Большинство промышленных объектов подвержены риску повреждения и разрушения от внешних воздействий природного и техногенного характера. В качестве одного из возможных воздействий выступает падение и взрыв беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Для обеспечения безопасности и сохранения структурной целостности ответственных сооружений применяется один из видов противодействия:

1. установка радиопомех;
2. ввод инфракрасных прожекторов или лазерного излучения для ослепления камер;
3. механическая защита (установка сетей);
4. использование защитных БПЛА и др.

Один из наиболее доступных способов защиты – механический, у которого основным элементом является сетчатое ограждение.
НИУ МГСУ ведёт разработку свода правил «Защитные ограждающие конструкции от беспилотных летательных аппаратов» для Минстроя России. В проекте, представленном в июле 2024 года, установлены требования к проектированию и расчёту защитных ограждающих конструкций (ЗОК), которые позволяют обеспечить безопасность объектов в части уменьшения опасности взрывного воздействия от БПЛА.

Назначение защитных ограждающих конструкций 

ЗОК от БПЛА должны обладать свойствами:

• предотвращение подлёта БПЛА к защищаемому объекту на расстояние, гарантирующее приемлемые нагрузки при взрыве заряда взрывчатого вещества (ВВ);
• предотвращение поражения защищаемого объекта осколками или поражающими элементами заряда;
• недопущение обратного откола элементов ЗОК (если конструкции рассчитаны на воздействие контактного взрыва ВВ).

Цель расчёта объекта с ЗОК – определить расстояние между защитными конструкциями и объектом, при котором в случае бесконтактного взрыва заряда ВВ в БПЛА несущая способность объекта будет обеспечена.
По своду правил у ЗОК может быть два исполнения:

• на независимом каркасе;
• на зависимом каркасе.

Схемы объектов с ЗОК на независимом и зависимом каркасах, где 1 – защищаемое сооружение, 2 – опора, 3 – защитная сетка, 4 – растяжка

Защитная сетка разделяется по расположению и назначению:

• периметральное – при движении БПЛА на малой высоте;
• горизонтальное – при вертикальном падении БПЛА.

В качестве примера расчёта объекта с ЗОК используется резервуар со стационарной крышей без понтона. Резервуар принят нормального уровня ответственности (КС-2) по ГОСТ 27751-2014, согласно уровню ответственности назначается тип БПЛА и соответствующая ему масса заряда взрывчатого вещества.

 
Расчётные схемы резервуаров с ЗОК в ПВК SCAD: независимый / зависимый каркас

Параметры воздушной ударной волны

Основным поражающим фактором при взрыве концентрированных ВВ является воздушная ударная волна (ВУВ), которая состоит из фазы сжатия с давлением выше атмосферного и фазы разрежения.
Степень повреждения объекта в основном определяется фазой сжатия, которая характеризуется избыточным давлением на фронте, длительностью и импульсом давления. Для выполнения расчётов требуются масса и тип взрывчатого вещества, вид его упаковки.

Порядок определения параметров ВУВ:

1. эффективная масса ВВ;
2. приведённое расстояние;
3. избыточное давление на фронте ВУВ.

Для подбора оптимального расстояния между источником взрыва и объектом расчёта строится график зависимости давления от расстояния. Избыточное давление вычисляется с помощью эмпирической зависимости третьей степени, для взрыва в воздухе коэффициенты могут быть заданы по двум методикам (в кПа):

• РД 95 10528-96 – коэффициенты равны 82,4, 265 и 687 при приведённом расстоянии от 1,0 до 15,0 м;
• РБ Г-05-039-96 – коэффициенты равны 92, 350 и 1060 при приведённом расстоянии от 1,2 до 17,8 м.

Более точным считается первый подход, во втором коэффициенты заданы как средние значения между взрывом в воздухе и на земле и обеспечивают больший запас при расчёте. 
При определении нагрузки от ВУВ учитывается условие взаимодействия волны с преградой: отражение, обтекание, затекание. При встрече волны с объектом происходит её отражение (давление скачкообразно возрастает) и обтекание объекта волной (давление уменьшается).

График зависимости максимального давления отражения, т/м² от расстояния, м

Максимальное давление отражения более чем в 2 раза превышает избыточное давление во фронте ВУВ. Давление на боковые и тыльные стены сооружения равно давлению во фронте ударной волны. 

Расчёт на воздействие ВУВ

Взрывные нагрузки задаются в конечно-элементной (КЭ) модели как особые. Численное решение системы уравнений, описывающих КЭ модель, выполняется в нелинейной геометрической и линейной физической постановке.
Результатом расчёта напряжённо-деформированного состояния (НДС) резервуара в SCAD++ является поле эквивалентных серединных напряжений, которое сравнивается с пределом текучести стали резервуара. 

 
Поле эквивалентных напряжений, МПа 

Если напряжения не превышают предельных значений, то прочность и устойчивость стенки резервуара считаются обеспеченными.
При разрушении элементов конструкций возможны другие поражающие факторы, к примеру разлёт осколков, их учитывают при разработке системы превентивных мер, уменьшающих риски для жизни и здоровья людей и снижающих возможный экономический ущерб.

Заключение

Защита стратегически важных объектов промышленности от различных угроз – неизменно актуальный вопрос для отраслей экономики страны, в особенности топливно-энергетического комплекса. С целью уменьшения возможного вреда при падении БПЛА объекты защищаются ограждающими конструкциями. 
Для подбора оптимальных параметров защитных конструкций необходимо выполнить проверку защищаемого объекта на воздействие взрывной ударной волны от падения БПЛА. Инженеры АО «ЦИФРА» обладают достаточными компетенциями для проведения расчёта на взрывные нагрузки и определения геометрических и физико-механических характеристик ограждающих конструкций.

Список использованных источников

1. ГОСТ 27751-2014. Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения.
2. СП 88.13330.2022. СНиП II-11-77* Защитные сооружения гражданской обороны.
3. Динамический расчет сооружений на специальные воздействия. Стройиздат, 1981.
4. Бирбраер А.Н. Экстремальные воздействия на сооружения. СПб: Изд-во Политехн. ун-та, 2009.
5. Садовский М.А. Механическое действие воздушных ударных волн взрыва по данным экспериментальных исследований – в кн. Физика взрыва, №1. изд. АН СССР, 1952.
6. Андреев К.К., Беляев А.Ф. Теория взрывчатых веществ. Оборонгиз, 1960.
7. СП 296.1325800.2017. Здания и сооружения. Особые воздействия.
8. ГОСТ 31385-2023. Резервуары вертикальные цилиндрические стальные для нефти и нефтепродуктов. Общие технические условия.
9. ГОСТ Р 58622-2019. Магистральный трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов. Методика оценки прочности, устойчивости и долговечности резервуара вертикального стального.
10. РБ Г-05-039-96. Руководство по анализу опасности аварийных взрывов и определению параметров их механического действия.
11. РД 95 10528-96. Руководство по определению параметров ударных волн при внешних взрывах и нагрузок на строительные конструкции АС.
12. Свод правил «Защитные ограждающие конструкции от беспилотных летательных аппаратов». Москва: Минстрой России, 2024.

Изображение заголовка: Y.H. Zhou на Unsplash