Підвищення безпеки при ліквідації наслідків руйнувань на об’єктах

Abstract

UK: Дисертація присвячена дослідженню руйнувань будівель внаслідок надзвичайних ситуацій, встановленню залежностей утворення уламків під час вибуху газу в будівлях та проведенню аварійно-відновлювальних, ремонтно- будівельних робіт при ліквідації наслідків надзвичайних ситуацій. Також були розглянуті масштаби руйнувань будівельних конструкцій в залежності від типу будівель, а саме: керамзитобетонних панелей, цегли та змішаних конструкцій і матеріалів. Проведено аналітичний огляд літературних та спеціальних статистичних джерел, досліджено стан питання засобів і прийомів ведення аварійно-відновлювальних та ремонтно-будівельних робіт із використанням засобів механізації, визначено напрямки досліджень щодо безпечного їх виконання в екстремальних умовах зруйнованих будинків та споруд. На основі проведеного аналізу надзвичайних ситуацій встановлено, що в Україні залишається високий ризик виникнення небезпек, пов’язаних із руйнуванням будівель житлового призначення внаслідок вибуху побутового газу (до 30% всіх аварій), що призводить до порушення життєдіяльності значної частини населення, значних людських та матеріальних втрат. Визначено, що в залежності від джерела аварії, потужності, часу дії, типу будівель і споруд проявляються певні закономірності руйнувань будівельних конструкцій, тому проведення досліджень щодо визначення характеру обрушень, виникнення завалів на території об’єкта та визначення необхідних машин та устаткування з урахуванням їх ефективності та безпеки виконання робіт є актуальним заданням. Представлені теоретичні основи для вироблення рекомендацій щодо підвищення ефективності та безпеки виконання робіт з ліквідації завалів та руйнувань будівельних конструкцій. Із застосуванням теорії графів та теорії прийняття оптимальних рішень досліджуються питання оцінки їх ефективності та безпеки, в основу якої покладено один із критеріїв – час виконання. Враховуючи, що прийняття рішення після одержання повідомлення про надзвичайну ситуацію приймає керівник спецпідрозділу, час слідування та прибуття підрозділу залежить від вибору оптимального (раціонального) маршруту руху в міській мережі. З урахуванням проведених досліджень у м. Дніпро було здійснено вивчення можливих маршрутів руху машин та устаткування до можливих об’єктів надзвичайних ситуацій, визначення умов ліквідації можливих завалів при обрушенні будівель і споруд з урахуванням застосування спеціалізованих машин та устаткування. Для визначення можливих маршрутів руху в м. Дніпро було виявлено розміщення постійних місць дислокації спецпідрозділів, машин та спеціального устаткування. Розглядались різні аварійні ситуації, тип яких визначав би прийняття рішень щодо застосування тих чи інших підрозділів, машин та устаткування. При вирішенні завдання щодо зменшення втрат часу слідування до об’єктів використовувалась теорія графів. На основі теорії графів було представлено карту зони обслуговування автомобільних доріг Соборного району м. Дніпро у вигляді секторів графа відносної мережі автомобільних доріг. Одержала подальший розвиток структурно-логічна схема визначення оптимального (раціонального) маршруту з урахуванням банку даних використання машин та устаткування для ліквідації надзвичайних ситуацій та транспортних засобів їх доставки. У запропонованому алгоритмі вперше детально було визначено етапи вибору маршрутів руху технічних засобів та спецпідрозділів першочергових заходів та основних заходів. На першому етапі вирішується задача доставки до місця аварії першочергових технологічних засобів та устаткування, а потім, на другому етапі, з визначенням обставин надзвичайних ситуацій вирішується задача доставки на об’єкт основних або додаткових машин та засобів з урахуванням їх транспортування. Такий підхід дозволяє, по-перше, виконати вимоги нормативу згідно з постановою Кабінету Міністрів України від 27.11.2013 р. № 874 при виконанні першочергових заходів, по-друге, за короткий час доставити першочерговий спецпідрозділ та вирішити основну задачу – виконання аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт, по-третє, оптимізувати доставку до об’єкта необхідної кількості машин та устаткування, що сприяє скороченню часу розбирання завалів на прилеглих територіях і дорогах та забезпечує доступ до самих об’єктів надзвичайних ситуацій. Згідно з проведеними дослідженнями встановлено, що прийняття рішення щодо формування та доставки підрозділів і технічних засобів на першочергові, основні та допоміжні дозволяє скоротити час проведення аварійно-рятувальних та відновлювальних робіт на об’єкті надзвичайної ситуації в залежності від питомої маси автомобілів (передусім необхідного устаткування), їх питомої потужності та протяжності маршрутів руху. При визначенні безпеки виконання робіт з ліквідації надзвичайної ситуації було досліджено характер руйнувань будівель з урахуванням типу та серії будівель, а також розташування транспортних мереж. При цьому розглядались такі типи будівель: житлові будівлі і споруди з використанням керамзитобетонних панелей та блоків, житлові будівлі і споруди з використанням силікатної та керамічної цегли, житлові будівлі і споруди із змішаних конструкцій та матеріалів. У результаті проведених досліджень будівель після вибуху газу, а також моделювання процесів вибуху газу були визначені розрахункові схеми виникнення завалів. На основі проведених досліджень був розроблений алгоритм визначення засобів механізації при ліквідації завалів після вибуху на території об’єктів з урахуванням конструктивних особливостей житлових будівель. На основі досліджень була розроблена програма для визначення обсягів завалів. Програма «Factions.exe» передбачає введення різних обсягів та розмірів стосовно товщини уламків залежно від серії будівлі. Теоретичне оцінювання форми та об’єму призми переміщення, що утворюється перед трисекційним відвалом з повернутими вперед боковими секціями, дозволяє оптимізувати параметри робочого органа і режими його роботи та визначення зони небезпеки. Була запропонована спрощена формула обрахування маси уламків, що накопичується перед трисекційним відвалом на кінцевій стадії переміщення. Прийнята розрахункова схема та математичні залежності для визначення об’ємів елементарних складових частин дозволили запропонувати дієздатну математичну модель для прогнозу величини призми переміщення при транспортуванні уламків як традиційними, так і секційними відвалами та визначити зони небезпеки. Представлені експериментальні дослідження з визначення раціональних параметрів робочого обладнання, у яких передбачалось вирішення таких завдань: встановлення раціональних геометричних параметрів робочих органів габаритних засобів механізації відвального та ківшового типів (бульдозер, навантажувач), перевірка результатів теоретичних досліджень, розроблення та вдосконалення засобів механізації та технології виконання робіт з урахуванням ефективності й безпеки. Для проведення експериментальних досліджень використовувалось таке обладнання та вимірювальні прилади: стенд для фізичного моделювання робочих процесів землерийно-транспортних машин; фізичні моделі робочих органів у масштабі Кl=10; комплект тензометричних приладів; пристрій для тарування вимірювальної системи. Основним обладнанням для проведення експериментальних досліджень є лабораторний стенд. Для дослідження процесу копання трисекційного бульдозерного відвала пропонується використовувати рототабельний центральний композиційний план другого порядку для чотирьох факторів. Для виконання умови подібності процесів, що протікають при взаємодії з модельованим ґрунтовим середовищем фізичної моделі трисекційного бульдозерного відвала необхідно виконання рівності геометричних та динамічних критеріїв подібності. Вперше за результатами досліджень встановлено залежність впливу параметрів конструкції відвала бульдозера (односекційний, двосекційний, трисекційний) на ефективність та безпеку технологічних процесів. Встановлено, що при ліквідації завалів у складних стислих умовах бульдозери з двосекційними та трисекційними відвалами є більш ефективним обладнанням та з меншою зоною небезпеки, ніж бульдозери з односекційними відвалами. Підвищення ефективності при застосуванні машин такого типу становить від 14 до 42 %, а зона небезпеки зменшується на 10 – 15 %. Було проведено дослідно-промислове випробування і впровадження результатів у практику роботи спецпідрозділів. На виробництві впроваджено методику визначення оптимального (раціонального) маршруту руху спеціальних підрозділів до аварійних об’єктів при виникненні надзвичайних ситуацій та методику визначення засобів механізації при ліквідації завалів, пов’язаних з обрушенням будівель. У результаті проведеної апробації одержаних результатів дисертаційної роботи визначено, що поетапний підхід при розгляді сумісно проведених теоретичних та експериментальних досліджень, а також розроблених алгоритмів визначення засобів механізації при ліквідації завалів внаслідок вибуху побутового газу дозволяють забезпечити ефективне безпечне проведення аварійно-відновлювальних та ремонтно-будівельних робіт у будівлях після обрушення будівельних конструкцій. Проведене моделювання аварійної ситуації, визначення технічних засобів і оптимального (раціонального) маршруту руху з урахуванням оперативного прийняття рішення дозволяє скоротити час на прийняття рішень на 15 – 30 %, підвищити ефективність та безпеку виконання робіт при розчищенні завалів і знизити ризик загибелі та травмування, як постраждалих, так і спецпідрозділів, у зоні виникнення екстремальних ситуацій.

EN: The dissertation is devoted to the research of buildings destruction due to emergencies, the establishment of debris formation dependencies during the explosion of gas in buildings and conducting the rescue and recovery operations (RRO), repair and construction (RCW) work in the elimination of the consequences of emergencies. The scale of the destruction of building structures, depending on the type of buildings, namely, haydite concrete panels, bricks and mixed structures and materials, was also considered. An analytical review of literary and special statistical sources was conducted, the state of the issue of means and methods of conducting RRO and RCW with the use of means of mechanization was investigated, directions of research on safe operation in extreme conditions of destroyed buildings and structures were determined. Based on the analysis of emergencies, it has been established that in Ukraine there is a high risk of dangers related to the destruction of residential buildings due to explosion of domestic gas (up to 30 % of all accidents), which leads to a disruption of vital activity of a significant part of the population, significant human and material losses . It has been determined that depending on the source of the accident, power, time of operation, type of buildings and structures, patterns of destruction of building structures are revealed, therefore, carrying out the researches to determine the nature of breakdowns, the occurrence of rubbles on the site and the definition of necessary machinery and equipment, taking into account their efficiency and the safety of work execution is an actual task. The theoretical bases for increasing the efficiency and safety of works on the elimination of the rubbles and destruction of building structures are presented. With the application of graph theory and the adoption of optimal solutions, the issues of evaluation of their efficiency and safety, based on one of the criteria - time of execution, are investigated. Taking into account that the head of a special unit takes decision after having received a message, the travel time and the arrival of the unit depends on the choice of the optimal (rational) route of traffic in the local network. Taking into account the research carried out in the city of Dnipro, possible routes for machinery and equipment to possible emergency facilities (EF) were studied. At the same time, the conditions for the elimination of possible rubbles after the breakdown of buildings and structures, taking into account the use of machinery and equipment, were determined. To determine possible routes of traffic in the city of Dnipro, the placement of permanent sites of special units, machinery and special equipment was found. In addition, various emergencies, which led to make the decisions on the service of certain units, machinery and equipment, were considered. In the solution of the problem on reducing the travel time loss to the sites, the theory of graphs was used. On the basis of the theory of graphs, a map of the road maintenance area for Sobornyi district in the city of Dnipro was presented in the form of sectors of the graph of the relative network of highways. In this case, the structural-logical scheme of determination of optimal (rational) route taking into account the data bank of the use of machinery and equipment for the elimination of emergencies and the delivery of vehicles got the further development. The stages of the selection of routes for technical means and special units of priority and main measures were determined in the algorithm in details for the first time. At the first stage, the problem of the delivery of the priority technological means and equipment to the emergency scene is being solved, and then, at the second stage, the problem of the delivery of the main or additional machinery and equipment to the site taking into account their transportation can be solved with the determination of the circumstances of the emergency. Such an approach allows, firstly, to comply with the requirements of the standard according to the resolution of the Cabinet of Ministers of Ukraine of 27.11.2013 № 874 in the implementation of the priority measures; secondly, to deliver and resolve the main task to perform rescue and salvage operations and recovery work; thirdly, delivery of the required number of machinery and equipment, which facilitates the reduction of the time for dismantling rubble in adjacent areas and roads and the access to the sites of emergencies. According to the carried out research, it was determined that the decision to form and deliver units and technical means as primary, main and auxiliary ones can reduce the time for rescue and salvage operations and recovery work on the site of the emergencies depending on the specific mass of cars (foremost the necessary equipment), their specific power and the length of the route. In determining the safety of execution of works on the elimination of emergencies, the character of the destruction of buildings was investigated, taking into account the type and series of buildings, as well as the location of transport networks. The following types of buildings were considered, they are residential buildings and structures with claydite panels and blocks, residential buildings and structures with silicate and clay bricks, residential buildings and structures with mixed structures and materials. As a result, the design models of the occurrence of rubble were determined after the investigation of buildings after gas explosion as well as gas explosion simulation process. On the basis of the carried out research the algorithm of determination of means of mechanization at elimination of rubble after an explosion on the site area with consideration of design features of residential buildings was elaborated. On the basis of research, a program was developed to determine the extent of rubble. The program "Factions.exe" involves the introduction of other volumes and sizes related to the thickness of wreckage h depending on the series of a building. Theoretical assessment of the shape and volume of the prism of the movement, which is formed before the three-section dump with forward-facing lateral sections, allows to optimize the parameters of the operating body and its modes of operation and the definition of the risk area. A simplified formula for the mass of fragments accumulated in front of the three-section dump at the final stage of displacement was proposed. Accepted design model and mathematical dependences on determination of the volumes of elementary constituent parts have allowed to propose a capable mathematical model predicting the size of the prism during the transportation of rubble by both traditional and sectional dumps, and to define risk areas. The experimental research was presented to determine the rational parameters of operating equipment, which provided for the solution of the following problems of establishing the rational geometrical parameters of operating bodies of the overall means of mechanization of dump and bucket types (bulldozer, loader). Verification of the results of theoretical research, development and improvement of the means of mechanization and the technology of operations taking into account efficiency and safety were presented. For experimental research the following equipment and measuring devices were used: bench for physical simulation of operation processes of earth-moving machinery; physical models of operation bodies on a scale, К1 = 10; a set of strain meters; calibration device for measuring system. The main equipment for carrying out the experimental research is a laboratory bench. In order to study the digging process of a three - section bulldozer dump, it is proposed to use a rotatable central composite second order design for four factors. In order to fulfill the conditions for the similarity of the processes occurring in the interaction with the simulated soil environment of the physical model of the, it is necessary to fulfill the equality of geometric and dynamic similarity criteria. For the first time, according to the research results, the dependence of the influence of the parameters of the bulldozer dump design (one-section, two-section and three-section) on the efficiency and safety of technological processes was established. It has been established that at the elimination of rubble in complicated short conditions, bulldozers with two-section and three-section dumps compared to single-section dumps are the equipment that is more efficient and with a smaller risk area. The increase of efficiency ranges from 14 to 42 % and the reduction of the risk area by 10 – 15 %. Pilot test and the implementation of the results into the practice of special units were conducted. The implementation of the methodology "Determination of the optimal (rational) route of special units to emergency facilities in case of emergencies" is carried out in the workplace, and the methods "Methodology for the determination of mechanization facilities in the course of elimination of rubble related to the breakdown of buildings" are introduced. As a result, after the approbation of the obtained results of the dissertation work, it was determined that a step-by-step approach, when considering jointly conducted theoretical and experimental research, as well as the developed algorithms for determining the means of mechanization at the elimination of the rubble due to the explosion of domestic gas, can provide an efficient and safe performance of RRO and RCW in buildings after the breakdown of building structures. The simulation of the emergency, the determination of the technical means and rational (optimal) route considering the operational decision-making, can reduce the time for decision-making by 15 – 30 %, increase the efficiency and safety of the work during the clearing away rubbles and reduce the risk of death and injury to both the casualties and workers in the area of emerging extreme situations.