Белов - Расчет железобетонных конструкций на взрывные и ударные нагрузки

Н.Н. Белов, Д.Г. Копаница, О.Г. Кумпяк, Н.Т. Югов

РАСЧЕТ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ВЗРЫВНЫЕ и УДАРНЫЕ НАГРУЗКИ

Нортхэмптон - Томск 2004

ВВЕДЕНИЕ

Строительство многих промышленных объектов в  настоящее время невозможно без учета их реакции на  динамические нагрузки. Исследование их прочности  экспериментальными методами без глубокого теоретического  анализа не дает необходимого результата, несмотря на  огромные материальные затраты. Основы динамического расчета железобетонных конструкций были разработаны А.А.  Гвоздевым. Предложенный им жесткопластический метод  нашел применение в практике расчета. Однако область  приложения полученных решений ограничивалась  конструкциями, допускающими достаточно большие пластические деформации. Теория динамики железобетонных  конструкций и совершенствование методов их расчета получили  развитие в трудах крупных российских ученых: Р.О, Бакирова, В.И. Жарницкого, А.В. Забегаева, В.А. Котляровского, В.И, Майорова, Г.И. Полова, Н.Н. Попова, Б.С.  Расторгуева, А.В. Саргеяна и др. Современные методы  динамического расчета железобетонных конструкций предполагают,  наряду с аналитическими решениями, использование  численных расчетов, что дает возможность провести расчет  конструкций весьма сложной формы и определить их  напряженно-деформированное состояние во всем диапазоне  прочностных свойств материалов.

Содержание и расположение материала в данной книге в основном соответствует современному представлению о  методах расчета прочности железобетонных конструкций при динамических нагрузках. В первой главе приведены  результаты экспериментальных исследований моделей  реакторного отделения АЭС на действие воздушной ударной волны (ВУВ) от внешнего взрыва. Рассмотрены случаи, когда на сооружение действует ВУВ от двух последовательно  проведенных взрывов. Исследовались модели, закрепленные на поверхности земли и заглубленные в песчаный" грунт. Во второй и третьей главах рассмотрены расчетные модели бетона, арматуры и железобетона с трещинами, позволяющие моделировать поведение железобетона в условиях  кратковременного динамического нагружения. В четвертой главе рассмотрены особенности динамического расчета  железобетонных конструкций методом конечного элемента. 

Приведены примеры расчета линейных и пространственных железобетонных конструкций на действие ВУВ. Поскольку книга должна не только фиксировать  современный уровень, достигнутый по ряду вопросов, но и  обрисовать перспективу его развития, авторы сочли возможным кратко освятить в порядке постановки и предварительного исследования проблемы, связанные с расчетом  конструкций из бетонных и железобетонных плит при  взаимодействии с модельными снарядами, в том числе содержащими взрывное вещество. В пятой главе излагается  математическая модель, позволяющая в рамках механики сплошной среды рассчитывать напряженное и деформированное  состояние и разрушение в твердых телах при динамических нагрузках. Разработанная на ее основе методика дает  возможность рассчитывать в полной трехмерной постановке ударное взаимодействие твердых деформируемых тел с  конструкциями, состоящими из слоев бетона, железобетона и песчаного грунта. Приведены результаты исследования  железобетонных стен обстройки реакторного отделения АЭС на действие от летящего предмета. В шестой главе  приводится модификация метода конечных элементов для  решения задач высокоскоростного удара деформируемых твердых тел и представлены некоторые примеры его использования. В частности, приведены анализ взаимодействия  сферического ударника с системой пространственно –разнесенных мишеней и расчет ударного взаимодействия частиц с экранированным взрывчатым веществом.

Авторы не претендуют на исчерпывающую полноту  изложения современных методов прочностных расчетов  железобетонных конструкций в условиях удара и взрыва, ограничившисъ лишь областью науки, в которой они наиболее заинтересованы. Мы заранее благодарим читателей за  критические пожелания и замечания в наш адрес.

ГЛАВА 1

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ВОЗДУШНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ

1.1. Общие сведения о нагрузке от воздушной ударной волны

Взрывные воздействия в общем случае нестационарны во времени и пространстве. Принимая во внимание  ориентацию взрыва, можно отметить три наиболее вероятных случая: воздушный взрыв, наземный взрыв и подземный взрыв.

Для воздушного взрыва характерна сфери'1еская ударная волна, которая достигает поверхности Земли и отражается от нее. На некотором расстоянии от эпицентра взрыва фронты падающей и отраженной волн накладываются. В результате чего образуется головная, распространяющаяся вдоль поверхности Земли, ударная волна с практически  вертикальным фронтом. Зону, в которой распространяется  головная волна, принято называть дальней зоной.

Характер воздушной ударной волны (ВУВ) при  наземном взрыве соответствует дальней зоне воздушного взрыва. Таким образом, как при воздушном, так и при наземном взрывах обычно рассматривают ВУВ, распространяющуюся от эпицентра с вертикальным фронтом. Характерная  картина волнообразования при наземном взрыве показана на рис. 1.1.

Воздушная ударная волна, распространяясь от  эпицентра взрыва, замедляется, давление на фронте с расстоянием снижается. Волна сжатия, возникающая при этом, в мягком (верхнем) слое грунта отражается от границы раздела,  формируясь в головную ударную волну.

Скорость эпицентральной сейсмовзрывной волны может значительно превысить скорость фронта ВУВ. Направление, характер развития и скорость продвижения сейсмовзрывных волн определяются грунтовыми условиями,  мощностью взрыва, а также местом его расположения. Упрощая схему, можно представить последствия взрыва в виде  последовательности двух групп ударных волн. Сначала на  сооружение действуют сейсмовзрывные ударные волны (СВУВ), включая возникающие на границах раздела поверхностные волны Релея и Лява. Затем — воздушная ударная волна.

Для сейсмовзрывной волны наиболее заметны первые три фазы колебания грунта. На рис. 1.2 показана велосиграмма, в соответствии с которой были проведены расчеты массовой скорости и продолжительности циклов колебаний грунта, сведенные в табл. 1.1. В работах, связанных с кинематическим анализом  сооружения (w, vv,w - смешение, скорость и ускорение  соответственно) при внешнем динамическом воздействии,  особое место уделено экспериментальным исследованиям.  Отметим, что ускоренная проверка несущей способности  конструкций зданий и сооружений на сейсмическое  воздействие может быть осуществлена с помощью взрывов. Этот метод считается эффективным и перспективным. Очевидно, что данные, полученные при испытаниях натуры на  действие взрывных волн, представляют значительный интерес. На рис. 1.3 показаны схема эксперимента и  виброграммы грунта, полученные при испытаниях сооружения на действие СВУВ |20|. Заряд располагался в линию на  расстоянии трех метров от объекта. Общий вес ВВ равен 33 кг.

Как видно из рис. 1.6, графики скоростей получены в виде кривых, включающих три определенных полуволны. Значительные массовые скорости  могут вызвать разрушения обычных строительных объектов. Сравнение времени прихода к объекту СВУВ и ВУВ  показывает, что задержка воздушной волны может быть  значительной. Эта задержка увеличивается с увеличением плотности грунта и зависит от расстояния до места взрыва.

Сложная задача оттенки несущей способности  сооружения при однократном и неоднократном динамическом воздействии (в частности от последовательного действия СВУВ и ВУВ) должна быть обеспечена некоторым набором  данных, отражающих качественные и количественные  характеристики процесса.