пример ВКР. Анализ особенностей и разработка эффективных путей повышения пожарной безопасности предприятий автомобильного сервиса на примере
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
3.1.2 Моделирование пожара и его результаты Полная имитация распространения пожара в электротехнической школе «Никола Тесла» из Ниша длилась 600 секунд. Сам пожар был смоделирован с помощью горелки мощностью 300 кВт. На каждом этаже было несколько мест, где была реализована имитация пожара. Причиной этого был тот факт, что на каждом этаже были разные конструкции и материалы с разными горючими свойствами. Большое количество датчиков, имитирующих термопары, были расположены для измерения наибольшей температуры в каждом помещении и в целом объекте. 3.1.3 Анализ результатов моделирования Моделирование длилось от 18 до 23 часов. В зависимости от положения горелки, например, от стола, верхней части шкафа, были получены разные результаты моделирования. Рост температуры в течение времени моделирования в 600 секунд, когда термопары были расположены на 10 см выше горелки показан на рисунках с 12 - 14. Различные результаты ожидались в зависимости от того, что горелки были на разных материалах. Результаты для классных комнат были почти такими же, в то время как результаты для других комнат в «Никола Тесла» из Ниша отличались. Очень важно отметить, что самые большие температуры были зафиксированы на втором этаже лабораторной части и что они увеличивались на протяжении всех 600 секунд. Наибольшее значение температуры было 949, 76 °C, и оно было зарегистрировано в лаборатории 2. Второй этаж был закончен несколько лет назад, в соответствии с базовым зданием, которое было построено в 1972 году, и большая часть его была построена из легковоспламеняющихся материалов, таких как фанера, дуб, гипс и тому подобное. Самое стремительное повышение температуры и дыма были также зарегистрированы в этой части школы. Анализируемые результаты были показаны для нормальных условий и определенного положения горелки. Для различных значений горелки были реализованы похожие формы кривых. 43 Рисунок 12 - Температура от термопар, которые были расположены на 10 см выше горелки для помещений на цокольном этаже Рисунок 13 - Температура от термопар, которые были расположены на 10 см выше горелки для помещений на первом этаже 44 Рисунок 14 - Температура от термопар, которые были расположены на 10 см выше горелки для помещений на втором этаже Прогнозирование огня - очень важная и сложная задача, особенно для объекта с большим количеством людей. Обнаружение пожара на ранней стадии очень важно, в противном случае пожар может нанести значительный ущерб свойствам материала и разрушить сам прибор для обнаружения пожара. Имитация некоторого конкретного объекта, позволяет определять различные параметры, например, температуру, скорость тепловыделения, дымность и т.п. Знание этих параметров и возможного распространения пожара является существенным фактором для обнаружения пожара на ранней стадии, строительства и определения возможных путей эвакуации. Результаты моделирования могут показать оптимальные позиции для пожарных извещателей, детекторов дыма, детекторов угарного газа, детекторов пламени и других противопожарных установок для обеспечения безопасности человеческих жизней, свойств материалов и прекращения пожара. Результаты подобного анализа также могут показать самые быстрые пути эвакуации людей. На объектах, где много людей внутри, во время пожара может произойти неконтролируемое событие. Например, одним из таких событий является паника. Принимая во внимание тот факт, что пожар 45 может вызвать много дыма с окисью углерода, который может гораздо быстрее связывать гемоглобин с кислородом (в несколько сотен раз быстрее), вместе с паническим и стрессовым поведением, может вызвать трагические последствия. В связи с тем, что наша компания развивается, в будущем планируется расширение территории СТО, в том числе рассматривается вариант постройки второго этажа, тем самым рассмотренный выше метод моделирования, прогнозирования и расчета пожара, в дальнейшем может пригодиться при проектировании системы пожарной безопасности. 3.2 Метод расчетной оценки возможности постепенного разрушения зданий в результате пожара Статистика пожаров и пожароопасных происшествий показывает, что одним из наиболее опасных факторов является разрушение несущих железобетонных конструкций. В этом случае разрушение достигает своего наивысшего уровня, так как ущерб, причиненный одному или несколько элементам конструкций, приводит к серии обрушений других элементов, что приводит к обрушению части или целого здания. В случае постепенного разрушения, социально-экономические потери будут максимальными. Одной из эффективных мер по обеспечению сохранности зданий и их сооружений является внедрение современных методов расчета для прогнозирования возможности постепенного разрушения и применения соответствующих инженерных мер по укреплению строительных конструкций. Согласно исследованиям, одним из наиболее эффективных и экономичных методов инженерной оценки возможности поступательного разрушения зданий и сооружений является кинематический метод. Метод используется в исследованиях и определяет работу внутренних сил (W) и внешнюю нагрузку (U) для каждого из ранее принятых механизмов прогрессивного разрушения, в который преобразуется статическая система. 46 Условием сохранения статической системы без изменений является решение проблемы неравенства 1: W U , (1) Модель каркаса здания, находящегося в критическом состоянии, предполагает полное удаление разрушенной колонны из конструкции здания. Удаленная колонна больше не считается частью механизма, преобразующей здание, вместе с имеющимися в нем пластиковыми шарнирными соединениями. В то же время у этого метода есть определенный недостаток: линии пластиковых шарнирных соединений прямые, а разделенные зоны между линиями пластиковых шарнирных соединений имеют форму треугольных граней. Этот подход может привести к тому, что необоснованная перестройка модели пластических линий шарнирных соединений дополнительными линиями может привести к значительному искажению полученных результатов и обуславливает необходимость введения дополнительных коэффициентов запаса прочности для исследуемых конструкций. Другой подход к расчетному прогнозированию прогрессирующего разрушения основан на использовании конечных элементов в сочетании с разделением и их совместным нанесением, вновь сформированными в процессе расчета аварийной системы. Этот подход требует использования трудоемких и долгосрочных расчетов с использованием сложного программного обеспечения и квалифицированных инженеров [26]. 3.2.1 Цели и задачи метода Целью исследования (основные результаты которого представлены в данной главе) является разработка математического описания работы внешних и внутренних сил в кинематической модели системы, в которую трансформируется структура здания при вставке пластиковых шарнирных соединений в потолках. Они ограничивают криволинейные участки этой 47 геометрически изменяемой системы совершенствуя кинематический метод расчета для прогнозирования постепенного разрушения в зданиях с железобетонными конструкциями. 3.2.2 Основные теоретические положения для расчета Для рассмотрения постепенного разрушения была использована универсальная модель расчета. Эта модель соответствует кинематическому расчету части здания с одним элементом, который предполагается разрушить в случае пожара. Также принимается во внимание, что разрушение колонны происходит после разрушения потолка, которое может произойти в результате возможного пожара. Для рассмотрения прогрессивного разрушения была использована универсальная модель расчета (рисунок 15). Эта модель соответствует кинематической схеме части здания с одним элементом, который предположительно разрушится в случае пожара. Также учитывается, что разрушение колонны происходит после разрушения потолка, которое может произойти в результате возможного пожара. Рисунок 15 - Расчетная модель, используемая для расчета прогрессивного разрушения здания с железобетонными конструкциями 48 Модель воспроизведения линий пластического шарнирного соединения по кривым Безье представлена на рисунке 16. Рисунок 16 - Воспроизведение линий формирования пластикового шарнирного соединения по кривым Безье Согласно рисунку 16 следует рассмотреть две линии формирования пластиковых шарнирных соединений: линию вокруг колонны (диафрагма жесткости) и линию, которая охватывает сжатые несущие элементы выбранной части здания, которая подвергается воздействию прогрессивного разрушения. Применение аппроксимации (замены) обусловлено тем, что кривые Безье непрерывны относительно производных первого и второго порядка, поэтому позволяют учесть особенности зоны пластической деформации и определяют текущие значения соответствующих геометрических параметров используются для определения как внутренних, так и внешних силовых факторов. Уравнение функции, описывающей кривую Безье, записано в неявной форме и представляет собой систему двух параметрических уравнений 2 и 3: 49 , , 1 1 (u) ( ), y(u) ( ) n n k k n k k n k k х x B u y B u , (2) где x k и у k - координаты узловых точек для построения кривой Безье. В формуле (2) полиномы Бернштейна определяются по формуле 3: , ! ( ) (1 ) !( )! k n k k n n B u u u k n k (3) где n - количество контрольных точек; k - текущий номер узловой точки. Гипотеза о том, что пластиковые линии шарнирных соединений могут быть воссозданы с использованием кривых Безье, была принята в предположении о расположении пластиковых шарнирных соединений на касательных, которые делят параллельные линии на ряд неповрежденных столбцов и стенок в процентах, коррелирующих с переменной функцией кривых Безье. 3.2.3 Математический аппарат для расчета работы внутренних сил Используя выражения (2) и (3), виртуальная работа внутренних сил может быть определена в соответствии с моделями, показанными на рисунках 17 и 18. Рисунок 17 - Модель для определения работы граничных внутренних сил в пластиковых шарнирных соединениях потолка 50 Рисунок 18 - Модель определения возможных смещений при определении работы внутренних сил в потолках Следующие расчетные модели определяют работу внутренних сил на возможном смещении z , используя следующие выражения 4-7: 1 1 1 1 1 0 ( cos sin ) ( ) du, ( ) sl x y c r z W M M L u L u 1 2 2 2 2 0 ( cos sin ) ( ) du, ( ) sl x y c r z W M M L u L u (4) 2 2 1 cos ,sin , ( ) / ( ) 1 1 tg tg y u x u tg tg (5) 2 2 1 1 1 ( ) ( ) L ( ) ( ) ( ) c dx u dy u u du du 2 2 2 2 2 ( ) ( ) L ( ) ( ) ( ) c dx u dy u u du du (6) 2 2 2 2 1 1 2 2 1 2 L ( ) ( ( )) (y ( )) ( ( )) (y ( )) , r sl sl u x u u x u u W W W (7) где М х , М у - боковые граничные моменты при пластической граничной деформации потолочных плит, определяемые методом граничных деформаций. 51 Первые производные функций, описывающих кривые Безье, определяются следующим выражениям 8: , , , , 1 1 ( ) ( ) ' ( ), ' ( ), ' ( ) ( ) (1 ) n n k k n k k n k n k n k k dx u dy u k nu x B u y B u B u B u du du u u (8) Также могут применяться следующие формулы 9 и 10: 2 , 2 , 1 1 ( ) (p( )), ( ) (p( )) n n k k n k k n k k x u x B u y u y B u , (9) 2 1 2 2 1 3 1 1 2 3 1 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) , ( ) ( ) 2 ( ) ( ) ( ) k k k p u p u p p u p u y u p u p u y x p u p u p u x u (10) При реализации этого метода расчета, значение переменной должно быть получено для определения функции кривой Безье вокруг вертикального опорного элемента, соответствующего текущему углу 3.2.4 Математический аппарат для расчета работы внешних сил Следующие расчетные модели определяют работу внутренних сил в одном квадранте на возможном смещении z , используя следующие выражения 11-13: 1 1 2 1 1 0 1 1 2 2 0 1 , ( ) 6 ( ) ( ) 1 1 ( ( ) ( )) du 2 ( ) 3 sl sl sl sl fi sl c c r fi sl r r r U U U U Q z L u du L u L u Q z L u L u L u (11) 1 2 2 2 0 1 1 ( ) ( ) 2 4 sl fi sl c r fi sl c U Q z L u L u du Q z S , (12) 52 2 2 2 2 1 1 1 2 2 2 L ( ) ( ( )) (y ( )) , L ( ) ( ( )) (y ( )) r r u x u u u x u u (13) Также необходимо определить работу внешних сил за счет собственного веса колонн. Для этого применяется следующая формула 14: ( ) L (1 1/ ) c c c s s c U A A N z (14) где ρ c - плотность бетона; ρ s - плотность арматурной стали; N - количество потолков, которые не были разрушены пожаром; S c - площадь поперечного сечения колонны или диафрагмы жесткости; S s - площадь поперечного сечения колонны усиления или диафрагмы жесткости; L с - длина колонны в рамках пола. Общая работа внешних сил при возможных смещениях выглядит следующим образом по формуле 15: sl c U U U (15) Интегрирование выражений (4), (11) и (12) выполняется одним из численных методов. В этом конкретном случае рекомендуется применять метод Ромберга для повышения точности вычислений. 3.2.5 Расчетный метод оценки возможности прогрессивного разрушения Для расчета, направленного на определение возможности постепенного разрушения здания в результате пожара, необходимо выполнить следующие процедуры: - определить, что одна или несколько колонн (диафрагм) удаляются из конструкции жесткости здания, разрушенной в результате пожара; 53 - определить точки границы зоны пластических деформаций для первой и второй линий пластиковых шарнирных соединений; полученная зона должна иметь границы, проходящие через точки, расположенные на расстоянии 0,5 м от групп неповрежденных колонн и диафрагм жесткости, а полученная зона разделена на несколько частей осевыми линиями, проведенными через центр тяжести секции колонны или секции группы колонн; - определить граничные моменты в потолочных плитах в условиях нормальных температур; - определить местоположение точек, через которые должны проходить кривые локальной пластической деформации (линия Безье); координатный вектор этих точек записывается для параметрических функций, которые описываются в соответствии с формулой (2). - применяя формулы (4) - (10), определить возможную работу внутренних сил в каждой из частей, на которые ранее была разделена зона пластических деформаций, расположенных вокруг удаленных колонн; общий объем возможной работы определяется как сумма всех полученных компонентов; - применяя формулы (11) и (15), определить сумму возможной работы внешних сил; - проверить выполнение условия (1) и сделать вывод о возможности постепенного разрушения здания в случае пожара. В ходе исследования были получены следующие результаты: - разработан математический аппарат для определения виртуальной работы для внешних и внутренних сил кинематических систем, в которые входят конструктивные системы зданий, в том числе вышедшие из строя, преобразованы в результате пожара; - на основе предложенного математического аппарата усовершенствован метод кинематического расчета для прогнозирования возможности прогрессивного разрушения [27]. |