Убежища гражданской обороны. Конструкции и расчет

В.А. Котляревский, В.И. Ганушкин, А.А. Костин, А.И. Костин,, В.И. Ларионов

УБЕЖИЩА ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ Конструкции и расчет

Под редакцией д-ра техн, наук, проф, В.А. Котляремного

Москва Стройиздат 1989

ББК 38.78 У 17 УДК 699.85:351.862

Печатается по решению секции литературы по жилищио-коммуналЬ" ному хозяйству редакционного совета Стройиздата.

Рецензент — Р. О. Бакиров, начальник кафедры ВИА им,. В, В, Куйбышева, доктор техн, наук,

Редактор — Р. X.

Убежища гражданской обороны: Конструкций В. И. Ганушкин, А. А. Костин и др.; Под ред. В. А. Котляревского. — М.: Стройиздат, 1989. — 606 с.: ил. ISBN 5-274-00515-2 Рассмотрены объемно-планировочные и конструктивные решения убежищ гражданской обороны. Изложены инженер ­ ные, а также с применением ЭВМ методы динамического рас ­ чета конструкций и заглубленных сооружений на механиче ­ ское действие взрыва. Для инженерно-технических и научных работников про ­ ектных и научно-исследовательских организаций, а также шта ­ бов гражданской обороны. Может быть использована студен ­ тами строительных вузов. . 3308000000 — 539 У ----------- ---- 44 — 89 047(01) — 89 ISBN 5-274-00515-2 ББК 38.78 © Стройиздат, 1989 У 17и расчет/В. А. Котляревский,

ПРЕДИСЛОВИЕ

Основной задачей гражданской обороны является защита насе ­ ления от современных средств поражения путем размещения в за ­ щитных сооружениях (убежищах и противорадиационных укрыти ­ ях). Строительство этих сооружений осуществляют заблаговременно либо в короткие сроки по особому указанию. Убежища в системе защитных сооружений занимают главенствующую роль, так как обес ­ печивают противоядерную, противохимическую, противорадиацион ­ ную и противобактериологическую защиту укрываемых. Основополагающим фактором, учитываемым при проектирова ­ нии убежищ, является поражающее действие взрыва ядерного бое ­ припаса, которое наиболее существенно влияет иа конструктивно ­ планировочное решение убежищ и их стоимость. В настоящей книге рассмотрены вопросы проектирования со ­ оружений гражданской обороны и их расчета на действие кратко ­ временных динамических нагрузок от современных средств пора ­ жения. В первой части книги изложены общие сведения о поража ­ ющих факторах ядерного взрыва и его последствиях, рассмотрены объемно-планировочные и конструктивные решения современных убежищ, оценено влияние ряда факторов на их технико-экономи ­ ческие показатели, даны рекомендации и технические предложения по снижению материалоемкости и стоимости защитных сооружений. Вторая часть посвящена инженерным методам расчета соору ­ жений, включающим определение параметров динамических нагру ­ зок на конструкции убежищ под разрушаемыми зданиями, рас ­ чет элементов многоэтажных заглубленных убежищ, а также расчет конструкций на местное действие удара обломками надземной ча ­ сти здания. В третьей части изложены методы динамического расчета кон ­ струкций сооружений на ЭВМ. Описаны оригинальные вычислитель ­ ные комплексы и программы, позволяющие проводить численный анализ напряженно-деформированного состояния и параметров дви ­ жения сооружений гражданской обороны с учетом реального пове ­ дения в динамике грунтовых сред и конструкционных материалов. Численные методы применены и для динамического расчета наибо ­ лее распространенных в строительстве балочных железобетонных и стальных конструкций с учетом эффектов скоростного нагруже ­ ния. Глава 1 написана В. А. Котляревским и В. И. Ганушкиным; главы 2, 9, 10, 11, 12 — В. А. Котляревским; глава 3 (кроме 3.1) и 8.8 — А. И. Костиным; главы 4, 5 и 3.1 — В. И. Ганушкиным; главы 6, 7, 8 (кроме 8.8) — В. И. Ларионовым; глава 13 — В. А. Котляревским и А. А. Костиным. Авторы выражают благодарность проф. Р. О. Бакирову, канди ­ датам техн, наук В. И. Морозову и А. Н. Самородову за советы, ко ­ торые были учтены при подготовке рукописи к изданию, канд. техн, йаук Е. Г. Майоровой и инж. В. С. Репиной за помощь в решении Ряда задач иа ЭВМ и их обработке.

1*

3

Часть первая УБЕЖИЩА ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ

Глава 1. СРЕДСТВА ПОРАЖЕНИЯ

1.1. Общие сведения о средствах поражения (2, 3, 18, 19, 28, 47)

К оружию массового поражения (ОМП) относятся ядерное, химическое и биологическое оружие. Качества ОМП могут приобрести обычные виды оружия в процес­ се совершенствования при внесении элементов, основан ­ ных на новых принципах (инфразвуковой, лучевой, ра ­ диологический и др.). К наиболее мощным средствам ОМП относится ядерное оружие, которое состоит из ядерных боеприпасов (боевые части ракет, бомб, мин, снарядов) и средств доставки (носителей). Ядерный взрыв (ЯВ) происходит в результате ядерной реакции деления или синтеза. Калибр («мощность») ядерного боеприпаса (ЯБ) определяется энергией, выделяющейся при ЯВ, сравниваемой с энергией взрыва заряда хими ­ ческого взрывчатого вещества (ВВ) нормальной мощно ­ сти (тротил с теплотой взрыва 4240 кДж/кг). Величина С массы тротилового заряда, эквивалентного по энергии ядерному боеприпасу, называется его тротиловым экви ­ валентом. По мощности ЯБ условно подразделяют на малые — мощностью до 15 кт, средние — 15 — 100 кт, крупные — 100 — 500 кт, сверхкрупные — свыше 500 кт. Различают взрывы воздушные, наземные и приземные, подземные и подводные. Поражающими факторами воздушного и наземного ЯВ являются воздушная ударная волна, све ­ товое излучение, проникающая радиация, радиоактивное заражение местности (РЗМ) и электромагнитное излуче ­ ние (ЭМИ). Около 50 % энергии ЯВ расходуется на об ­ разование ударной волны и воронки в грунте, 30 — 40 % — на световое излучение, до 5 % — на проникаю ­ щую радиацию и ЭМИ и до 15 % на РЗМ. Нейтронные ЯБ — разновидность ядерных боеприпа ­ сов небольшой мощности с повышенным выходом радиа ­ ции. Для этих ЯБ на образование ударной волны расхо ­ 4

дуется до 10 % энергии взрыва, 5 — 8% — на световое излучение и около 85 % — на нейтронное и гамма-излуче ­ ния (проникающую радиацию). При подземном взрыве на глубине проникания в грунт боеголовок или заложения ядерных фугасов основными поражающими факторами являются сейсмовзрывные волны в грунте и сильное радиоактивное заражение ме ­ стности. При подземных взрывах в зонах воронок раз ­ рушаются особо прочные подземные и полузаглубленные сооружения. К средствам доставки ЯБ к цели относятся ракеты наземного, морского и воздушного базирования, специ ­ альные самолеты и артиллерия. Данные о ЯБ, доставля ­ емых ракетами стратегического назначения США, Вели ­ кобритании и Франции, приведены в табл. 1.1. Таблица 1.1. Некоторые данные о ядериом оружии

Боеголовки

Боеголовки

1 ЧИСЛО, ШТ. 1

___________________ 1

МОЩНОСТЬ, М т

мощность, Мт

Ракета

Ракета

число, шт.

Наземного базирования

1 1

10 10

Титаи-2

1

Мииитмэи-2 Минитмэи-3

2

S-3 (Франция) Перпіииг-2 ГЛСМ (крылатая ракета)

0,35 0,5 0,6

3 3

1 1

0,05 Минитмэн-ЗМ

0,2

MX

10

Мо{

)ского

Зазироваиия

М-20 (Франция)

1

10

10 — 0,03

Посейдон С-3

14 8

Поларис А-ЗТ

3

0,2

Трайдент-1 (С-4)

0,1 — 0,15 0,2

Поларис А-ЗТК (Великобрита ­ ния)

0,05

6

Томахок тая ракета)

(крыла ­

1

Возд

ушного

базирования

Хуаид-Дог (УРС)

1

1

(УРС,

Блю-Стил

1

1

Великобритания)

СРЭМ (УРС)

1

(крыла ­

0,2

АЛСМ-В тая ракета)

0,2

1

5

Стратегическая авиация — бомбардировщики тяже ­ лые «Стратофортресс» В-52 и В-1, средние FB-111 (США), средние «Вулкан» В-2 (Великобритания), «Ми ­ раж» IV (Франция) могут нести авиабомбы, снаряды и ракеты с ядерными, химическими и бактериологичес ­ кими боеголовками. Нейтронные боеприпасы могут до ­ ставляться оперативно-тактическими ракетами Ланс и Першинг-1А, 155 мм и 203,2 мм гаубицами. Очаги поражения могут возникать от применения обычных средств поражения — зажигательного оружия, площадного оружия (кассетные боеприпасы), а также боеприпасов объемного взрыва и фугасных боеприпасов, снаряженных тротилом. Боеприпасы объемного взрыва снаряжаются углево ­ дородными горючими веществами. При распылении в ат ­ мосфере аэрозоля образуется газовоздушная смесь, взрыв которой создает по всему своему объему интен ­ сивную ударную волну. Поражающее действие волны в несколько раз превышает механическое действие взры ­ ва тротилового боеприпаса той же массы. Мощность бое ­ припасов объемного взрыва близка мощности ядерных боеприпасов сверхмалого калибра. Разработанные в странах НАТО управляемые авиа ­ бомбы и крылатые ракеты различных классов, относя ­ щиеся к так называемому высокоточному оружию, спо ­ собны селективно поражать избранные цели при круго ­ вом вероятном отклонении до 20 м. При взрывах боеприпасов их механическое воздейст ­ вие на объекты обусловлено воздушными ударными и сейсмовзрывными волнами. При наземных и воздушных ЯВ ударная волна является основным поражающим фак ­ тором. Исключение составляют нейтронные боеприпасы, основным поражающим фактором которых является про ­ никающая радиация. 1.2. Воздушная ударная волна Взрыв представляет собой кратковременный процесс превращения вещества с выделением большого количе ­ ства энергии в небольшом объеме. Указанные превраще ­ ния возникают в результате химической реакции (конденсированные, жидкие и газообразные ВВ) или ядер- ной (ЯБ). К взрывам, вызванным физическими причи ­ нами, можно также отнести взрывы резервуаров со сжа ­ 6

тым газом, паровых котлов, а также мощные искровые разряды. При взрыве в атмосфере возникают воздушные удар ­ ные волны, распространяющиеся в виде области сжа ­ тия-разрежения со скачком на своем фронте давления, температуры, плотности и скорости частиц среды (мас ­ совой скорости). При взрывах компактного заряда ВВ произвольной формы на расстояниях, превышающих не ­ сколько его характерных размеров, эффективность дей ­ ствия ударной волны эквивалентна действию заряда сфе ­ рической формы. Форма фронта волны также является сферической. Таким образом, форма заряда несущест ­ венно сказывается на параметрах воздушной ударной волны на расстояниях, представляющих практический интерес. Кроме того, масса заряда ВВ на этих расстоя ­ ниях оказывается несущественной по сравнению с мас ­ сой сферического объема воздуха (за фронтом ударной волны), вовлекаемого в движение. Эти обстоятельства привели к полезной абстракции, облегчающей постанов ­ ку и решение задачи о расчете параметров ударных волн — схеме «точечного взрыва». В теории точечного взрыва [3, 63] считается, что ко ­ нечное количество энергии мгновенно выделяется в точ ­ ке, т. е. масса продуктов детонации пренебрежимо мала. На не слишком больших расстояниях от центра взрыва давление в волне значительно выше атмосферного (силь ­ ная ударная волна), и атмосферным давлением прене­ брегают. Решение без учета атмосферного противодавле ­ ния является автомодельным (самоподобным). На рас ­ стояниях, где давление в волне становится соизмеримым с атмосферным, формулируется задача о точечном взры ­ ве с учетом противодавления. Такая задача является не ­ автомодельной и в общем случае может быть решена только численными методами на ЭВМ. Полное решение автомодельной задачи о точечном взрыве в замкнутом виде дано Л. И. Седовым (1946 г.). В связи с развитием вычислительной техники теория точечного взрыва интен ­ сивно развивается на неавтомодельные и неодномерные задачи, а также на ситуации, связанные с фазовыми переходами и излучением. Задачу о точечном взрыве обычно формулируют для трех видов симметрии: сфери ­ ческой, цилиндрической и плоской. Цилиндрическая сим ­ метрия относится к зарядам, распределенным вдоль не ­ которой прямой, а плоская — к зарядам, расположенным 7

Рнс. 1 f. Схема волнообразования при воздушном взрыве П — фронт падающей волны; О — фронт от ­ раженной волны; Г — фронт голов ­ ной ударной волны; Т — траекто ­ рия тройной точки Э — эпицентр взрыва;

Рве. 12. Волновая картина при наземном взрыве

в некоторой плоскости. Эффект действия ударных волн зависит как от вида симметрии, так и от расположения точки (линии, плоскости) взрыва относительно земной поверхности. При воздушном взрыве ударная сферичес ­ кая волна достигает земной поверхности и отражается от нее (рис. 1.1). На некотором расстоянии от эпицентра взрыва (проекции центра взрыва на земную поверхность) фронт отраженной волны сливается с фронтом падаю ­ щей, вследствие чего образуется так называемая голов ­ ная волна с вертикальным фронтом, распространяющаяся от эпицентра вдоль земной поверхности. Ближняя зона, где отсутствует слияние фронтов, называется зоной ре ­ гулярного отражения, а дальняя зона, в которой распро ­ страняется головная волна, — зоной нерегулярного отра ­ жения (ниже траектории тройной точки слияния трех фронтов). В ближней зоне при умеренной высоте взрыва давление в ударной волне очень велико. Поэтому наи ­ больший интерес представляют данные об ударной вол ­ не в дальней зоне. Характер воздушной ударной волны при наземном взрыве (за пределами воронки) соответствует дальней зоне воздушного взрыва. Таким образом, как при воз ­ душном, так и при наземном взрывах обычно рассмат ­ ривают воздушную ударную волну, распространяющую ­ ся от эпицентра с вертикальным фронтом. Характерная волновая картина при наземном взрыве приведена на рис. 1.2. В двухслойном грунтовом массиве энергия взры ­ ва, переданная грунту, вызывает прямую взрывную вол- 8

Рис. 13. Изменение давле ­ ния о ударной волне со временем в фиксированной точке

ну 1. Воздушная ударная волна В, распространяющаяся вдоль поверхности грунта, замедляется, а ее интенсив ­ ность уменьшается, что вызывает в мягком слое волну сжатия, режим которой 2 на траектории 4 переходит в опережающий режим 5. Кроме того, образуется пре ­ ломленная волна <3. При достаточно мощном мягком грунтовом слое наклон волны сжатия весьма мал, т. е. ее фронт почти параллелен поверхности грунта. При подземном взрыве [60] воздушная ударная вол­ на ослабляется грунтовой средой. При глубинах, опти ­ мальных для образования воронок в скальных породах и близких к ним глубинах взрыва, вначале возникает воздушная ударная волна, «наведенная» движением по ­ верхности грунта, а затем происходит выход или прорыв газов, т. е. воздушная ударная волна имеет два максимума. При взрывах на малых глубинах наблю ­ дается только волна от выхода газов, а на больших глубинах при камуфлетах — только «наведенная» волна. С момента прихода фронта воздушной ударной вол­ ны в точку на земной поверхности давление резко повы ­ шается до максимального значения Рф (рис. 1.3), а за ­ тем убывает до атмосферного Р о и ниже атмосферного. Период т+ повышенного избыточного (сверх атмосфер ­ ного) давления &Р = Р — Р о >0 называется фазой сжа ­ тия, а период т~ пониженного давления ДР<0 — фазой разрежения. Одновременно с давлением в ударной вол­ не возникает движение воздушной среды от эпицентра (центра) взрыва. Законы изменения массовой скорости ѵ и плотности р среды во времени качественно анало ­ гичны изменению давления, однако вследствие инерцион ­ ности воздушного потока период т+ск положительной фа ­ зы скоростного напора Р ск = — ри 2 >0 несколько боль ­ ше, чем т+. Избыточное давление в волне и скоростной 9

нанор являются важнейшими характеристиками ударной волны, определяющими эффект ее воздействия на соору­ жение. По мере распространения ударной волны ее интен ­ сивность убывает, скорость продвижения фронта волны уменьшается, и на значительных расстояниях от эпицен ­ тра ударная волна вырождается в акустическую. Основ­ ными параметрами, определяющими интенсивность удар ­ ной волны, являются избыточное давление на фронте ЛРф и длительность фазы сжатия т+. Эти параметры за ­ висят от массы С заряда ВВ определенного типа (т.е. энергии взрыва), высоты Н, условий взрыва и расстоя ­ ния R от эпицентра. М. А. Садовский — один из первых исследователей поля взрыва — экспериментально установил, что основ ­ ные параметры ударной волны подчиняются законам по ­ добия. Эти законы имеют большое практическое значе ­ ние, так как применимы для широкого диапазона энер ­ гий взрыва. Пусть для заряда ВВ, например, из тротила [тринитротолуол (ТНТ)] массой Сі на расстоянии из ­ вестны параметры на фронте ударной волны (давление, плотность, скорость частиц), а также временные пара ­ метры (т+, т + ск и время т * прихода фронта волны). Тог ­ да те же параметры на фронте ударной волны взрыва за ­ ряда с массой С 2 будут на расстоянии Т? 2 , причем это расстояние и временные параметры (которые на рассто ­ яниях Rt и R2 соответственно обозначим п и т 2 ) опреде ­ ляют по формулам закона подобия (кубического корня) ъ, ------- - з,- ------- = с 2 /с 1( т 2 = т 1 1 / С^. (1.1) Если ввести обозначение R=.R/yC~, (1.2) где С — тротиловый эквивалент (для ядерных взрывов — тротило ­ вый эквивалент по ударной волне, равный половине полного тро- • тилового эквивалента), то закон подобия можно сформулировать как равенство параметров на фронте волны на равных «приведенных» расстояниях R, м/кг 1/3 . Для воздушных взрывов на вы­ соте Н для соблюдения подобия необходимо иметь также равенство «приведенных» высот H — H/y r С. Важной характеристикой ударной волны является ее ІО

удельный импульс /, определяемый для фазы сжатия по формуле [50] Ч I = J SP (/) dt =4С 2/3 /Я , (1.3) о где ДР(/) — функция, характеризующая изменение избыточного дав ­ ления за фронтом ударной волны (в интервале времени 0<і<т+), Удельный импульс положительной фазы скоростного на ­ пора определяют аналогично, но вместо ДР(() под ин ­ тегралом берут функцию Рск(0, характеризующую из ­ менение скоростного напора в интервале 0<7<т+ск- Со ­ гласно закону подобия на расстояниях R\, R2, соответст­ вующих формуле (1.1), импульсы Л и І2 связаны соотно ­ шением 7 а = CJC t . (1.4) Импульс фазы разрежения играет сравнительно мень ­ шую роль, а его значение отрицательно, т. е. полный им ­ пульс несколько меньше импульса фазы сжатия. Параметры воздушной ударной волны определяют по формулам М. А. Садовского, в которых вид взрывчатого вещества учитывается тротиловым эквивалентом по удар ­ ной волне. Давление ДРф, МПа, для свободно распространяю ­ щейся сферической воздушной ударной волны определя ­ ют по формуле ДРф = 0,084/7? + 0,27/й 2 + 0,7/7? 3 . (1.5) Мощность контактного взрыва на неразрушаемой пре ­ граде удваивается в связи с формированием полусфери­ ческой волны. Поэтому для наземных взрывов величину тротилового эквивалента С в (1.2), (1.5) умножают на 2г], где коэффициентом г]< 1 учитывается расход энергии на образование воронки в грунте. Для средних грунтов Л=0,6 — 0,65, для плотных суглинков и глины т] = 0,8. Максимальное избыточное давление на поверхности земли при возушном взрыве зависит от высоты взрыва Д, однако при взрывах на небольшой высоте и на рас ­ стояниях R>H (дальняя зона) максимум давления при ­ ближенно можно оценить по формуле (1.5). Длительность фазы сжатия т + , с, для наземного и при ­ земного взрывов определяют по формуле т + = 1,5-Ю-з V r , (1.6) JI

а максимальное давление разрежения АР, МПа, и дли ­ тельность фазы разрежения т-, с, при АРф^0,4 МПа — из выражений: АР_ = — 0,03/7?; (1.7) т_ = О,О13Ѵ / с7 (1.8) Скоростной напор на фронте ударной волны Р С кф оп ­ ределяют по формуле (1.18), а длительность т+ск В зави ­ симости от давления характеризуется следующими зна ­ чениями отношений т+ск/т+ [18]: АРф/Ро 0,1 0,5 1 5 10 100 т +ск /т + 1,15 1,50 1,65 2,5 2,15 1,83 Для использования приведенных формул при расчете параметров волн при взрывах различных химических ВВ с теплотой взрыва Q v величину С следует корректировать умножением на коэффициент, равный отношению Qv данного ВВ и тротила согласно данным, приведенным ниже [3, 68]. Теплота взрыва распространенных промышленных ВВ

Взрывчатое вещество

Взрывчатое вещество

кДж/кг

кДж/кг

4240 3020 2790 4370 1440 4200

Тринитр охлор бензол Нитрогуанидин Дымный порох

4240 5540 5880 3650 4520 4161 3360 5420 6640

Тротил Г ексоген

Тэн

Пироксилин (2Ѵ= 13,3 %)

Динитробензол

Аммонийная селитра Аммотол 80/20 Оксиликвиты тели: торф, уголь, мох, древесная мука)

Тринитробензол Тринитроанилин Пикрат аммония

(поглоти- 3800 —

4200

Октоген

Гликольдииитрат

Для ядерных взрывов величина С в формуле (1.2) представляет тротиловый эквивалент по ударной волне. Обозначим С п — полный тротиловый эквивалент. Тогда для свободно распространяющейся в атмосфере ударной волны воздушного взрыва С =0,5 С п , а для наземного и приземного ядерных взрывов С=2т]-0,5 С п , т.е. С — т)С п . (1.9) 12

Рис. 1.4. Зависимость параметров ударной волны на поверхности грунта от расстояния R до эпицентра и высоты Н взрыва заряда мощностью 1 кт в зо ­ не регулярного (А) и нерегулярного (Б) отражения а, б — избыточное давление на фронте волны; в — максимум горизонтальной составляющей скоростного напора; г — длительности положительных фаз давления и скоростного напора Для воздушных ЯВ параметры ударной волны на по ­ верхности земли зависят от расстояния до эпицентра ft и высота взрыва Н. Соответствующие графики для взры ­ ва с С п =1 кт даны на рис. 1.4. Для других значений С п следует воспользоваться законами подобия. Соотношения между параметрами на фронте ударной волны могут быть получены при рассмотрении прямого скачка уплотнения, распространяющегося в трубе посто ­ янного сечения при вдвигании поршня со скоростью Пф. Для среды с достаточно общими термодинамическими свойствами, когда удельная внутренняя энергия опреде ­ ляется функцией е(Р, р), законы сохранения имеют вид (£>Ф — скорость распространения фронта ударной волны) Рф (Вф ѵ ф) — Ро ЕД; (1-10) Ро Оф Ѵф = Рф — р 0 ; (1-11) ₽о °Ф ( 6 Ф - 6 о + У и ф) = Р Ф % • Г2 >

18

Уравнение энергии (1.12) можно заменить так называе ­ мой ударной адиабатой 2 (8ф — е 0 ) = (Рф-р Р о ) У (1.13) \ Ро Рф / Здесь и в дальнейшем индексы ф и о относятся к пара ­ метрам на фронте ударной волны и в невозмущенной среде соответственно. Для совершенного газа с отношением теплоемкостей при постоянном давлении и объеме y=Cp/C\=const е = Р/(р (у ~ 1)) + const и из (1.13) получим выражение для ударной адиабаты в явном виде РФ _ (?+ 1) Рф + (т- 1) Ро (1 14 . Ро (?- 1)Рф + (?+ 1)Р 0 ’ Если известной считать величину Рф (или ДРф), ко ­ торая может быть получена, например, по формуле (1.5), то остальные три параметра на фронте ударной волны определяют из следующих выражений: ѵ ф = С 0 ЛР ’ фѴ -'/у Г 1+-~-ЛРф(-г+і)/т, (1.15)

4 { > = c o і/ ’ +ѵ АР Ф ( ѵ +!)/?;

(1.16)

₽Ф = Pop +т ЛР Ф (? + ’ )^]/[1+у ар ; (Т-1)/?]. (1.17)

где Со — скорость звука в атмосфере, ЛР ф =ЛРф/Р а . Скоростной напор на фронте ударной волны Р евФ=ТРф г, Ф = ДР Ф ЛР ^- 1 )^ф + 2 ?]-

О ’ »)

Температуру Тф на фронте ударной волны определя ­ ют по формуле Тф^оО + Д^Ро/Рф- О- 19 ) Параметры с индексом 0 обычно принимают по дан ­ ным международной стандартной атмосферы на уровне моря (MCA): Р о =О, 101325 МПа, р 0 =1,2249 кг/м 3 , Т о = =288, 16 К. 14

При давлениях ДРф<10 МПа для воздуха у==І,4 и формулы (1.15) — (1.19) преобразуются к виду * ф = т с о лр ^/" 1+ ѵ ар * ; (L20) р Ф= е о1Л 1 + т др ф ; (L21) Рф = Р 0 ( 6АР ф + 7 )7( АР ф + 7 ) ; (L22) (і.24> Давление нормального отражения ДЛ>т Р зависит от давления ДРф. Формула для коэффициента отражения имеет вид * ОтР = ^отр/^Ф = [ 4 Ѵ + (ЗУ - 1) др;]/[2у + (?-!) др;]. (1.25) Для воздуха при у =1,4 К отР=( 14 + 8АР ф)/( 7 + АР ф) и предельное значение Лот Р =8. Для больших давлений эффективное значение у=1,2. Число Маха на фронте волны Мф определяют по формуле (С ф — скорость звука на фронте ударной волны) Д1ф = ІІ ф/^ф (1-26) Адиабатические процессы, происходящие во «фронте» ударной волны, неизэнтропичны. Во фронте волны эн ­ тропия S возрастает, в связи с чем температура при ударном сжатии ниже, чем при изэнтропическом. За фронтом волны процесс можно рассматривать как из ­ энтропический. Как известно, термодинамическое равно ­ весие среды определяется только двумя независимыми параметрами из числа р, Р, Т, S и т. д. Поэтому уравне ­ ние состояния обычно дает связь между тремя величина ­ ми, например Р — Р (р, S) или Р — Р (р, Т). Из первого закона термодинамики для газа с посто ­ янными теплоемкостями при неизэнтропических процес ­ сах уравнение состояния имеет вид Р/Р а = (p/Po) V exp((S-S o )/C c ). (1.27) Поэтому при dSldt=§ получаем зависимость Р=Р (р), 15 р скФ=т Ар Ф Ар ;/( др ;+ 7 )^ ( L23 > т ф = т 0 (і+др;)(др;+7)/(блр; + 7).

соответствующую баротропным средам и называемую адиабатой Пуассона Р/Р о = (Р/Ро) ѵ • (1-28) Скорость С т распространения слабых возмущений за фронтом волны (местная скорость звука) определяется выражением C r = ]/-(dP/dp) s . (1.29) Дифференцируя (1.28) по р, подставляя в (1.29) зна ­ чение dPjdp и учитывая уравнение совершенного газа P=pR r T, получим {R T — газова постоянная) 1(1.30) Подставив сюда параметры на фронте ударной волны, получим формулу для скорости звука на фронте волны С Ф = /ѵ(АР ф +Р 0 )/р ф = С о /(др;+1)/(р ф /р о ) . (1.31) В табл. 1.2 приведены значения параметров на фрон ­ те ударной волны в диапазоне давлений ДР Ф =0,003 — 10 МПа для MCA, у= 1,4. Таблица 1.2. Параметры на фронте воздушной ударной волны © G. * '&CL о® О

"'в •©■ ко.

(К н і< о

'е Q

sT

&

Рф/Ро

1,021 0,0212 1,013 1,0044 1,0085 0,021 0,0107 2,026 1,042 0,0418 1,025 1,0086 1,017 0,041 0,0212 2,051 1,070 0,0685 1,042 1,0139 1,028 0,060 0,0352 2,085

0,03 0,06

0,1 0,3 0,5 0,7 1,0 1,5 2,0 2,5 3,5

1,205 0,191 1,333 0,299 1,455 0,395 1,625 0,524 1,882 0,709 2,111 0,867 2,316 1,007 2,667 1,250 2,818 1,358 3,083 1,553 3,500 1,890 3,941 2,309 5,386 5,393 5,673 7,671

1,121 1,0387 1,078 1,195 1,0608 1,125 1,265 1,0809 1,169

2,247 2,400 2,545 2,750 3,059 3,333 3,696 3,800 4,000 4,182 4,500 5,000 5,529 7,263

0,184 0,103 0,282 0,167 0,365 0,227 0,472 0,313 0,615 0,441 0,727 0,556 0,819 0,658 0,896 0,750 0,962 0,833 1,113 1,042 1,250 1,250 1,382 1,470 1,753 2,193

1,363 1,109 1,512 1,153 1,648 1,192 1,773 1,229

1,231 1,328 1,421 1,511

3,0 . 2,500 1,134

1,890 1,265 1,600 2,000 1,300 1,688

4 5 7

2,104 1,332 1,774 1,020 0,903

1,946 2,877

2,299 1,395

2,646 1,512 2,286 3,094 1,671 6,622 3,077 9,469

10 50

100

1,818 2,336 7,607

17,80

9,312 4,218

16

АР/^ 1,0

йР^,м^а ~0'014~ 2 - 0,055 ___ 5 - 0,02 42.0J4 _ 5 - 055 . . 0-0.2 ___ 2-1,9 8 -5.5 ___

РсК /Р СК<Р 1'0 ■■ -

0,9 0,8 О, 7 0,5 О, 5 0'9 0'3 0,2 0,1

де 0'8 °, 7 0,0 0,5 0,9 0,5 0,2 0,1

t- 0'014 — t- 0,055..-

9-2,0 Ю- 19 1!-55 12-20

_ __

___

0 . 0,1 0,2 0,5 0,9 0,5 Ц6 О,! 0,8 t /С 1 1,0

0,1 0,2 05 0,9 0,5 0,6 0,7

Рве. 1.5. Изменение давления ДР(а) н скоростного напора ^ ск (б) в волне со временем в зависимости от ДРф

Изменение со временем избыточного давления ДР (О и скоростного напора Р ск (0 за фронтом ударной волны для широкого диапазона значений ДРф получено Броу- дом численным решением задачи о точечном сферичес ­ ком взрыве (рис. 1.5) (9, 18, 15]. Расчетные аппроксими ­ рующие формулы имеют вид (z=t/x +t z' — t /т+ск) для давлений ДР/ДРф = (1 — г) ехр ( — аг) (0<г<1), (1.32) 0,5 + ДРф 0,5-ЬДРф(1,1 -(0,13 + 0,2 ДР; г ) + + 6/(1 +с х г) (ДР;=ДР ф /Р 0 <1) ( ’ < ДР Ф<3) (3 < ДР'ф < 10), а = — 0,231 + 0,388 ДР^ — 0,0332 (ДР;) 2 ; 6 = ДР; (0,88+ 0,072 ДР;); Cj = 8,71 + 0, 1843ДР; — 104/(ДР; + ІО), ’ Для скоростного напора Рск/Рскф = (1-г') 2 ехр(-₽ г ') (0<г'<1), (1.33) (о,75+з,2 др; ( др ;< і ) а + //(1 + gz ) (1<ДРф<10), 2-337 17

-і.зздр;

(Л^<3)

d =

— 5,6 + о,бЗДРф

(з<ДРф<10),

/ = 6,4ДРф, '=0,725ДРф. Для умеренно сильных ударных волн, которые часто встречаются на практике, ударный переход можно рас ­ сматривать как изэнтропический процесс, т. е. заменить ударную волну переходом к соответствующей простой волне (принимая постоянный инвариант Римана Sp). Для волны, распространяющейся по невозмущенному газу с ѵ 0 =0: S p = v/2 - С г /( ? - 1) =- С о /( ? - 1), (1-34) откуда f = 2(C r — С 0 )/(ѵ — 1). (1.35) При распространении простой волны ее форма иска ­ жается, а параметры изменяются со временем. Если, од ­ нако, рассматривать точку, фиксированную в простран ­ стве, то в ней параметры газа связаны соотношениями (1.28), (1.30), (1.34), которые содержат четыре перемен ­ ных Р, ѵ, р, С г . Задав одну из них, можно вычислить остальные. Для точки в пространстве зададим функцию Р(1)=АР-\-Р 0 . Тогда остальные параметры в данной точке будут определены также в функции времени, ха ­ рактеризуя состояние среды по мере прохождения вол ­ ны. Приближенные формулы для скоростного напора Р ск и числа Маха М в волне (как на фронте, так и за фрон ­ том) имеют вид (1.36) р ск ( 0 = -^- р о ^м 2( 0 ; \ т ’ о / J При их использовании длительности фазы сжатия удар ­ ной волны и положительной фазы скоростного напора будут совпадать. Для приближенных расчетов часто применяют фор ­ мулу, в которой импульс / берется согласно выражению (1-3), ДР(/) = ДРф(1 -t/x+Y 1 , п = — 1 (1.38) или линейную зависимость [15] ДР (/) = ДРф (1 (/ т э ф) > (1.39) 18 (1-37) Сг у — 1 L

Рис. 1 6. Эпюры давления ударной волны в положительной фазе 1 — действительная кривая; 2 — равновеликая по импульсу тре ­ угольная эпюра; 3 — треугольная эпюра, образованная касательной к кривой

где Тэф — эффективное время, определяемое из условия равенства импульсов (1.3), соответствующих функциям ДР (і) согласно (1.32), (1.38),

(0,85- 0,2ДР;) т + (0, 72 — 0,08ДРф)т +

(1-40)

Тэф —

(1<ДРф<з).

Обычно максимальные деформации конструкций соо ­ ружений достигаются в начальный период нагружения за время, намного меньшее длительности т + . Поэтому в расчетах конструктивных элементов можно принимать изменение давления по касательной к истинной кривой ДР(0 в точке і — 0. При этом эффективное время (рис. 1.6) определяется формулами: = (т + /(1,5 + ДРф) (Ч< 3 ) 941 |т + /(0, 769 + 1, 2б8ДРф + 0,0388 (ДРф) 2 ) (3<ДРф<10) 1.3. Воронки и волны сжатия в грунте При наземных и неглубоких подземных ядерных взрывах в грунте образуются воронки. Район вокруг эпицентра взрыва условно делят на три области. Пер ­ вая — область непосредственно воронки, где практически полностью разрушаются все сооружения. Вторая область простирается до конца зоны пластических (остаточных) деформаций грунта, а ее радиус может составлять до 2,5 радиуса воронки. В этой области наиболее опасным 'для заглубленных сооружений является действие прямых ударных волн и волн сжатия (сейсмовзрывных волн). Третья область — за пределами пластической зоны ха ­ рактеризуется наиболее существенным влиянием волн сжатия, индуцируемых воздушной ударной волной. Pas ­ s'" 19 (1-41)

меры видимых воронок в сухих грунтах, которые мень ­ ше истинных на толщину слоя породы, упавшей обратно в воронку, приведены в табл. 1.3. Таблица 1.3. Размеры воронок при ядерных взрывах: радиус и высота (в скобках), м

Мощность взрыва, Мт

Глубина взрыва, м

0,2

10

1

0,5

0,1

820 (190) 1000(210) 1160(250) 1260 (280) 1340(300)

0

175(42) 220 (53) 300 (70)) 380 (90) 260(65) 320 (75) 440(100) 540(120) 295(74) 360 (85) 480(110) 580(135) 350(90) 430(103) 550 (130) 645(155) 325(82) 400 (94) 520(120) 615(145)

10 20 30 40

Диаметр зоны разрушения (истинной воронки) равен примерно полутора диаметрам видимой воронки. Пол ­ ный диаметр воронки, включая насыпь, составляет до двух диаметров видимой воронки, а высота насыпи — около четверти ее видимой глубины. Для скальных грун ­ тов (гранит, песчаник) приведенные данные следует ум ­ ножить на коэффициент 0,8. Интенсивность прямой ударной волны в грунте во второй области, примыкающей к воронке, весьма высока. Данные о параметрах ударных волн в этой области при ­ ведены в [10, 18, 19, 60, 61]. Из спектра волн в грунте, генерируемых ядерным взрывом (см. рис. 1.2), расчетными для убежищ ГО яв ­ ляются волны сжатия, вызванные воздушной ударной волной. Интенсивность волн сжатия зависит от парамет ­ ров воздушной ударной волны и характеристик грунта. Для приближенной оценки интенсивности волны сжатия обычно используют расчет распространения волн в упру ­ гопластической среде в одномерной постановке в пред ­ положении, что фронт волны в грунте параллелен зем ­ ной поверхности. При этом свойства грунта определяют ­ ся плотностью р, динамическим пределом упругости crs и модулями Е о , Еі упругих и пластических деформаций или соответствующими скоростями продольных упругих а 0 и пластических аі волн в среде а о = 1 /Г £о/Р. «і = V £і/р. (1.42) Если давление на поверхности однородного грунта принять в виде (1.38) и АРфСстз, то в грунте распрост- 20

Рис. 1 7. Эпюра расчетного давления в волне сжатия иа глубине X

раняется упругая ударная волна с максимумом давления < Ттах =ДР ф . На глубине X давление (вертикальное напря ­ жение) определяют по формуле о (X,t) = т)ДРф (1 - (t - Х/а 0 )/т + ) п , (1.43) где т) = 0 при t>Xlao. При небольших значениях X параметры движения грунта близки к таковым для поверхности Х=0, и мож ­ но использовать формулу для ускорений U", вызываю ­ щих инерционные перегрузки в сооружениях, Л (1-44) Р а о т + \ т + / Если ДРф><тз, в грунте появляются пластические де ­ формации, и для оценки давлений в волне сжатия ис ­ пользуют упрощенную эпюру давлений на поверхности 1(1.39) [62]. На глубине X давление будет изменяться по рис. 1.7, на котором начало отсчета времени t=0 приня ­ то с момента подхода волны, равного величине Х/а 0 (Ѳ = Тэф) • 0(X,f) = ( Omax Ш1 ( °< * <Ѳі)

Максимум давления в волне сжатия зависит от X

ст шах(л) — <

(1.46)

[ CT S ( Л>Л з). Время Ѳі нарастания давления до максимума

(X

х ( а і * — “ о * ) М * з)

Ѳі ( * ) =

(1.47)

Глубина Xs зоны пластических деформаций грунта x s = 2 Й1 0 (1 -a s /ДР ф )/[1 - (а,/^].

(1.48)

напряжение (боковое давление) 21

Горизонтальное

в волне сжатия определяют умножением давления о (X, і) на коэффициент бокового давления Хб. Динамический предел упругости os мягких грунтов составляет 0,10 — 0,15 МПа. Данные о свойствах грунтов приведены в табл, 1.4 [62]. Таблица 1.4. Некоторые характеристики мягких грунтов

Скорость распрост ­ ранения воли, м/с

Характеристика грунтов по СНиП II -55-74

300

Насыпной грунт, уплот ­ ненный со степенью влажности G^0,5 Песок крупный и сред ­ ней крупности G<0,8 Суглинок тугопластич ­ ный и плотнопластич ­ ный Глина твердая и полу ­ твердая Лесс, лессовидный су ­ глинок при показателе просадочности П = 0,17 Грунт при относитель ­ ном содержании расти ­ тельных осадков <7>0,6 (торф) Илы супесчано-глини ­ стые Водонасыщенный грунт (ниже уровня грунтовых вод): G>0,9 G<0,8

1600

150

12 — 14

0,54

100

500 600

1700 1700

250 300

0,43 0,54

25 —35 15-22

150 250

2003 1500

500 200

1500 400

18 — 38 14 —25

0,67 0,4 — 0,7 0,2 — 0,4

350 150

1000

100

200

5 —30

80

1500 — 1900

500

1100

5 — 15

0,4 — 0,7

300

1500 450

1750 600

12 — 20

2000 1900

250 200

1,0 0,9

1.4. Проникающая радиация и радиоактивное заражение грунтов

Ядерное излучение при ядерных взрывах принято де ­ лить на начальное и остаточное. Начальное излучение, наблюдающееся в течение 10 — 15 с с момента взрыва, состоит из гамма-лучей, потока нейтронов, а также аль ­ 22

фа- и бета-частиц, имеющих малую длину свободного пробега, в связи с чем их влиянием обычно пренебрега ­ ют. Вследствие большой проникающей способности гам ­ ма-лучи и нейтроны оказывают на людей поражающее действие на значительных расстояниях и через защит ­ ные толщи, проникая сквозь ткани организма, органы дыхания и с пищей. Биологическое действие проникаю ­ щей радиации оценивают дозой облучения. В системе СИ единицей поглощенной дозы ионизирующего излучения любого вида является Грей (Гр). 1 Гр соответствует энергии 1 Дж излучения, переданной веществу массой 1 кг. На практике распространены несистемные единицы дозы гамма-излучения — рентген (Р), потока нейтронов (рад) и дозовый биологический эквивалент рада — бэр. Доза 1 Р соответствует поглощению 1 кг воздуха 8,8Х ХЮ- 3 Дж, а 1 кг биоткани 9,3- 10 — 3 Дж. Доза 1 рад со ­ ответствует 0,01 Дж/кг. При общем однократном облу ­ чении доза радиации в 500 — 600 Р является для челове ­ ка смертельной [15]. Защита от радиации должна обес ­ печивать снижение дозы до предельно допустимой величины. В качестве таковой считается биологически эффективная доза в 50 Р. В табл. 1.5 приведены данные [16] о дозах начального излучения на поверхности зем ­ ли при ядерных взрывах, являющиеся исходными для определения необходимой степени защиты. Сведения о дозах излучения нейтронных боеприпасов приведены в [28]. Основным источником остаточного излучения явля ­ ются радиоактивные осколки деления, находящиеся в радиоактивном облаке и выпадающие на землю по ме ­ ре его движения. Радиоактивное заражение по следу движения облака может распространиться на сотни ки ­ лометров от места взрыва. При этом образуется обшир ­ ный район радиоактивного заражения местности (РЗМ) в виде вытянутого эллипса. Уровни заражения снижают ­ ся по мере удаления от центра взрыва и от оси следа. Для убежищ ГО расчетным поражающим фактором является начальное ядерное излучение, по своей интен ­ сивности значительно превышающее остаточное. Защит ­ ные толщи ограждающих конструкций убежищ, установ ­ ленные при расчете их на механическое действие ядер ­ ного взрыва, должны обеспечивать ослабление радиаци ­ онного воздействия до допустимого уровня. Формула Для расчета противорадиационной защиты приведена 23

Таблица 1.5. Дозы гамма-излучений и нейтронов при наземном ядериом взрыве Тротиловый эквивалент, Мт Параметры 0,1 1 0,2 1 0,5 1 1 1 2 1 5 1 10

Зоны с давлением 0,05 МПа

2,34 60 4

1,86 200 15

3,28 8 0

5 1 0

6,85 0 0

8,65 0 0

Расстояние, км Доза

4 4 0

.

гамма-излу ­

чения, Р Доза

нейтронов

бэр

Зоны с давлением 0,1 МПа

2,22 400

1,64 1800

2,8 3,5

4,8

6,05

1,3 4000

Расстояние, км Доза гамма-из ­ лучения, Р

80

0

10

6 0

160

600

30

2

0

0

Доза бэр

нейтронов,

Зоны с давлением 0,15 МПа

1,05 20 000

1,32 10 000

2,85 200

3,87 8

2,26 1000

1,8 3500

4,9 0

Расстояние, км Доза гамма-из ­

лучения, Р Доза

нейтронов, 4 000

4

0

160

1000

30

0

бэр

Зоны с давлением 0,20 МПа

0,93 30 000

1,59 10 000

2 4000

1,17 20000

2,5 1000

3,42 70

Расстояние, км Доза гамма-из ­

4,32 4

лучения, Р Доза

7500

550

3000

0

ПО

16

0

нейтронов,

бэр

Зоны с давлением 0,5 15 МПа

3,04 400

2,24 3000

1,78 10000

0,83 50 000

3,84 40

1,04 40 000

Расстояние, км Доза гамма-из ­ лучения, Р ' Доза

1,41 21 000

5

350

0

60

1600

15 000

8500

нейтронов,

бэр

24

в нормативном документе по проектированию убежищ ГО [24, 62]. Если защитные толщи оказываются недо ­ статочными, что чаще всего относится к покрытию убе ­ жища, то дальнейшее повышение защитных свойств осу ­ ществляется, как правило, засыпкой слоем грунта, и лишь в отдельных случаях может быть увеличено сече ­ ние самих конструкций. 1.5. Световое излучение Световое излучение ядерного взрыва представляет собой поток лучистой энергии, включающей ультрафио ­ летовые, инфракрасные и видимые лучи. Время действия светового излучения зависит от мощности ядерного бое ­ припаса и может продолжаться от 3 до 20 с. Излучения распространяются от центра взрыва со скоростью света, вызывая воспламенение горючих материалов, ожоги от ­ крытых участков кожи людей. Единицей измерения све ­ тового излучения является тепловой эквивалент — све ­ товой импульс, измеряемый в Дж/м 2 . Световой импульс зависит от мощности ЯБ, расстояния, а также состояния (прозрачности) атмосферы. Степень поражения элементов объекта зависит от светового импульса и параметров, характеризующих по ­ глощающую способность световой энергии (толщина, плотность материала, теплоемкость, теплопроводность, цвет, фактура, ориентация). В результате светового воз ­ действия при световых импульсах свыше 125 кДж/м 2 загораются материалы и могут возникнуть пожары. Рас ­ пространение пожаров зависит от огнестойкости мате ­ риалов, плотности и характера застройки. При назем ­ ном ядерном взрыве ЯБ мощностью 1 Мт возникновение пожаров в ясную погоду возможно на расстоянии 6 — 8 км от взрыва. Из-за непрозрачности атмосферы свето ­ вой импульс может снизиться в 2 — 3 раза. Световое излучение ядерного взрыва для защитных сооружений ГО, возведенных из несгораемых материалов и сгораемых материалов, защищенных грунтовой обсып ­ кой, не опасно. Однако большие трудности встречаются при проектировании убежищ в местах, где могут возник ­ нуть пожары, характеризующиеся высокими температу ­ рами, задымленностью и т. п.

25

1.6. Поражающее действие ядерного взрыва на городские объекты

Ударная волна ядерного взрыва разрушает наземные здания городской застройки, подземные и заглубленные сооружения, выводит из строя системы электро- и водо ­ снабжения, транспорт и т. д. Различают четыре степени разрушения зданий: полное, сильное, среднее и слабое. При полном разрушении обрушивается большая часть стен, колонн, перекрытий. Сильное характеризует ­ ся частичным разрушением стен (колонн) и перекрытий; легкие элементы (двери, перегородки, крыши) разруша ­ ются полностью или частично. Среднее разрушение оп ­ ределяется тем, что основные ограждающие и несущие конструкции получают деформации (прогибы), а разру ­ шаются в основном второстепенные конструкции. Сла ­ бое разрушение соответствует повреждению или серьез ­ ным деформациям отдельных легких элементов ограж ­ дения (окна, двери, крыши домов). Полное разрушение на сетях коммунально-энергетического хозяйства харак ­ теризуется выходом из строя значительных участков трубопроводов, разрывом кабелей, обрушением опор воздушных линий электропередач. Степень разрушения объекта ударной волной в основном определяется давле ­ нием ДРф. Характер разрушения зданий, сооружений, а также сетей коммунального хозяйства при различных значениях давления приведен в табл. 1.6. При проектировании ограждающих конструкций убе ­ жищ следует учитывать косвенное воздействие обломков обрушающихся зданий, а также технологического обо­ рудования, установленного на междуэтажных перекры ­ тиях. Если по покрытию защитного сооружения не преду ­ смотрена грунтовая засыпка и к тому же покрытие име ­ ет незначительную толщину, возможно местное повреждение конструкции падающими элементами и на ­ рушение герметичности убежища. Предусматриваемая нормами [24] грунтовая засыпка практически исключа ­ ет возможность повреждения (пробивания) покрытия убежища падающими обломками. Массовое разрушение в городах наземных зданий и сооружений может сопровождаться загромождением улиц железобетонными и кирпичными обломками, а так ­ же другими элементами зданий, что приведет к возник ­ новению завалов. При давлении ДРф более 0,1 МПа, как 2в

Таблица 1.6. Поражающее действие ударной волны на объекты [2, 21] ___________ ______

Давление ДРф, соответствующее степени разрушения, кПа полное сил ьиое среднее слабое

Объект

Жилые и промышленные здания

Кирпичные:

10 — 20 15 — 25 8 — 12 40 — 50

8 — 10 8 — 15 6 — 8 20 — 40

30 — 40 35 — 45 20 —30

20 — 30 25 — 35 12-20

многоэтажные малоэтажные деревянные

Промышленные здания тяжелым металлическим и железобетонным каркасом То же, бескаркасной конст- рукции и с легким металли ­ ческим каркасом Сооружения н сети город ­ ского коммунального хозяй ­ ства, энергетики, связи Подземные сети коммуналъ- ного хозяйства (водопро ­ вод, канализация, газ) Смотровые колодцы и за- движки сетей коммунально ­ го хозяйства Трансформаторные под- станции Водонапорные башни электропередач Кабельные подземные ли- НИИ Подземные резервуары Частично заглубленные ре- с Высоковольтные линии Сооружения транспорта Шоссейные дороги с ас- фальтовым и бетонным по ­ крытием Металлические и железобе- тонные мосты пролетом до 50 м зервуары

60 — 100 50 — 60

30 —40

20 — 30

60 — 80 40 — 50

600- 1000 300

400 —

1500 1000 —

600 200

1500 1000

1500

20-40 20 — 40 50-70 800 — 1000 50- 100 30 — 50

10 — 20 10 — 20 20 —40

100

40—60 40 — 60 80 — 120 1000 — 1500 100 —

70

120 — 200 1500

до 800

30 — 50

200

200 50 — 100

10 — 30

100

1500

300

4000

3000

100 —

250 —

150 — 200

200 —

150

300

250

27

правило, образуются сплошные завалы на всей террито ­ рии застройки, а при давлениях менее 0,1 МПа в рай ­ онах с плотной застройкой при разрушении многоэтаж ­ ных зданий (три этажа и более). Характеристики зава ­ лов (состав, высота, дальность разлета обломков) приведены в работе [15]. Как правило, нагрузка от массы завала, который мо ­ жет находиться на покрытии убежища, в расчетах на воздействие динамической нагрузки не учитывается в связи с тем, что давления от ударной волны и от мас ­ сы завала действуют в разное время. Сначала проходит ударная волна, а затем образуются завалы. Нагрузка от массы завала приблизительно на порядок меньше рас ­ четных нагрузок от ударной волны. Однако после про ­ хождения ударной волны конструкции покрытия полу ­ чат пластические деформации и их первоначальная не ­ сущая способность может быть значительно снижена. Поэтому в дальнейшем такие конструкции должны вы ­ держивать собственный вес, вес грунтовой засыпки по покрытию и вес образовавшегося завала. В данной си ­ туации необходим также учет возможного снижения не ­ сущей способности покрытия вследствие теплового про ­ грева от возникших пожаров. Высота завала у стены здания, под которым находится убежище, и средний от­ нос основной массы обломков являются определяющими факторами для назначения высоты оголовка аварийного выхода и его удаления от наружной стены убежища. Неизбежным следствием ядерного взрыва являются пожары, вызываемые как непосредственным воздейст ­ вием светового излучения, так и разрушением топящих ­ ся печей, замыканием электропроводки, повреждением газовых магистралей и т. п. Это подтвердилось анализом последствий ядерной бомбардировки городов Хиросима и Нагасаки в 1945 г. [19]. В зависимости от плотности застройки и атмосферных условий бывают пожары: от ­ дельные, сплошные, штормовые и их разновидность — огненный смерч, пожары в завалах [15]. Штормовые пожары протекают в виде огненных смерчей и огненных штормов. Они возникают в городских кварталах с высо ­ кой плотностью застройки (до 40 %) при наличии боль ­ шого количества сгораемых материалов. Сплошные (площадные) пожары возникают в районах с менее плотной застройкой (20 — 30 %), где горящие объекты расположены на таких расстояниях друг от друга, что 28

одиночные пожары оказывают взаимное влияние на их общее развитие. К отдельным относятся пожары, при ко­ торых отсутствует их взаимное влияние. Пожары в зава ­ лах образуются на территории города, где давление на фронте ударной волны превышает 50 кПа, и характери ­ зуются большой длительностью и относительно невысо ­ кими температурами воздуха. Укрупненные показатели для оценки пожароопасности участков городской за ­ стройки и промышленных объектов приведены в рабо ­ те [15]. Из опыта второй мировой войны и из информации о больших пожарах в мирное время следует, что темпе ­ ратура в очаге пожара может держаться длительное время в пределах 300 — 1000 °C. Последствием воздейст ­ вия таких температур могут быть прогревы ограждаю ­ щих конструкций (покрытия, открытых участков наруж ­ ных стен) и повышение внутренней температуры в убе ­ жище до опасных величин, при которых наступает гибель людей от теплового удара. В связи с этим для упомянутых выше ограждающих конструкций следует предусматривать специальные мероприятия, исключаю ­ щие возможность появления теплового эффекта. К та ­ ким мероприятиям относятся: увеличение защитных толщ ограждающих конструкций; устройство поверх по ­ крытия теплоизоляционного слоя (шлак, песок, керам ­ зит и т. д.) либо экранов из эффективных теплозащит ­ ных материалов, расположенных изнутри помещения убежищ [6]. Для экранов можно использовать асбесто ­ цементные плиты, теплоизоляционные листы и другие материалы с низким коэффициентом температуропровод ­ ности. Другим последствием воздействия высоких темпе ­ ратур при пожарах является прогрев несущих элементов покрытия убежищ, опасность снижения прочностных ха ­ рактеристик бетона и стали, в результате чего могут об­ рушиться конструкции. Упрощенный метод расчета по ­ крытий защитных сооружений на тепловое воздействие рассмотрен в работе [6]. Наибольшая сложность возникшей пожарной обста ­ новки для убежищ заключается в том, что над поверх ­ ностью земли в месте расположения защитного соору ­ жения создаются весьма неблагоприятные условия по температурным и газовым параметрам воздушной сре ­ ды. Для жизнеобеспечения людей, находящихся в убе ­ жище, необходим воздух, подаваемый системой вентиля ­ 29

ции или фильтровентиляции. Высокие температуры воз ­ духа и содержание в нем вредных примесей, выделяющихся при горении, усложняют и удорожают систему внутреннего инженерно-технического оборудова ­ ния убежищ. Последствием разрушающего воздействия воздушной ударной волны и возникших пожаров на нефтеперера ­ батывающих и химических производствах является ин ­ тенсивное испарение хранящихся в резервуарах газов и нефтепродуктов. Пары и горючие газы могут образо ­ вать взрывчатую смесь с воздухом, взрыв которой приве ­ дет к дальнейшим разрушениям и распространению по ­ жара по территории предприятия. Защитные сооружения на территории таких производств могут подвергнуться вторичному действию динамической нагрузки. Метод рас ­ чета убежищ от взрыва смеси углеводородных газов с воздухом разработан В. И. Морозовым [6]. Расчеты параметров взрыва газовоздушных смесей показывают, что динамические нагрузки на конструкции убежищ в этих условиях сопоставимы с нагрузками от ядерного взрыва. Поэтому к расчету убежищ, размещаемых на территории указанных выше предприятий, следует предъ ­ являть требования, связанные с возможностью вторич ­ ного воздействия динамической нагрузки высокой интен ­ сивности, при обеспечении прочности конструкций и гер ­ метичности помещений. Одним из возможных последствий ядерного взрыва является действие на защитные сооружения гидравличе ­ ского потока, обусловленного гравитационными или про ­ рывными волнами. Это относится к убежищам, разме ­ щаемым вблизи плотин, крупных водоемов, морей и т. д., и подверженных затоплению. В результате убежища в течение довольно значительного срока могут нахо ­ диться в затопленном состоянии при наличии над ними слоя воды до 10 м и более. В этих случаях помимо до ­ полнительного расчета убежищ на силовые воздействия (сдвиг, опрокидывание, всплытие) необходимо преду ­ сматривать мероприятия по защите от проникновения внутрь помещений воды, обеспечению возможности пре ­ бывания людей в затопленном сооружении в течение расчетного времени и аварийного их выхода [24].

80