CC BY
16
/28 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 1 (55) УДК 614.8
Подход к оценке нагрузок на сооружение после взрыва бытового газа
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2018
Г.М. Нигметов, М.В. Сошенко, В.И. Шмырев
Аннотация
Проведено сравнение экспериментально полученных значений частот колебаний для поврежденного сооружения со значениями частот колебаний для сооружения в неповрежденном состоянии. Подход позволяет проводить оценку величин возможного воздействия на поврежденное сооружение. Приведен пример результатов динамико-геофизической оценки категории технического состояния здания и величины нагрузки после воздействия взрыва газа.
Ключевые слова: чрезвычайные ситуации; сейсмические повреждения; разрушения зданий; сооружений; оценка нагрузок; категории технических состояний.
Approach to the Assessment of Structural Loads Following Household Gas Explosion
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2018
G. Nigmetov, M. Soshenko, V. Shmyrev
Abstract
The experimentally obtained oscillating frequencies of a damaged structure were compared with its oscillating frequencies in undamaged state. The approach enables assessing the allowable impact on the damaged structure. As an example, the authors present the results of dynamic geophysical assessment of the technical condition of a building and the magnitude of load after its exposure to gas explosion.
Key words: emergency situations; seismic damage; destruction of buildings; structures; load assessment; category of technical condition.
Статья поступила в редакцию в январе 2018 года.
Актуальность задачи
При чрезвычайных ситуациях, связанных с повреждениями сооружений, возникает необходимость не только оперативно определить их пригодность к возможности нахождения в них людей, но и оценить величину нагрузки, которая вызвала повреждение. Оценка нагрузки необходима для принятия рациональных конструктивных решений при проектировании новых или усилении поврежденных сооружений. Известны таблицы критериев, применяемых в международных сейсмических шкалах [1], где в зависимости от сейсмической нагрузки в баллах для определенных типов зданий приводится их степень повреждения или категория технического состояния. Известны также таблицы, где приводятся описания повреждения для различных типов сооружений в зависимости от величины взрывной нагрузки [3]. С применением таких исходных данных строятся методики по оценке возможных повреждений. То есть, при известной величине воздействующей нагрузки можно определить возможные повреждения и соответствующую категорию технического состояния сооружения. Понятно, что имея сведения о повреждении сооружения можно оценить возможную величину нагрузки, которая вызвала повреждение сооружения. Очевидно, что для того чтобы точно определить силовое воздействие, необходимо точно знать категорию технического состояния сооружения. Часто визуальный метод оценки категории технического состояния, применяемый в таблицах и шкалах, не может дать точную оценку состояния конструктивной системы, так как скрытые дефекты не поддаются визуализации. Предлагается прямой измерительный подход с применением метода динамико-геофизических испытаний, с помощью которого легко измеряется категория технического состояния сооружения и затем может быть оценена возможная величина нагрузки.
Существующие методы решения
В известных методиках и шкалах все повреждения зданий от легких до катастрофических делят на пять категорий, наиболее полно описание таких повреждений приводится в сейсмических шкалах [1].
Тогда как же определить категорию технического состояния сооружения и затем величину нагрузки, если дефекты не поддаются визуализации и нет данных о воздействующих нагрузках. В известных методиках [2, 3, 6] величины аргументов для оценки категории технического состояния находятся как отношение
нагрузки к прочности или как разность несущей способности и нагрузки. То есть, для оценки вероятности обрушения опять необходимо знать нагрузку и несущую способность сооружения [2].
По А. П. Синицину [2] риск обрушения конструкций равен:
Re = Ф(-т/ от), (1)
где: т = Я - 5";
om -
о»!;
Я — несущая способность сооружения;
5 — нагрузка, действующая на сооружение;
от — среднеквадратичное отклонение величины т.
К примеру, 5 = 2 * Я, а о5 = 5/3; оЯ = Я/3.
Тогда т = Я - 5 = Я - 2 * R = -К; о = R * 0,745
' т '
Ке = Ф(Я/Я * 0,745) = Ф(1/0,745) = Ф(1,342) = 0,91.
В методике [3] категория технического состояния определяется через обобщенный показатель, при этом также используются величины нагрузок и несущей способности:
£ = 1,25 * S/R,
(2)
тогда для нашего случая £ = 1,25 * 2 * R/R = 2,5, что соответствует полному разрушению, вероятность разрушения равна 1.
Используя методики [2, 3], проверим случай, когда нагрузка на 10% больше несущей способности сооружения. Тогда по методике [2] S = 1,1 * R, а oS = S/3; oR = R/3, тогда S = 1,1 * R, а oS = S/3; oR = R/3.
Тогда m = R - S = R - 1,1 * R = -0,1 * R; о = R * 0,495
? > > m '
Re = Ф(0,1 * R/(R * 0,495)) = Ф(0,202) = 0,58.
По методике [3] £c = 1,25 * 1,1 * R/R = 1,375, что соответствует вероятности разрушения 0,44. То есть в обоих случаях по двум методикам мы получаем близкий по значению результат. Причем вероятность разрушения конструкций очень высокая при небольшом превышении нагрузки несущей способности сооружения.
По методике МЧС России [4] предлагается категори-ровать степень повреждения через изменение периода колебаний, которому соответствует инженерный риск. Опыт измерений показывает, что разброс значений периода колебаний сооружений от одной категории технического состояния к другой при этом не превышает 30%. Приняв, что и разброс нормативного значения периода собственных колебаний не превышает 30%, вычислим величины рисков и вероятностей по методикам [2, 3].
Таблица 1
Значения вероятности разрушений и рисков по методикам [2,3]
№ Превышение нагрузки S/R —m/am P[3] Re[2]
1 0,7-1 0,875-1,25 -0,73-0 0,42-0,68 0,23-0,5
2 1-1,3 1,25-1,625 0-0,548 0,68-0,91 0,5-0,71
3 1,3-1,6 1,625-2 0,548-0,954 0,91-1 0,71-0,826
4 1,6-1,9 2-2,375 0,954-1,257 1 0,826-0,895
5 >1,9 >2,375 >1,257 1 >0,895
/30 ^П SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 1 (55)
Таким образом, по методикам [2, 3] при известных значениях нагрузки и прочностных параметров сооружения уже при второй категории технического состояния сооружение не пригодно к эксплуатации, что явно не удовлетворяет требованиям ГОСТ, методике [4] и практическим данным.
Перспективы
Рассмотренные выше случаи показывают, что для оценки вероятности разрушения конструктивной системы нужно знать величину нагрузки и величину несущей способности системы. Однако в большинстве случаев нет возможности определить величину приложенной нагрузки и нет возможности определить нагрузку, которую может выдержать каждый конструктивный элемент сооружения, и как может повлиять разрушение одного из несущих элементов на вероятность обрушения. Необходим интегральный метод, позволяющий прямыми методами измерять и определять категорию технического состояния и возможную нагрузку. Такой метод предлагается авторами и основан на оценке интегральной жесткости здания по его собственным колебаниям или частотам.
Решений дифференциальных уравнений, описывающих колебание конструкций, приводит к выражению, имеющему характерный вид, связывающий жесткость конструкции с периодом колебаний [7,8,9]. Период собственных колебаний конструктивной системы сооружения прямо пропорционален его массе и обратно пропорционален его жесткости:
-г I т
Т.» = к *.— 1х \Е_Т
(3)
где: т — масса системы, кг;
Е1 — жесткость системы, как произведение модуля упругости на момент инерции;
k—коэффициент, учитывающий конструктивную схему сооружения.
Таким образом, квадрат частоты сооружения прямо пропорционален жесткости:
Е
(4)
\ 2 =-
. 2 *
т
Предлагается для измерения категории технического состояния использовать подход, где для оценки категории технического состояния применять интегральный показатель жесткости — квадрат частоты собственных колебаний конструктивной системы, который можно легко получить из прямых измерений колебаний поврежденного сооружения. Для оценки категории технического состояния здания предлагается возможное снижение жесткости определять путем сравнения нормативных и экспериментально полученных частот собственных колебаний.
Для этого применим следующие соотношения:
А/ = ([// —£2) * 100/[£]2; А/ = ([/]2 —/2) * 100//]2,
где: [/], [/] — нормативные значения частот собственных колебаний здания по осям х и у, получаемые из проекта или расчетным путем;
А/, А/—дефицит частоты (жесткости) в% по осям
X, У, г.
Вычисление нормативных значений периодов собственных колебаний по осям и , можно выполнять по разработанным Г. М. Нигметовым эмпирическим зависимостям:
К ]=:
к * н
Г ;
1 у -1 К * н
[и ] = 2
К * X
(6)
где: К — коэффициент, учитывающий тип конструктивного решения и особенности расчетной схемы;
Н — высота здания, м;
g — ускорение свободного падения, м/с2;
X — размер здания вдоль оси Х датчика (более длинная сторона), м;
Y — размер здания вдоль оси Y датчика, м;
2 — размер здания вдоль оси 2 датчика, м.
Оценку категории технического состояния сооружения авторами предлагается выполнять по изменению жесткости пропорционально изменению квадрата частоты колебаний сооружения по табл. 2.
Таблица 2
Критерии оценки категории состояния сооружения
Степень повреждения Увеличение квадрата частоты собственных колебаний, %
1 - без повреждения - легкая 0-10
2 - умеренная 11-30
3 - сильная 31-60
4 - тяжелая 61-90
5 - катастрофическая 91-100
Рис. 1. Общий вид здания, поврежденного в результате взрыва бытового газа
Рассмотрим пример применения данной методики для оценки категории технического состояния
подъездов шестиподъездного дома, где произошел взрыв бытового газа. Эпицентр взрыва находился в подъезде № 5. Здание панельное, Г-образной формы, длина подъездов № 5 и № 6 составляет 41,95 м, длина подъездов № 1-№ 4 составляет 102,4 м, ширина здания 9,8 м.
По данным динамико-геофизических измерений были получены следующие значения частот колебания здания в подъездах.
Таблица 3
Данные динамико-геофизических испытаний здания
№ Место измерений Fx ,Hz F, Hz у
1 1, 2, 3 подъезды 3,95 1,95
2 4 подъезд 2,5 1,2
3 5 подъезд 2,3 0,9
4 6 подъезд 2,5 1,2
Расчеты выполнены по формулам 5 и 6 из данного раздела. Так как здание по своему конструктивному исполнению представляло собой мелкопанельную схему и расчеты нормативных значений при k = (0,3-0,24) давали для неповрежденных подъездов значение частот^ = (3,8-4,8) Hz,/ = (1,2-1,5) Ш, то было принято решение считать нормативными более жесткие величины частот как для неповрежденных подъездов № 1-№ 4. На рис. 2 приведены спектры колебаний с рассматриваемого объекта, с помощью которых были получены экспериментальные значения частот колебаний подъездов здания.
Зная величину категории технического состояния сооружения, можно оценить величину воздействующей нагрузки, применяя известные методики [3], так для подъезда 5 давление взрывной волны могло составлять 0,35-0,45 кГс/см2.
Таким образом, данный пример показывает возможность прямого измерения категории технического состояния сооружения и оценки нагрузки, вызвавшей повреждение, путем сравнения измеренных частот колебаний с рассчитанными или принятыми значениями нормативных частот.
Таблица 4
Нормативные значения частот колебаний, принятые для здания
№ Место [FJ [Fy]
1 Здание, подъезды 1-4 3,95 1.95
2 Здание, подъезды 5-6 3,95 1,95
Таблица 5
Результаты вычислений дефицита жесткости и категории технического состояния подъездов здания после взрыва бытового газа
№ Объект AFx, %x
AF,
y
%
Дефицит жесткости. Категория состояния по ГОСТ 31937-11 «Здания и сооружения. Правила обследования и мониторинга технического состояния»
1 1, 2, 3 подъезд 0-10 0-10 работоспособное
2 4 подъезд 59,9 62,1 Ограниченно-работоспособное
3 5 подъезд 66,1 78,6 Аварийное
4 6 подъезд 59,9 62,1 Ограниченно-работоспособное
Литература
Медведев С. В. Международная шкала сейсмической интенсивности // Сейсмическое районирование СССР. М.: Наука, 1968. С. 151-162.
Синицын А. П. Расчет конструкций на основе теории риска. М.: Стройиздат, 1985.
Шульгин В. Н., Овсяник А. И. Инженерная защита населения // Под общ. ред. Ю. Л. Воробьева. М.: Типография № 2, 2006. Методика оценки и сертификации инженерной без опасности зданий и сооружений. М.: ВНИИ ГОЧС, 2003. Вероятностные оценки сейсмических нагрузок на сооружения. М.: Наука, 1987.
Аугусти Г., Баратта А., Кашиати Ф. Вероятностные методы в строительном проектировании. М.: Стройиздат, 1988. Горелик Г. С. Колебания и волны. М.: Физматлит, 2007. Тимошенко С. П. Колебания в инженерном деле. М.: URSS, 2007.
Пановко Я. Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. М.: URSS, 2009.
Рис. 2. Примеры спектров колебаний здания по оси У, поврежденного в результате взрыва газа
/32 Civil SecurityTechnology, Vol. 15, 2018, No. 1 (55)
Сведения об авторах
Нигметов Геннадий Максимович: к. т. н., доц., ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), в. н. с. научно-исслед. центра. 121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. e-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-код — 8578-2778.
Сошенко Мария Владимировна: к. т. н., доц., Российский государственный социальный университет, доц. каф. тех-носферной безопасности и экологии. 129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр.1. e-mail: soshenkomv@mail.ru
Шмырев Виктор Иванович: к. т. н., доц., Российский государственный социальный университет, доц. каф. технос-ферной безопасности и экологии. 129226, Москва, ул. Вильгельма Пика, 4, стр.1. e-mail: shmyrevvi@rgsu.net
Information about authors
Nigmetov Gennady M.: Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies, Leading Researcher of the Research Center.
7 Davydkovskaya, Moscow, 121352, Russia. e-mail: tagirmaks@mail.ru SPIN-scientific — 8578-2778.
Soshenko Marina V.: Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Russian State Social University, Associate Professor of the Department of Technospheric Security and Ecology.
4, p. 1 Wilhelm Peak, Moscow, 129226, Russia. e-mail: soshenkomv@mail.ru
Shmyrev Viktor I.: Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Russian State Social University, Associate Professor of the Department of Technospheric Security and Ecology. 4, p. 1 Wilhelm Peak, Moscow, 129226, Russia. e-mail: shmyrevvi@rgsu.net
Издания ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ)
Авторы, название URL
Качанов С.А. и др. Стратегия развития системы-112 в Российской Федерации. Монография. 2-е изд., перераб. и доп. http://elibrary.ru/item.asp?id=27408544
Акимов В.А. и др. Глобальные и национальные приоритеты снижения риска бедствий и катастроф. Монография Историческое и культурное наследие в системе МЧС России. Памятники архитектуры и мемориальные ценности http://elibrary.ru/item.asp?id=27562706 https://elibrary.ru/item.asp?id=29103188
Аюбов Э.Н. и др. МЧС России в борьбе с чрезвычайными ситуациями http://elibrary.ru/item.asp?id=27613062
Аюбов Э.Н. и др. Природные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613013
Аюбов Э.Н. и др. Техногенные угрозы. Гидродинамические и транспортные аварии http://elibrary.ru/item.asp?id=27612998
Аюбов Э.Н. и др. Техногенные угрозы. Радиационные и химические аварии http://elibrary.ru/item.asp?id=27612987
Аюбов Э.Н. и др. Социальные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613407
Аюбов Э.Н. и др. Терроризм и криминогенные угрозы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613403
Аюбов Э.Н. и др. Пожары и взрывы http://elibrary.ru/item.asp?id=27613397
Аюбов Э.Н. и др. Опасности в горах http://elibrary.ru/item.asp?id=27613393
Аюбов Э.Н. и др. Первая помощь http://elibrary.ru/item.asp?id=27613377
Аюбов Э.Н. и др. Действия в экстремальных ситуациях (самозащита) http://elibrary.ru/item.asp?id=27613376
Овсяник А.И. и др. Глобальные тенденции рисков и приоритеты международного сотрудничества. Международная научно-практическая конференция. 22 сентября 2016 года, Астрахань, Россия. Сборник материалов http://elibrary.ru/item.asp?id=27562660
Фалеев М.И. и др. Управление рисками техногенных катастроф и стихийных бедствий (пособие для руководителей организаций) http://elibrary.ru/item.asp?id=28413973
Акимов В.А. и др. Пожарные риски России http://elibraiy.m/item.asp?id=29013245
Афанасьева Е.В. и др. Информационно-аналитический бюллетень об организации деятельности территориальных органов МЧС России в области реагирования пожарно-спасательных подразделений на дорожно-транспортные происшествия в субъектах Российской Федерации в 2015 году http://elibraiy.m/item.asp?id=26163095
Тюрин Ю.А. и др. 80 лет службы Отечеству 1936-2016 http://elibrary.ru/item.asp?id=26170821
Белов С.В. и др. Справочник о приемах и способах защиты в чрезвычайных ситуациях http://elibrary.ru/item.asp?id=26363714
