Tính công trình phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình

Tính công trình phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình

1 Bộ giáo dục v đo tạo Bộ Quốc phòng Học viện Kỹ thuật Quân sự _________________ Nguyễn đức duyến tính công trình phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình Chuyên ngành: Xây dựng công trình đặc biệt Mã số: 62. 58. 50. 05 Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật H Nội - 2009 2 Công trình đợc hoàn thành tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự Ngời hớng dẫn khoa học: 1. Hớng dẫn thứ nhất: PGS. TS vũ đình lợi 2. Hớng dẫn thứ hai: GS. TSKH Nguyễn văn hợi Phản biện 1: GS. TS. Phạm ngọc Khánh Trờng Đại học Thuỷ lợi Hà Nội Phản biện 2: PGS. TSKH. Đỗ Sơn Viện Cơ học Việt Nam Phản biện 3: GS. TS. Trần Chủng Cục Giám định Nhà nớc các công trình xây dựng Luận án đợc bảo vệ trớc Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Nhà nớc họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2009 Có thể tìm hiểu luận án tại: Th viện Quốc gia Th viện Học viện Kỹ thuật Quân sự 1 mở đầu 1. Tính cấp thiết của luận án Trong chiến lợc phòng thủ của mỗi quốc gia, việc xây dựng hệ thống công trình phòng thủ quân sự và dân sự bảo đảm chiến đấu, phòng tránh, trú ẩn, cơ động, cất giấu trang bị, khi chiến tranh xẩy ra luôn đợc đặt hàng đầu. Việt Nam, một đất nớc đang trên đà phát triển, có tốc độ đô thị hóa ngày một nhanh. Để nâng cao khả năng phòng thủ đất nớc, chủ động chuẩn bị lãnh thổ cho chiến tranh ngay từ thời bình, thì xây dựng các công trình trong Phòng thủ dân sự (PTDS) có tính chất lỡng dụng nh các tầng hầm dới nhà cao tầng vừa phục vụ cho nhu cầu kinh tế dân sinh, vừa phục vụ cho mục đích an ninh quốc phòng là cần thiết và có ý nghĩa lớn. Do tính chất lỡng dụng của các công trình PTDS nên khi tính toán thiết kế chúng, ngoài các tải trọng thông thờng phải quan tâm đến một loại tải trọng đặc biệt: tải trọng nổ do bom đạn gây ra. Do loại tải trọng nổ có cờng độ thờng là rất lớn, nếu toàn bộ công trình (cả phần nổi và phần ngầm) đều đợc thiết kế để chịu đợc tải trọng này thì sẽ không kinh tế. Để giảm giá thành xây dựng, các công trình PTDS đợc thiết kế theo quan điểm bảo vệ hợp lý theo đó phần nổi kết cấu chỉ cần thiết kế chịu đợc các tải trọng thông thờng thời bình, còn khi chịu tác dụng của sóng nổ (thời chiến) phần nổi này có thể bị phá hoại. Trong trờng hợp đó chỉ cần phần kết cấu tầng hầm còn lại không bị phá hoại (sập đổ). Với quan điểm đó cho phép kết cấu phần ngầm làm việc ngoài giai đoạn đàn hồi (biến dạng dẻo) khi chịu tải. Từ ý nghĩa khoa học, thực tiễn và cách đặt vấn đề nói trên đề tài nghiên cứu của luận án đợc chọn theo hớng: Tính công trình Phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình. 2. Mục đích Nghiên cứu phơng pháp tính toán công trình PTDS chịu tác dụng của tải trọng nổ có kể đến cấp độ bảo vệ hợp lý của công trình và ảnh hởng của các tham số tải trọng, vật liệu kết cấu đến trạng thái nội lực và chuyển vị của hệ. Trên cơ sở đó, đa ra các kiến nghị khi tính toán và thiết kế loại công trình trên. 3. Phạm vi và ph ơng pháp nghiên cứu - Tải trọng: tải trọng do nổ trên mặt đất hoặc trong không khí. - Đối tợng tính toán của kết cấu là phần ngầm của công trình nh là một bộ phận độc lập đối với phần nổi (tơng ứng với trờng hợp phần nổi của công trình đã bị phá hoại). Kết cấu của phần nổi chỉ liên quan đến tính toán tải trọng sóng nổ trên mặt đất và đợc khảo sát trong trạng thái không còn nguyên vẹn. - Kết cấu: hệ kết cấu ngầm - nền làm việc theo sơ đồ phẳng và có xét đến tính dẻo của vật liệu kết cấu. - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp thí nghiệm trên kết cấu ngoài hiện trờng để kiểm tra kết quả nghiên cứu lý thuyết. Để tính toán kết cấu sử dụng phơng pháp phần tử hữu hạn (pp PTHH). 4. ý nghĩa khoa học và thực tiễn Luận án đã góp phần hoàn thiện phơng pháp tính toán thiết kế các công trình PTDS bao gồm: - Phơng pháp xác định tải trọng sóng nổ lên nóc tầng hầm có kể đến sự giảm tải trọng và tiêu hao năng lợng do sự phá hoại của kết cấu phần nổi. - Tính toán công trình chịu tác dụng sóng nổ có xét đến tơng tác với nền và ứng xử dẻo của vật liệu kết cấu. Kết quả của luận án là cơ sở cho tính toán thiết kế công trình và có thể làm tài liệu tham khảo cho việc xây dựng tiêu chuẩn thiết kế xây dựng công trình PTDS. 5. Bố cục của luận án Luận án bao gồm 115 trang thuyết minh trong đó có: Phần mở đầu, kết luận và 4 chơng, cùng với 21 bảng, 49 sơ đồ, hình vẽ và ảnh, ngoài ra còn có 57 tài liệu tham khảo 2 và phần phụ lục kèm theo. Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận án đợc trình bày trong 4 chơng: - Chơng 1: Tổng quan - Chơng 2: Xác định tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình PTDS - Chơng 3: Thiết lập các phơng trình, thuật toán để tính toán công trình PTDS chịu tác dụng tải trọng sóng nổ - Chơng 4: Nghiên cứu bằng số về ảnh hởng của các tham số tính toán đến trạng thái chuyển vị - nội lực của công trình Phòng thủ dân sự Chơng 1 Tổng quan 1.1 Quan điểm về cấp bảo vệ công trình Phòng thủ dân sự Quan điểm cấp bảo vệ toàn thể công trình. Quan điểm cấp bảo vệ hợp lý của công trình (cấp bảo vệ công trình riêng biệt). 1.2 Tải trọng nổ tác dụng lên công trình PTDS do vũ khí CNC gây ra Sự phát triển của vũ khí công nghệ cao (CNC). Tải trọng và tác động của các nhân tố sát thơng đối với công trình 1.3 Các phơng pháp tính toán kết cấu công trình Phòng thủ dân sự chịu tác dụng của sóng nổ Các phơng pháp giải tích Các phơng pháp số 1.4 Kết luận chơng 1 Từ các vấn đề đã tổng quan ở trên có thể rút ra một số kết luận: Theo quan điểm cấp bảo vệ hợp lý (BVHL) công trình (bảo vệ công trình riêng biệt) phản ánh đợc khả năng làm việc thực tế của công trình, đồng thời phù hợp với thực tiễn và điều kiện xây dựng công trình PTDS ở nớc ta hiện nay. Theo đó, tải trọng nổ tác dụng lên công trình PTDS có xét tới sự phá hoại kết cấu nổi phía trên dẫn đến giảm tải trọng. Kết cấu phần ngầm của nhà cho phép đợc thiết kế để chịu tải trọng nổ lớn nhất một lần mà không bị sập đổ, do đó cần tính đến biến dạng dẻo của vật liệu kết cấu. Đây là những vấn đề cần nghiên cứu và nếu giải quyết đợc sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nghiên cứu về tải trọng nổ do vũ khí CNC gây ra, mục tiêu chính trong chiến lợc và cách đánh hiện nay của địch cho thấy: tác dụng sát th ơng chủ yếu của các loại vũ khí đối với công trình PTDS là tác dụng nổ. Do vậy, trong thiết kế công trình PTDS cần tính toán đánh giá khả năng của kết cấu chịu tác động của sóng nổ. Nghiên cứu về sóng nổ và xác định tải trọng tác dụng lên công trình là những bài toán hết sức phức tạp. Các đề tài có liên quan từ trớc đến nay khi tính toán tải trọng nổ tác dụng lên công trình chủ yếu theo quan điểm kết cấu còn nguyên vẹn hoặc đặt trực tiếp tải trọng nổ lên công trình. Việc nghiên cứu tính toán các tham số sóng nổ khi lọt vào trong nhà (kết cấu bao che có lỗ cửa hoặc đã bị phá hoại từng phần) còn ít đợc đề cập đến. Tính toán động lực học kết cấu công trình PTDS theo quan điểm bảo vệ hợp lý, theo đó kết cấu chỉ cần chịu lực một lần mà không bị sập đổ, do đó có thể kể đến tính dẻo của vật liệu còn ít đợc nghiên cứu. Trong các mô hình tính kết cấu công trình PTDS, mô hình có kể đến sự tơng tác giữa các bộ phận của kết cấu (kể cả tơng tác kết cấu-nền), khi chịu tải trọng nổ ngoài phản lực sóng của nền thì phản lực của môi trờng lên kết cấu đợc thay bằng phản lực nền inkler cha đợc quan tâm thích đáng. Do tính phức tạp của mô hình tính và cách đặt bài toán nh trên thì phơng pháp tính có hiệu quả nhất là phơng pp PTHH. Từ các kết luận trên tác giả đã chọn đợc đề tài với mục đích, nội dung, phạm vi và phơng pháp nghiên cứu nh đã trình bày trong phần mở đầu của luận án. Chơng 2 3 Xác định Tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình Phòng Thủ Dân Sự Khi có vụ nổ trên mặt đất sẽ gây ra sóng xung kích (SXK) lan truyền trong không khí, một phần áp lực sóng nổ tác dụng trực tiếp lên phần nổi của công trình, một phần áp lực sóng nổ truyền trực tiếp lên mặt đất gây nên sóng nén trong đất. Phần áp lực SXK tơng tác với phần nổi của các tòa nhà trên mặt đất sẽ gây phá hoại nhà và tác dụng lên nóc công trình PTDS làm cho công trình chuyển động. Phần áp lực sóng nén truyền trong đất khi gặp kết cấu tờng của công trình sẽ xuất hiện hiện tợng phản xạ và gây nên tải trọng tác dụng lên tờng của công trình PTDS. SXK tơng tác với kết cấu nhà, áp lực sóng có thể lọt qua các lỗ cửa hoặc phá hoại kết cấu tờng bao che của nhà. Quá trình đó đã làm giảm năng lợng và thay đổi biểu đồ áp lực sóng tác dụng lên nóc công trình so với năng lợng và biểu đồ áp lực sóng ban đầu. Hiệu ứng giảm tải trọng do nổ khi xét tới phá hoại kết cấu nổi từ trớc đến nay ở nớc ta (kể cả trong tính toán công trình quân sự và công trình PTDS) cha đợc nghiên cứu. Vì vậy, trong chơng này sẽ phân tích các dạng tải trọng do sóng nổ gây ra và hoàn thiện về phơng pháp và công thức xác định tải trọng sóng nổ tác dụng lên công trình PTDS có xét tới sự phá hoại kết cấu nổi phía trên. 2.1 Các dạng tải trọng do sóng nổ và công thức tính toán. Trong mục này đề cập đến các dạng tải trọng - công thức tính toán tham số sóng do bom đạn và hỗn hợp khí khi nổ; sóng nén do SXK lan truyền trên mặt đất gây ra. 2.2 Tính các tham số và tải trọng sóng nổ tác dụng lên tầng hầm nhà cao tầng có xét tới sự phá hoại của kết cấu bao che 2.2.1 Đặt bài toán và các giả thiết tính toán Khảo sát nhà có tầng hầm chịu tác dụng tải trọng sóng của bom đạn nổ trên mặt đất, hình 2.5. Cần tính các tham số của sóng nổ tơng tác với kết cấu nhà (phần nổi) khi kết cấu này bị phá hoại, xác định tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu tầng hầm. P O Y X z P max n max max 1 2 . P max =A d U d Hình 2.5 Mô hình xuất phát và mô hình tính của bài toán Các giả thiết: 1. Sóng nổ tuân theo quy luật của sóng xung kích truyền lan trên mặt đất, sóng nén trong đất và chỉ xét trong mặt phẳng xoy. 2. Thừa nhận tải trọng tác dụng trực tiếp lên nóc tầng hầm là tải trọng sóng lọt vào nhà khi nhà đã bị phá hoại. Quá trình tơng tác sóng nổ - kết cấu nhà và phá hoại nhà không gây ra nội lực - ứng suất đối với tầng hầm. 3. Khi tính toán các hệ số tác dụng tơng hỗ giữa đáy tầng hầm và nền đất, tầng hầm đợc coi nh vật thể cứng tuyệt đối, sự dịch chuyển của tầng hầm chủ yếu do chuyển động của tầng hầm theo phơng thẳng đứng, bỏ qua lực ma sát giữa tờng của tầng hầm với nền đất. 4. Nền đất đàn hồi tuyến tính (ĐHTT) có kể đến tính nén động của đất đợc thể hiện qua độ cứng âm học của nền đất (phản lực sóng của nền khi tơng tác với kết cấu). 2.2.2 Thiết lập các phơng trình tính tham số sóng nổ khi tờng bao che của nhà bên trên bị phá hoại Tơng tác giữa sóng xung kích với kết cấu nhà. 4 Khi vụ nổ xẩy ra sẽ hình thành SXK, quá trình tơng tác SXK với công trình trên mặt đất thể hiện trên hình 2.6. Hiện tợng phản xạ và chảy bao với các tham số xác định nh sau: áp lực lên tờng trớc: 2,7P P.6 P2P 2 px + += , (2.21) áp lực chảy bao: pxcb P5,0P , (2.22) áp lực lên tờng bên và nóc bằng áp lực sóng tới P . Thời gian xác lập chế độ chảy bao đợc xác định nh sau: = D/*H3t cb , (2.23) trong đó: )2/b;Hmin(H * = , b ; H - tơng ứng là chiều rộng và chiều cao công trình, L - chiều dài công trình, D - tốc độ lan truyền sóng xung kích. P P P P P P P P CB P P P P P P P PX P PX P CB P CB P CB P CB P CB a) c) b) P a. Bắt đầu tơng tác; b. SXK chảy bao công trình; c. Công trình bị dìm trong SXK. Hình 2.6. Tơng tác sóng xung kích với chớng ngại Khi tờng nhà nổi trên mặt đất có các lỗ cửa, SXK có thể lọt vào bên trong nhà và tác động vào nóc công trình PTDS. Biểu đồ áp lực sóng nổ bên trong công trình có dạng nh hình 2.7, với 1 P theo đồ thị hình 2.8a. Thời gian tăng tải 1 t = c t , c t - thời gian sóng nổ lan truyền vào trong kết cấu nổi đợc xác định theo đồ thị hình 2.8b. 0,7 0,4 0,2 0,3 0,5 0,1 10643210,60,4 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,7 1 2 3 4 5 7 10 =1,0 P 1 P 1,50 0,14 0,06 0,03 0,02 0,01 0,05 0,22 0,18 F/V tc (giây) 0,50 1,00 0,75 0,10 0,07 0,09 0,26 2,00 3,00 4,00 6,00 P , KG/cm 1 t b) 1 P max P t p a) Hình 2.7. Biểu đồ áp lực sóng lọt vào trong công trình nổi Hình 2.8. Đồ thị quan hệ giữa P - hệ số ,và đồ thị xác định c t Khi tờng nhà không có các lỗ cửa hoặc có hệ số lỗ cửa nhỏ sóng nổ có thể lọt vào nhà qua các lỗ cửa hoặc phá hoại kết cấu bao che sẽ đợc xét nh sau: Thời gian phá hủy kết cấu nhà gạch xây. Các giả thiết: Thời gian phá hủy toàn bộ kết cấu bằng thời gian phá hủy tờng trớc. Không xét tới biến dạng của hệ khung chịu lực khi tờng trớc bị phá hủy. Tải trọng động tác dụng vuông góc với tờng trớc gồm 2 hàm: ( N P và TR P do áp lực SXK tác dụng ở phía trớc và sóng lọt vào nhà tác dụng từ phía sau) đợc coi nh tác dụng đồng thời. p px (t) p 1 (t) p cb (t) 0 2 0 1 p 1 H H/2 y 0 d d p 1 (t) a. Giai đoạn 1 b. Giai đoạn 2 Hình 2.9. Sơ đồ phá hủy tờng gạch xây Xét bức tờng dới tác dụng của sóng nổ, 2 nửa tờng sẽ xoay nh các miếng cứng hình 2.9. Phơng trình vi phân chuyển động của tờng trong giai đoạn 1 cho tới khi vùng nén bị phá hoại là: )t(PA)t(A)t(A 31211 = + && , (2.26) 5 trong đó: 1 A - hệ số kể đến ảnh hởng khối lợng của tờng, 2 A - hệ số kể đến ảnh hởng độ cứng của tờng, 3 A - hệ số kể đến ảnh hởng biên độ tải trọng. += 2 2 2 c 1 d H 1 12 dm A , , 3 0k 2 H yE5,1 A = , 4 H A 2 3 = , (2.27) ,,H c , là chiều cao hàng gạch xây, và mật độ vật liệu, ),t(P , là tải trọng động trên một đơn vị chiều cao tờng và góc xoay, c m - khối lợng trên một đơn vị dài của tờng, dHm cc = , 0k E5,0E = - mô đun biến dạng khối xây, 0 E - mô đun đàn hồi khối xây, d5,0y 0 = - chiều cao vùng nén khối xây tại tiết diện có khớp dẻo. t + cb t cb P p px P t + 1 t P P 1 max p Hình 2.10 Biểu đồ tải trọng tác dụng lên phía trớc của tờng Hình 2.11 Biểu đồ tải trọng tác dụng lên phía sau của tờng Quy luật thay đổi )t(P đối với tờng trớc bằng hiệu của các hàm tải trọng tác dụng lên phía trớc và phía sau của tờng: TRN PP)t(P = ,(2.28) trong đó: N P xác định theo hình 2.10, TR P xác định theo hình 2.11. Hàm )t(P là hàm tuyến tính trên từng đoạn, trên đoạn thứ nhất có dạng: ( ) * TRN /t1*PPP)t(P == , (2.32) Các giá trị * P , * đợc xác định nh sau: 1px * PPP = và () ++ = 1 cb 1max1cb * cb * * t t PPPPP tP , (2.33) Nếu coi tải trọng thay đổi theo quy luật (2.28) và ký hiệu 12 A/A= là tần số vòng phơng trình chuyển động của 1/2 tờng trong giai đoạn 1, đợc viết lại nh sau: =+ * * 1 3 1 2 1 t 1P A A )t()t( && , (2.34) Điều kiện đầu: 0,0,0t 11 = == & , nghiệm của phơng trình (2.34) là: )t(F tsin tcos t 1 A A .P)t( 1 **2 2 3 * 1 + = , (2.35) + = **2 2 3 * 1 1tcos tsin A A P)t( & , (2.36) Khi vùng nén khối xây bắt đầu bị phá hoại, góc xoay giới hạn gh = thì biểu thức tính 1 P t : ( ) 0k , 3 0tghp1 yE/H.y/dR2,1)t(F 1 == , (2. 38) Trong giai đoạn 2, tờng bị mất ổn định nên hệ số 0A 2 = , giai đoạn này bắt đầu từ thời điểm 1 P t , đặt )/t(1 * P1 1 = và viết lại phơng trình (2.34) ta có: = * 1 1 3 * 2 t A A P)t( && , (2.39) Điều kiện đầu: )t(,)t(,0t 11 p12ghp12 = = = = & & , nghiệm của phơng trình (2.39) là: )t(Ft 6 t 2 t A A P)t( 211 * 32 1 1 3 * 2 ++ = & , (2.40) trong đó: gh1 = xác định theo (2.38), 1 & xác định từ (2.36) với 1 p tt = Tại thời điểm mất ổn định của tờng góc xoay p = , hình 2.9b, thì biểu thức xác định 2 P t nh sau: )H/d2(arctg)t(F pP2 2 == , (2.42) Thời gian tờng bị phá hoại sẽ là tổng thời gian chuyển động của tờng trong 2 giai đoạn: 21 PPp ttt += , (2.43) Tham số của sóng lọt vào nhà tờng gạch có lỗ cửa. 6 Biểu đồ tính toán hình 2.7, các tham số của sóng lọt vào nhà đợc xác định: - Thời gian tăng tải: )t,tmin(t cp1 = , (2.44) trong đó: p t - thời gian phá hoại tờng nhà, đợc xác định theo (2.43), c t - thời gian từ khi sóng bắt đầu lọt vào tòa nhà cho đến khi áp lực bên trong nhà bằng áp lực bên ngoài, c t đợc xác định theo đồ thị hình 2.8b. - áp lực cực đại đợc xác định: ( ) + = /t1PP 1max , (2.45) Tham số của sóng lọt vào nhà tờng gạch không có lỗ cửa. - Để xác định tham số sóng lọt vào nhà do tờng phá hoại cần giả thiết: áp lực lên tờng trớc tại mọi điểm nh nhau. Sau khi bị mất ổn định, tờng gạch bị phá vỡ thành các mảnh. Tốc độ bay của các mảnh vỡ cùng độ cao tính từ mặt đất là bằng nhau. Chuyển động xoay của các mảnh trong quá trình bay không xét tới. Khe hở giữa các mảnh chỉ xét trong mặt phẳng nằm ngang. Vị trí của tờng trong các giai đoạn bị phá hoại tuân theo quy luật, hình 2.12. p(t) f 3 f 2 f 1 f 0 f 0 f 1 f 2 _ _ _ Nóc tầng1 Sn tầng1 (Nóc tầng hầm) TƯờng sau p R o o o 1 o 1 B A 1 B 1 A c C 1 D D 1 1 1 2 3 4 5 L H p p Hình 2.12 Sơ đồ tính thời gian tăng áp lực sóng trong nhà gạch xây không có lỗ cửa. - Thời gian hình thành toàn bộ lỗ hổng ở tờng )1( = , xác định theo công thức: 3Pplh tttt 1 += , (2.55) trong đó: p t và 1 p t xác định từ (2.43), (2.38), 3 t -thời điểm tờng bị phá hủy hoàn toàn. - Để xác định 3 t xét sơ đồ tính hình 2.12, hệ số lỗ thủng của tờng thay đổi theo thời gian: bH/)t(F)t( = , tại thời điểm 3 t khi tờng bị phá hủy hoàn toàn: H.b)t(F 3 = , (2.52). trong đó: )t(F tổng diện tích các khe hở của tờng tại thời điểm t đợc xác định: + + + ++= =++++++= 1 )cos( 1cos 2 Hgt cossint)t.(1Hb fffffff)t(F 1P 1 2 PP 2 2103210 && ,(2.51) Giải phơng trình (2.52) với P sinm = & ; P cos1n + = ; () H/d2arctg P = , sẽ tìm đợc 3 t : )m(/mn)1n(mKt 22222 33 += && , (2.54) - Biểu đồ tính toán áp lực sóng lọt vào nhà có dạng sóng nén, hình 2.13. - Giá trị cực đại áp lực sóng nổ đợc xác định: [] + += /)tt(1PP lhPmax 1 , (2.56) - Thời gian tăng tải lấy bằng thời gian hình thành toàn bộ lỗ hổng ( lh t ). p t P max lh t + p t max P + p t max P + 1 t Hình 2.13. Biểu đồ áp lực sóng nổ lọt vào nhà tờng gạch không có lỗ cửa Hình 2.14 Biểu đồ tải trọng lên nóc công trình dới tờng bao dễ phá Hình 2.15. Biểu đồ tải trọng lên nóc công trình dới tờng bao không lỗ cửa 7 2.3 Xác định tải trọng động tác dụng lên kết cấu công trình PTDS 2.3.1 Tải trọng tác dụng lên nóc công trình PTDS. áp lực sóng lọt vào nhà tác dụng trực tiếp lên nóc công trình, do đó tải trọng tác dụng đợc xác định theo công thức: b.PP n max n max = (kG/cm),(2.57) trong đó: n max P - áp lực cực đại lên nóc công trình, b - chiều rộng tính toán của kết cấu. Đối với công trình PTDS dới nhà cao tầng, tờng bao của nhà có lỗ cửa thì biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng lọt nh hình 2.11. Đối với công trình PTDS nằm độc lập, hoặc nằm dới phần nhà cao tầng có tờng bao là vật liệu dễ phá hủy biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng xung kích nh hình 2.14. Đối với công trình PTDS dới nhà cao tầng, tờng bao của nhà không có các lỗ cửa, biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng nén nh hình 2.15. 2.3.2 Tải trọng tác dụng lên đáy công trình PTDS. Biểu đồ tải trọng dới đáy công trình có thể xấp xỉ dạng hình 2.15, với giá trị cực đại xác định: m n maxd d max KPUAP == & (kG/cm), (2.59) trong đó: n max P - tải trọng cực đại tác dụng lên nóc, m K - hệ số tơng hỗ giữa đáy công trình và nền đất đợc xác định từ bài toán tơng tác giữa đáy công trình với nền đất. Trờng hợp tờng bao của nhà có lỗ cửa. () [] += + )t(R1t.R.)t(R).1( t t 1ln. R 1 tt 111m11 1 1 m 1m ,(2.67) n maxmdm P/)t(U.AK & = , (2.68) Trờng hợp tờng bao tòa nhà đợc xây dựng từ các vật liệu dễ bị phá hủy. () + += .R1ln R 1 t m m m , (2.69) () + + + = .R1ln .R 1 1K m m m , (2.70) Trờng hợp tờng nhà không có các lỗ cửa. += + + ))t(R1( t t t ln R 1 tt 11 1 1 1m 1m , (2.71) + + = + + + + 1 1 )tt(R 1 11 1m 1 1m m t t e t )t(R1 t.R 1 t tt 1K 1mm ,(2.72) 2.3.3 Tải trọng tác dụng lên tờng công trình PTDS. Kết cấu công trình PTDS nằm trong đất sẽ chịu tác dụng của tải trọng do sóng nén, tải trọng cực đại tác dụng lên tờng của công trình đợc xác định: pxbtpxbm T max K.K.K.b.PK.K.b.P == , (kG/cm), (2.74) trong đó: b K - hệ số áp lực hông, px K - hệ số phản xạ. Tải trọng đối với tờng trực tiếp nhận tải trọng sóng xung kích biểu đồ có dạng hình 2.14, với tờng dạng khác nh hình 2.15. Căn cứ vào các công thức, phơng trình trên và sơ đồ tính tiến hành viết chơng trình TDS bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB 7.0 để tính tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình PTDS. 2.6 Thí nghiệm xác định các tham số và tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình PTDS. 2.6.1 Mục đích, nội dung của thí nghiệm Kiểm nghiệm tính hợp lý và sự phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm về xác định các tham số và tải trọng do sóng nổ gây ra đối với công trình PTDS là tầng hầm nhà cao tầng. Đo các thông số áp lực sóng nổ, tác dụng lên nóc công trình PTDS trong những trờng hợp: công trình nằm độc lập, công trình dới nhà tờng gạch có và không có lỗ cửa khi xét tới sự phá hủy của kết cấu tờng bao che của nhà. Từ đó tính toán tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình PTDS so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. 8 2.6.2 Mô hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm Cơ sở thiết kế mô hình thí nghiệm là lý thuyết tơng tự, trên cơ sở tiêu chuẩn tơng tự cho phép lựa chọn các tiêu chuẩn cần thiết về hình học, lợng nổ, áp lực. Mô hình thí nghiệm Mô hình gồm: phần ngầm (tầng hầm) là mô hình công sự bê tông cốt thép nguyên khối và phần nổi là mô hình nhà lắp ghép từ khung thép hình và những tấm panen hoặc tấm gạch xây, hình 2.16 và 2.18. Điểm gắn đầu đo Phần ngầm Phần nổi 9 6 7 8 2 1a Hình 2.16. Mặt cắt điển hình của mô hình thí nghiệm. Thiết bị thí nghiệm: Gồm máy đo động và đầu đo áp lực, hình 2.17. Hình 2.17. Hội thảo kết quả, máy đo động và vị trí định vị đầu đo áp lực. Hình 2.18. Một số hình ảnh sau khi thí nghiệm nổ tại thao trờng. 2.6.3 Kết quả đo và so sánh với kết quả tính toán. Trờng hợp 1: Công trình PTDS dới mô hình nhà tờng bao là vật liệu dễ phá. Kết quả ghi bảng 2.3, đồ thị nh hình 2.20. 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 0.0 1.5 3.0 4.5 6.0 7.5 9.0 10.5 12.0 13.5 15.0 16.5 18.0 Thi gian ( s) p lc (kG/cm 2 ) Hình 2.20. Biểu đồ áp lực sóng nổ ứng trờng hợp công trình PTDS nằm độc lập. Bảng 2.3 Kết quả tính toán Kết quả thí nghiệm Lần nổ Trọng lợng TNT (kg) P (kG/cm 2 ) + (s) P (kG/cm 2 ) + (s) 1 1,00 1,75 26,8 2,1200 16,8 2 1,20 2,02 27,7 1,8950 24,2 3 1,20 2,02 27,7 2,4207 18,6 4 1,60 2,53 29,5 2,6203 31,7 5 1,60 2,53 29,5 2,4980 32,1 [...]... miền hợp lý Kết luận 1 Công trình Phòng thủ dân sự chịu tác dụng tải trọng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý: ảnh hởng của lỗ cửa và sự phá hoại của kết cấu tờng bao che khi tính tải trọng tác dụng lên công trình; kể đến tính dẻo của vật liệu khi tính toán kết cấu sẽ tiết kiệm vật liệu, giảm chi phí xây dựng 2 Kết quả tính toán tải trọng sóng nổ lọt vào nhà tác dụng lên công trình PTDS có kể đến ảnh... định tải trọng sóng nổ tác dụng lên công trình Phòng thủ dân sự đặt ở tầng hầm nhà cao tầng có kể đến sự phá hoại của kết cấu bao che Tuyển tập công trình (Hội nghị Khoa học các nhà nghiên cứu trẻ - Học viện Kỹ thuật Quân sự) , Nhà xuất bản Quân đội Nhân dân, Hà Nội, trang 91 - 101 3 Nguyễn Đức Duyến, Vũ Đình Lợi (2006) Xác định tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình Phòng thủ dân sự đặt ở tầng... liệu kết cấu có ảnh hởng đáng kể đến khả năng chịu lực của công trình PTDS Khi tính đến vật liệu đàn dẻo so với vật liệu ĐHTT, nội lực kết cấu giảm từ 31,92% đến 46,60% Tính toán kết cấu công trình chịu tải trọng sóng nổ khi kể đến ảnh hởng trên, sẽ tận dụng đợc tối đa khả năng dự trữ bền của kết cấu và làm giảm vật liệu đối với kết cấu này 4 Tính kết cấu công trình PTDS với tải trọng nổ lớn nhất một... tác dụng lên nóc công trình PTDS trong các trờng hợp Từ kết quả tính toán tải trọng tác dụng lên nóc công trình PTDS trong các trờng hợp tờng nhà có lỗ cửa và không có lỗ cửa rút ra một số nhận xét sau: - Sự phá hoại kết cấu nổi dẫn tới thay đổi dạng biểu đồ áp lực và giá trị cực đại của sóng nổ Do vậy, tải trọng tác dụng lên kết cấu công trình PTDS giảm từ 1ữ1,5 lần - Tải trọng tác dụng lên kết cấu công. .. trọng tác dụng lên kết cấu công trình PTDS dới nhà cao tầng không những phụ thuộc vào loại vật liệu, chiều dầy kết cấu bao che của nhà, mà nó còn phụ thuộc rất nhiều vào hệ số lỗ cửa Chơng 3 Thiết lập các phơng trình, thuật toán để Tính toán công trình Phòng Thủ Dân Sự chịu tác dụng tải trọng sóng nổ Tơng tác sóng nổ - công trình PTDS có thể đợc chia ra một số giai đoạn để tính toán, chơng 2 đã nghiên... quan niệm là tách khỏi nền, tải trọng đợc đặt trực tiếp lên kết cấu - Mô hình tải trọng là tải trọng sóng nổ theo thời gian, do công trình đợc dìm hoàn toàn trong sóng nên kết cấu nóc công trình chịu dạng tải trọng sóng lọt vào nhà, kết cấu tờng đối xứng chịu dạng tải trọng sóng nén đối xứng (có cùng cờng độ, chiều ngợc nhau), kết cấu đáy công trình chịu tác động phản lực sóng của nền do công trình PTDS... tơng tác giữa sóng nổ với công trình có xét đến phản lực sóng gây ra do nền đất bị nén động với giả thiết kết cấu công trình là tuyệt đối cứng Để nghiên cứu sâu hơn về vật liệu kết cấu, trong chơng này sẽ thiết lập phơng trình, thuật toán để tính toán kết cấu công trình PTDS chịu tác dụng tải trọng sóng nổ theo quan điểm động lực học với vật liệu kết cấu làm việc theo mô hình đàn dẻo Kết cấu công trình. .. ảnh hởng của tờng nhà: lỗ cửa; sự phá hoại kết cấu tờng bao che nhỏ hơn trờng hợp không xét đến ảnh hởng của yếu tố trên Về mặt định lợng tải trọng sóng nổ tác dụng lên nóc công trình PTDS giảm 54,21%, và đáy công trình PTDS giảm 42,02% Từ đó dẫn tới nội lực của kết cấu nóc, đáy công trình giảm tơng ứng là 52,60%, 55,55% và chuyển vị của chúng giảm tơng ứng là 55,65%, 55,76% 19 3 Tính dẻo của vật liệu... trờng hợp áp lực sóng nổ sau khi phá hủy tờng nhà ( Pmax ) đều nhỏ hơn áp lực P của sóng nổ khi không có tờng nhà từ (6,27 ữ31,6)%, và nhỏ hơn giá trị tính toán (1,98 ữ18,7)% - Sau khi sử lý kết quả thí nghiệm, dạng biểu đồ thu đợc có sự thay đổi Profin của mặt sóng khác so với dạng khi không sử dụng tờng nhà và gần giống với dạng của biểu đồ sóng nén trong tính toán truyền thống, hình 2.22 Tải trọng tác. .. trình phòng thủ dân sự Trong chơng này đề cập đến việc phân tích, khảo sát về ảnh hởng của các tham số (tải trọng và vật liệu) đến trạng thái chuyển vị - nội lực của kết cấu công trình, bằng các chơng trình tính TDS, KDS1 và KDS2 Từ đó đa ra nhận xét, kết luận và khuyến nghị về tính toán thiết kế và xây dựng công trình PTDS 4.1 Nghiên cứu ảnh hởng các tham số tính toán tải trọng sóng nổ đến trạng thái . dân sự Chơng 1 Tổng quan 1.1 Quan điểm về cấp bảo vệ công trình Phòng thủ dân sự Quan điểm cấp bảo vệ toàn thể công trình. Quan điểm cấp bảo vệ hợp lý của công trình (cấp bảo vệ công trình. cứu của luận án đợc chọn theo hớng: Tính công trình Phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình. 2. Mục đích Nghiên cứu phơng pháp tính toán công trình. Quốc phòng Học viện Kỹ thuật Quân sự _________________ Nguyễn đức duyến tính công trình phòng thủ dân sự chịu tác dụng sóng nổ có kể đến cấp bảo vệ hợp lý của công trình