CC BY
119
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве ВЕСТНИК
_МГСУ
УДК 004.942
В.В. Агафонова
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КЛЮЧЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ВЫСОТНОГО ЗДАНИЯ
В связи с сохраняющейся угрозой террористических актов защита высоких и уникальных объектов от такого рода воздействий является приоритетным направлением комплексной безопасности. Представлены результаты моделирования взрывного воздействия на железобетонную колонну с помощью метода конечных элементов, рассмотрен возможный сценарий последствий взрыва.
Ключевые слова: комплексная безопасность, прогрессирующее обрушение, взрывная волна, компьютерное моделирование, метод конечных элементов, уникальные здания и сооружения.
Безопасность общественных и жилых зданий является приоритетным направлением современного строительства в связи с сохраняющейся опасностью террористической угрозы. Мероприятия по обеспечению комплексной безопасности и антитеррористической защищенности зданий и сооружений актуальны для всех категорий будущих потребителей, как владельцев, так и арендаторов, и имеют большое социальное значение [1—5].
В настоящее время существует достаточно много программных продуктов, способных решать подобные задачи на высоком уровне. Одним из наиболее мощных программных комплексов является ANSYS [6—9].
Данный продукт позволяет выполнить построение математической модели объекта для проведения комплексных инженерных расчетов по определению вероятных сценариев отказов и параметров контроля напряженно деформированного состояния строительных конструкций объекта. Также результатом расчета могут служить прогнозирование алгоритма разрушения (сценария аварии), разработки мер по безопасности и антитеррористической защищенности.
в данной работе приведены результаты численного моделирования средствами пакета LS-DYNA воздействия взрыва заряда ВВ на колонну подземного этажа многоэтажного рамного каркаса с целью разработки мер по предупреждению возможных последствий взрыва.
Постановка задачи. Колонна подземного этажа многоэтажного рамного каркаса круглого сечения диаметром d = 500 мм; бетон класса В40 (Еь = 36 103 МПа, Яы = 28,6 МПа); продольная арматура класса А500 (Я8<1 = 504,6 МПа, Явс(1 = 400 МПа), площадь сечения АБ = А' = 5000 мм2 (8028); поперечная арматура класса А500 (250016); продольные силы и изгибающие моменты в верхнем сечении от постоянных и длительных нагрузок N = 3000 кН, Му = 50 кН-м; высота 1-го этажа равна 3,5 м; нижнее сечение колонны жестко закреплено. Заряд тротила массой 50 кг подрывался на расстоянии 1 м от колонны. Высота расположения заряда над нижним перекрытием этажа 0,5 м. Геометрические и сеточные модели колонны и арматуры показаны на рис. 1.
Цель расчета: моделирование возможного развития сценария последствий взрыва.
Метод моделирования. Моделирование взрыва проводилось посредством численного решения нестационарных уравнений газовой динамики в многокомпо-
© Агафонова В.В., 2012
109
ВЕСТНИК
7/2012
нентной постановке методом ALE (независимых переменных Лагранжа-Эйлера). Рассматривалась полная трехмерная модель с наложением соответствующих граничных условий непротекания на нижнем и верхнем перекрытиях этажа. На внешних границах расчетной области задавалось условие неотражения. Детонация заряда тротила начальной плотности 1,63 г/см3, давлением в точке Чепмена-Жуге 21 ГПа, скоростью детонации 6,93 км/с считалась мгновенной. Сжимаемость продуктов детонации описывалось уравнением состояния JWL (Jonew-Wilkens-Lee) [10]. Воздух рассматривался как идеальный газ с начальными параметрами, соответствующими нормальным условиям. Колонна моделировалась объемными конечными элементами с упругопластическим поведением материала. Между элементами колонны и газом задавалось условие контакта.
б
Рис. 1. Геометрическая (а) и сеточная модели (б) колонны и арматуры
а
Результаты моделирования. Моделирование проведено последовательно в три этапа. На первом этапе расчета методом динамической релаксации было получено начальное напряженнодеформированное состояние колонны, соответствующее заданным значениям действующих нагрузок. На втором этапе в связанной постановке рассчитывались нестационарная газодинамика взрыва 50 кг тротила и напряженно деформированное состояние колонны. Динамика НДС колонны при прохождении ударной волны рассчитывалась в нелинейной постановке с учетом необратимых деформаций и разрушения бетона и арматуры. По результатам расчета время воздействия составило 2,8 мс. На третьем этапе рассчитывалось разрушение колонны, поврежденной в результате взрыва ВВ, под воздействием постоянных и временных нагрузок, действующих на колонну со стороны вышележащих этажей. На рис. 2 показана динамика разрушения колонны. Время полного разрушения колонны после взрыва по результатам расчета составило ~100 мс.
Выводы. Образовавшиеся в результате взрыва продукты детонации и воздушная ударная волна оказывают воздействие на колонну, вызывая ее локальное повреждение, происходит полное разрушение материала с образованием сквозного отверстия (см. рис. 2). В последующие моменты времени происходит потеря несущей способности колонны, в результате чего происходит разрушение сначала данной колонны под действием нагрузок вышележащих этажей, а затем и верхних этажей здания. по
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
ВЕСТНИК
МГСУ
результатам расчета время воздействия составило 2,8 мс. Время полного разрушения колонны после взрыва по результатам расчета составило ~100 мс.
Рис. 2. Схема разрушения колонны после взрыва
Таким образом, актуальность рассматриваемой задачи налицо. Численное моделирование в среде программной системы LS-DYNA позволяет производить точные расчеты и разрабатывать надежные мероприятия по уменьшению последствий воздействия взрыва с целью предотвращения прогрессирующего обрушения. В настоящее время учеными намечены исследования несущей способности колонн типа «бетон в обойме» и влияния наружного армирования в виде наклеиваемых композитных пленок или лент на упрочнение строительных конструкций. Кроме того, предполагается разработка новых способов усиления стен и перекрытий, а также конструкций ненесущих перегородок, разрушение которых не приводило бы к разрушению здания.
1. Основы комплексной безопасности строительства : монография / В.И. Теличенко, В.М. Ройтман, М.Ю. Слесарев, Е.В. Щербина ; под ред. В.И. Теличенко и В.М. Ройтмана. М. : Изд-во АСВ, 2011. 168 с.
2. Теличенко В.И., Ройтман В.М. Обеспечение стойкости зданий и сооружений при комбинированных особых воздействиях с участием пожара — базовый элемент системы комплексной безопасности. Повышение безопасности зданий и сооружений в процессе строительства и эксплуатации (19 мая 2010 г.) // Матер-лы 1-го Национального конгресса «Комплексная безопасность в строительстве 2010», ВВЦ, 18—21 мая 2010 г., Москва : сб. научн. тр. 2010. Вып. 9.
3. Ройтман В.М. Стойкость зданий и сооружений против прогрессирующего обрушения при комбинированных особых воздействиях с участием пожара // Вестник МГСУ. 2009. Спец. вып. № 2. С. 37—59.
4. Ройтман В.М. Основы пожарной безопасности высотных зданий. М. : МГСУ, 2009. 107 с.
5. Теличенко В.И. Концепция законодательного обеспечения безопасности среды жизнедеятельности : тр. общего собрания РААСН, 2006. В 2 т. Т. 1. С. 236—241.
6. Верификационный отчет по программному комплексу ANSYS Mechanical (4 тома) / А.М. Белостоцкий, С.И. Дубинский, А.А. Аул и др. М. : ЗАО НИЦ СтаДиО, НОЦ КМ МГСУ, 2009.
i
Библиографический список
ВЕСТНИК 7/2012
7. Roytman V.V., Pasman H.J., Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against combined hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash. Fire and Explosion Hazards // Proceedings of the Fourth International Seminar, 2003, Londonderry, NI, UK, pp. 283—293.
8. Structural Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 14. 2012.
9. ANSYS Parametric Design Language Guide. ANSYS Release 12.1 Documentation. Canonsburg: ANSYS Inc., 2009.
10. Расторгуев Б.С., Плотников А.И., Хуснутдинов Д.З. Проектирование зданий и сооружений при аварийных взрывных воздействиях. М. : Изд-во АСВ, 2007. 152 с.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторе: Агафонова Вера Валерьевна — аспирантка кафедры технического регулирования, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, agafonova-vv@yandex.ru.
Для цитирования: АгафоноваВ.В. Моделирование взрывного воздействия на ключевые конструкции высотного здания // Вестник МГСУ. 2012. № 7. С. 109—113.
V.V. Agafonova
MODELING OF BLAST EFFECTS ON KEY STRUCTURAL ELEMENTS OF HIGH-RISE BUILDINGS
In view of persistent threats of terrorist attacks, protection of high-rise and unique buildings and structures from the above impacts remains one of the top-priority objectives of safety and security assurance projects. The author provides an overview of blast effects on a reinforced concrete column simulated through the employment of ANSYS software package. Possible patterns of the effects are considered. The semulation is performed in three sequent stages. At Stage 1, the initial stress-strain state of the column is simulated. At Stage 2, non-stationary gas dynamics of the explosion of 50 kg of TNT and the stress-strain state of the column are simulated. At Stage 3, destruction of the column, damaged by the explosion, is analyzed. The time period of complete destruction of the column after the explosion is ~ 100 ms. Numerical simulation of the environment by LS-DYNA software system assures accurate calculations; therefore, this software programme may be used to develop reliable actions aimed at reduction of effects of the explosion in order to prevent the progressive collapse.
Key words: integrated safety and security, progressive collapse, air blast, computational modeling, finite elements method, unique buildings and structures.
References
1. Telichenko V.I., Roytman V.M., Slesarev M.Yu., Shcherbina E.V. Osnovy kompleksnoy bezopas-nosti stroitel'stva [Basics of Comprehensive Safety of Construction]. Moscow, ASV Publ., 2011, 168 p.
2. Telichenko V.I., Roytman V.M. Obespechenie stoykosti zdaniy i sooruzheniy pri kombinirovan-nykh osobykh vozdeystviyakh s uchastiem pozhara — bazovyy element sistemy kompleksnoy bezo-pasnosti. Povyshenie bezopasnosti zdaniy i sooruzheniy vprotsesse stroitel'stva i ekspluatatsii (19 May 2010) [Assurance of Resistancce of Buildings and Structures to Special Complex Impacts Inclusive of Fires as the Basic Element of the System of Comprehensive Safety. Improvement of Safety of Buildings and Structures in the course of Construction and Maintenance]. Proceedings of the 1st National Congress for Comprehensive Safety in Civil Engineering 2010, 18—21 May 2010, Moscow, no. 9.
3. Roytman V.M. Stoykost' zdaniy i sooruzheniy protiv progressiruyushchego obrusheniya pri kom-binirovannykh osobykh vozdeystviyakh s uchastiem pozhara [Resistance of Buildings and Structures to Progressive Collapse, If Exposed to Combined Special Impacts Inclusive of the Fire]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, special issue no. 4, 37—59.
4. Roytman V.M. Osnovy pozharnoy bezopasnosti vysotnykh zdaniy [Basics of Fire Safety of High-Rise Buildings]. Moscow, MGSU, 2009, 107 p.
5. Telichenko V.I. Kontseptsiya zakonodatel'nogo obespecheniya bezopasnosti sredy zhiznedeyatel'nosti [Concept of the Legislative Framework of Safe Environment]. Proceedings of the General Meeting of the Russian Academy of Architecture and Civil Engineering Sciences, 2006, no. 2, vol. 1, pp. 236—241.
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве ВЕСТНИК
_МГСУ
6. Belostotskiy A.M., Dubinskiy S.I., Aul A.A. Verifikatsionnyy otchetpo programmnomu kompleksu ANSYS Mechanical [Verification Report of ANSYS Mechanical Software] (4 volumes). StaDiO Research Centre, MSUCE, 2009.
7. Roytman V.V., Pasman H.J., Lukashevich I.E. The Concept of Evaluation of Building Resistance against Combined Hazardous Effects "Impact-Explosion-Fire" after Aircraft Crash. Fire and Explosion Hazards. Proceedings of the Fourth International Seminar, 2003, Londonderry, NI, UK, pp. 283—293.
8. Structural Analysis Guide, Documentation for ANSYS, Release 14. 2012.
9. ANSYS Parametric Design Language Guide. ANSYS Release 12.1 Documentation. Canonsburg, ANSYS Inc., 2009.
10. Rastorguev B.S., Plotnikov A.I., Khusnutdinov D.Z. Proektirovanie zdaniy i sooruzheniy pri ava-riynykh vzryvnykh vozdeystviyakh [Design of Buildings and Structures with Account for Exposure to Blast Effects]. Moscow, ASV Publ., 2007, 152 p.
About the author: Agafonova Vera Valer'evna — postgraduate student, Department of Technical Regulations, Moscow State University of Civil Engineering (MSUCE), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; agafonova-vv@yandex.ru.
For citation: Agafonova V.V. Modelirovanie vzryvnogo vozdeystviya na klyuchevye konstruktsii vysot-nogo zdaniya [Modeling of Blast Effects on Key Structural Elements of High-Rise Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 7, pp. 109—113.
