РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Взрывоустойчивость (см. ВЗРЫВОУСТОЙЧИВОСТЬ) объекта – состояние объекта, при котором отсутствует возможность повреждения несущих строительных конструкций и оборудования, травмирования людей опасными факторами взрыва (см. ВЗРЫВ), что может достигаться сбросом давления (энергии взрыва) в атмосферу до безопасного уровня в результате вскрытия проемов в ограждающих конструкциях здания (см. ЗДАНИЕ), перекрываемых предохранительными противовзрывными устройствами (остекление, специальные окна или легкосбрасываемые конструкции) (п. 3.11 свода правил СП 4.13130.2013).

Легкосбрасываемая конструкция (ЛСК) – специальная конструкция, устанавливаемая в наружном ограждении здания, вскрывающая на ранней стадии развития взрыва газо-, паро-, и пылевоздушных смесей сбросные проемы в ограждающих конструкциях здания и обеспечивающая безопасный уровень давления внутри здания (помещения) (п. 3.20 свода правил СП 4.13130.2013).

Предохранительное противовзрывное устройство – устройство в виде специальных окон, остекления или легкосбрасываемых конструкций, вскрывающих на ранней стадии взрыва газо-, паро-, пылевоздушных смесей сбросные проемы в ограждающих конструкциях здания и обеспечивающих безопасное давление внутри здания (помещения) и в окружающем пространстве (п. 3.30 свода правил СП 4.13130.2013).

Легкосбрасываемые конструкции подразделяются на следующие виды:

- разрушаемые – конструкции, в которых при воздействии избыточного давления взрыва происходит макроскопическое нарушение сплошности составляющего их материала;

- смещаемые – конструкции, в которых при воздействии избыточного давления взрыва разрушаются элементы, посредством которых конструкции удерживаются в ограждении помещения;

- вращаемые – конструкции, в которых при воздействии избыточного давления взрыва происходит вращение плоскости конструкции вокруг неподвижной горизонтальной или вертикальной оси.

Оконное стекло относится к разрушаемым легкосбрасываемым конструкциям при толщине 3, 4 и 5 мм и площади не менее (соответственно) 0,8, 1 и 1,5 м².

Армированное стекло, стеклопакеты, триплекс, сталинит и поликарбонат к легкосбрасываемым конструкциям не относятся.

Заполнение проемов двумя отдельными оконными блоками с одинарным остеклением должно обосновываться расчетом.

Допускается установка легкосбрасываемых поворотных (с вертикальным или горизонтальным шарниром) на угол не менее 90° конструкций или смещаемых оконных конструкций (например, стеклопакет или рама со стеклопакетом, выпадающим наружу при воздействии на него избыточного давления дефлаграционного взрыва).

Предохранительные запорные устройства должны обеспечивать открывание поворотной створки или сброс смещаемого элемента наружу при достижении в помещении избыточного давления 0,7 кПа.

Принципиальные условия работы ЛСК:

а) При взрыве необходимо своевременно обеспечить условия, когда избыточное давление внутри помещения не сможет достигнуть величины, способной привести к разрушению здания, т.е. необходимо вовремя «раскрыть» оконные проемы. Стеклопакеты из стекла толщиной 4 мм при избыточном давлении не разрушаются, следовательно, из проема должна «раскрыться» оконная рама.

б) Узлы крепления оконных блоков должны гарантированно разрушаться при заданных нагрузках.

в) Узлы крепления оконных блоков должны гарантированно сохранять свои несущие способности при восприятии оконной конструкцией положительных и отрицательных ветровых нагрузок.

г) Детали узлов крепления должны надежно сохранять свои свойства в широком температурном (см. ТЕМПЕРАТУРА) диапазоне, быть защищены от коррозии, иметь достаточный срок службы.

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ ЛЕГКОСБРАСЫВАЕМЫХ КОНСТРУКЦИЙ

1. К числу основных параметров ЛСК относятся площадь ЛСК, перекрывающей проемы в наружном ограждении взрывоопасного помещения, и коэффициент вскрытия ЛСК при взрыве.

2. В качестве основного положения расчетной схемы принято, что эффективность снижения ЛСК избыточного давления, возникающего во взрывоопасных помещениях при внутренних аварийных взрывах горючих газопаропылевоздушных смесей (ГС), зависит от ряда факторов. Наиболее важными из них являются:

– объем и форма взрывоопасного помещения;

– вид горючей смеси, образующейся во взрывоопасном помещении в аварийных ситуациях (см. АВАРИЙНАЯ СИТУАЦИЯ), степень загазованности помещения (концентрация) ГС к моменту ее воспламенения (см. САМОВОСПЛАМЕНЕНИЕ), место воспламенения ГС;

– загроможденность взрывоопасного помещения строительными конструкциями (колонны, стропильные фермы, этажерки и т. п.) и оборудованием;

– общая площадь и места расположения в наружном ограждении взрывоопасного помещения проемов, перекрываемых ЛСК;

– эффективность вскрытия ЛСК, зависящая от их вида, геометрических и физических параметров, а также допускаемого избыточного давления и условий взрывного горения ГС во взрывоопасном помещении.

3. Площадь проемов, образующихся при вскрытии ЛСК, через которые происходит истечение газа (продуктов горения и непрореагировавшей части ГС) в наружную атмосферу из взрывоопасного помещения, должна быть не меньше площади открытых проемов, обеспечивающих при тех же условиях взрывного горения ГС снижение избыточного давления в помещении до допустимого значения:

где SЛСКi – площадь проемов в наружном ограждении взрывоопасного помещения, перекрываемых ЛСК i-го типа, м2;

ЛСК Квскрi – коэффициент вскрытия ЛСК i-го типа при взрыве;

Sоткр.тр – требуемая площадь открытых проемов в наружном ограждении взрывоопасного помещения, при которой избыточное давление в нем при взрывном горении ГС не превысит допустимое значение, м2.

Коэффициент ЛСК Квскрi показывает, какая доля площади проема, перекрываемого ЛСК, используется при вскрытии конструкции для истечения газа (продуктов горения (см. ГОРЕНИЕ) и непрореагировавшей части горючей смеси) в наружную атмосферу из взрывоопасного помещения.

Площадь Sоткр.тр определяется по формуле [4, 9]

где Uн.р – расчетная нормальная скорость распространения пламени, м/с; α – показатель интенсификации взрывного горения;  Ес– расчетная степень сжатия продуктов горения при взрыве в замкнутом объеме;  – коэффициент, учитывающий степень заполнения объема помещения взрыво- опасной смесью; Кф – коэффициент, учитывающий влияние формы помещения и эффект истечения продуктов горения взрывоопасной смеси; Vсв – свободный объем помещения, м3;  – расчетная плотность газа в помещении перед воспламенением, кг/м3; – допустимое избыточное давление в помещении при горении взрывоопасной смеси, кПа.

Следует отметить: формула (2) получена в предположении, что воспламенение горючей смеси происходит в центре взрывоопасного помещения, а открытые проемы в его наружном ограждении размещаются так же, как и проемы, перекрываемые ЛСК, в соответствии с рекомендациями [9]. Если воспламенение горючей смеси происходит не в центре взрывоопасного помещения, а проемы размещаются достаточно равномерно в его наружном ограждении, то определение Sоткр.тр по формуле (2) проводится с запасом.

Вычисление Sоткр.тр по формуле (2) можно проводить в тех случаях, когда выполняются следующие условия:

– линейные размеры взрывоопасного помещения по длине, ширине и высоте не более чем в 10 раз отличаются один от другого;

– проемы в элементах (стены, покрытие) наружного ограждения взрывоопасного помещения размещаются достаточно равномерно или вблизи от возможного места воспламенения горючей смеси;

– принимаемое значение кПа.

Если хотя бы одно из указанных условий не выполняется, то в формулу (2) должны вноситься соответствующие коррективы. Эти коррективы могут касаться числового коэффициента в формуле (2) или выражений для определения коэффициентов .

4. В общем случае допустимое избыточное давление в помещении при горении взрывоопасной смеси принимается равным 5 кПа. Для медленно горящих сред (максимальная нормальная скорость распространения пламени м/с) принимается равным 3 кПа.

Если расчетная видимая скорость распространения пламени Up превышает 65 м/с, то следует проводить расчет конструкции здания на устойчивость к воздействию взрывных волн, возникающих при распространении пламени, по методикам, утвержденным в установленном порядке.

При этом конструкции здания не должны разрушаться (выходить из строя) при повышении избыточного давления взрыва в помещении до значения , определяемого из выражения

Значение следует уменьшать либо увеличивать на основании результатов расчета конструкций здания на прочность с учетом динамических нагрузок от взрыва по методикам, утвержденным в установленном порядке.

5. Расчетная видимая скорость распространения пламени Up определяется по формуле

где – степень теплового расширения продуктов горения ГС с концентрацией горючего, соответствующей НКПР (нижнему концентрационному пределу распространения пламени); – степень теплового расширения продуктов горения ГС с концентрацией горючего, соответствующей Uнmax.

При отсутствии данных о степени теплового расширения продуктов горения допускается расчетную видимую скорость распространения пламени определять по формуле

Расчетная нормальная скорость распространения пламени Uн.р определяется по формуле

Для газопаровоздушных смесей Uнmax принимается равной нормальной скорости распространения пламени, определяемой применительно к горючей смеси стехиометрического состава по справочным данным.

Для пылевоздушных смесей Uнmax рассчитывается по формуле

где  – максимальная скорость нарастания давления при взрыве, кПа/с; rэ – эквивалентный радиус помещения, м; Pmax – максимальное давление взрыва пылевоздушной смеси, кПа.

Максимальная скорость нарастания давления при взрыве и максимальное давление взрыва пылевоздушной смеси определяются по ГОСТ 12.1.041 [20], по результатам испытаний в соответствии с ГОСТ 12.1.044 [21] или по справочным данным.

Эквивалентный радиус помещения rэ определяется по формуле

где Vпом – геометрический объем помещения, м3 .

6. Расчетная степень сжатия продуктов горения при взрыве в замкнутом объеме вычисляется по формуле

где – степень сжатия продуктов горения при взрыве в замкнутом объеме с концентрацией горючего, соответствующей НКПР;  - степень сжатия продуктов горения при взрыве в замкнутом объеме с концентрацией горючего, соответствующей Uнmax.

Если определяемое по формуле (9) значение c менее 6, то его следует принимать равным 6. При отсутствии справочных данных допускается принимать c равным 8.

7. Значение показателя интенсификации взрывного горения  определяется по табл. 1 в зависимости от степени загроможденности помещения строительными конструкциями и оборудованием и объема помещения V, в котором происходит горение взрывоопасной смеси.

Примечания: 1. Малогабаритные строительные конструкции и оборудование – конструкции и оборудование (или отдельный элемент, рассматриваемый как самостоятельная преграда на пути распространения пламени) с линейными размерами, не превышающими 0,75 м по длине, ширине и высоте, или с относительно большой длиной (трубопровод, колонна, элементы стержневых систем и т. п.) и поперечным сечением не более 0,75 х 0,75 м; крупногабаритные строительные конструкции и оборудование – конструкции и оборудование, линейные размеры которых по длине, ширине и высоте превышают 1,5 м.

2. Если определить невозможно, допускается принимать, что строительные конструкции и оборудование занимают 20 % геометрического объема помещения Vпом.

3. Для промежуточных значений V и , а также при наличии в помещении как малогабаритных, так и крупногабаритных строительных конструкций и оборудования значение α определяется линейной интерполяцией. Если V менее 100 м3 , значение α определяется линейной интерполяцией, при этом условно принимается, что при V = 0  = 2. Для строительных конструкций и оборудования, которые находятся между мало- и крупногабаритными, значение  также определяется линейной интерполяцией.

4. В случае отсутствия данных по процентному соотношению между крупногабаритными и малогабаритными строительными конструкциями и оборудованием допускается принимать, что доля объема, занимаемого крупногабаритными конструкциями и оборудованием, составляет 0,6 , а малогабаритными – 0,4 .

5. Данные таблицы используются для расчета водородовоздушных смесей, а также других видов взрывоопасных смесей (за исключением указанных ниже пылевоздушных смесей) с Uн.р ≤ 0,5 м/с. Для взрывоопасных смесей с Uн.р > 0,5 м/с (за исключением водородовоздушных смесей и указанных ниже пылевоздушных горючих смесей) в качестве расчетных принимаются табличные значения , увеличенные в 1,3 раза. Для пылевоздушных смесей, в состав которых входят крахмал, мука, зерновая пыль и им подобные горючие вещества, в качестве расчетных следует принимать табличные значения , уменьшенные в 2 раза.

где Vпл – объем пламени, м3 ; – коэффициент степени заполнения объема помещения взрывоопасной смесью и ее участия во взрыве.

Коэффициент рассчитывается по формуле

где m – масса горючего газа или паров жидкости, поступающих в помещение в аварийных ситуациях, или количество пыли, которое может образовать взрывоопасную смесь, кг, определяется по СП 12.13130.2009 [22]; Z – коэффициент участия горючего во взрыве, определяется также по СП 12.13130; СНКПР – массовая концентрация горючего в горючей среде, соответствующая НКПР, г/м3, определяется по прил. 2 и 3; Cmax – массовая концентрация горючего в горючей среде, соответствующая Uнmax, г/м3, определяется по прил. 2 и 3. Если рассчитываемое по формуле (13) значение > 1, то следует принимать = 1.

8. Коэффициент , учитывающий степень заполнения объема помещения взрывоопасной смесью, рассчитывается в зависимости от величины коэффициента по формулам:

9. Коэффициент Kф, учитывающий влияние формы помещения и эффект истечения продуктов горения взрывоопасной смеси, при , определяется по формулам:

где – соответственно длина, ширина и высота помещения, м. Если , следует принимать Kф = 1. Для значение Kф определяется линейной интерполяцией. Если расчетное значение Kф более 1 или менее 0,35, то следует принимать Kф равным соответственно 1 или 0,35.

10. Свободный объем взрывоопасного помещения Vсв определяется по формуле

где Vпом – геометрический объем помещения, м3;  – степень загроможденности помещения строительными конструкциями и оборудованием, %:

где Vобор – объем оборудования в помещении, м3 .

11. Расчетная плотность газа в помещении перед воспламенением  вычисляется по формуле

где – коэффициент степени заполнения объема помещения взрывоопасной смесью; – плотность горючей среды при концентрации горючего, соответствующей НКПР, кг/м3; – плотность горючей среды при концентрации горючего, соответствующей Uнmax, кг/м3; t0 – максимальная температура воздуха в помещении перед воспламенением, ;

Если определяемое по формуле (21) значение , следует принимать * . При отсутствии справочных данных расчетную плотность газа в помещении перед воспламенением  допускается определять по формуле

12. Коэффициент вскрытия остекления при взрыве определяется: для одинарного остекления – по табл. 2, для двойного остекления  – по табл. 3 в зависимости от значения приведенного давления вскрытия оконного остекления .

Значение приведенного давления вскрытия оконного остекления рассчитывается по формуле

где KSh – коэффициент, определяемый в зависимости от площади и толщины стекла, используемого для устройства ЛСК;  – коэффициент, определяемый в зависимости от соотношения сторон листа стекла.

Коэффициент KSh определяется по Таблице 4.

Площадь стекла Sст определяется по формуле

где аст – расчетный размер меньшей стороны стекла, м; bст – расчетный размер большей стороны стекла, м. Расчетные размеры стекла определяются по формулам:

где aпр – размер проема в направлении меньшей стороны стекла, м; bпр – размер проема в направлении большей стороны стекла, м; hст – толщина стекла, м.

Коэффициент определяется по табл. 5.

Коэффициент рассчитывается по формуле

13. Коэффициент вскрытия вращаемых и смещаемых ЛСК определяется по формуле

где Sоткр.тр – требуемая площадь открытых проемов в наружном ограждении взрывоопасного помещения, при которой избыточное давление в нем при взрывном горении ГС не превысит , м2; аЛСК, bЛСК – размеры соответственно горизонтальной и вертикальной сторон ЛСК, м; – избыточное давление в помещении, при котором начинается вскрытие ЛСК, кПа; Кс.м – коэффициент, учитывающий влияние собственной массы ЛСК в зависимости от ее конструктивных особенностей и условий расположения в наружном ограждении; Кз.п – коэффициент, учитывающий заужение проема при вскрытии вращаемых ЛСК; Кп.в – коэффициент формирования взрывной нагрузки на конструкции; МЛСК – масса подвижной (вращаемой или смещаемой) части элемента ЛСК, кг.

Коэффициент для вращаемых и смещаемых ЛСК принимается не более 1.

14. Значения определяются с помощью следующих формул (из двух значений по каждой формуле в качестве расчетного принимается большее):

а) для вращаемых конструкций, размещаемых в стенах помещения:

б) для смещаемых конструкций, размещаемых в стенах помещения:

в) для смещаемых конструкций, размещаемых в покрытии помещения:

где рр.в – расчетная ветровая нагрузка, кПа, определяется по СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85*) [23]; р д.н – дополнительная нагрузка, которую необходимо приложить к ЛСК изнутри помещения для того, чтобы вызвать ее отделение от остальной части наружной ограждающей конструкции, кПа; p с.м – нагрузка от собственной массы вскрывающегося облегченного элемента покрытия, приходящаяся на единицу площади ЛСК, кПа; p р.сн – расчетная снеговая нагрузка на покрытие помещения, кПа, определяется по СП 20.13330 (СНиП 2.01.07-85*).

Значение р д.н определяется на основании экспериментальных данных или рассчитывается, исходя из принятой конструкции и способа крепления ЛСК. В расчете для смещаемых ЛСК, размещаемых в покрытии, должны быть соблюдены условия:

В случае отсутствия необходимых данных (например, о влиянии сил трения, водоизоляционного ковра и других факторов на вскрытие ЛСК) для определения величины р д.н может использоваться дополнительное неравенство

При этом в качестве расчетного следует принимать наибольшее значение р д.н, удовлетворяющее условиям (32)–(34).

Конструкция ЛСК должна обеспечивать значение не более .

15. Значение коэффициента Кп.в определяется по табл. 6 в зависимости от расчетной степени сжатия продуктов горения при взрыве в замкнутом объеме и значения :

16. Коэффициент Кс.м, учитывающий влияние собственной массы ЛСК, вычисляется с использованием критерия Y:

где – избыточное давление в помещении, при котором начинается вскрытие ЛСК, Па; SЛСКi – площадь одного элемента ЛСК i-го типа, м 2; MЛСК – масса подвижной (вращаемой или смещаемой) части элемента ЛСК, кг; g – ускорение свободного падения, м/с2;

Kс.м = 1 – для вращаемых ЛСК с вертикальным шарниром и смещаемых ЛСК, размещаемых в стенах, при этом должно выполняться условие .

Для смещаемых ЛСК, размещаемых в покрытии, Kс.м определяется по формуле (при этом должно выполняться условие ):

Для вращаемых ЛСК с горизонтальным шарниром, устраиваемых в стенах, Kс.м определяется по формулам:

1) при нижнем шарнире (при этом должно выполняться условие ):

2) при верхнем шарнире (при этом должно выполняться условие ):

17. Коэффициент Кз.п, учитывающий заужение проема при вскрытии вращаемых и смещаемых ЛСК, определяется по формулам:

а) для вращаемых ЛСК с вертикальным шарниром, размещаемых в стенах:

б) для вращаемых ЛСК с горизонтальным шарниром, размещаемых в стенах:

где а пр – размер проема в направлении меньшей стороны ЛСК, м; b пр – размер проема в направлении большей стороны ЛСК, м; h з.п – величина заужения проема относительно плоскости конструкции, м;

в) при заужении проема в случае неполного открывания шарнирной конструкции

где – площадь проходного сечения для газа, истекающего наружу, при повороте конструкции на угол , м2;  – площадь проходного сечения проема, закрываемого шарнирной конструкцией, м2;

г) для смещаемых ЛСК Кз.п = 1.

При определении Кз.п в качестве расчетного принимается меньшее из значений, полученных по формулам (40)–(42).

Литература:

1. Расчет параметров легкосбрасываемых конструкций для взрывопожароопасных помещений промышленных объектов: рекомендации. М.: ВНИИПО, 2015. 48 с.