CC BY
17
УДК 614.847.72
ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ОБОСНОВАНИЯ РАЦИОНАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЖИЛОГО ЗДАНИЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ НАСЕЛЕНИЯ ОТ ПОРАЖАЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ АВАРИЙНО ХИМИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ
A.A. Кочелаев
адъюнкт научно-исследовательского центра Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск.
E-mail: alexej911Qmail.ru
A.B. Рыбаков
доктор технических наук, доцент, начальник лаборатории информационного обеспечения населения и технологий информационной поддержки РСЧС Академия гражданской защиты МЧС России Адрес: 141435, Московская обл., г. Химки, мкр. Новогорск.
E-mail: anatoll rubakovQmail.ru
Аннотация. В статье в формализованном виде представлена постановка задачи и предложен алгоритм к обоснованию рациональных параметров конструктивных элементов жилого здания, реализация которых позволит повысить уровень защищенности населения от поражающего воздействия аварийно химически опасных веществ.
Основу алгоритма составляет решение оптимизационной задачи, заключающейся в выборе таких мероприятий по совершенствованию конструктивных элементов жилых домов, которые доставляют максимальное значение показателя защищенности населения при воздействии аварийно химически опасного вещества в условиях ограничений на их стоимость. Приведен пример, иллюстрирующий порядок проведения расчетов по предложенному алгоритму. Ключевые слова: защищенность населения, показатель защищенности, аварийно химически опасное вещество, концентрация вещества, экспозиционная доза, характеристика конструктивного элемента жилого здания.
Цитирование: Кочелаев A.A., Рыбаков A.B. Общая постановка задачи обоснования рациональных характеристик конструктивных элементов жилого здания для защиты населения от поражающего воздействия аварийно химически опасных веществ // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. 2018. № 2 (37). С. 57-63.
Специфика современной городской застройки крупных населённых пунктов, на территории которых располагаются многоэтажные жилые дома, не позволяет в полной мере осуществлять мероприятия по эвакуации населения в случае возникновения аварий на химически опасных объектах (далее - ХОО) [1].
Проведённые исследования [2,3] показали, что жилые здания в определённой степени могут способствовать снижению поражающего воздействия аварийно химически опасного вещества (далее - АХОВ) на людей при химическом заражении внутригородской территории. Исходя из этого, одним из возможных вариантов защиты населения в зоне химического заражения может являться временное укрытие людей в жилых зданиях [1].
Для обоснования данного варианта защиты был рассмотрен подход по оценке защи-
щенности населения при временном укрытии в жилых зданиях от поражающего воздействия АХОВ [1]. В качестве оценки защищённости населения при временном укрытии в жилых зданиях от поражающего воздействия АХОВ применялся подход, заключающийся в применении метода, в основе которого лежит решение уравнения материального баланса вредной примеси в помещении. Предложенный подход позволяет влиять на величину показателя защищённости за счёт выбора характеристик конструктивных элементов жилого здания. Вместе с тем, в [1] отсутствует общий подход к оценке мероприятий, направленных на повышение защитных свойств жилых зданий.
В настоящей работе представлена постановка задачи и предложен подход к обоснованию рациональных параметров конструктив-
ных элементов жилого здания, реализация которых позволит повысить уровень защищенности населения от поражающего воздействия АХОВ.
Постановка задачи:
При авариях на ХОО, а также террористических актах, возможно проникновение АХОВ внутрь жилых зданий. Попадание заражённого АХОВ воздуха внутрь жилого помещения происходит через неплотности ограждающих конструкций [3]. В настоящей работе рассматривается сценарий, связанный с воздействием поражающих факторов АХОВ на население, временно укрывающегося в жилых зданиях. Повышение защищённости возможно за счёт изменения собственных характеристик конструктивных элементов здания, через которые осуществляется проникание зараженного АХОВ воздуха, а также за счёт изменения характеристик воздухопроницания и воздухообмена оконных конструкций, выбора оптимальных структур конструкций, с точки зрения повышения защищённости к воздействию поражающих факторов АХОВ.
Проведение мероприятий по повышению защищённости населения при временном укрытии в жилых зданиях от поражающего воздействия АХОВ может ограничиваться рядом факторов, самым существенным из которых является выделенные ресурсы. Рассмотрим жилое здание, для которого характерны:
перечень параметров конструктивных элементов здания, изменение которые влияют на уровень защищённости населения;
затраты, необходимые для выполнения изложенных в подходах мероприятий, связанных с изменением характеристик параметров конструктивных элементов здания.
Уровень защищённости населения зависит от параметров конструктивных элементов жилого здания, которые могут быть представлены в виде множества
Ф = {A,R,G},
(1)
где A - площадь световых проёмов (окон, балконных дверей), м2;
R - коэффициент сопротивления воздухо-2
G - воздухопроницаемость оконной конструкции, кг/ч.
Каждая из указанных величин (1) ограничена максимальными и минимальными значениями и заключена в интервале [amin; атах], где а - значения параметров (1). Введём соответствующие значения ресурсов на реализацию мер по повышению защищённости:
для соответствующих характеристик в виде стоимости S(Фг), где Ф^ обозначает па-A, R, G
(¿ = 17).
В общем виде показатель защищённости населения может быть представлен следующей зависимостью
^защ — F[{Ф(А, R, G)}; {Г}], (2)
где {Т} - множество вариантов сценариев аварий с выбросом АХОВ.
Каждый из этих сценариев характеризуется следующими величинами:
С - концентрация АХОВ, мг/л; D - экспозиционная доза, мг/кг.
Затраты представим в виде
S^l) = S[{A,R,G}l ],i = 1,1.
(3)
Для заданных исходных данных (1) задача выбора мероприятий по повышению защитных свойств жилого помещения может быть сформулирована следующим образом.
Необходимо определить такой набор (А, К, С), при которых
"защ = F[Ф[{А, R, G}] = = maxF[Ф[{А, R, G}]; {Т}];
при следующем ограничении:
(4)
(5)
в — в[{А К С}г] < 5доп.
Решение:
Для получения решения задачи (4) при ограничениях (5) требуется определить вид функции Р. Для этого воспользуемся формулой нахождения значений показателя защищенности, предложенной в [1], имеем:
^ _ Dieap
"защ —
Di,
(6)
где DiHap - значение экспозиционной дозы снаружи помещения;
Авн _ значение экспозиционной дозы внутри помещения.
Величина DiHар определяется на основании методик предлагаемых в [4], учитывающих физико-химические свойства веществ, а также особенности рассеяния их в атмосфере.
При этом при нахождении значений необходимо учитывать, что одновременно с проникновением АХОВ внутрь помещения происходит и его удаление за счёт того, что воздухообмен жилых помещений сбалансирован
D
м
гвн — ^ ^ АА 3=0
(
N
У] Св
г=0
0,216 ■ А ■ Ар{
Ж
0,67
• At
м
- £
3=0
а
внеш j
0,216 ■ А ■ Ар0,67 R
Atj
(7)
где Стеш - концентрация АХОВ в заражённом воздухе, г/мЗ;
Аг - элементарные отрезки времени на которые разделяется интервал времени действия АХОВ на человека, (в примере принимаем равным 1 мин.);
N - время действия источника АХОВ на человека вне здания, ч;
М - время действия источника АХОВ на
человека внутри здания, ч;
А - площадь оконных проёмов, м2;
Д - коэффициент сопротивления воздухо-2
Уп - объём помещения, м3.
Повышение значения показателя защищенности будет осуществляться за счёт изменений следующих характеристик конструктивных элементов здания А, К, С
Кзащ —
D.
г нар
(5Ai' (
N
У] Св
i=0
0,216 ■ А ■ Ар
Ж
0,67
м С, AU - Е
3=0
внеш ]
0,216 ■ А ■ Ар
Ж
0,67
• Ati
(8)
Выражение (10) определяет вид функции ^в (4). Дальнейшее решение задачи сводится к следующему: для получения конкретных решений определяются значения характеристик в наборе [А, К, С}. Из всего набора характеристик (1) в качестве мероприятий выбираются меры, связанные с уменьшением размеров оконных проёмов А и увеличением коэффициента сопротивления воздухопроницанию Е.
Пример:
В качестве примера реализации алгоритма рассмотрим 3 вида типового 5-ти этажного жилого дома серии 1605-АМ/5 (схема представлена на рисунках 1 и 2). При этом, каждый тип дома будет иметь отличительные друг от друга характеристики, которые представлены в таблицах 1-3.
Рисунок 1 Схема жилохх) дома серии 1605-АМ/5 общий вид
Рисунок 2 Схема расположения квартир жшкнх) дома серии 1605-АМ/5 общий вид
Таблица 1 Характеристики конструктивных элементов жилого дома № 1 серии 1605-АМ/5
Квартира Объем квартиры, м3 Площадь окопных конструкций, 3 3 Тип окопных рам Коэффициент сопротивления воздухоиро-ницанию, м2чПа/кг Воздухопроницаемость оконной конструкции, / Значение расхода воздуха, иифильт-рующегося /
1 ком. 81,8 3,98 деревни. 0,3 0 20,75
2 ком. 111,2 0,88 деревни. 0,3 0 35,87
3 ком. 157,4 9,78 деревни. 0,3 0 50,99
Таблица 2 - Характеристики конструктивных элементов жилого дома № 2 серии 1605-АМ/5
Квартира Объем квартиры, з м3 Площадь оконных конструкций, 3 Тип оконных рам Коэффициент сопротивления воздухопроницанию, м2чП а/кг Воздухопроницаемость оконной конструкции, / Значение расхода воздуха, инфильт-рующегося /
1 ком. 81,8 3,98 пластик. 0,4 О 17,29
2 ком. 111,2 6,88 пластик. 0,4 О 29,89
3 ком. 157,4 9,78 пластик. 0,4 О 42,49
Таблица 3 - Характеристики конструктивных элементов жилого дома № 3 серии 1605-АМ/5
Квартира Объём квартиры, 3 3 Площадь оконных конструкций, 3 3 Тип оконных рам Коэффициент сопротивления воздухопроницанию, м2чП а/кг Воздухопроницаемость оконной конструкции, / Значение расхода воздуха, инфильт-рующегося /
1 ком. 81,8 3,98 пластик. 0,6 3 10,37
2 ком. 111,2 6,88 пластик. 0,6 3 17,93
3 ком. 157,4 9,78 пластик. 0,6 3 25,49
Характеристики поражающего воздействия АХОВ [Т} определяются величинами экспозиционной дозы, которые в свою очередь зависят от концентрации и времени действия АХОВ. Формулы для нахождения экспозиционной дозы внутри и снаружи жилого помещения приведены в [1].
Рассмотрим воздействие облака АХОВ, в зимний период, образовавшегося при разливе 50 тонн хлора, на защищённость населения, находящегося в жилом здании, расстояние от объекта воздействия примем равным 1500 метрам.
Значения экспозиционных доз, рассчитанных по данным взятым из таблицы 1 составляют: Авн1 = 0,037 мг/кг, ОгВВ2 = 0,04 мг/кг, А внз = 0,041 мг/кг, При таких условиях значение КЗЯщ для 1 ком. квартиры будет равен 1,32, для 2 ком. квартиры - 1,21, для 3 ком. квартиры -1,2.
Значения рассчитанных экспозиционных доз по таблице 2 составляют А вн1 = 0,032 МГ/КГ, ^ Вн1 = 0,036 МГ/КГ, М вн3 = 0,036 мг/кг, При таких условиях значение Кзящ для 1 ком. квартиры будет равен 1,54, для 2 ком. квартиры - 1,35, для 3 ком. квартиры - 1,35.
Значения рассчитанных экспозиционных доз по таблице 3 составляют А вн1 = 0,024 мг/кг, А вН1 = 0,029 мг/кг, А Вн3 = 0,029 мг/кг.
При таких условиях значение Кзящ для 1 ком. квартиры будет равен 2, для 2 ком. квартиры - 1,7, для 3 ком. квартиры - 1,7.
Проведённые расчёты показали, что в повышении защищённости нуждается население, находящееся в доме № 1. Для указанного объекта (дом № 1) решим оптимизационную задачу по выбору рациональных параметров конструктивных элементов.
В качестве изменяемых характеристик примем Кг ж Аг остальные примем за константу. Стоимость изменения величин примем равную: увеличение коэффициента сопротивления воздухопроницанию на 1 м2чПа/кг будет
2
кового окна составляет 1550 рублей. Остальные переменные оставим без изменений. В качестве ограничений будут выступать ресурсы, определим их равными 1000 рублей, а так же максимальные и минимальные значения величин Кгтах = 0,6 М2чПа/кГ, А^ах = 11,2 М2, Щтгп = 0,12 м2чПа/кг, А^п = 8,54 м2 и решим задачу по определению оптимальных значений изменяемых величин, при которых Кзящ будет принимать максимальные значения.
По результатам расчётов, полученных методом обобщённого приведённого градиента [5], определены оптимальные значения характеристик конструктивных элементов = 0,5 м2 чПа/кг, А^^ = 8,54 м2 и
показатель Кзащ.
При таких оптимальных значениях характеристик конструктивных элементов и Агор^, показатель защищённости Кзащ увеличится для рассмотренного типа здания, в среднем на 20%.
Заключение: В работе сформулирована постановка задачи и предложен алгоритм по обоснованию рациональных параметров конструктивных элементов жилого здания. Основу алгоритма составляет решение оптимизационной задачи, заключающейся в выборе таких мероприятий по совершенствованию кон-
структивных элементов жилых домов, реализация которых позволяет повысить значение показателя защищённости населения при воздействии аварийно химически опасного вещества [6].
Кроме этого, предложенные решения задачи позволяют учесть стоимость проводимых мероприятий по повышению защищённости жилых объектов, тем самым обосновать экономическую целесообразность защиты населения в жилых домах от поражающего воздействия аварийно химически опасных веществ.
Литература
1. Рыбаков A.B., Кочелаев A.A., Иванов Е.В. О показателе защищенности населения в жилых зданиях при химическом заражении территории / / Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2018. - №1 - С.24-30.
2. Зиновьев A.B. (2002) Прогнозирование опасности токсического поражения при проникновении загрязненного воздуха в помещения различного назначения. [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.dissercat.com/content/prognozirovanie-opasnosti-toksicheskogo-porazheniya-pri-proniknovenii-zagryaznennogo-vozdukh (дата обращения: 20.04.2018)
3. Батырев B.B. Основы противохимической защиты населения в чрезвычайных ситуациях: Монография / МЧС России. - М.: ФГБУ ВНИИ ГО ЧС (ФЦ), 2010.
4. Батырев В.В., Живулин Г.А., Сосунов И.В., Садовский И.Л. Оценка эффективности и качества фильтрующих средств индивидуальной защиты органов дыхания населения в чрезвычайных ситуациях: Монография / под общ. Ред. В.В. Богатырева / МЧС России. - М.: ФГБУ ВНИИ ГО ЧС (ФЦ), 2017.
5. Прикладное нелинейное программирование / Д. Химмельблау. Перевод с английского И. М. Быхов-ский, Б. Т. Вавилова. Под ред. Б. Э. Быховского. - М.: Мир, 1975. - 534 с.
6. Ударцева О.В., Гальцев С.А. Методика анализа и оценки рисков аварийных ситуаций на химически опасных объектах // Научные и образовательные проблемы гражданской защиты. - 2018. - №1 -С.36-42.
Кочелаев A.A., Рыбаков A.B.
GENERAL STATEMENT OF THE PROBLEM OF THE RATIONALE FOR THE RATIONAL CHARACTERISTICS OF THE CONSTRUCTIVE ELEMENTS OF THE RESIDENTIAL BUILDING FOR THE PROTECTION OF THE POPULATION FROM THE INFECTIONAL IMPACT OF EMERGENCY CHEMICALLY
DANGEROUS SUBSTANCES
Alexey KOCHELAEV
Adjunct of Scientific Research Center Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk. E-mail: alexej911Qmail.ru
Anatoliy RYBAKOV
Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Laboratory of Information Support of the Population and Information Support Technologies of the Research Center
Academy of Civil Defence EMERCOM of Russia Address: 141435, Moscow Region, Khimki, md. Novogorsk. E-mail: anatoll rubakovQmail.ru
Abstract. In the article, the formulation of the problem is presented in a formalized form and an algorithm is proposed to substantiate the rational parameters of the structural elements of a residential building, the implementation of which will increase the level of population protection from the damaging effects of chemically hazardous substances.
The basis of the algorithm is the solution to the optimization task, which consists in the selection of such measures to improve the structural elements of residential buildings, which deliver the maximum value of the index of population protection when exposed to an emergency chemically dangerous substance in conditions of restrictions on their cost. An example is given that illustrates the procedure for calculating the proposed.
Keywords: protection of the population, the index of security an accidentally chemically dangerous substance, the concentration of the substance, the exposure dose, the characteristic of the structural element of the residential building.
Citation: Kochelaev A.A., Rybakov A.V. (2018) Obshchaya postanovka zadachi obosnovaniya ratsional'nykh kharakteristik konstruktivnykh elementov zhilogo zdaniya dlya zashchity naseleniya ot porazhayushchego vozdeystviya avariyno khimicheski opasnykh veshchestv [General statement of the problem of the rationale for the rational characteristics of the constructive elements of the residential building for the protection of the population from the infectional impact of emergency chemically dangerous substances]. Scientific and educational problems of civil protection, no. 2 (37), pp. 57-63 (in Russian).
References
1. Rybakov A.V., Kochelaev A.A., Ivanov E.V. O pokazatele zashchishchennosti naseleniya v zhilyh zdaniyah pri himicheskom zarazhenii territorii // Nauchnye i obrazovatel'nye problemy grazhdanskoj zashchity. -2018. - №1 - S.24-30.
2. Zinov'yev A.V. (2002) Prognozirovaniye opasnosti toksicheskogo porazheniya pri proniknovenii zagryaznennogo vozdukha v pomeshcheniya razlichnogo naznacheniya. [Elektronnyy resurs] - Rezhim dostupa: http: / / www.dissercat.com / content / prognozirovanie-opasnosti-toksicheskogo-porazheniya-pri-proniknovenii-zagryaznennogo-vozdukh (data obrashcheniya: 20.04.2018)
3. Batyrev V.V. Osnovy protivohimicheskoj zashchity naseleniya v chrezvychajnyh situaciyah: Monografiya / MCHS Rossii. - M.: FGBU VNII GO CHS (FC), 2010.
4. Batyrev V.V., ZHivulin G. A., Sosunov I.V., Sadovskij I.L. Ocenka ehffektivnosti i kachestva fil'truyushchih sredstv individual'noj zashchity organov dyhaniya naseleniya v chrezvychajnyh situaciyah: Monografiya / pod obshch. Red. V.V. Bogatyreva / MCHS Rossii. - M.: FGBU VNII GO CHS (FC), 2017.
5. Prikladnoe nelinejnoe programmirovanie / D. HimmePblau. Perevod s anglijskogo I. M. Byhovskij, B. T. Vavilova. Pod red. B. EH. Byhovskogo. - M.: Mir, 1975. - 534 s.
6. Udartseva O.V., Gal'tsev S.A. Metodika analiza i otsenki riskov avariynykh situatsiy na khimicheski opasnykh ob"yektakh // Nauchnyye i obrazovatel'nyye problemy grazhdanskoy zashchity. - 2018. - №1 -S.36-42.
