CC BY
1
ВОЗДЕЙСТВИЕ ВЗРЫВА НА СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПРИ ЧИСЛЕННОМ МОДЕЛИРОВАНИИ
B.Г. Сазыкин1, старший преподаватель
C.Ю. Беляева1, канд. техн. наук, доцент А.В. Прибытков2, канд. техн. наук, доцент воронежский государственный технический университет
2Военный учебно-научный центр военно-воздушных сил «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (Россия, г. Воронеж)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-3-2-202-205
Аннотация. В статье рассматриваются различные методы моделирования действия взрыва на строительные конструкции. Отмечено, что взрывная нагрузка существенно отличается от статической. И кроме изменения поведения на структурном уровне, динамические эффекты также сильно влияют на реакцию на уровне материала конструкций. Выявлено, что оценку адекватности и точности метода численного решения целесообразно проводить с использованием значения коэффициента расстояния до взрывного вещества, что позволит избежать привязки к фактической массе заряда и расстояния до него. Сделан вывод о том, что применение прямых динамических методов в сочетании с нелинейными моделями деформирования материалов дает возможность более глубоко исследовать изменения в напряженно-деформированном состоянии строительных конструкций от взрывной нагрузки.
Ключевые слова: взрыв, нагрузка, конструкция, динамический эффект, моделирование.
Хорошо известно, что традиционная система строительного проектирования при наличии переменных нагрузок была разработана на основе тщательного изучения повторяющихся явлений (например, нагрузок, которые возникают через регулярные промежутки времени, начиная с умеренной и заканчивая сильной степенью интенсивности), которые можно предсказать с помощью статистического подхода [1]. В отличие от этого, случаи взрывов или нанесения преднамеренного удара чрезвычайной силы характеризуются как нагрузки с очень низкой степенью вероятности, хотя именно они приводят к наиболее катастрофическим последствиям. К сожалению, за исключением специально спроектированных защитных систем, обычно в строительной практике конструкции не рассчитываются на противодействие общему разрушению, вызванному интенсивными сверхнормативными нагрузками, которые действуют непосредственно на ее большую часть.
Взрывные и осколочные нагрузки характеризуются быстрыми переходными
процессами и большими физическими значениями и могут вызвать ответную реакцию в конструкции, которая подверглась воздействию такого явления.
Нарастающее разрушение само по себе в строительной практике встречается довольно редко, поскольку для этого требуется наличие сверхнормативных нагрузок, которые инициируют возникновение локальных повреждений, и такой конструкции, в которой отсутствует необходимая целостность, пластичность и устойчивость для противодействия распространению разрушений. Эти сверхнормативные нагрузки могут возникать как вследствие ошибок и проблем на стадии строительства, так и выбросов энергии в любое время в течение периода эксплуатации конструкции, или же из-за преднамеренных действий террористов или других агрессоров.
В тоже время, необходимо отметить, что взрывная нагрузка существенно отличается от статической. И кроме изменения поведения на структурном уровне, динамические эффекты также сильно влияют
на реакцию на уровне материала конструкций. Высокая скорость такой нагрузки и влияние инерции материала вызывают локальное накопление высоких уровней предельного давления [2]. Тесное взаимодействие между нагрузками взрывного характера и типичными строительными нагрузками является одним из важных факторов, который начал учитываться в практической проектной деятельности лишь в последнее время. И поэтому во многих случаях сегодня нужно принимать во внимание все нагрузки, как бы редко они ни встречались или какими бы невероятными они ни были.
Над разработкой различных подходов, которые позволят охарактеризовать и исследовать реакции строительных конструкций, подвергшихся воздействию взрыва и/или осколков, трудятся такие авторы, как Корольченко А.Д., Ганополь-ский М.И., Барон В.Л., Андрюшкин А.Ю., Буцикин Е.Б., Кадочникова Е.Н., Shangfeng Zhang, Zhirong Wang, Qingqing Zuo, Juncheng Jiang, Changde Cheng, Henrikus Steen, Martin Hattwig.
Основные отличия взрывных и ударных воздействий от обычных нагрузок, которые учитываются при строительном проектировании описывают в своих публикациях Киселев А.Б., Логинов Д.П., Розен А.Е., Киреев С.Ю., Севостьянов Н.В.,
Ulrich Krause, Christophe Proust, Richard Siwek.
Особенности использования компьютерного моделирования для оценки реального влияния взрывной нагрузки на прочность конструктивных элементов металлических конструкций рассматривают Арабьян Л.К., Григорьев Е.А., Мензилова М.Г., Попов А.М., Мужичек С.М., Зайцев М.А., Ali Sari, Baris Sayin, Bing Xue, Honghao Ma, Zhaowu Shen, Lijie Ren, Moujin Lin.
Ударные взрывные волны в воздухе характеризуются экспоненциальным затуханием по мере удаления от центра взрыва. Кроме того, в условиях встречи с препятствием на своем пути ударные волны «отражают» амплитуды многократно по своему объему «атмосферного воздуха». Это отражение является функцией мощности воздушного удара, а также угла а наклона фронта ударной волны по отношению к сооружению. Когда конструкция подвергается воздействию ударной или взрывной волны, то она реагирует на это несколькими способами в зависимости от мощности взрыва (функции расстояния от центра взрыва, размера и расположения конструкции по отношению к центру взрыва), а также от времени воздействия волны [3]. Описанное выше представлено на рисунке 1, где изображена схема действия взрывной волны на здание (сооружение).
Рис. 1. Схема воздействия взрыва в воздухе на здание (сооружение): 1 - падающая ударная волна; 2 - отраженная ударная волна; 3 - путь тройной точки; 4 - фронт главной
ударной волны; Ф - центр взрыва
Основным критерием при оценке действия взрыва на конструкции является коэффициент расстояния до взрывчатого вещества (ВВ), который определяется по выражению:
7 =
где, Z - коэффициент расстояния до ВВ; R - расстояние от центра заряда ВВ; тВР -масса ВВ в тротиловом эквиваленте.
R
УтВР
Условно действие взрыва на строительные конструкции можно классифицировать в зависимости от значения Z (табл. 1).
Таблица 1 Условная классификация действия взрыва в зависимости от величины Z
Классификация Z, кг/м1/3
Дальнее поле >4 - -40
Среднее поле 0,4-4
Ближнее поле -0,053-0,4
Контактный взрыв -0,053
Учитывая значения таблицы 1, считаем, что целесообразно проводить оценку адекватности и точности метода численного решения с использованием значения коэффициента расстояния до ВВ, что позволит избежать привязки к фактической массе заряда ВВ и расстояния до него, то есть провести оценку с учетом законов подобия. Поскольку расчет конструктивных элементов на воздействие взрыва предполагает комплексный динамический и статический (а в ряде случаев и геометрический) нелинейный анализ, то даже «упрощенный» аналитический метод типа анализа на одну степень свободы представляет собой достаточно сложную задачу [4].
При численном моделировании в задачах такого класса зарекомендовала себя программа LS-DYNA, в рамках которой могут быть задействованы такие методы как: Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE); Particle Blast Method (РВМ); Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Метод ALE нуждается в значительных аппаратных ресурсах, при этом его ограничениями являются максимальные временные затраты на вычисление задачи и необходимость оперирования наибольшим количеством данных. Метод Particle Blast имеет преимущества бессеточных методов, достаточно вы-
сокую точность и требует небольшого количества времени на решение задачи и объема баз данных. Использование метода SPH дает возможность учитывать процессы отражения и наложения ударных волн, но это также требует значительных аппаратных ресурсов.
Для моделирования конструкций необходимо использовать модель, которая разработана на базе теории пластического течения и которая более полно учитывает поведение материала конструкций при статических и динамических нагрузках. Для описания нелинейного поведения модель использует концепцию изотропного эластичного повреждения. Влияние нагрузки от взрыва представляет собой сложный процесс. Как один из вариантов, это влияние можно определить для сферических падающих волн (атмосферный взрыв) с помощью эмпирических данных, полученных при использовании программы Conventional Weapons Effects Program (CONWEP).
Применение прямых динамических методов в сочетании с нелинейными моделями деформирования материалов позволяет более глубоко исследовать изменения в напряженно-деформированном состоянии конструкций от взрывного воздействия.
Библиографический список
1. Корольченко А.Д. Экспериментальное определение устойчивости сборных металлических конструкций к взрывным нагрузкам // Пожаровзрывобезопасность. - 2023. - Т. 32. № 3. - С. 9-16.
2. Дульнев А.И. Воздействие близкого подводного взрыва на элементы корпусных конструкций // Труды Крыловского государственного научного центра. - 2019. - № 1 (387). -С. 73-92.
3. Попов А.М., Мужичек С.М., Зайцев М.А. Деформация не защемленных желобооб-разных металлических пластин при их взрывном нагружении // Проблемы машиностроения и автоматизации. - 2020. - № 1. - С. 81-87.
4. Бунов А.А., Корнилова Н.В. Численный анализ огнезащиты стальных конструкций // Строительство: наука и образование. - 2022. - Т. 12. № 3. - С. 60-71.
THE IMPACT OF AN EXPLOSION ON BUILDING STRUCTURES IN NUMERICAL
SIMULATION
V.G. Sazykin1, Senior Lecturer
S.Yu. Belyaeva1, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor A.V. Pribytkov2, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor 1Voronezh State Technical University
2Military Educational and Scientific Center of the Air Force «Air Force Academy named after Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» (Russia, Voronezh)
Abstract. The article discusses various methods of modeling the impact of an explosion on building structures. It is noted that explosive loading differs significantly from static loading. And besides changing behavior at the structural level, dynamic effects also strongly influence the response at the material level. It is revealed that it is advisable to assess the adequacy and accuracy of the numerical solution method using the value of the explosion range coefficient, which will avoid being tied to the actual mass of the charge and the distance to it. It is concluded that the use of direct dynamic methods in combination with nonlinear models of deformation of materials allows for a more in-depth study of changes in the stress-strain state of structures under explosive loading.
Keywords: explosion, load, construction, dynamic effect, simulation.
