УЯЗВИМОСТЬ ОБЪЕКТОВ И ТЕРРИТОРИЙ. ОЦЕНКА ВЕРОЯТНОСТИ РАЗРУШЕНИЯ

Стойкость к внешним воздействиям и условная уязвимость. При

наличии угрозы ущерб имеет место в том случае, если негативные воздейст­вия приводят к разрушениям объектов, поражению людей и т.д. Возможность разрушения зависит от уязвимости зданий и сооружений по отношению к по­ражающим факторам опасных природных и техногенных явлений.

Пусть и_кр - критическая нагрузка (уровень поражающего фактора), до которой разрушение объекта еще не наступает. Критическая нагрузка харак­теризует стойкость (например, сеймостойкость) объекта к внешним воздей­ствиям. Стойкость - это свойство объекта сохранять свои параметры в пре­делах установленных допусков и выполнять свои функции во время и после действия внешних нагрузок. Свойством объекта, противоположным стойко­сти, является уязвимость (будем называть ее условной, т.е. при условии действия нагрузки). Характеристика условной уязвимости совпадает с харак­теристикой стойкости. Это - критическая нагрузка , начиная с кото­рой наступает разрушение.

В широком смысле под уязвимостью понимают свойство материаль­ного объекта утрачивать способность к выполнению функций в результате внешних воздействий.

Уровни стойкости различных объектов к внешним воздействиям при­ведены в табл. 6.3 на рис. 6.3, 6.4. В табл. 6.4приведены данные онорматив­ной сейсмостойкости разных типов зданий по MMSK-85.

Таблица 6.3

Уровни стойкости объектов (средние критические нагрузки, приводящие к поражению, разрушению) к некоторым поражающим воздействиям

¹Летальная доза LD_50/60, при которой можно ожидать наступления смерти здорового взрослого человека за 60 сут. после острого облучения [94]

² 90 % всех деревьев повалено (30 % всех деревьев повалено)

³ Показатели токсичности:

-среднесмертельная (летальная) доза DL₅₀

-среднесмертельные (летальные) концентрации CL₅₀ вещества в воздухе, вызываю­щие гибель 50% подопытных животных при 2-4-часовом ингаляционном воздействии (мг/кг),

-среднесмертельная доза при введении в желудок DL^*₅₀, среднесмертельная доза при нанесении на кожу DL^к₅₀

⁴ Радиус поражения при взрыве с энерговыделением в 1 Мт [16]

⁵ В качестве нижней оценки можно использовать неприемлемый ущерб в ядерной войне (приведен для США в 70-е годы). Уровень неприемлемого ущерба обратно пропорциона­лен уровню жизни в государстве

⁶Глобальное изменение климата ("ядерная зима"), связанное с понижением средней тем­пературы на несколько градусов и приводящее к гибели значительной части биоты

⁷Глобальное потепление климата (парниковый эффект). Повьшение средней температуры на 1,5-4,5 С, что приведет к подъему уровня моря на 25-40 см и затоплению значительных участков суши, включая урожайные земли.

Рис. 6.3. Радиационная стойкость материалов и приборов

Рис. 6.4. Критические скорости ветра при ураганах, м/с,

при которых происходит разрушение зданий и сооружений;

степень разрушения слабая - одна, средняя - две, сильная - три линии

Таблица 6.4

Нормативная сейсмостойкость зданий (математические ожидания М[I_кр] интенсивности, баллы)

При инженерных расчетах последствий от опасных природных явле­ний на больших территориях в силу действия многих неучитываемых факто­ров (назначения, особенностей конструкции, размещения, технического со­стояния) критическую нагрузку по совокупности объектов можно рассматри­вать как случайную величину . Полной вероятностной характеристикой условной уязвимости объектов на рассматриваемой территории является функция распределения критической нагрузки. Случайная величина критической нагрузки для типовых объектов обычно распределена по нормальному закону: .

Функция распределения имеет смысл зависимости вероятности разру­шения произвольного объекта из некоторой совокупности (или доли разрушенных объектов) от уровня действующей нагрузки, т.е. силы опасного при­родного или техногенного явления. Функцию распределения F_Kp(u) для объек­тов определенного типа называют физическим законом поражения этих объ­ектов рассматриваемым поражающим фактором.

Соответственно полной вероятностной характеристикой стойкости объектов является функция - зависимость веро­ятности неразрушения объектов на рассматриваемой территории от уровня нагрузки.

Различают функции распределения F_Kp(u/d) = P(U_Kpd<u) для различных
степеней а разрушения объектов или степеней разрушения не менее заданной D:

.

Эти функции для каждой территории могут быть установлены исходя из анализа последствий уже произошедших опасных явлений либо по данным о стойкости (уязвимости) конкретных объектов. Критические нагруз­ки для конкретных объектов могут быть оценены следующими методами:

- экспериментальным - по данным о степени разрушения зданий аналогичной конструкции и технического состояния при уже произошедших опас­ных природных явлениях с известной силой;

- расчегно-эксперименталъным - по результатам исследования реакции зданий на тестовые воздействия малой силы;

- расчетным - с помощью теоретических моделей, учитывающих конст­руктивные особенности зданий с точки зрения возможности противостоять разрушению в результате воздействий поражающих факторов опасного при­родного явления и прочностные характеристики отдельных элементов конст­рукции.

F_кр(и/d) для фиксированного и называют физической уязвимостью тер­ритории, понимая под ней долю разрушенных (поврежденных) объектов в случае опасного природного явления заданной силы и. Здесь — число объектов, получивших степень повреждения d, из общего числа N объектов, находящихся в зоне действия поражающих факторов опасного яв­ления с силой и. Как видим, математически они совпадают: .

Стойкость устанавливается стихийно (а затем закрепляется в норма­тивных документах) на уровне, при котором предотвращенный ущерб от ка­тастроф еще превышает дополнительные затраты при строительстве на по­вышенный уровень стойкости. Согласно современным нормативам приемы, например, сейсмостойкого строительства удорожают стоимость городских зданий, рассчитанных на сейсмостойкость при землетрясениях в 7, 8 и 9 бал­лов, на 2-4, 4-8 и 10-15 % соответственно. В более опасных зонах строитель­ство не рекомендуется.

Было принято считать, что ущерб от опасных природных явлений в развитом, относительно богатом, обществе в основном выражается в деньгах, а в слабо развитом - в человеческих жертвах. Но последнее землетрясение в Кобе (Япония) в 1996 г. перевернуло это представление: число человеческих жертв здесь было также велико. Это связано с тем, что по отношению к опас­ным природным явлениям с силой, превышающей нормативную уязвимость объектов (даже достаточно низкую), ущерб может быть значительным.

Защищенность. На возможность поражения (разрушения) объектов и возникновения ЧС существенно влияет защищенность объектов и террито­рий, обеспечиваемая проведением заблаговременных мероприятий инженер­ной и других видов защиты. Методологические основы защиты объектов от воздействия негативных факторов различных опасных явлений в случае их реализации рассмотрим на примере зашиты от энергетических воздействий.

При решении задач защиты выделяют источник (И), приемник (П) энергии и защитное устройство (ЗУ), которое уменьшает до допустимых уровней поток энергии к приемнику. В общем случае защитное устройство обладает способностями: отражать, поглощать, быть прозрачным по отноше­нию к потоку энергии. Пусть из общего потока энергии Е⁺, поступающего к ЗУ (рис. 6.5), часть Е поглощается, часть Е^- отражается и часть Е^~ проходит сквозь ЗУ. Тогда ЗУ можно характеризовать следующими энергетическими коэффициентами:

-коэффициентом поглощения ,

-коэффициентом отражения ,

-коэффициентом передачи .

Рис. 6.5. Энергетический баланс защитного устройства

Очевидно, что выполняется равенство , Сумма (где ) характеризует неотраженный поток энергии Е ,про­шедший в ЗУ. Если , то ЗУ поглощает всю энергию, поступающую от источника (броня при толщине, превышающей глубину проникания пора­жающего элемента с определенной допреградной скоростью в ее материал). При ЗУ обладает 100%-иой отражающей способностью (дамба, при вы­соте, превышающей уровень подъема воды), а равенство означает абсо­лютную прозрачность ЗУ: энергия проходит через устройство без потерь.

В соответствии с изложенным можно выделить следующие принципы защиты:

1. принцип, при котором - защита осуществляется за счет отра­жательной способности ЗУ;

2. принцип, при котором - защита осуществляется за счет по-глощателъной способности ЗУ;

3. принцип, при котором - защита осуществляется с учетом свойств прозрачности ЗУ.

На практике принципы обычно комбинируют, получая различные ме­тоды защиты. Наибольшее распространение получили методы защиты изоля­цией (например, изоляция вредных веществ в упаковке) и поглощением (по­глощение излучения от источника в защите).

Методы изоляции используют тогда, когда источник и приемник энергии, являющийся одновременно объектом защиты, располагаются с раз­ных сторон от ЗУ. В основе этих методов лежит уменьшение прозрачности среды между источником и приемником, т.е. выполнение условия . При этом можно выделить два основных метода изоляции:

-метод, при котором уменьшение прозрачности среды достигается за счет поглощения энергии ЗУ, т.е. выполнение условия обеспечивается условием (рис. 6.6 а);

-метод, при котором уменьшение прозрачности среды достигается за счет высокой отражательной способности ЗУ, т.е. условие обеспечива­ется условием (рис. 6.6 б).

Рис. 6.6. Методы изоляции при расположении источника и приемника с раз­ных сторон от ЗУ: а- энергия поглощается; б - энергия отражается

В основе методов поглощения лежит принцип увеличения потока энергии, прошедшего в ЗУ, т.е. достижение условия . Принципиально

Рис. 6.7. Методы поглощения при расположении источника и приемника с одной стороны от ЗУ: а - энергия отбирается; б - энергия пропускается

В большинстве случаев количественная оценка степени реализации целей защиты может осуществляться двумя спосооамй:

1) определяют коэффициент защиты k_Е в виде отношения

;

2) определяют коэффициент защиты в виде отношения:

Эффективность защиты (дБ) характеризуется также величиной

,

Например, световое излучение, поток нейтронов или мощность дозы гамма-излучения, прошедшего через защиту толщиной h, вычисляется по формуле

где - линейный коэффициент ослабления материалом, 1/м.

Отсюда защищенность характеризуется кратностью ослабления защи­той (например, радиационной, электромагнитной)

(1, ), где - коэффициент пропускания внешних воздействий на защищаемый объект. В ранее принятых обозначениях , где и и - уровни воздействий до и после защиты.

Заряженные частицы при прохождении через материал экрана теряют свою энергию. Для защиты от заряженных частиц достаточно иметь толщину экрана, удовлетворяющую неравенству

h > R, (6.2)

где R - максимальная длина пробега частицы в материале экрана. Аналогич­но, для защиты от поражающих элементов (пуль стрелкового оружия, оскол­ков снарядов и мин) также достаточно иметь броню (или корпус объекта) толщиной, удовлетворяющей неравенству (6.2), где R - максимальная глуби­на проникания поражающего элемента с заданной допреграднои скоростью в материал защиты.

В подобных случаях коэффициент прохождения (пропускания) можно (несмотря на потерю энергии в защите) представить бинарной функцией

Например, при защите объектов от баллистических воздействий в зависимости от толщины брони принимает значения 0 или 1 (пробитие есть или нет). В случае пробития (запреградная скорость поражающего элемента больше нуля) возможны такие негативные последствия, как инициирование взрывчатых превращений, выброс или пролив вредных веществ и т.д.

Если уровень воды при наводнении ниже высоты дамбы, то , в противном случае и имеет место затопление.

В силу разброса характеристик внешних воздействий эффективность мер защиты по отношению к сильнейшим событиям низка. Так, применяемые в США меры защиты существенно (на 60-80 %) снижают ущерб от слабых ураганов, но лишь незначительно уменьшают потери при сильных ураганах.

При проведении заблаговременных мероприятий инженерной и других видов зашиты объектов и территорий уровни действующих нагрузок ослаб­ляются: . Если защита конструктивно входит в состав объекта, то ме­ры по повышению защищенности можно учесть в стойкости объекта . Как показывает опыт, мероприятия инженерной защиты обеспечивают снижение возможных людских и материальных потерь на 30-40 %, но требу­ют значительных затрат.

Физическая защита от природных и техногенных воздействий обычно рассматривается для двух случаев:

- защита людей с помощью элементов техносферы (физических барьеров на пути распространения негативных факторов и специальных систем жизне­обеспечения);

- защита объектов техносферы и, в частности, потенциально опасных объектов техносферы.

Рассмотрим наиболее общий случай защиты потенциально опасных объектов. Для воспрепятствования воздействию внешних факторов на потен­циально опасные объекты и (или) удержания энергии и опасных веществ внутри объекта и воспрепятствования выходу из него вредных и поражающих факторов в случае аварии используется «барьерная» концепция, основанная на использовании принципов множественности барьеров и эшелонированно-сти защиты. Физические барьеры устанавливаются на пути возможных внеш­них воздействий на объект и (или) возможного выброса вредных веществ (рис. 1.5). Так, на АЭС предусматривается создание четырех физических барьеров на пути выброса радиоактивности в случае аварии.

При проектировании барьеров создаются запасы прочности, причем внешний барьер рассчитывается не только на внутреннее давление, по и на внешнюю ударную нагрузку. Каждый барьер способен удержать радиоактив­ность, содержащуюся в активной зоне реактора. Выброс возможен только в том случае, если будут разрушены все барьеры. В соответствии с "барьерной' концепцией безопасности ядерная энергетическая установка должна быть спроектирована таким образом, чтобы при любом исходном событии могло оставаться не менее двух барьеров, предохраняющих от аварийного выброса из активной зоны. При этом обязательным является условие функциональной независимости каждого из барьеров.

Применение «барьерной» концепции применительно к взрывоопасным объектам проблематично, так как удержание продуктов взрыва внутри барье­ров требует огромных массовых затрат. Кроме того, наличие физических барьеров усиливает поражающее действие взрыва, увеличивая число и массу осколков. Поэтому первоочередной целью физических барьеров в таких слу­чаях должно являться исключение внешних воздействий, способных иниции­ровать взрывчатые превращения в ВВ.

Различные опасные грузы перевозятся в специальных упаковках (транспортных упаковочных контейнерах), к которым предъявляются специ­фические требования по снижению уровней внешних воздействий и недопу­щению выхода за их пределы вредных полей или веществ. Для снижения уровней термических, баллистических и других воздействий корпуса упако­вок выполняются многослойными. Для снижения механических нагрузок (пе­регрузок, деформаций) применяются специальные демпферы.

Условная вероятность поражения. Разрушение объектов инфра­структуры определяется соотношением силы поражающих факторов и стой­кости к ним объектов. Разрушение степени d наступает, если действующие нагрузки превышают соответствующую стойкость сооружений:

.

Вероятность выполнения условия разрушения

(6. 3)

является условной вероятностью разрушения объекта при условии, что опасное природное явление в районе его размещения произошло (численно равно доле объектов, получивших степень разрушения d).

Величина q_d вычисляется по заданным законам распределения дейст­вующей и критической нагрузок. Например, при распределении действующей и критической нагрузок по нормальному закону

,

где Ф(-) - функция нормального распределения. Точность определения q_d за­висит от точности определения вида и параметров распределений действую­щей и критической нагрузок.

С учетом условной вероятности разрушения безусловная уязвимость произвольного объекта из числа находящихся на данной территории по от­ношению к i-му опасному природному явлению характеризуется частотой его разрушения (повреждения)

или вероятностью хотя бы одного разрушения (повреждения) за интервал вре­мени t (обычно за год):

.

Если , то можно принять . При принятии решения на заселение и отселение, повышение стойкости и защищенности зданий и сооружений обычно оперируют повторяемостью разрушений (повреждений) - средним временем между разрушениями, лет. При этом учитывается ущерб от периодических разрушений, затраты на укрепление или перенос объектов, выгоды от сохранения существующего положения.

Если , то разбросом предельной нагрузки можно пре­небречь и считать се детерминированной величиной, т.е. . Тогда q=P(U>u_Kp). Зависимость вероятности поражения (разрушения) объектов со стойкостью, равной и_кр, от расстояния до очага возможного опасного природ­ного явления (вулкана, землетрясения) q(r = P(U(r)>и_кр), учитывающую разброс действующей нагрузки, называют координатным законом поражения. По заданному уровню вероятности q=0,5 его можно аппроксимировать сту­пенчатым законом. В дальнейшем считается, что внутри этой зоны объекты со стойкостью и_кр поражаются достоверно (с q=1), а вне - не поражаются (q=0). Если эта зона - круг, то она характеризуется радиусом зоны поражения R_n. Площадь зоны поражения объектов со стойкостью к поражающим факто­рам и_кр обозначим S_n.

Плоталь S„ или радиус R_n зоны поражения являются функцией силы опасного природного явления. Моярто, например, для каждой сейсмоопасной территории рассчитать площадь зоны поражения объектов с сейсмостойко­стью и_кр землетрясением с заданной магнитудой.

Угроза для объекта имеет место при его попадании в зону возможного поражения (разрушения), определяемую по некоторому заданному и доста­точно малому уровню q₃. При известном местоположении очага возможного опасного явления объекты техносферы следует размещать на расстоянии R > Ren (Дм - радиус зоны возможного поражения) от него, т.е. в зоне гарантиро­ванного нспоражения. Это требование справедливо для опасных природных явлений с детерминированными местами возникновения (наводнений, цуна­ми, извержений вулканов, обвалов, камнепадов, оползней, селей, лавин и др.) и потенциально опасных объектов.

Поиск по сайту: