены на конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов МГСУ (май 2005 г.) [36] и заседаниях кафедры железобетонных и каменных конструкций МГСУ (апрель 2005 г. и апрель 2006 г.). Публикация.

Результаты опубликованы в четырех статьях [21,35,36,37].

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 73 наименований. Общий объем диссертации составляет 125 стр. в том числе 80 стр. машинописного текста, 64 рисунка, 14 таблиц.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. Получено приближенное решение актуальной задачи о совместном действии на конструкции встроенных убежищ ГО воздушной ударной волны взрыва и обрушаемых ею конструкций здания при различных условиях.

2. Определены во времени нагрузки от обрушаемых конструкций при неравномерном распределении плотности массы по высоте обрушаемого здания и получена вероятностная оценка величины неравномерности. Проведенные расчеты показали, что характер динамической нагрузки при неравномерном распределении плотности массы коренным образом отличается от нагрузки при равномерном распределении плотности массы. Нагрузка представляет собой короткие импульсы, количество которых равно числу этажей, их интенсивность увеличивается, а продолжительность уменьшается с увеличением количества этажей.

3. Рассмотрены формы завала в виде обелиска и параллелепипеда. Величина динамической нагрузки при завале в форме обелиска превышает нагрузку в случае параллелепипеда, а статическая нагрузка — наоборот. Проведенные расчеты показали, что увеличение динамической нагрузки вызвано уменьшением высоты завала и следовательно, увеличением высоты падения обломков. Уменьшение статической нагрузки объясняется уменьшением высоты завала.

4. Составлены уравнения колебаний железобетонных балок в упругой и пластической стадиях при совместном действии ВУВ взрыва и обрушаемых ею конструкций с учетом присоединенной нарастающей массы завала и затухания. Разработана программа на ПК ЭВМ, проведены расчеты. Результаты показали, что учет затухания позволяет устранить собственные колебания к моменту достижения максимального прогиба от обрушаемых конструкций. Учет нарастающей массы приводит к непрерывному уменьшению частоты собственных колебаний.

5. Балка получает сначала пластический прогиб от ВУВ взрыва, затем разгружается, вновь нагружается и переходит опять в пластическую стадию работы. При этом процесс увеличения нагрузки от обрушаемых конструкций здания сопровождается нарастанием пластического прогиба.

6. Прекращение действия нагрузки от обрушаемых конструкций и переход на статическую нагрузку от веса завала происходит мгновенно, и эта разгрузка может рассматриваться как отрицательный скачок давления, который никогда не приводит к пластическим деформациям другого знака. После разгрузки балка совершает несколько циклов затухающих колебаний.

7. Проведены натурные измерения характеристик завала на сносимых зданиях различной конструкции (кирпичные, крупнопанельные, крупноблочные). Получено, что плотность завала при сносе зданий взрывом превышает примерно в 2 раза плотность завала при сносе механическими средствами.

8. Рассмотрено приближенное решение двух практически важных задач: определение безопасного количества этажей здания, возводимого на существующем убежище, и определение расчетных нагрузок на конструкции вновь проектируемого убежища, возводимого под зданиями заданной этажности. В диссертации рассмотрены все вопросы, необходимые для решения указанных задач. Проведенные многочисленные расчеты позволили разработать для практического использования расчетные таблицы.

ГЛАВА 5 ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТУ КОНСТРУКЦИЙ ЗАЩИТНЫХ СООРУЖЕНИЙ УБЕЖИЩ ГО.

5.1 Расчетные нагрузки на покрытие.

В главе 2 определены нагрузки от обрушаемых конструкций для случаев неравномерного распределения плотности массы р (х) и формы завала в виде обелиска. Приведенные в табл. 2.1 сводные результаты показывают, что значения нагрузок различаются до 2,35 раза. Такая разница вызвана учетом неравномерного характера распределения р (х). В качестве предположения в гл. 2 принято, что завал является неподатливой средой и возникшее на границе волны обрушения давление мгновенно (т.е. с бесконечно большой скоростью) передается по толщине завала на покрытие. Фактически завал является деформируемой средой, свойства которой формируются в течение определенного времени. За этот промежуток времени движущиеся и невзаимодействующие частицы (плотность массы среды р0) соприкасаются между собой, происходит их «переупаковка» и образуется среда завала, обладающая механическими свойствами. 5.1.1. Учет податливости завала.

Для учета влияния податливости среды необходимо рассмотреть решение задачи о распространении продольной волны в стержне. Для этого следует использовать диаграмму, а — s материала завала. Для всех неводонасыщенных грунтов (кроме скальных) диаграмма, а — в имеет вид [13,31,32,33](рис. 5.1.а). Для приближенных решений можно использовать упрощенную упругопластическую зависимость cr — s (рис. 5.1.6). б) arctg. Ерarctg Eo.

Рис. 5.1. Диаграммаы ст — s: а) диаграмма о — е для неводонасыщенных грунтовб) упрощенная упругопластическая диаграмма ст — е материала (завала).

Имеется ряд особенностей решения задачи в нашем случае.

1.Нагрузка приложена к свободному концу стержня, высота которого непрерывно увеличивается. Траектория приложения (рис. 5.3.а) нагрузки в координатах х -1, полученная из формулы (1.28), имеет выражение: g х = t'.

— 1.

Ро.

2. Теоретически продольная волна сжатия, достигнув плиты покрытия, отразится от нее, что выразится в остановке частиц завала и переходе кинетической энергии потока частиц в потенциальную энергию давления, т. е. на плиту будет действовать давление отражения. Однако при определении исходного давления на конце стержня нами уже принята скорость частиц и = 0 и давление, поэтому определено максимальное возможное.

Равновесие элемента dx, имеющего плотность р, выражается уравнением [13].

Зет — д2и л.

5.1) которое приводится к дифференциальному уравнению в частных производных гиперболического типа d2u 1 д2и л.

5.2).

Эх a (a) dt Е где обозначено а2(ст) = —, (5.3) Р и — скорость частицст — давлениер — плотность материала завалах — высота столба завала в момент времени t. Уравнение решается методом характеристик [13, 16]. Рассматриваются характеристики положительного и отрицательного направления. В нашем случае при принятой диаграмме ст — 8 вдоль положительных прямолинейных характеристик со скоростью а, = д/Е,/р распространяется волна нагружения ст+ > 0) и со скоростью а0 = а = JЕ0/р распространяется волна разгрузки (ст. 1 0). При этом — = 2 — 3, ао и aj — по табл. 1.3 в [43]. а.

На покрытии (х = 0) давления в волнах нагружения и разгрузки суммируются с учетом знаков. Для пояснения построения волновой картины распространения одного импульса показано на рис. 5.2, где линии АА' // СС', СС'7/DD'.

По этой методике произведено построение для случаев динамической нагрузки при переменном распределении плотности массы (рис. 2.3) — импульсы аппроксимированы треугольниками. Получено, что импульсы давлений срезаются, а время достижения максимальной нагрузки увеличивается. Построения выполнены при значениях р*/р0 и р0/р, приведенных в таблице 5.1- Также даны значения максимальных нагрузок без учета и с учетом податливости завала.

Этот результат соответствует известным закономерностям распространения коротких волн сжатия в грунте, характеризуемым интенсивным их затуханием по глубине.