Оценка рисков при сейсмопожароопасном воздействии на опасные производственные и категорированные объекты промышленности

Полный текст

Введение 1 Актуальность рассматриваемой проблемы отмечена в указе президента Российской Федерации от 11.01.2018 № 12 «Об утверждении Основ государственной политики Российской Федерации в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций на период до 2030 года», который определил стратегию в области защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, кризисных и экстремальных явлений. Настоящее исследование также служит выполнению задач, предусмотренных указами президента Республики Узбекистан № УП-4947 от 07.02.2017 «О Стратегии действий по дальнейшему развитию Республики Узбекистан», № УП-5066 от 01.06.2017 «О мерах по коренному повышению эффективности системы предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций», постановлением Кабинета министров № 1027 от 28.12.2017 «О создании единой системы мониторинга, обмена информацией и прогнозирования чрезвычайных ситуаций природного техногенного и экологического характера» и другими нормативно-правовыми документами, принятыми в данной сфере. Большинство сейсмоизолирующих систем и устройств весьма сложны и трудоемки в изготовлении и монтаже и, естественно, дороги относительно стоимости объекта (здания, сооружения). К тому же каждая система сейсмозащиты имеет определенную область применения, зависящую от основной конструкции объекта, его этажности и характеристик возможных землетрясений. Задача оценки риска осложняется еще и тем, что каждое землетрясение в идеале требует своеобразных профилактических решений. Мы предлагаем использовать выявление аспирационных потоков как дополнительный механизм обеспечения безопасности промышленных объектов от сейсмопожароопасного фактора с целью предварительной оценки риска предприятий и оперативных подразделений, вынужденных действовать в сложных условиях [1-3] 1. Процесс обеспечения безопасности Для обеспечения безопасности жизни и здоровья населения, а также сохранности зданий и сооружений необходимо учитывать ряд вероятностных факторов. В основных алгоритмах действия подразделений при обеспечении безопасности можно выделить три основных этапа [4; 5]. На первом этапе длительностью t1 предусматривается: § изучение защищаемой системы в аспекте степени ее устойчивости, выявление основ и сил, содействующих возможному ее разрушению; § выявление сил, способствующих стабильному существованию защищаемой системы; § определение границ распространения и степени развития сил, воздействующих на изменение надежности данной системы; § определение причин разрушения и/или нарушения работоспособности системы; § изучение свойств разрушающей системы, ее слабых сторон (например, изучение территориального состояния и сложившихся обстоятельств взрыва торгового центра в Нью-Йорке позволило точно определить сложившуюся оперативную обстановку и, приняв правильное управленческое решение, наметить направления введения основных сил и средств); § определение способов влияния на выявленные в системе антагонизмы. Первый этап в целом можно охарактеризовать как этап изучения защищаемой системы. С самого начала необходимо четко определить, сколько имеется времени для решения задач данного этапа (обычно это необходимо, если мы имеем дело с уже разрушающейся системой). Здесь решающим фактором является максимальное время развития разрушающего процесса до точки S, после которой разрушение или уничтожение системы уже невозможно предотвратить (другими словами, S - это точка, до которой еще возможен восстановительный процесс). Исходя из имеющегося в распоряжении времени, можно отводить возможный его лимит для первого этапа [6]. Важность первого этапа определяется ценностью времени, затрачиваемого на решение его задач. Одним из возможных способов увеличения этого времени является приглашение специалистов и/или постановка конкретных задач перед людьми, имеющими достаточный опыт в их решении, так как они способны, во-первых, ускорить решение поставленных задач, во-вторых, быстро и обоснованно определить приоритетное направление действий, опираясь на сложившиеся условия; в-третьих, при необходимости «отсеять» ненужные (или временно ненужные) подпункты первого и последующих этапов. Время, затраченное на привлечение специалистов, получение ими информации и принятие ими решения можно обозначить как tк - период, катализирующий временную «деформацию». На втором этапе длительностью t2: § определяются пути локализации распространения составных элементов, разрушающих систему (в частности, такие операции пришлось выполнять в Вашингтоне для локализации распространения опасных очагов в связи с возникновением чрезвычайной ситуации, учиненной террористами); § разрабатываются рекомендации по сохранению прочности системы в целом (например, в системе обеспечения пожарной безопасности разработан комплекс профилактических мероприятий, цель которых - предупреждение пожара в различных отраслях промышленности, Министерством по чрезвычайным ситуациям разработаны профилактические мероприятия, применимые в широкой области жизнедеятельности человека). На третьем этапе длительностью t3 осуществляется: § оперативное вмешательство для локализации развития нарушения стабильности; § установление/внедрение дополнительной подсистемы, так называемого сателлита, в целях повышения надежности системы или ее необходимых качеств, желательно без ухудшения остальных (однако установка такой подсистемы зачастую сводится к реализации известного принципа, по которому «если хочешь приобрести что-то, надо платить или жертвовать чем-нибудь другим», что на практике нередко сопряжено с увеличением людских и прочих резервов); § перестановка составляющих (предпринимагде tчс - период времени, имеющийся в наличии, т.е. оставшийся до точки Ч (когда можно считать, что последствия локализованы); ti - период времени, затрачиваемый для каждого этапа (где i = 1, 2, 3): t1 - период времени для определения оперативной обстановки; t2 - период времени для принятия управленческого решения; t3 - период времени для оперативного вмешательства. Если учесть, что три указанных периода времени состоят из конкретных действий, описанных выше, на осуществление которых также требуется время, то эти три периода времени можно записать в следующем, более конкретном виде: 12. для периода определения оперативной об- N1 становки - ется реже), что позволяет в итоге повысить надежt1 = åt1 j1 , j1 =1 где j1 может включать ноность и/или устойчивость системы; § замена или оперативное удаление при необходимости отдельных составляющих, мешающих стабильному существованию системы; мера всех возможных мероприятий первого периода; 13. для периода принятия управленческого ре- N2 § установление надзора за соблюдением рекомендаций, способствующих повышению надежшения - t2 = åt2 j2 , j2 =1 где j2 может охватывать ноности и стабильности; - обеспечение благоприятных условий для сил, обеспечивающих стабильное функционирование мера всех возможных мероприятий второго периода; 14. для периода оперативного вмешательства - N3 системы. t3 = åt3 j3 , где j3 может проходить номера всех воз- Имеется также четвертый этап длительностью t4, который выходит за пределы времени локализации и представляет собой период, необходимый для полной ликвидации последствий. Процессы полной ликвидации не всегда проходят в кризисных и экстремальных условиях (и даже могут длиться j3 =1 можных мероприятий третьего периода. В результате уточнения составляющих каждого из трех периодов времени получаем более подробную формулу для величины периода времени tчс: годами). К примеру, полная ликвидация послед- N 1 N 2 N 3 3 N i ствий землетрясения в Гуанчжоу (Китай), происt чс = t1 + t 2 + t 3 = å t1 j1 + å t 2 j2 + å t 3 j3 = å å t iji , (1) шедшего 8 августа 2017 г., до сих пор не окончеj1 = 1 j2 = 1 j3 = 1 i = 1 ji = 1 на. Если взять землетрясение 1966 г. в Ташкенте, 1 где t1 j - длительности мероприятий определения то существуют дома, построенные москвичами в оперативной обстановки, j1 = 1, 2, 3, …, N1, N1 - 1972 г., т.е. полная ликвидация шла более 6 лет [6; 7]. Понятно, что постройка этих домов прохоколичество этих мероприятий; 2 t2 j - длительнодила уже вне условий кризисных и экстремальных явлений, поэтому интереса с точки зрения операсти мероприятий принятия управленческого решения, j2 = 1, 2, 3, …, N2, N2 - количество этих метивного реагирования в кризисных и экстремаль- 3 роприятий; t3 j - длительности мероприятий реаных условиях, рассматриваемого в данной статье, этот этап не представляет. 2. Математическая модель обеспечения безопасности Исходя из вышесказанного период времени tчс, лизации принятого управленческого решения (непосредственное оперативное вмешательство), j3 = = 1, 2, 3, …, N3, N3 - количество этих мероприятий. Сумма (1) может подтверждаться при условии, что ì g ( t ) = 0, есл и t Ï [ a , b ] , предназначенный для локализации последствий чрезï 1 1 ï j ( t 3 ) - 0 , есл и t 3 Ï [ c , d ] , вычайных ситуаций (ЧС), можно разбить на три со- ï í g ( t 2 ) > 0, есл и t 2 Î [ b , c ] , (2) ставляющих: ï j ( t ) > 0 , есл и t Ï [ c , d ] , î 3 3 3 tчс = t1 + t2 + t3 = å ti , i =1 где g(t1 ) - функция для определения оперативной обстановки; g(t2) - функция для принятия управленческого решения; φ(t3) - функция для оперативного вмешательства. В системе (2) параметры, а, b, c и d описывают профилактические и тактические мероприятия, которые могут привнести значительную эффективность деятельности сил и средств на третьем этапе. Реализовываться они могут на любом из трех этапов и даже до начала первого этапа. Профилактистях руководителя и оперативного штаба, создаваемого при экстремальных и кризисных явлениях) на обязательную необходимость воссоздания перераспределения времени, в том числе и по последним двум приведенным вариантам. Основная масса разработок по борьбе с кризисными явлениями направлена на перераспределение данных периодов, чаще всего увеличение веческие мероприятия реализовываются обычно до N3 N1 N2 начала первого этапа, хотя возможно их проявлеличины å t3 j3 за счет сумм åt1 j1 и å t2 j2 . ние и/или реализация на первом, втором и третьем j3 =1 j1 =1 j2 =1 этапах. Также оперативный штаб и руководство могут оставить нереализованным тот или иной уже имеющийся рычаг изменения временного перераспределения, предусмотренный как профилактическим, так и тактическим решением, исходя из сложившихся обстоятельств. Поэтому в систему (2) введены знаки Ï и Î, что позволяет учитывать и объяснять проявление а, b, c и d на любом из рассматриваемых этапов. 1 В реальной ситуации длительности этих трех периодов ti, i = 1, 2, 3, могут существенно изменяться в зависимости от того, как и когда руководитель будет использовать высвободившиеся время и распределять его по своему усмотрению. Если руководитель эффективно использует период времени t1 для определения оперативной обстановки, задействовав организационные и технические мероприятия t1 j (например, приглашение консультантов, 2 более опытных сотрудников, использование экспонометров, карт и планов, специальной закладной информации), то величина этого периода времени уменьшается, что дает возможность выделить больше времени для принятия решения, т.е. период времени t2 увеличивается. Если же руководитель эффективно использовал также и период времени t2, оптимально применив мероприятия t2 j , Далее подробнее рассмотрим некоторые мероприятия (и/или механизмы обеспечения безопасности) профилактического характера, способные значительно изменить перераспределение рассматриваемых временных периодов между этапами. 3. Деформативность сейсмозащитных диафрагм Как известно, деформативность сквозных сейсмозащитных диафрагм в зданиях обусловлена деформациями изгиба dM, сдвига dQ, осевыми деформациями dN и конечными размерами поперечных сечений простенков, а также работой перемычек (рис. 1). Этажность [Floors] то на мероприятия 3 t3 j периода t3 оперативного Рис. 1. Доля сдвиговых деформаций dQ вмешательства, например спасения пострадавших, остается еще больше времени. На языке формул это означает, что при t1 + t2 ® ® min(t1 + t2) создаются возможности для t3 ® ® max(t3). Кроме того, высока вероятность проявления таких обстоятельств, когда реализованные оперативным штабом мероприятия приведут к цепочке состояний t1 ® min(t1) Þ t2 ® max(t2), t3 ® max(t3). Также вполне допустима цепочка состояний t2 ® ® min(t2) Þ t3 ® max(t3). Последние две возможности регламентированы боевым уставом пожарной охраны (БУПО) [8]. БУПО непосредственно делает установку (не в формулах, а в конкретных функциональных обязаннов общем прогибе верха сейсмозащитных диафрагм: I - перемычки; II - простенки; III - их сумма [Figure 1. The share of shear deformations dQ in the total deflection of the top of seismic diaphragms: I - bridges; II - piers; III - their sum] Для выяснения влияния деформаций сдвига на общую деформативность конструкции приведены расчеты диафрагм с одним вертикальным рядом проемов и представлены графики (рис. 1), показывающие, какую долю (%) в общем прогибе верха диафрагмы составляют сдвиговые деформации dQ: I - кривая соответствует учету сдвига в перемычках; II - кривая соответствует учету сдвига в простенках; III - кривая соответствует учету сдвига в простенках и перемычках одновременно. Расчеты были проведены для диафрагм различной этажности. В практике проектирования для упрощения расчетов часто не учитываются некоторые из перечисленных факторов. При расчетах рамно-связанных конструкций это может привести к неправильному представлению о распределении усилий между рамной частью и диафрагмами, что не всегда идет в запас прочности, особенно для каркаса [3; 9-12]. На рис. 2 показаны графики долей (%) осевых деформаций dN в общем прогибе верха диафрагмы, а на рис. 3 - графики величины деформации изгиба dM при прогибе верха. На этих рисунках К - количество проемов в сейсмозащитной диафрагме здания. Из приведенных графиков видно, что деформации сдвига dQ и изгиба dM существенно влияют на общую деформативность диафрагм, и их необходимо учитывать в расчете даже высоких, 16-20-этажных, конструкций, для которых прогибы за счет сдвига составляют 8-10 %. Для 4-этажных сейсмозащитных диафрагм эта величина достигает 56 % [7; 13-18]. Этажность [Floors] Рис. 2. Доля осевых деформаций dN от нормальных сил в общем прогибе верха: K - количество проемов в сейсмозащитной диафрагме здания [Figure 2. The proportion of axial deformations dN of normal forces in the total deflection tops: K - number of openings in the seismic diaphragm of the building] Этажность [Floors] Рис. 3. Величина деформации от изгибающего момента dM при прогибе верха: K - количество проемов в сейсмозащитной диафрагме здания [Figure 3. Deflection from bending moment dM at a deflection of the top: K - number of openings in the seismic diaphragm of the building] Этажность [Floors] Рис. 4. Влияние перемычек различной жесткости на прогиб сейсмозащитных диафрагм: I - перемычки прочностью 1/400 от суммарной жесткости; II - 1/200; III - 1/100; IV - 1/50; V - 1/10; VI - перемычки бесконечной жесткости [Figure 4. Effect of jumpers of different stiffness on deflection of seismic diaphragms: I - jumpers with strength 1/400 of the total stiffness; II - 1/200; III - 1/100; IV - 1/50; V - 1/10; VI - jumpers of infinite stiffness] Этажность [Floors] Рис. 5. Влияние перемычек различной жесткости на изгибающий момент в основания простенков: I - прочность 1/400 от суммарной жесткости; II - 1/200; IV - 1/50; V - 1/10; VI - перемычки бесконечной жесткости [Figure 5. The effect of jumpers of different stiffness on the bending moment at the base of the piers: I - strength 1/400 of the total stiffness; II - 1/200; IV - 1/50; V - 1/10; VI - infinite stiffness jumpers] На рис. 4 показано влияние перемычек различной жесткости на прогиб сейсмозащитных диафрагм. Сдвиговые деформации dQ влияют (по сравнению с осевыми dN) не только на величины прогибов диафрагм, но и на распределение в них усилий. Расчеты показывают, что при учете сдвиговых деформаций перемычек для зданий и сооружений увеличение изгибающего момента в основании простенков 4-этажных диафрагм может достигать 20 % (рис. 5). Из рисунка видно, что с ростом этажности эта величина снижается до 10 % для 20-этажной конструкции. Сдвиг в простенках зданий и сооружений не влияет на распределение в них изгибающих моментов dM. Одним из существенных факторов, определяющих деформативность сейсмозащитных диафрагм, являются осевые деформации простенков dN от нормальных сил, возникающих при изгибе диафрагм [4; 6; 19]. Этот вопрос исследован преимущественно для рамных конструкций зданий и сооружений, где установлено, что нормальные силы значительно влияют на прогибы рам, тогда как на изгибающие моменты влияние этого фактора несущественно. 4. Вероятность возникновения пожара относительную стоимость, оставшуюся после сейсмовоздействия со вторичными пожарами, по предприятию. Обозначим через ∆Рф приращение вероятности риска от какого-нибудь фактора воздействия. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. Составим табл. 1 для относительной стоимости, ущерба от сейсмовоздействия и остаточной относительной стоимости для раз- Значение вероятности Pпож возникновения поличных значений приращения вероятности риска жара в здании вычисляется по формуле Pпож = 1- (1 - Pп¢ож )(1 - Pп¢о¢ж ), (3) ∆Рф, пользуясь формулой (3). Пусть Gп(∆Рф) - относительная величина ущерба, наносимого элементам предприятия, зданий и сооружений. Тогда можно вычислить следующие значения величин где Pпож § вероятность пожара хотя бы в одном из Gп(∆Рф): 1) при чистом воздухе - Gп (0,2) = 0, двух зданий; Pп¢ож § вероятность пожара в первом зда- Gп (0,3) » 0,013, Gп (0,4) » 0,175, Gп (0,5) » 0,129; нии; Pп¢о¢ж § вероятность пожара во втором здании. 2) при задымленном воздухе: Gп (0,2) = 0, Для того чтобы определить величину ущерба, причиненного пожаром, необходимо пересчитать Gп (0,3) = 0, Gп (0,4) » 0,37, Gп (0,5) » 0,079. Таблица 1 Относительная стоимость и ущерб от сейсмовоздействия для различных значений приращения вероятности риска ∆Рф [Table 1. Relative cost and seismic damage for different values of the increment of the probability of risk ∆Рф] ∆Рф = 0,3 ∆Рф = 0,4 ∆Рф = 0,5 Относительная стоимость [Relative value] Ущерб от сейсмовоздействия [Seismic damage] Оставшаяся относительная стоимость [Remaining relative value] Относительная стоимость [Relative value] Ущерб от вторичных пожаров [Damage from secondary fires] Оставшаяся относительная стоимость [Remaining relative value] Относительная стоимость [Relative value] Ущерб сейсмовоздействия со вторичными пожарами [Damage seismologist with secondary fires] Оставшаяся относительная стоимость [Remaining relative value] 0,02 0,011 0,009 0,02 0,016 0,004 0,02 0,017 0,003 0,20 0,30 0,170 0,20 0,08 0,120 0,20 0,150 0,050 0,30 0,009 0,291 0,30 0,012 0,288 0,30 0,150 0,150 0,12 0,012 0,108 0,12 0,018 0,02 0,12 0,034 0,086 0,05 0,008 0,042 0,05 0,020 0,030 0,05 0,26 0,024 0,10 0,025 0,075 0,10 0,04 0,060 0,10 0,052 0,048 0,05 0,005 0,045 0,05 0,008 0,042 0,05 0,020 0,030 0,1 0,002 0,098 0,1 0,002 0,098 0,1 0,085 0,015 0,6 0,033 0,027 0,06 0,048 0,012 0,06 0,051 0,010 5. Физическая устойчивость элементов предприятия где G - относительная величина ущерба, причиняемая не только зданиям и сооружениям, но и технологическому процессу предприятия сейсмои термо- Составим табл. 2 для характеристики физичевоздействием; Gj · относительная стоимость j-го ской устойчивости элементов предприятия. С этой целью определим ущерб, причиненный элементам предприятия, для каждой степени разрушения строительных конструкций в здании в пределах верхней и ближней границ диапазона дальности распространения аспирационных потоков (слабая, средняя, сильная) [5; 13; 15; 20]. Вычисления были проделаны с помощью формулы n G = åGj Gпj (DPф ), j =1 элемента предприятия; Gпj (DPф ) - относительная величина ущерба, причиняемого элементу при заданном сейсмовоздействии со вторичными пожарами ∆Рф. По полученным результатам в координатах G ´ ∆Рф строим график наносимого ущерба от совместного воздействия сейсмои пожароопасного факторов. Полученная кривая носит название кривой закона поражения (рис. 6). Ввиду того, что значение сейсмовоздействия со вторичными пожарами является величиной случайной, все виды ущерба вычисляются как математическое ожидание М [13; 18]. Чрезвычайные ситуации и пожары Таблица 2 Математическое ожидание ущерба Таблица 3 для категорированных городов ∆Рф кгс/см2 [∆Рф kgf/cm2] 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,5 0,5-1,0 1,0-2,0 2,0-3,0 А-1 0,8 0,22 0,19 0,19 0,22 0,03 Б-1 0,5 0,15 0,08 0,08 0,27 0,04 0,21 0,063 0,101 0,255 0,510 0,725 0,875 0,134 [Table 2. Emergency and fire categorized cities] от чрезвычайных ситуаций (сейсмои пожароопасного факторов) для категорированных городов [Table 3. Mathematical expectation of damage from emergency situations (seismic and heat-hazardous factors) for categorized cities] ∆Рф кгс/см2 [∆Рф kgf/cm2] до 0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 А-1 0,97 0,02 0,01 0 0 0 Б-1 0 0,08 0,22 0,19 0,11 0,08 0,05 0,03 0,046 0,134 1,188 0,306 0,434 0,531 1,2 1 0,8 G 0,6 0,4 0,2 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 ΔРф кг/см2 Обратная зависимость от ущерба Рис. 6. График обратной зависимости ущерба от сонаправленного сейсмои термовоздействия при вторичных пожарах после землетрясений [Figure 6. Graph of the inverse dependence of damage on co-directional seismic and thermal effects in secondary fires after earthquakes] Для определения математического ожидания величины ущерба, причиненного предприятию, используем формулу n M = åGпj (DPф )DM j , j =1 где Gпj (DPф ) - ущерб, наносимый общему технологическому процессу предприятия при заданном зна- 1. для категорированных городов: А-I - 0,363; Б-I - 0,438; 2. для категорированных объектов, расположенных в малых городах и сельской местности: А-I - 0,031; Б-I - 0,349. Снижение ущерба прямо пропорционально снижает риски на предприятиях промышленности в чрезвычайных ситуациях, при этом возможно достичь состояния t1 + t2 ® min(t1 + t2), тогда чении ∆Рф; DM j · доля площади города или зоны t3 ® max(t3) [15-17]. возможных разрушений, на которых ожидается значение ∆Рф, взятое из уточненных вариантов воздействия. Заключение Анализ представленных результатов дает возможность окончательно оценить ущерб, причиненный элементам предприятия, для каждой степени разрушения строительных конструкций в пределах верхней и ближней границ диапазона избыточного давления: В свою очередь создаются условия для внедрения дополнительного механизма обеспечения безопасности промышленных предприятий как при проектировании, так и при разработке рекомендаций по технологии производства режимного характера. Кроме того, учет аспирационных потоков содействует использованию дополнительного механизма обеспечения безопасности при оперативнотактических действиях подразделений при чрезвычайных, кризисных и экстремальных явлениях, возникающих во время землетрясений, особенно с сопутствующими пожарами.

Об авторах

Адылжан Арифджанович Сулейманов

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Автор, ответственный за переписку.
Email: ibragimov-dem@yandex.com

доктор технических наук, профессор, кафедра «Безопасность жизнедеятельности»

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 1-3

Олимжон Азизович Джураев

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Email: ibragimov-dem@yandex.com

старший преподаватель, кафедра «Безопасность жизнедеятельности».

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 1-3

Фарход Яркулович Умаров

Филиал Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Email: ibragimov-dem@yandex.com

доктор технических наук, исполнительный директор

Республика Узбекистан, 110100, Алмалык, ул. Амира Темура, 56

Суннат Султанович Шомансуров

Ташкентский государственный технический университет имени И. Каримова

Email: ibragimov-dem@yandex.com

кандидат технических наук, доцент, кафедра «Безопасность жизнедеятельности».

Республика Узбекистан, 100100, Ташкент, ул. Университетская, 1-3

Список литературы