Действие воздушных ударных волн

Действие воздушных ударных волн на здания.

Во многих зданиях при относительно небольших взрывных нагрузках разрушаются окна. Стекло представляет собой хрупкий материал, который разрушается с образованием большого количества осколков, как только напряжение в нем достигает предела упругости. Окна обычно имеют небольшие горизонтальные размеры между несущими конструкциями здания и поэтому первыми откликаются на взрывные нагрузки, и чаще всего разрушаются в режиме статического нагружения. Для таких случаев вполне оправдано применение частного критерия по максимальному давлению. Критическое избыточное давление, при котором начинается разрушение остекления зданий, связано с площадью поверхности оконного стекла S (м2), его толщиной h (мм) и соотношением максимального и минимального размеров, А = L/B. Для зданий и других объектов различают четыре степени разрушения:

  • полное;
  • сильное;
  • среднее;
  • слабое.

При полном – обрушивается большая часть стен, колонн и перекрытий. Сильное – характеризуется частичным повреждением стен, колонн и перекрытий; легкие элементы (двери, перегородки, крыши) разрушаются полностью или частично. При среднем основные ограждающие и несущие конструкции деформируются, а разрушаются в основном, второстепенные конструкции. Слабое – характеризуется в основном повреждениями или деформациями отдельных легких элементов ограждений (окна, двери, крыши). При полном разрушении сетей коммунально-энергетического хозяйства выходят из строя значительные участки трубопроводов, разрываются кабели, обрушиваются опоры воздушных линий электропередач.

Периоды собственных колебаний зданий Т с жесткой конструктивной схемой, как правило, находятся в диапазоне 0,1 – 1,0 сек. Опытные значения Т для различных типов зданий приведены в таблице.

Периоды собственных колебаний зданий

Здание Число этажей ТI, с ТII, с
Жилое с несущими каменными стенами
3
5
8
0,15
0,26
0,43
0,16
0,22
0,43
Жилое крупнопанельное
4
5
6
9
0,16
0,30
0,36
0,40
0,15
0,22
-
0,32
Жилое сборное каркасно-панельное
14
16
0,86
1,20
0,76
0,76
Административное каркасное с кирпичным заполнением:      
железобетонный каркас 12 0,69 – 0,96 0,62 – 0,89
стальной каркас 12 1,17 1,12
Административное каркасное 22 1,10 1,16
ТI – поперечные колебания;
ТII – продольные колебания.

При длительности воздушной ударной волны τ > 10Т (при крупномасштабных взрывах) степень разрушения объектов можно оценить по критическому избыточному давлению

Критическое избыточное давление ВУВ для некоторых объектов

Объект Давление Dрк, кПа, соответствующее степени разрушения
полное сильное среднее слабое
Жилые и промышленные здания
Кирпичные многоэтажные 30 – 40 20 – 30 10 – 20 8 – 10
Кирпичные малоэтажные 35 – 45 25 – 35 15 – 25 8 – 15
Деревянные 20 – 30 12 – 20 8 – 12 6 – 8
Промышленные с тяжелыми металлическим и железобетонным каркасом 60 – 100 50 – 60 40 – 50 20 – 40
Промышленные бескаркасные конструкции и с легкими металлическими каркасом 60 – 80 40 – 60 30 – 40 20 – 30

Действие ударных волн на человека.

Поражение человека связаны с поражением различных частей тела. При этом отдельные органы могут по-разному реагировать на воздействие ударной волны. Например, барабанные перепонки имеют очень маленький период собственных колебаний, поэтому их реакцию на воздействие УВ можно оценивать по критерию максимального избыточного давления в волне. Граница временной потери слуха соответствует давлению DРф = 1,5 – 2 кПа, нижний порог повреждения барабанной перепонки 34 – 35 кПа, а 50 % вероятности разрыва перепонки около 100 кПа.
Наиболее чувствительны к поражающему действию воздушной ударной волны легкие и органы слуха:

Характерные виды поражения человека ударной волной

Повреждение Dр, кПа R*, м ´ кг – 1/3
Баротравма легких средней тяжести 150 – 200 < 2,2
Контузия внутренних органов и центральной нервной системы 450 – 500 < 1,4
Разрыв барабанной перепонки 35 – 45 < 4,5
Временная потеря слуха > 2 -
R – приведенное расстояние

Существенное влияние на поражение человека оказывает его ориентация относительно падающей волны и окружающих объектов. Наибольшие повреждения при минимальных значениях давления и импульса приходящей ударной волны получает человек, который стоит или лежит вблизи плоской отражающей поверхности, по нормали к которой наступает ударная волна. В этом случае на него действует не только давление в проходящей воздушной ударной волне, но и давление в волне, отраженной от жестких стен.
При взрывах крупных зарядов, человека можно рассматривать как единый объект и в качестве критерия поражения использовать критическое давление в воздушной ударной волне.

Критическое давление поражения человека воздушной ударной волны

Вероятность летального исхода, % 99 75 50 25 10
Dрк, кПа 500 370 320 280 250