CC BY
28
№ 2 (71)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2020 г.
ТЕОРЕТИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЯ ПОДЗЕМНОГО ОБОЛОЧЕЧНОГО СООРУЖЕНИЯ ПРИ СЕЙСМОВЗРЫВНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
Сафаров Исмоил Иброхимович
профессор, Ташкентский химико-технологический институт
Узбекистан, г. Ташкент Е-mail: Safarov54@mail. т
Аблокулов Шерзоджон Зокир угли
ассистент, Ташкентский химико-технологический институт
Узбекистан, г. Ташкент Е-mail: abloqulov93@mail. т
Бутунов Жахонгир Рузикулович
ассистент, Альмалыкский филиал Ташкентского Государственного технического университета им. Ислам Каримова,
Узбекистан, г. Алмалык Е-mail: _ iaxongir. butunov@mail.ru
THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF THE VIBRATIONS OF AN UNDERGROUND SHELL STRUCTURE UNDER SEISMIC AND EXPLOSIVE EFFECTS
Ismoil I. Safarov
Professor, Tashkent Institute of Chemical Technology
Uzbekistan, Tashkent
Sherzodjon Ablokulov
Assistant, Tashkent Institute of Chemical Technology
Uzbekistan, Tashkent
Jakhongir Butunov
assistant, Almalyk branchs of Tashkent State technical University named after Islam Karimov,
Uzbekistan, Almalyk
АННОТАЦИЯ
В настоящей работе приведены результаты натурных экспериментальных исследований по изучению картины распространения сейсмовзрывных волн в грунтовой среде, поведения сейсмонапряженного состояния подземного сооружения типа цилиндрической тонкостенной оболочки, взаимодействующей с грунтом при сейсмических воздействиях подземных мгновенных взрывов. Данная задача теоретически решена, полученные результаты сравнены с экспериментальными.
ABSTRACT
This work presents the results of field experimental studies on the pattern of seismic blast waves propagation in the soil environment, the behavior of the seismic stress state of an underground structure, such as a cylindrical thin-walled shell interacting with the ground during seismic effects of underground instantaneous explosions. This problem is theoretically solved and obtained results are compared with experimental ones.
Ключевые слова: взрыв, сейсмический эффект, эксперимент, граммонит, образца.
Keywords: explosion, seismic effect, experiment, grammonite, sample.
Как известно, сейсмический эффект действия подземного взрыва на подземное сооружение зависит от многих факторов, особенно от физико-механических свойств грунта экспериментальной площадки, как в точке взрыва, так и в местах где уложено подземное сооружение [5, 8].
Во избежание приращения балльности рельефом для экспериментальной площадки выбрана относительно ровная местность, противоположная сторона которой обрамлена невысокими холмами.
Методика проведения экспериментов, сведения о геологических и гидрогеологических условиях и другие данные приведены в [1, 7, 4].
Библиографическое описание: Сафаров И.И., Аблокулов Ш.З., Бутунов Ж.Р. Теоретико -экспериментальные исследование колебания подземного оболочечного сооружения при сейсмовзрывных воздействиях // Universum: Технические науки : электрон. научн. журн. 2020. № 2(71). URL: http://7universum.com/ru/tech/archive/item/8890
№ 2 (71)
При взрывах в качестве заряда ВВ (взрывчатого вещества (ВВ)) был применен граммонит 79/21, который во всех случаях инициировался детонирующим шнуром и электродетонатором мгновенного действия. Взрывы производились через осциллографы путем разрыва петли, которой оборачивался детонатор.
Произведены взрывы с весом заряда ВВ 4207000кг. Взрывы были произведены с приближением к исследуемым образцам.
Поскольку проведенные взрывы сильно различались по весу, а зарегистрированные колебания грунта и сооружения относятся к различным расстояниям от места взрыва, для сравнения результатов наблюдения между собой был использован параметр Япр -приведенное расстояние:
[м кГ'Л] (1)
здесь Я соответствует эпицентральному расстоянию (м.); С - вес заряда ВВ(кГ).
На рис.1 приведены колебания подземного сооружения в продольном, поперечном и вертикальном направлениях. Отсюда видно, что колебания подземного сооружения имеют не вполне правильные воз-растающе-затухающие синусоиды, без каких-либо импульсивных наложений. Пик, соответствующий максимуму при малых приведенных расстояниях, наблюдается в начале движения, т.е. колебания сооружения начинаются с очень резкого наступления
февраль, 2020 г.
большой амплитуды. Сходство картины между продольной и вертикальной составляющей состоит в том, что обе осциллограммы колебания начинаются не с резкого наступления максимальной амплитуды. Особенностью колебательного движения сооружения в поперечном направлении является то, что оно начинается с резко выраженного пика, который соответствует значению максимума. На основе записей колебания сооружения были определены величины декрементов затухания для каждой составляющей вектора смещения сооружения. Среднее значение декрементов затухания для продольной составляющей
составляет Апрод =0,54; для поперечной - Апоп =0,68; и, наконец, для вертикальной составляющей - Аверт =0,79.
Если обратить внимание на средние значения величины декрементов затухания для каждой составляющей и сравнить их между собой, то уместно следующее неравенство: Апрод < Апоп < Лверт т.е. среднее
значение декремента затухания вертикальной составляющей больше, чем остальных. Если затухание колебания в горизонтальном направлении ( по оси ОХ) в большей степени обусловлено податливостью грунта или, другими словами, в этом направлении затухание происходит за счет взаимодействия или преодоления энергии сцепления на контакте тела сооружения и грунта, то на вертикальной составляющей затухание колебания сооружения обусловлено рассеиванием энергии из-за значительной деформации грунта [6, 7].
А1
im
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Рисунок 1 Записи колебания подземного сооружения в продольном (а), поперечном (б) и вертикальном (в)
направлениях
На рис. 2 приведены зависимости абсолютных каждая составляющая изменяется по разным законам максимальных перемещений подземного сооруже- и они численно соизмеримы между собой. ния от приведенного расстояния. Отсюда видно, что
№ 2 (71)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2020 г.
Рисунок 2. Зависимость абсолютных максимальных перемещений подземного сооружения в трех взаимно перпендикулярных направлениях от приведенного расстояния: А - вертикальное перемещение; • -продольное перемещение; Х - поперечное перемещение
Получено подтверждение существования относительных перемещений подземного оболочечного сооружения и грунтовой среды в трех взаимно перпендикулярных направлениях. При этом заметим, что максимальные значения продольных и поперечных горизонтальных перемещений сооружения по значению меньше, чем грунтовой среды.
Были аппроксимированы кривые зависимости абсолютного смещения сооружения в трех взаимно перпендикулярных направлениях от приведенного расстояния. Были получены эмпирические формулы зависимости смещения подземного сооружения от веса заряда ВВ и эпицентрального расстояния в трех взаимно перпендикулярных направлениях для каждого компонента смещения:
• для смещения в продольном направлений
№9,29( Ъ4С / Я )-0'988; или U=2,16e-0'069RпP; (2)
• для смещения в вертикальном направлений W =141( Ъ4С / Я )-167; или W=4,11e-0'067Rпр; (3)
• для поперечного смещения
V=700( ъ4с / Я )-2'44; или V=7,8 e-0'13Rпр; (4)
концов при действии внешних сейсмических(сейсмо-взрывных) нагрузок. Если принять закон взаимодействия подземного испытываемого сооружения с окружающей средой упругим, то уравнения движения подземной цилиндрической оболочки сейсмических воздействий будут иметь следующий вид:
д 2и
д 2u
~ - , ^ д23
+ vi^T + (v2-viK )-rzr- + д^1 ду1 д£дф
dW K1R2u_R 2 д 2u
+ v
д4
= —(у—'-¡т- к4и0); Д Д дг2 4 0У
д 2u
+ V
д23 д23
2 д23
.2 д23
+ K + K 2—- +
д4ду 1 д42 ду1 1 д42 ду2
+ К2 дW К2e3w_KiRLs =
ду д^2ду ду Д
- K3 );
ди дЗ о д-3 „2д23 дW
v— +--K2—---K2—т +-
д4 ду д42ду ду2 ду
2
(6)
- K2 -д-3 + W + K 2V2V2W
R2 2W
W - KW);
KR
Д
W =
Анализ экспериментальных результатов позволил получить зависимость смещения подземного сооружения веса заряда ВВ и эпицентрального расстояния до точек взрывов в виде:
a=C°,39V
,392~-0,012R
(5)
Приводим сейсмодинамический расчет подземного сооружения, которое по геометрическим размерам можно рассматривать как тонкостенную цилиндрическую оболочку.
Рассмотрим вынужденные колебания подземной цилиндрической оболочки со свободным опиранием
Систему дифференциальных уравнений (6) решаем при следующих граничных условиях
4 = 0; и 4 =
R
(7)
3 = 0, wO = 0, M1 = N1 = 0;
В соответствии с граничными условиями свободного опирания концов (7). Компоненты перемещения точек подземной круглой оболочки выберем в виде
v
х
№ 2 (71)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2020 г.
где
Подставляя (8) в (9) и решая систему дифференциальных уравнений (6) методом Бубнова-Галер-кина, получаем систему обыкновенных дифференциальных уравнений и, решая далее полученную систему уравнений методом Рунге-Кутта, определяем неизвестные коэффициенты ^ (г), ^ (г), 0 (г) и
с помощью систем уравнений определяем значения и, V, ж Результаты вычислений перемещений цилиндрической оболочки в пространстве сопоставление их с экспериментально полученными результатами приведены в табл. 1.
Сопоставление вычисленных теоретических и зарегистрированных экспериментальных значений перемещений в трех взаимоперпендикулярных направлениях показало, что теоретически полученные значения удовлетворительно совпадают с экспериментально измеренными результатами.
Таблица 1.
Результаты вычислений перемещений цилиндрической оболочки в пространстве сопоставление их с
экспериментально полученные результаты
(8)
F\n = cos cos пф, Ffa = sin sin пф п,m = 1,3,5,.... (9) F^n = sin Я^ cos пф,
Вес ВВ (кГ) Эпиц. расст. Rnn Перемещение в попер. направления (мм) Отн. ошибка % Перем. в верт направления Отн. ошибка % Перемещ. в прод. направл. Отн. ошибка %
теор. знач экс. знач теор. с. т теор. с. т
5140 250 14,5 1,06 1,00 5,6 1,23 2,01 38,8 0,83 0,91 8,8
2520 200 14,7 0,66 0.86 23,3 0,87 1,06 17,9 0,69 0,55 25,5
6540 300 16,0 0,89 0,95 9,5 1,03 1,65 37,6 0,48 0,78 38,5
2900 350 24,54 0,54 0,86 32,7 0,63 0,95 33,4 0,34 0,43 3,9
890 350 36,4 0,18 0,31 41,9 0,21 0,3 30,0 0,17 0,12 41,7
Проведен сейсмодинамический расчет подземного сооружения, испытываемого в натурно-полевых условиях сейсмовзрывным методом. Геометрические размеры данного сооружения соответствуют тонкостенной цилиндрической оболочке.
Теоретически вычислены перемещение испытываемого сооружения в трех взаимноперпендикуляр-ных направлениях и теоретически полученные результаты сопоставлены с экспериментальными.
Сопоставление вышеуказанных результатов показывает удовлетворительное совпадение. Относительные ошибки при этом составляют 3,9-41,7%, а их среднее значение 23,7%.
Результаты натурных экспериментов позволяют сделать вывод о существенном влиянии поведения грунтовой среды на колебания (сейсмонапряженного
состояния) подземного сооружения при действиях подземных взрывов. Имея данные анализа результатов натурных экспериментов можно легко прогнозировать поведения подземных сооружений при действиях сейсмических волн.
Заключения: Обработка экспериментально полученных данных позволила получить эмпирическую зависимость смещения сооружения от эпицен-трального расстояния и веса заряда ВВ в виде формул (2), (3) и (4). С помощью этих выражений можно прогнозировать поведения подземных тонкостенных сооружений, находящихся под действием сейсмо-взрывных волн. Расчеты показали, что с достаточной точностью зависимость (4) может быть использована при оценке сейсмической интенсивности сейсмо-взрывных воздействий.
Список литературы:
1. Мубараков Я.Н. Сейсмодинамика подземных сооружений типа оболочек. — Ташкент : Фан, 1987. — 192 с.
2. Рахманов Б.С. К вопросу прогнозирования поведения подземного сооружения при действиях сейсмовзрыв-ных волн // Международный сборник научных трудов Новосибирского государственного аграрного университета. — Новосибирск, 2006. — С. 149-152.
3. Рахманов Б.С., Сагдиев Х.К., Фасахов В.Г. Экспериментальное исследование поперечного колебания подземного сооружения при сейсмовзрывных воздействиях // Проблемы механики. — 2007. — № 3.
№ 2 (71)
UNIVERSUM:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
февраль, 2020 г.
4. Сафаров И.И., Умаров А.О. Воздействие продольных и поперечных волн на цилиндрические слои с жидкостью // Вестник пермского университета. Математика. Механика. Информатика. — 2014. — Вып. 3 (26). —
5. Koltunov M.A., Mirsaidov M.M., Troyanovskii I.E. Transient vibrations of axissymmetric viscoelastic shells // Polymer Mechanics. — Vol.14. — Iss.2. — P. 233-238.
6. Mathematical modeling of dynamic processes in a toroidal and cylindrical shell interacting with a liquid / I.I. Safarov, M.H. Teshayev, Z.I. Boltayev, M.Sh. Akhmedov. — Raleigh, North Carolina, USA : Open Sciense Publishing, 2018.
— 223 p.
7. Safarov I.I., Teshaev M.Kh., Akhmedov M.S. Free Oscillations of a Toroidal Viscoelastic Shell with a Flowing Liquid // American Journal of Mechanics and Applications. — 2018. — № 6 (2). — 3749 р. / [Электронный ресурс].
— Режим доступа: URL: http://www.sciencepublishinggroup.com/j/ajmadoi:10.11648/j.ajma.20180602.11.
8. Melure G.M., Afferburg T., Pratier N.A. Analusis of Blast Effect on Pipelines.//Proc. ASCE, 1966, USA.
С. 69-75.
