PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ÁP LỰC SÓNG NỔ BẰNG CÁC CÔNG THỨC NGHIỆM VỚI CÁC DỮ LIỆU THEO TIÊU CHUẨN UFC 3-340-02

Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TỐN ÁP LỰC SĨNG NỔ BẰNG CÁC CÔNG THỨC NGHIỆM VỚI CÁC DỮ LIỆU THEO TIÊU CHUẨN UFC 3-340-02 Trịnh Trung Tiến*, Vũ Đức Hiếu, Ngơ Ngọc Thủy, Vũ Đình Lợi Học viện KTQS Tóm tắt Trên sở nghiên cứu phương pháp tính tốn áp lực sóng nổ lượng nổ tập trung khơng khí, báo trình bày áp lực sóng nổ tính theo cơng thức thực nghiệm theo tiêu chuẩn Mỹ UFC 3-340-02 mơ đun tính tốn lập Matlab Kết cho thấy áp lực sóng tới theo tiêu chuẩn UFC 3-340-02 có sai lệch nhiều với cơng thức thực nghiệm vị trí gần điểm nổ khoảng cách quy đổi tương đương nhỏ (m/kg1/3) Bên cạnh đó, kết tính áp lực sóng phản xạ theo cơng thức giải tích Xadovski liệu UFC 3-340-02 có khác biệt đáng kể Từ khóa: Tải trọng nổ; siêu áp sóng xung kích; siêu áp sóng phản xạ; UFC 3-340-02 Giới thiệu Mục đích báo giới thiệu cơng thức thực nghiệm để tính tốn giá trị áp lực sóng nổ Trên sở phân tích, so sánh kết thu từ công thức thực nghiệm với liệu số UFC 3-340-02 [1], số nhận xét khuyến nghị phạm vi ứng dụng, mức độ xác ưu, nhược điểm công thức Tính tốn tải trọng nổ 2.1 Vụ nổ đặc tính vụ nổ Nổ q trình giải phóng lượng cực nhanh, mạnh bất ngờ khoảng thời gian ngắn Tùy theo chất tác nhân gây nổ, vụ nổ phân chia thành nổ vật lý, nổ hóa học nổ hạt nhân Đối với trình nổ vật lý, sóng nổ hình thành từ giãn nở đột ngột khí ga nén, phun trào núi lửa hòa trộn dẫn đến giãn nở đột ngột hai chất lỏng có nhiệt độ khác Với nổ hạt nhân, lượng cực mạnh giải phóng phản ứng tổng hợp nhiệt hạch phân rã hạt nhân Trong trường hợp nổ hóa học, phần lớn nguồn lượng gây vụ nổ đến từ q trình ơxi hóa cực nhanh chất cháy cách đột ngột [2] * Email: trungtienmta@gmail.com 32 https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v1.n01.390.sce Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Vật liệu nổ phân loại theo trạng thái vật lý thành chất nổ rắn, lỏng khí Để mơ q trình nổ cần phải mơ tả chất liệu gây nổ đặc tính q trình nổ tức thời hay chậm Các chất nổ mạnh, phần lớn thể rắn, sau bị kích nổ tạo sóng nổ lan truyền với tốc độ cao siêu áp sóng xung kích lớn Tùy theo độ nhạy, chất nổ mạnh chia thành chất nổ mồi chất nổ thứ cấp Tại thời điểm kích nổ, khí ga siêu áp cực cao lên tới 30000 MPa có nhiệt độ khoảng 3000-4000oC tạo Chất khí nóng áp lực cực lớn nhanh chóng giãn nở, nén ép vùng thể tích vật chất xung quanh Với vụ nổ khơng khí, lớp khơng khí nén (sóng nổ) tạo thành mặt biên lớp khí nóng chứa đựng phần lớn lượng vụ nổ Áp suất mặt sóng xung kích tăng vọt gần tức thời so với áp suất khí xung quanh Sau thời gian ngắn, áp suất phía sau mặt sóng xung kích nhanh chóng rơi xuống áp suất thấp áp suất khí Trong pha giãn, vùng áp suất âm cục tạo thành hút khơng khí xung quanh vào tâm nổ 2.2 Tham số sóng nổ lan truyền khơng khí mặt đất Sự lan truyền sóng nổ từ tâm nổ hàm áp lực theo thời gian Tùy theo tính chất vụ nổ, hình dáng, kích thước, loại khối lượng chất nổ, vị trí tâm nổ so với mặt đất mà đường cong áp lực giá trị cực đại siêu áp khác Hình Quy luật biến thiên áp lực sóng xung kích [2] Sóng xung kích điểm từ vụ nổ khơng khí hàm áp suất theo thời gian hình Tại thời điểm tA, theo vụ nổ, áp suất vị trí xác định tăng đột ngột tới giá trị siêu áp cực đại, Pso, so với áp suất môi trường khí xung quanh, Po Áp suất sau suy giảm dần giá trị môi trường xung quanh thời 33 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University điểm td, sau tiếp tục suy giảm áp suất khí (pha giãn) trước trở lại áp suất khí thời điểm td + td- Áp lực siêu áp sóng tới Pso nhân lên nhiều lần hệ số áp lực sóng phản xạ Cr sóng xung kích gặp vật cản đường Sóng tới sau tác động vào bề mặt tạo thành sóng phản xạ giao thoa với sóng tới tạo thành sóng bề mặt Pr bề mặt vật cản Hệ số áp lực sóng phản xạ Cr tỉ số siêu áp sóng phản xạ siêu áp sóng tới, có giá trị lớn tia tới sóng tới vng góc với bề mặt vật cản giảm dần theo góc nghiêng tia tới Tuy nhiên, hệ số Cr không phụ thuộc vào hướng góc tới sóng tới với góc pháp tuyến bề mặt vật cản mà phụ thuộc vào giá trị áp lực sóng tới Việc nghiên cứu tính chất sóng nổ ước lượng giá trị áp lực sóng tới, sóng phản xạ điều mà nhiều nhà khoa học quan tâm Các nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết rằng, tham số sóng nổ phụ thuộc phần lớn vào lượng nổ giải phóng dạng sóng nổ khoảng cách tới tâm nổ Gọi Z khoảng cách quy đổi tương đương, xác định bởi: Z R W (1) đó: Z - khoảng cách quy đổi tương đương (m/kg1/3); R - khoảng cách đến tâm nổ (m); W - trọng lượng thuốc nổ quy đổi TNT (kg) Qua nghiên cứu thực nghiệm lý thuyết, Hopkinson-Cranz đưa định luật tỉ lệ bậc ba (Định luật tỉ lệ Hopkinson-Cranz) Theo định luật, tất vụ nổ có giá trị khoảng cách quy đổi tương đương có tham số đặc trưng vụ nổ Hay nói cách khác, tham số sóng tới bao gồm: siêu áp sóng xung kích, thời gian pha giãn, quy luật đường cong áp lực hàm đơn trị phụ thuộc vào Z Trong phương pháp mình, Brode (1955) nghiên cứu lý thuyết để xác định cơng thức tính tốn áp lực sóng xung kích [3] Theo Brode, siêu áp vụ nổ hình cầu khơng khí hàm số phụ thuộc vào khoảng cách quy đổi tương đương Z:   6,7  10  Z  1 ; Pso  MPa    Pso     0,975  1, 455  5,85 - 0,019  ; 0,01  P  MPa  so 10  Z Z2 Z3  (2) đó: Pso - giá trị cực đại sóng tới (siêu áp sóng tới) (MPa); Z - khoảng cách quy đổi tương đương 34 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Một phương pháp khác sử dụng phương pháp số thực nghiệm Henrych Major (1979) nghiên cứu Công thức họ xác so với cơng thức Brode thể phương trình đây:   14,072 5,540 0,357 0,00625  10  Z + Z  Z  Z  ;0,05  Z  0,3      6,194 0,326 2,132  Pso =    +  ;0,3  Z  Z2 Z3  10  Z   0,662 4,05 3,288   +    ;  Z  10 Z Z3  10  Z (3) Newmark Hansen (1961) đề xuất công thức đơn giản xác dùng để xác định giá trị siêu áp cực đại vụ nổ bán cầu mặt đất: W  W 2 Pso  6784  93   ( bar) R R  (4) đó: R - khoảng cách tới tâm nổ (m); W - đương lượng nổ tương đương với TNT (tấn) Một công thức khác xác định siêu áp sóng xung kích vụ nổ khơng Mills (1987) giới thiệu: Pso = 1772 114 108   (kPa) Z3 Z Z (5) Gần nhất, công thức thực nghiệm khác Kingery Bulmash (1984) phát triển Cơng trình nghiên cứu ơng thành công việc xác định giá trị siêu áp cực đại tham số quan trọng khác vụ nổ hình cầu khơng khí bán cầu mặt đất Công thức xác định khoảng cách quy đổi tương đương Z khoảng từ 0,067 tới 40 (m/kg1/3) Công thức xác định giá trị áp lực cực đại sóng tới: Pso =10Y Y  1,94225  1,69589 K  0,15415 K  0,51406 K   0,09885 K  0,29391K  0,02681K  0,10909 K  10  0,00162 K  0,02146 K  0,00014 K  0,00167 K (6) 11 K  0,75645  1,35034T T  log  Z  Tại Việt Nam, tài liệu giáo trình tài liệu hướng dẫn tính tốn thiết kế cơng trình chịu tác dụng tải trọng nổ, sổ tay công binh, tính tốn tải trọng sóng nổ chủ yếu áp dụng kết nghiêm cứu M.A Xadovski [4] Theo Xadovski trị 35 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University số siêu áp mặt sóng xung kích nổ mơi trường khơng khí vơ hạn tính theo cơng thức sau: Pso  0,84 2,7   (bar) Z Z Z (7) Đối với nổ mặt đất, Xadovski giả thiết nổ cầu, toàn lượng tập trung vào nửa bán cầu trên, từ siêu áp sóng xung kích tăng gấp đơi tính theo cơng thức: Pso  1,06 4,3 14   (bar) Z Z Z (8) Ngoài ra, thực nghiệm, Xadovski đưa cơng thức tính thời gian tác dụng pha nén  d  1,8.103 W Z   3  d  1,5.10 W R  Z  10  3  d  2,2.10 W R Z  10 (9) Trong trường hợp có tính tới tượng phản xạ sóng tới gặp bề mặt chắn áp lực bề mặt phản xạ đột ngột tăng lên Bên cạnh thành phần áp suất sóng tới cịn xuất áp suất dịng môi trường chuyển động bị dừng lại đột ngột gây Khi sóng xung kích lan truyền mà phương hợp với pháp tuyến tường chắn góc, trị số siêu áp sóng phản xạ tính theo cơng thức:  Pso  Pr  Pso   Pso   cos  P  7,2 so   (10) đó: Pr - siêu áp sóng phản xạ (bar); Pso - siêu áp sóng tới (bar);  - góc tới, góc hợp sóng tới phương tiếp tuyến với bề mặt phản xạ Tóm lại, phương pháp nghiên cứu công thức thực nghiệm nhiều tác giả nghiên cứu xây dựng dựa trình xử lý kết thực nghiệm xây dựng hàm hồi quy Các nghiên cứu chấp nhận định luật Hopkinson-Cranz quy luật tham số sóng tới Ở Việt Nam, lĩnh vực quân sự, tài liệu sử dụng chấp thuận rộng rãi công thức thực nghiệm M.A Xadovski Hầu hết cơng trình nghiên cứu tính tốn cơng trình chịu tác dụng tải trọng sóng nổ gây thừa nhận bắt đầu công thức thực nghiệm Bên cạnh tiện lợi, đơn giản có độ tin cậy, cơng thức thực nghiệm tồn bất cập độ xác kết tính tốn nổ cự ly gần 36 Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Ngồi ra, khơng có khơng thể mơ tả công thức thực nghiệm với trường hợp tương tác sóng nổ với cơng trình, lan truyền sóng nổ cơng trình phản xạ, giao thoa liên tiếp sóng nổ Việc xây dựng tập hợp liệu số công thức bán thực nghiệm cho kết xác cụ thể Tiêu chuẩn UFC 3-340-02 Mỹ đời để đáp ứng u cầu tính kháng nổ cho cơng trình chịu tải trọng nổ ngẫu nhiên 2.3 Tính tham số sóng nổ khơng khí mặt đất theo tiêu chuẩn UFC 3-340-02 Phương pháp nghiên cứu cổ điển phương trình hóa tải trọng sóng nổ dựa kết thực nghiệm đo Ưu điểm lớn phương pháp đơn giản, hiệu q trình phức tạp mơ tả thơng qua hàm giải tích Nhược điểm phương pháp độ xác thấp Thơng thường, cơng thức bị giới hạn phạm vi ứng dụng, độ sai lệch không miền áp dụng Mặt khác, chất tải trọng sóng nổ phụ thuộc nhiều tham số đương lượng nổ, hình dạng lượng nổ, mơi trường lan truyền sóng nổ, tương tác sóng nổ với cơng trình Mơ tả sóng lan truyền cơng trình, tương tác với cơng trình bên ngồi bên giải tích khó khả thi Để giải toán trên, phương pháp nghiên cứu đại xây dựng tập sở liệu tham chiếu cho trường hợp Mục đích phương pháp xây dựng tập liệu số (database) sau xử lý thống kê để tra cứu tính tốn Ưu điểm phương pháp độ xác cao, chi phí thời gian cho thực nghiệm xây dựng liệu lớn Để thống liệu phương pháp tính tốn cơng trình kháng nổ, tiêu chuẩn hợp UFC 3-340-02 Mỹ đời Tiêu chuẩn ban hành năm 2008 phát triển kế thừa tiêu chuẩn quân ARMY TM5-1300, nhằm cung cấp phương pháp tính liệu số phục vụ tính tốn cơng trình kháng nổ Trên tảng liệu trên, quân đội Mỹ phát triển CONWEP - chương trình tự động tính áp lực sóng nổ theo UFC 3-340-02 Mặc dù phương pháp mô số sử dụng thuật toán động lực chất lỏng (Computational Fluid Dynamics - CFD) phát triển mạnh, kết tính tốn CONWEP tin cậy Trong số trường hợp, số tác giả sử dụng liệu từ UFC 3-340-2 để gán tải trọng nổ thay dùng CFD để tính tốn Dựa liệu cơng bố thức, tác giả phát triển mơ đun tính tốn tải trọng nổ theo UFC 3-340-02 tảng Matlab Mô đun tích hợp liệu số từ UFC 3-340-2, chuyển đổi từ công thức giá trị từ đơn vị đo lường Mỹ sang đơn vị SI cho phép truy cập liệu nội suy kết theo dạng toán 37 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University So sánh kết tính tốn tải trọng nổ cơng thức thực nghiệm giá trị thực nghiệm Trong mục này, kết tính tốn so sánh giá trị áp lực cực đại sóng tới, sóng phản xạ lượng nổ đặt khơng khí mặt đất thực theo công thức thực nghiệm liệu UFC 3-340-02 3.1 So sánh kết tính siêu áp sóng tới nổ khơng Sử dụng công thức thực nghiệm đưa mục 2.2 với liệu từ UFC 3-340-02, giá trị cực đại sóng tới tính tốn trường hợp Z từ 0,05 đến 10 Kết thể hình đây: (a) (b) Hình So sánh kết tính tốn giá trị siêu áp sóng tới vụ nổ khơng 38 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Trong hình 2a thể giá trị siêu áp sóng tới miền Z từ 0,05 đến 10 hình 2b mơ tả cụ thể giá trị siêu áp Z từ 0,05 đến Kết so sánh giá trị siêu áp sóng tới nổ khơng khí theo cơng thức thực nghiệm với kết UFC 3-340-02 thể hình Hình Sai số tỉ đối phương trình thực nghiệm so với UFC 3-340-02 Nhận xét: Nhìn chung, cơng thức thực nghiệm tính tốn siêu áp sóng tới có kết phù hợp với liệu UFC 3-340-02 Để thiên an tồn, ngồi cơng thức Brode, cơng thức thực nghiệm cho kết tính cao giá trị thực nghiệm Trong công thức trên, công thức thực nghiệm M.A Xadovski có kết tốt nhất, với mức chênh lệch từ 4-6% so với UFC 3-340-02, Z nhận giá trị từ 1-10 (m/kg1/3) Tuy nhiên, tất công thức thực nghiệm cho kết sai lệch lớn tính áp lực gần tâm nổ (khi Z < 1) Điều giải thích tính chất phức tạp vụ nổ gần tâm biến thiên lớn áp lực sóng nổ cự ly gần Để xác tính toán, khuyến nghị sử dụng kết giá trị áp lực xung thay áp lực sóng tính nổ cự ly gần sử dụng giá trị áp lực UFC 3-340-02 để tính tốn 3.2 So sánh kết tính siêu áp sóng tới nổ mặt đất Kết tính tốn cơng thức thực nghiệm Xadovski theo UFC 3-340-02 thể hình Khi khoảng cách quy đổi tương đương Z < 1, áp lực sóng tới tính theo Xadovski lớn từ 50% đến 350% so với kết UFC 3-340-02 Trong phạm vi Z từ đến 2, sai lệch giảm xuống cịn khoảng 20-50% Độ xác tăng lên Z từ 2-10 với mức sai lệch từ 10 đến 20% Kết áp lực sóng tới tính theo Xadovski ln lớn so với kết thực nghiệm UFC 3-340-02 Nguyên nhân giả thuyết 39 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University chấp nhận toàn lượng sóng bị phản xạ bề mặt tuyệt đối cứng bỏ qua tiêu hao phần lượng nổ sản phẩm nổ tương tác với bề mặt đất Trong trường hợp này, để tăng độ xác, khuyến nghị dùng kết UFC 3-340-02, sử dụng kết tính theo Xadovski thiên an tồn Hình So sánh kết tính tốn giá trị siêu áp sóng tới vụ nổ mặt đất 3.3 So sánh kết tính tốn hệ số áp lực sóng phản xạ Cr Giá trị hệ số áp lực sóng phản xạ phụ thuộc vào giá trị áp lực sóng tới góc tới sóng tới so với phương vng góc bề mặt phản xạ Giá trị kết so sánh phương pháp đồ thị hình Hình Hệ số phản xạ Cr tính theo Xadovski UFC 3-340-02 40 Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 01/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 195 (12-2018) - Học viện KTQS Với góc tới nhỏ ( 45o - 55o), hệ số phản xạ tính theo Xadovski nhỏ so với UFC 3-340-02 Độ chênh lệch tăng lên giá trị siêu áp sóng tới tăng lên Ngược lại, với góc tới lớn, siêu áp phản xạ tính theo Xadovski có xu hướng tăng nhanh góc tới giảm có giá trị cao so với UFC 3-340-02 Mặt cong mô tả hệ số phản xạ theo Xadovski mặt cong trơn, tăng dần UFC 3-340-02 có xuất đỉnh cực trị dương xung quanh góc tới từ 45o - 55o, phụ thuộc vào áp lực sóng tới Nhìn chung, có chênh lệch rõ rệt kết tính tốn Cr phương pháp Hệ số phản xạ lớn tính theo Xadovski 7,87 theo UFC 3-340-02 lên tới 12,25 Sự chênh lệch kết thể biểu đồ hình Hình So sánh hệ số phản xạ Cr tính theo Xadovski UFC 3-340-02 Kết luận Các cơng thức thực nghiệm tính áp lực sóng xung kích nổ khơng xác áp dụng tốt tính tốn khoảng cách quy đổi tương đương nằm giá trị từ 1-10 (m/kg1/3) Trong trường hợp khác, khuyến nghị sử dụng kết thực nghiệm tính tốn giá trị áp lực xung đưa tiêu chuẩn UFC 3-340-02 Trong cơng thức thực nghiệm, cơng thức M.A Xadovski có giá trị tốt so với kết thực nghiệm UFC 3-340-02 miền giá trị Z từ 1-10 với sai số khoảng 5% Điều khẳng định lại tính xác ưu điểm cơng thức Tuy nhiên, áp dụng công thức giả thiết M.A Xadovski tính tốn áp lực sóng xung kích lượng nổ mặt đất, kết có xu hướng thiên an toàn 41 Section on Special Construction Engineering - N.01/Journal of Science and Technique - N.195 (12-2018) - Le Quy Don Technical University Cuối cùng, có chênh lệch đáng kể kết tính tốn giá trị siêu áp phản xạ hệ số phản xạ M.A Xadovski UFC 3-340-02 Công thức M.A Xadovski khơng giải thích tượng “bướu” (xuất điểm cực trị dương xung quanh góc tới 45o) giao thoa sóng tới sóng phản xạ Tác giả khuyến nghị sử dụng kết UFC 3-340-02 trường hợp tính tốn giá trị áp lực phản xạ thay cơng thức M.A Xadovski dùng Tài liệu tham khảo UFC 3-340-02: Structures to resist the effects of accidental explosions, 2008 A G T Ngo, P Mendis and J Ramsay (2007) Blast Loading and Blast Effects on Structures – An Overview 76–91 H L Brode (1955) Numerical Solutions of Spherical Blast Waves J Appl Phys., 26(6), p 766 Donald O Dusenberry (2010) Handbook for Blast Resistant Design of Buildings Οpленко Л П (2004) Физика взрывa M.:ФИЗМАТЛИТ BLAST LOAD ANALYSIS USING EMPIRICAL FORMULAS AND THE DATA OF UFC 3-340-02 STANDARD Abstract: Based on the research of air-burst blast load calculation method, the article presents blast load from air and surface burst explosion by using numerous experimental formulas and experimental database This programe has been developed in the Matlab enviroment The comparing results show that, there is deviation between the blast pressures using UFC 3-340-02 standard and others, especially distance equivalent is less than (m/kg1/3) Besides, there are noticeable difference between Xadovski’s experimental blast-calculating formulas with UFC 3-340-02 in case of calculating reflected pressures Keywords: Blast loads; peak incident pressures; peak reflected pressures; UFC 3-340-02 Ngày nhận bài: 11/9/2018; Ngày nhận sửa lần cuối: 13/10/2018; Ngày duyệt đăng: 18/01/2019  42