Моделирование взрывного воздействия на ключевые конструкции высотного здания

В. В. Агафонова

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.

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 (Е = 36·103 МПа, R_bd= 28,6 МПа); продольная арматура класса А500 (R_sd = 504,6 МПа, R_scd = 400 МПа), площадь сечения As = A’s = 5000 мм² (8Ø28); поперечная арматура класса А500 (250Ø16); продольные силы и изгибающие моменты в верхнем сечении от постоянных и длительных нагрузок N_v = 3000 кН, М_v = 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 многокомпонентной 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.

Рис. 1. Геометрическая (а) и сеточная модели (б) колонны и арматуры

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 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.

Библиографический список

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.

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.