LS-DYNA. Воздействие взрыва на здания и сооружения

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

В работе средствами пакета LS-DYNA проведено численное моделирование воздействия взрыва конденсированного и газообразного взрывчатых веществ (ВВ) на городские здания и промышленное сооружение.

Цель моделирования - расчет давления в отраженной волне на строительные конструкции проектируемых зданий. Во второй части работы оценивалась также вероятность поражения проектируемого служебного здания осколками строительных конструкций, образовавшимися в результате разрушения здания компрессорной.

В первой части работы рассчитывалось воздействие наземного взрыва конденсированного ВВ на наземную и заглубленную части комплекса зданий.

Проблема является актуальной, поскольку расчет воздействия взрыва ВВ в условиях плотной городской застройки значительно осложняется взаимодействием образовавшейся воздушной ударной волны с соседними зданиями и сооружениями.

Рис. 1. Геометрическая модель.

В результате многократных переотражений импульс давления будет значительно отличатся от классического импульса давления как по форме, так и по времени воздействия, что делает аналитические методы расчета малопригодными.

В работе заряд гексогена массой 1т с начальной плотностью 1.6 г/см3 и скоростью детонации D=8км/с подрывался на поверхности грунта на расстоянии 50м от зданий, расположенных под прямым углом друг к другу. Между зданиями имеется проезд шириной 30м. Размер наземной части проектируемого здания (на рисунке 1 слева) составил 120х50х50 метров, размер подземной части - 120х30х6. На рис.1 показана геометрическая модель зданий и начальное положение заряда ВВ.

Геометрические и сеточные модели объектов моделирования построены в препроцессоре ANSYS/LS-DYNA. Размерность модели составила около 1200000 элементов.

Механическое поведение грунта описывалось упругопластической моделью с условием пластичности Мизеса-Шлейхера-Боткина. Параметры модели пластичности рассчитывались по известным коэффициенту сцепления и углу внутреннего трения. Давление в грунте рассчитывалось с помощью полиномиального уравнения состояния. Воздух описывался уравнением состояния идеального газа с начальным давлением 1 атм и температурой 15оС.

Продукты детонации (ПД) гексогена описывались термодинамическим уравнением состояния JWL и гидродинамической моделью материала без учета вязкости. Детонация ВВ считалась мгновенной. Течение воздуха, грунта и продуктов детонации моделировалось на Эйлеровой сетке методами многокомпонентной гидродинамики.

В результате детонации ВВ по воздуху и грунту от места взрыва в сторону зданий будет распространяться ударная волна.

На рисунке 2 показано поле давления в момент обтекания волной наземной и подземной частей проектируемого здания и отражение воздушной ударной волны от второго здания.

На рисунках 3 и 4 приведены расчетные зависимости от времени избыточного давления, действующего в отраженной волне на различные участки наземной и подземной части здания соответственно.

Рис.3 Избыточное давление в отраженной волне на четырех наземных участках здания	Рис.4 Избыточное давление в отраженной волне на трех подземных участках здания

Во второй части работы моделировался взрыв стехиометрической смеси воздуха и пропана в помещении компрессорного зала. На рис.5 показана геометрия модели.

Здание компрессорной состоит из компрессорного зала размером 150х18х14м и технического помещения размером 11х110х8м. Кирпичные стены компрессорной сложены из керамического кирпича марки М75 с толщиной кладки в два кирпича, покрытие - железобетонные плиты.

Размер оконных проёмов 4х6м и 4х3м на втором и первом этажах соответственно.

Оконные проёмы технического помещения не учитывались из-за относительно небольшого размера.

На расстоянии 60м от здания компрессорной расположено проектируемое служебное здание размером 13х33х9м.

Рис. 5. Геометрическая модель

Течение воздуха и продуктов детонации моделировалось на Эйлеровой сетке.

Размер расчетной области составил 300х400х100м. Стены и перекрытия компрессорной моделировались Лагранжевыми конечными элементами. Всего модель содержит около 2700000 элементов.
Моделировалось два режима детонации смеси: мгновенная и детонация со скоростью 1795м/с. Рассчитывался наиболее опасный случай, когда пропано-воздушная смесь заполняет весь объем компрессорного зала. В режиме распространения детонации инициирование происходило около дальнего относительно проектируемого служебного здания торца компрессорной.

В результате взрыва смеси происходит разрушение строительных конструкций компрессорной и срыв перекрытий. При расширении продуктов детонации в воздухе образуется волна давления, распространяющаяся в сторону служебного здания. Геометрическая форма фронта и форма профиля давления этой волны имеют нетривиальный вид рис.6 и 9, поскольку стены и перекрытия компрессорной оказывают существенное сопротивление свободному расширению продуктов детонации.

Рис. 6. Геометрическая форма фронта

На рис.7 показано поле концентрации продуктов взрыва, где видно, что в начальный момент времени истечение продуктов происходит в основном через оконные проемы.

Одним из результатов влияния строительных конструкций компрессорной на формирование волны давления является ослабление волны, распространяющейся в сторону проектируемого здания по отношению к волне, движущейся в противоположном направлении, что объясняется наличием технического помещения, которое в данном случае выполняет функцию защиты.

В результате снижение амплитуду давления составило 50%. Зависимости от времени давления, действующего на фасад проектируемого здания, приведены на рис.9 для двух режимов детонации. Красный цвет соответствует детонации смеси со скоростью 1795м/с, черный цвет - мгновенная детонация.

Рис. 7. Течение продуктов взрыва.

Дополнительным поражающим фактором при взрыве внутри помещения является разлет обломков стен и перекрытий.
На рис.8 показано состояние строительных конструкций в различные моменты времени. Из расчета следует, что есть вероятность поражения проектируемого здания крупным обломком стены массой 50т со скоростью 30м/с.
Таким образом, в результате моделирования взрыва пропано-воздушной смеси получена картина течения воздуха и продуктов детонации, рассчитано давление в отраженной волне, действующее на различные участки фасада и покрытия проектируемого здания, дана оценка размера и скорости обломка стены, который может причинить, возможно, большие разрушения, чем волна давления в воздухе.

Рис. 8. Разрушение здания компрессорной станции

Рис.9 Избыточное давление на фасад здания для двух режимов детонации