Файл: Расчет конструкций убежищ..pdf

2. НАГРУЗКИ НА СООРУЖЕНИЯ ОТ ВОЗДУШНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Горизонтальное покрытие незаглубленного сооружения подвергается воздействию динамической нагрузки, равной избыточному давлению воздушной ударной волны. Закон изменения этой нагрузки во времени принимается по выра­ жению (17). Если ударная волна движется вдоль пролета конструкции, то загружение его будет постепенным, по мере «набегания» ударной волны. В большинстве практи­ ческих случаев набеганием ударной волны пренебрегают и считают, что весь пролет загружается одновременно. Это допустимо, так как фронт ударной волны, двигаясь со сверх­ звуковыми скоростями, проходит пролет конструкции за весьма малое время, составляющее одну-две десятых от пе­ риода' собственных колебаний конструкции.

При падении ударной волны под углом сг0 к преграде пос­ ледняя испытывает давление, значительно превосходящее давление в падающей ударной волне, так как при ее отра­ жении от преграды частицы воздуха, двигающиеся в волне, тормозятся и вследствие перехода кинетической энергии в энергию давления создается дополнительное давление

40

Формула (24) применима только в том случае, если угол падения (а0) ударной волны на преграду не превышает не­ которого предельного значения а пред, величина которого в зависимости от интенсивности падающей ударной волны приводится в работах [36, 47].

При нормальном отражении (а0 = ссотр = 0) коэф­ фициенты г| и ф в формуле (23) равны единице и отраженное давление определяется зависимостью

Графики изменения коэффициента отражения (Дротр/Дрф) в зависимости от угла падения (рис. 18), построенные по формуле (23) (сплошные линии), показывают, что нор­ мальное, или лобовое, отражение ударной волны не обя­ зательно порождает наиболее сильную отраженную удар­ ную волну. Наклонное отражение ударной волны с Арф ^ ^ 2 кгс/см2 может привести к образованию более сильной отраженной ударной волны и, следовательно, более высо­ кого пикового давления на отражающей поверхности, чем нормальное отражение. Этот эффект был использован для предварительной оценки оптимального радиуса действия при взрывах атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки [47].

Левые части кривых рис. 18 дают значение коэффици­ ента отражения в области регулярного отражения, в кото­ рой падающая и отраженная волны исходят из одной точки, перемещающейся по поверхности преграды. Правые части кривых (пунктирные линии), соответствующие углам па­ дения, большим предельных, относятся к области нерегу­ лярного отражения, в которой возникает так называемый эффект Маха. Суть его заключается в слиянии фронтов отраженной и падающей волн у поверхности преграды и об­ разовании фронта третьей ударной волны, называемой головной волной. Все три фронта пересекаются в одной точке, называемой тройной точкой. Так как в этой области отраженная волна движется быстрее падающей и нагоняет ее, то тройная точка постепенно поднимается над поверх­ ностью преграды и высота головной волны возрастает по мере продвижения по преграде.

При воздушных ядерных взрывах область регуляр­ ного отражения на поверхности земли называют ближней зоной распространения ударной волны, а область нере­ гулярного отражения — дальней зоной. Давление на по­ верхности земли при воздушных взрывах может быть опре­

41

делено по графикам рис. 18 при известных угле падения и давлении на фронте падающей ударной волны |см. фор­ мулы (6)1.

В реальных условиях ударная волна взаимодействует с преградами ограниченных размеров и, в частности, с назем-

АРо тр/АРср

Рис 18. Зависимость коэффициента отражения /г=Др0тр/ДРф от угла падения cio для различных значений Дрф

ными сооружениями и зданиями. В этом случае наряду с отражением происходит также процесс обтекания преграды ударной волной, называемый дифракцией.

Действие нагрузки от ударной волны на наземное со­ оружение можно разделить на две фазы: фаза дифракции

42

и фаза торможения [68]. Фаза дифракции является началь­ ной — на сооружение действуют давление отражения и давление в проходящей волне.

В момент, когда фронт ударной волны достигает стены1 сооружения, происходит отражение этой волны, и давле­ ние на стену скачком повышается от величины Дрф до зна­ чения Дротр- В этот же момент на краях фронтальной стены из-за разницы давлений в падающей и отраженной волнах

Рис. 19. Эпюры средних нагрузок на наземное сооружение без проемов

возникает волна разрежения, распространение которой приводит к снижению давления на стену от значения Дротр до некоторого значения Дробт (рис. 19, а). Время от нача­ ла отражения до начала установления режима обтекания можно ориентировочно [10] считать равным наименьшему из значений.

1 Стена сооружения, перпендикулярная направлению движения ударной волны, в дальнейшем называется фронтальной.

43

где /?, b — высота и ширина (в м) сооружения или его части, возвышающихся над уровнем земли; Пф — скорость рас­ пространения фронта ударной волны, определяемая по фор­ муле

где Дрф в кгс/см2.

Ю. Б. Харитоном [241 установлено, что давление обте­ кания при Д/?ф ^ 4 кгс/см2 вдвое меньше давления отраже­ ния.

Величину максимального давления обтекания с учетом изменения параметров падающей ударной волны за время обтекания можно еще представить так:

Д р обт А Р (( оОт) I- Q ((обт). (28)

где Др ( t обт) и Q ( t oGt) — избыточное давление и скоростной напор в падающей ударной волне, определяемые соответ­ ственно по формулам (8) и (12) в момент времени (обт.

Боковые стены и покрытие сооружения полностью на­ гружаются ударной волной в тот момент, когда фронт ее пройдет расстояние, равное длине сооружения (, т. е. при t(j0K—I/Юф. Среднее давление Дрбокна стены и покры­ тие в этот момент времени принимается [21] равным избы­ точному давлению плюс нагрузка торможения, действую­ щими в середине длины сооружения, т. е. на расстоянии И2. Коэффициент торможения (сопротивления) для боковых стен и покрытия сооружения прямоугольной формы равня­ ется —0,5, тогда

где первый член правой части определяется по формуле (8) или (17), а второй — по формуле (12) при ( = 0,5 (Бо„.

Зависимость среднего давления на боковые стены и по­ крытие от времени показана на графике рис. 19, б.

На тыльную стену нагрузка начинает действовать от момента времени (бок. достигая максимального значения

При коэффициенте торможения (сопротивления) на тыль­ ной стене, равном —0,5, максимальное среднее давление

44

ДрТыл определяется в момент времени ^тыл аналогично Дрбок-

до полного загружения ударной волной тыльной стены на­ блюдается значительная разница давлений на фронтальной и тыльной стенах сооружения. Такая разница в давлениях создает силу, которая стремится сдвинуть сооружение в направлении действия ударной волны. Эта сила называется нагрузкой обтекания [21]. Длительность действия нагрузки обтекания определяется размерами сооружения и даже.для больших сооружений составляет лишь некоторую долю про­ должительности действия ударной волны ядерного взрыва. После полного обтекания сооружения (преграды) ударной волной начнется фаза торможения (установившийся режим обтекания). Результирующая горизонтальная нагрузка, стремящаяся сдвинуть сооружение, представлена на рис. 19, г, д в виде заштрихованной области.

Если один из размеров сооружения (преграды) настоль­ ко мал, что требуется очень короткое время для его обте­ кания ударной волной, то действием нагрузки обтекания можно пренебречь и сдвигающую силу определять как на­ грузку от скоростного напора (нагрузка торможения). Та­ кой случай представлен на рис. 19, е. Результирующая горизонтальная сила F на сооружение при этом будет опре­ деляться величиной скоростного напора Q (t) и формой сооружения, характеризуемой аэродинамическим коэффи­ циентом лобового сопротивления сх:

где S — площадь проекции преграды на поверхность, нор­ мальную к направлению скорости.

Значения коэффициента сх обычно находят эксперимен­ тальным путем.

Теперь рассмотрим случай, когда защитное сооружение встроено в здание.

Если в ограждениях здания имеются отверстия и прое­ мы, заполнение которых легко разрушается и ударная волна проникает внутрь, то средние нагрузки определяются при­ ближенным методом [21] при следующих предпосылках:

45