Компьютерное моделирование взаимодействия снежной лавины с малоэтажными зданиями Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

/66 Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 3 (49) УДК 519.6

Компьютерное моделирование взаимодействия снежной лавины с малоэтажными зданиями

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2016

А.С. Соловьев, А.В. Калач, С.Л. Карпов, Л.В. Квасова Аннотация

Представлена компьютерная модель взаимодействия зданий и сооружений со снежной лавиной, основанная на методе динамики сглаженных частиц, адекватно прогнозирующая степень смещения и разрушения малоэтажных зданий в зависимости от их конструкции, параметров горного склона и толщины снежного покрова. Она применима для прогноза возникновения ЧС.

Ключевые слова: математическое моделирование; снежная лавина; горный склон; разрушение, здание.

Computer Simulation of Snow Avalanche Interacting with Low-Rise Buildings

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2016

A. Soloviev, A. Kalach, S. Karpov, L. Kvasova

Abstract

The article presents a computer simulation of interaction between buildings or structures and a snow avalanche. The simulation is based on the method of smoothed particles dynamics and it allows a reasonably accurate prediction of shifting and damage of low-rise buildings depending on their design, the slope parameters and the thickness of snow cover. The simulation can be used to predict emergency situations.

Key words: mathematical simulation; avalanche; slope; destruction; building.

Технологии гражданской безопасности, том 13, 2016, № 3 (49) /67

В последнее время все чаще можно слышать о возрастании природных катаклизмов на Земле (землетрясения, наводнения, ураганы, смерчи, снежные лавины). Каждый из них не остается без внимания ученых [1]. В горной местности настоящим бедствием являются снежные лавины.

Движущаяся по склону горы лавина встречает на своем пути различные естественные препятствия и объекты инфраструктуры человека. Препятствия воспринимают воздействие лавины, при этом испытывая колоссальные нагрузки, смещаясь или разрушаясь [2]. Экспериментальные исследования того, как препятствия того или иного типа, формы и физических характеристик взаимодействуют с лавиной, сильно затруднены. Сходы лавин происходят, как правило, неожиданно, процесс взаимодействия с препятствием является быстротекущим. Воздействие снежной массы на препятствие сложно зафиксировать и количественно измерить. Поэтому использование имитационного компьютерного моделирования в изучении взаимодействия лавины с препятствиями является актуальным.

Модель взаимодействия лавины со зданием в целом близка к модели взаимодействия лавины с транспортным средством [3]. Для обеих моделей целесообразно использовать одну и ту же модель движения снега. Различие будет только в геометрических и механических параметрах препятствия и возможном характере его движения либо разрушения.

Для обоснованного выбора модели здания выполнен анализ более 50 задокументированных случаев повреждений зданий лавинами. Установлено, что основные повреждения зданий можно объединить в четыре группы (рис. 1):

1) Смещение и опрокидывание здания лавиной, как единого целого. Характерно для легких зданий туристической инфраструктуры (рис. 1, а).

2) Пролом стен зданий в зданиях из блоков и кирпичей (рис. 1, б).

3) Искажение геометрической формы здания. Характерно для легких хозяйственных построек (рис. 1, в).

4) Легкие повреждения (окон и дверей) без видимого повреждения стен и крыши здания (рис. 1, г).

Первые два вида повреждений представляют наибольшую опасность для людей: в первом случае могут пострадать туристы в легком доме туристической инфраструктуры, во втором случае могут пострадать жители горных населенных пунктов (происходит разрушение жилых домов). Третий вид повреждений (искажение) связан с разрушением легких хозяйственных построек и влечет в основном материальный ущерб с низкой вероятностью гибели и травм людей. При четвертом виде повреждений (окон и дверей) здание сохраняет целостность и защитные функции, поэтому риски травм и гибели людей тоже малы.

Поэтому наиболее опасные виды повреждений зданий (смещение, опрокидывание и пролом стен)

в г

Рис. 1. Возможные повреждения зданий при воздействии снежной лавины: а — снос и переворот; б—пролом стен из блоков; в-искажение геометрической формы; г—легкие повреждения (окон, дверей и т.п.) [4, 5]

/68 См! SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, N0. 3 (49)

выбраны в качестве объектов моделирования в настоящей работе, как представляющие наибольшие риски травм и гибели людей. Выбранные виды повреждений зданий описываются с точки зрения механики и геометрии по-разному, поэтому было принято решение разработать два варианта модели:

сноса и опрокидывания здания;

повреждения стены здания.

Для каждого варианта разработаны методики моделирования и исследовано влияние поражающих факторов лавины и рельефа местности на основные параметры здания.

В модели сноса и опрокидывания легкого здания последнее рассматривается как единый недефор-мируемый объект, способный перемещаться в пространстве под действием снежной лавины. Такой объект подобен транспортному средству в модели его смещения и опрокидывания. Поэтому целесообразно модифицировать эту модель, заложив в нее геометрическую форму и механические параметры не автомобиля, а здания. Двумерный вариант модели вполне адекватно описывает смещение здания вниз по склону и опрокидывание относительно одного из ребер здания в форме параллелепипеда.

Здание в модели представлялось следующим образом (рис. 2). В отличие от модели транспортного средства добавлена точка Р9, представляющая собой верхнюю часть двускатной крыши. Крыша в модели может быть как симметричной при Ь9 = 0,5 ВЗ, так и несимметричной, вырождаясь в односкатную крышу при Ь9 = 0 или Ь9 = ВЗ, что позволяет проверить в модели влияние формы крыши на величины смещения и опрокидывания здания.

Рис. 2. Схематичное представление здания в модели смещения и опрокидывания

Также, в отличие от модели транспортного средства, точки Р5 и Р6 представляют собой не точки опора колес о поверхность, а точки фундамента здания, в которых возможна потеря контакта. Задавая различные пределы разрушения и силу трения в данных точках, можно воспроизвести в модели различные виды движения под действием лавины, например, только

опрокидывание без смещения (при большом коэффициенте трения) или только смещение без опрокидывания (при малом коэффициенте трения).

Моделирование механического движения здания под действием лавины производится практически так же, как и транспортного средства в разработанной выше модели [3]. Движение здания в пространстве х^ описывается на основе второго закона Ньютона и основного закона динамики вращательного движения:

и2 Г ^

а хз _ V Р - Р - V ■

¿„¡ГхЭ}-3 ГТрЛ ГТрП->

сИ2

] _1 N1

1ч-т

3 и2 м

12 - N-

_ £-3 + РФЛ + РФП - тзё■

3з^ _ £ м (р^-з )+ м (Рфл ) + м (Рфп ) + м (Ртрл ) + м (трп)

где тЗ и З3—масса здания и его момент инерции относительно центра тяжести (точка С); хЗ, zЗ и ф3—декартовы координаты здания и угол его наклона; РЭ]_3 и —компоненты силы взаимодействия у-го элемента снега со зданием; М(РЭ3)—момент указанной силы относительно центра тяжести здания; ¥ТрЛ, РТрП — силы трения в наиболее слабой точке фундамента, удерживающие здание от смещения в горизонтальном направлении; ¥фЛ и ¥фП— силы, действующие на здание со стороны левой и правой опорных точек фундамента; МОР^), М^), М^), М^)—мо-менты перечисленных выше сил относительно центра тяжести здания (точки С).

Для выполнения необходимых для модели расчетов и исследований разработана оригинальная компьютерная «Программа для моделирования смещения и опрокидывания здания под воздействием лавины» (рис. 3). Она позволяет задать основные параметры здания, снежной массы, рельефа склона и рассчитать показатели смещения и опрокидывания здания, и энергетического воздействия на здание.

Компьютерный эксперимент воздействия лавины на здание проводился следующим образом. В начальный момент времени здание размещалось на насыпи заданной высоты, и оно было прочно связано с опорной поверхностью в точках Р3 и Р6 (рис. 2), имитирующих фундамент. При этом снежная масса в начальные моменты времени размещалась на заданной высоте на склоне в виде прямоугольного пласта толщиной 0,6 м и длиной 100 м. В ходе компьютерного эксперимента снежная масса начинала двигаться по склону (рис. 3 б), и в определенный момент времени фронт лавины достигал здания. В течение малого промежутка времени (около 0,5...1,0 с) силовое воздействие лавины на здание достигало максимума, что могло приводить к отрыву здания от фундамента и дальнейшему его движению либо путем смещения с незначительным наклоном, либо к опрокидыванию здания, либо комбинации этих вариантов движения.

Существенное влияние на характер действия лавины оказывает впадина между склоном и насыпью под зданием. Она может различным образом направ-

т

с

Технологии гражданской безопасности, том 13, 2016, № 3 (49)

Программа для моделирования смещения и опрокидывания здания под воздействием лавины

Параметры здания

Параметры снежной массы и горного склона

{эооо

jsOMOO

Ширина эд»«я. м

Высота стен здания, м

Расстояние мекяу опорами фундамента, ы

Просеет мемиу днищем здания и грунтом м

Высота расположежя центра тяжести здания м

Масса здания, кг

КЮф. жесткости материала фундамента M/u Коэф дэмгхрирования матвр»1аяа сруншч«нта Н'с/м Высота крыши м

Средой угол горного склона градусы Начальная толияна сне1кного покрова м Диаметр элемента снега м Масса элемента снега кг

Коэф жесткости вэадосшействив элементов сж>га м*л коэф вязкого трения между элементами снега. Н'с/М

Начать полипмронпмми

7 Программа ЛПЯ НОДЛПИрО

tM«4««« И onpOM/INlUHMl ПДЛНЯН ПО/) пом^шжй

(|-:6<2S9«6»6S

Ls>iM-01»;7l>;<7Si99<4S

FitiM-H39100??39329S511

и-гт

FF*XJ»-М57 6312649921

Pm-l.«0H78tS92e3

1-21126

Ftc* -М59й!882?2«М

а

б

Рис. 3. Программа для моделирования смещения и опрокидывания: а — форма ввода параметров компьютерного эксперимента; б — результаты работы программы (скриншот).

лять поток снега, например, вызывать его подброс, действие на верхнюю часть здания и закручивание. Поэтому в ходе дальнейшего исследования было установлено, среди прочих входных параметров, влияние формы впадины.

Дальнейшее теоретическое исследование основано на проведении нескольких серий компьютерных экспериментов. Подробнее планирование теоретического исследования рассматривается на рис. 4.

Из многочисленных параметров лавинообразу-ющей снежной массы выбирается один из наиболее

важных параметров—начальная толщина снежного покрова h . Основным параметром рельефа местности полагался угол склона а. Из параметров, характеризующих здание, для исследования выбирались следующие: высота насыпи, на которой расположено здание, над склоном h ; масса здания тЗ; эффективный коэффициент трения здания о поверхность ктрэф, косвенно характеризующий прочность фундамента здания.

Среди показателей поражающего действия лавины на здание далее анализируются следующие:

/70 Civil SecurityTechnology, Vol. 13, 2016, No. 3 (49)

Рис. 4. Входные параметры и выходные характеристики математической модели

зависимость от времени смещения центра тяжести здания в горизонтальном направлении от начального положения под действием лавины Ь ф;

зависимость от времени угла наклона здания ф (0; максимальное смещение здания в горизонтальном направлении Ь ;

А см.м7

максимальный угол наклона здания ф ; максимальная сила, действующая на здание в горизонтальном направлении Б'б;

максимальное давление на полувысоте стены здания Р0 5 (по нему можно судить о возможности разрушения лавиной окон, дверей, пролома стен).

Таким образом, в статье представлена компьютерная модель взаимодействия зданий и сооружений со снежной лавиной, основанная на методе динамики сглаженных частиц. Показано, что модель адекватно прогнозирует степень смещения и разрушения малоэтажных зданий в зависимости от их конструкции, параметров горного склона и толщины снежного покрова. Она позволяет, меняя параметры снежной массы, рельефа местности и здания, определять их влияние на показатели поражающего действия лавины, т.е., в конечном итоге, прогнозировать ЧС в горной местности и их последствия.

Литература

1. Шойгу С. К., Владимиров В. А., Воробьев Ю. Л. и др. Безопасность России. Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. М.: МГФ «Знание», 1999. 588 с. Катастрофы и человек / Под ред. Ю. Л. Воробьева. М.: «Изд-во АСТ-ЛТД», 1997. 256 с.

2. СоловьевА.С., Лебедев О.М., Калач А.В., Петренко В.В. Исследование взаимодействия снежной лавины с элементами защитных сооружений // Технологии гражданской безопасности. 2012. Т. 9. № 2 (32). С. 74-77.

3. А.С. Соловьев, А.В. Калач, С.Л. Карпов, С. А. Донец. Математическое моделирование воздействия снежной лавины на различные транспортные средства // Системы управления и информационные технологии. 2015. № 4(62). С. 85-88.

4. URL: http://www.nydailynews.com (дата обращения: 25.04.2016).

5. URL: http://www.taringa.net (дата обращения 22.04.2016).

Сведения об авторах

Соловьев Александр Семенович: д. т. н., доц., ФГБОУ ВПО «Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России», зав. каф. физики. 394052, Воронеж, ул. Краснознаменная, 231. E-mail: ASoloviev58@yandex.ru

Калач Андрей Владимирович: д. х. н., проф., ФГБОУ ВПО «Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России», зам. нач. ин-та по научн. работе.

394052, Воронеж, ул. Краснознаменная, 231. E-mail: a_kalach@mail.ru

Карпов Сергей Леонидович: доц. каф. промышл. и пож. безоп., ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет» (ВГАСУ). 394006, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84. E-mail: future3001@rambler.ru

Квасова Людмила Валентиновна: д. т. н., проф., ФГБОУ ВПО «Воронежский институт Государственной противопожарной службы МЧС России», зав. каф. иностр. языков и культуры речи.

394052, Воронеж, ул. Краснознаменная, 231. E-mail: kvasova.mila@yandex.ru

Information about authors

Soloviev Alexander S.: Dr. Sci. Tech, Associate Professor, Voronezh Institute of the State Fire Service of EMERCOM of Russia, Head of the Department of Physics. 394052, Voronezh, st. Krasnoznamennaya, 231. E-mail: ASoloviev58@yandex.ru

Kalach Andrei V.: Doctor of Chemical Sciences, Professor, Voronezh Institute of the State Fire Service of EMERCOM of Russia, Deputy Head of the Institute for Research. 394052, Voronezh, st. Krasnoznamennaya, 231. E-mail: a_kalach@mail.ru

Karpov Sergey L.: Assistant Professor of Industrial and Fire Safety of the Voronezh State Architecture and Construction University.

394006, Voronezh, st. October 20 anniversary, 84. E-mail: future3001@rambler.ru

Kvasova Lyudmila V.: Dr. Sci. Tech, Professor, Voronezh Institute of the State Fire Service of EMERCOM of Russia, Head of the Department of Foreign Languages and Culture of Speech.

394052, Voronezh, st. Krasnoznamennaya, 231. E-mail: kvasova.mila@yandex.ru

ГРАЖДАНСКАЯ ЗАЩИТА

ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ТОМ I

А-И

Разработки ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ) /71

Гражданская защита: Энциклопедия в 4-х томах. (Издание третье, переработанное и дополненное.) / Под общей редакцией В.А, Пучкова / МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2015.

Гражданская защита: Энциклопедический словарь. (Издание третье, переработанное и дополненное.) / Под общей редакцией В.А, Пучкова / МЧС России. М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2015. 704 с.