Mục đích nghiên cứu của luận án là nghiên cứu tính toán kết cấu công sự bằng tôn sóng chịu tác dụng của đạn (tương đương các loại đạn pháo) nổ trong đất: xây dựng mô hình tính, cơ sở lý thuyết giải bài toán, ứng dụng phần mềm ANSYS vào tính kết cấu và khảo sát ảnh hưởng của một số tham số, thí nghiệm hiện trường xác định trạng thái ứng suất – biến dạng của kết cấu công sự chịu tác dụng của tải trọng nổ trong đất, có kể đến tính phi tuyến của vật liệu kết cấu và môi trường.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ ===========o O o=========== Lê Hải Dương NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN KẾT CẤU CƠNG SỰ BẰNG TƠN SĨNG CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG NỔ Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 58 02 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Trí Tá Phản biện 1: GS TS Nguyễn Văn Lệ Phản biện 2: PGS TS Vũ Quốc Anh Phản biện 3: TS Nguyễn Xuân Kiều Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 4724/QĐ-HV ngày 30 tháng 12 năm 2020 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi:… ……ngày … tháng ….năm 2020 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2016), “Tính kết cấu tơn sóng theo mơ hình trực hướng”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 1.2016, trang 119 – 122 Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2017), “Ứng dụng phần mềm ANSYS tính kết cấu cơng tơn sóng tương tác với mơi trường chịu tác dụng tải trọng nổ đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 4.2017, trang 49 – 52 Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2017), “Nghiên cứu ảnh hưởng phần tử tiếp xúc tính kết cấu cơng tơn sóng tương tác với môi trường chịu tải trọng nổ đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 7.2017, trang 254 – 257 Nguyễn Trí Tá, Lê Hải Dương, (2018), “Nghiên cứu q trình tương tác sóng nén với kết cấu cơng nổ đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây Dựng, số 4.2018, trang 49 – 52 Lê Hải Dương, Nguyễn Trí Tá, Cao Chu Quang, (2018), “Thí nghiệm trường xác định trạng thái ứng suất – biến dạng công tôn sóng chịu tác dụng tải trọng nổ đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số 11.2018, trang 174-177 Lê Hải Dương, Vũ Văn Hồng, (2019), “Thí nghiệm trường xác định đặc tính làm việc trực hướng tơn sóng làm kết cấu cơng chịu tác dụng tải trọng nổ đất”, Tạp chí Xây dựng, Bộ Xây dựng, số 7.2019, trang 292-295 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài nghiên cứu Trong hệ thống cơng trình phịng thủ, ngồi đường hầm, cơng lâu bền hệ thống cơng dã chiến, trang bị mang theo đội cần thiết, khơng thể thiếu có vai trị quan trọng Hệ thống cơng dã chiến với cơng trình lâu bền tạo nên hệ thống phòng thủ vừa vững chắc, vừa linh hoạt góp phần hồn thành tốt nhiệm vụ chiến đấu đội Trong chiến tranh giải phóng đất nước bảo vệ Tổ quốc, đội ta biết tận dụng vật liệu chỗ để làm công dã chiến Từ năm 1982, số loại công dã chiến bê tơng cốt thép, cót ép kết hợp bao cát, thép,… nghiên cứu chế tạo Tuy nhiên, loại cơng dã chiến có cịn nhiều điểm cịn hạn chế, khả chịu lực thấp, khối lượng mang vác vận chuyển lớn, thời gian lắp dựng cịn dài Gần đây, cơng dã chiến tiếp tục nghiên cứu nhằm trang bị cho đội chiến đấu phòng ngự loại địa hình khác Trong phải kể đến hai cơng trình nghiên cứu cấp Bộ Quốc phịng PGS TS Nguyễn Trí Tá TS Cao Chu Quang chủ trì Hai cơng trình tập trung nghiên cứu về: loại vật liệu ứng dụng làm công dã chiến (trong có tơn sóng, composite, vải bạt), sức sống cơng trình, khả bảo vệ sinh lực bên cơng sự, liên kết lắp dựng, tính động, … Các loại công thường chịu tác dụng cục loại đạn nổ nóc, nổ cạnh tường Khi tính tốn, tách rời kết cấu khỏi môi trường thừa nhận tải trọng tác dụng trực tiếp lên bề mặt kết cấu, vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi Vấn đề đặt cần tiếp tục nghiên cứu là: khả làm việc kết cấu chịu tác dụng bom đạn nằm ngồi bán kính sát thương; sử dụng mơ hình tương tác kết câu – môi trường để phản ánh đắn mơ hình làm việc thực kết cấu; tính đến khả làm việc vật liệu ngồi giai đoạn đàn hồi, chí xét đến trạng thái tới hạn kết cấu Vì vậy, đề tài “Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng tơn sóng chịu tác dụng tải trọng nổ” cần nghiên cứu, có ý nghĩa khoa học thực tiễn xây dựng cơng trình chiến đấu Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng tơn sóng chịu tác dụng đạn (tương đương loại đạn pháo) nổ đất: xây dựng mơ hình tính, sở lý thuyết giải toán, ứng dụng phần mềm ANSYS vào tính kết cấu khảo sát ảnh hưởng số tham số, thí nghiệm trường xác định trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu công chịu tác dụng tải trọng nổ đất, có kể đến tính phi tuyến vật liệu kết cấu môi trường Phạm vi nghiên cứu luận án - Kết cấu cơng tơn sóng cho công ẩn nấp phân đội binh, tổ có đến chiến sĩ, trận địa phịng ngự; - Nghiên cứu tốn kết cấu – mơi trường chịu tác dụng tải trọng nổ có xét đến tính phi tuyến vật liệu kết cấu mơi trường, theo sơ đồ khơng gian, q trình liên tục từ nổ đến lan truyền sóng nén tác dụng lên kết cấu; - Thử nghiệm số nghiên cứu ảnh hưởng số tham số kết cấu, môi trường, tải trọng, đến trạng thái ứng suất – biến dạng cơng sự; - Nghiên cứu thí ngiệm trường Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, ứng dụng phần mềm tính tốn kết cấu, thí nghiệm trường Nội dung cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương (Chương 1: Tổng quan tải trọng nổ sử dụng tơn sóng làm kết cấu cơng sự; Chương 2: Cơ sở giải tốn động lực học cơng tơn sóng – mơi trường phương pháp phần tử hữu hạn; Chương 3: Thử nghiệm số nghiên cứu tương tác kết cấu cơng tơn sóng với mơi trường chịu tác dụng tải trọng nổ đất ảnh hưởng số thông số đến trạng thái ứng suất – biến dạng công sự; Chương 4: Nghiên cứu thí nghiệm trường), kết luận chung, danh mục tài liệu tham khảo phụ lục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TẢI TRỌNG NỔ VÀ SỬ DỤNG TƠN SĨNG LÀM KẾT CẤU CƠNG SỰ 1.1 Tổng quan loại tải trọng nổ tác dụng lên kết cấu công Khi bom đạn nổ đất, với lượng thuốc nổ nhỏ 100kG khoảng cách nhỏ 5m, tác dụng nổ lên chướng ngại coi xung tức thời Trường hợp lượng nổ C khoảng cách R lớn, thường nằm vùng bán kính phá hoại, tính theo xung lượng khơng thích hợp, cần phải tính theo áp lực sóng nén Áp lực sóng nén tác dụng lên kết cấu tính theo công thức: 3C P A R m (kG/cm2) (1.1) đó: P - Áp lực sóng nén, kG/cm2; R - Khoảng cách từ tâm nổ đến điểm tính tốn kết cấu, m; A m - Các hệ số thực nghiệm phụ thuộc loại đất Khi đạn nổ mặt đất, khoảng cách gần không vượt 20r z (rz bán kính hiệu lượng nổ), áp lực nổ với thời gian ngắn, tác dụng nổ lên kết cấu cơng coi xung tức thời Ở khoảng cách lớn 20rz, áp lực nổ lên kết cấu cơng tính theo cơng thức áp lực sóng xung kích 1.2 Tơn sóng ứng dụng thiết kế cơng trình So với kết cấu phẳng, kết cấu dạng sóng có nhiều ưu điểm như: làm tăng độ cứng kháng uốn theo phương dọc sóng; làm tăng diện tích bề mặt, q trình hấp thụ nhiệt tản nhiệt nhanh; định hướng thoát nước theo phương Trong xây dựng dân dụng cơng nghiệp, tơn sóng sử dụng phổ biến làm mái che vách ngăn cơng trình, thành phần cấu tạo tính tốn chịu lực kết cấu sàn deck liên hợp thép - bê tông, làm container chứa hàng … Trong cơng trình giao thơng, tơng sóng ứng dụng phổ biến làm tường hộ lan, làm sườn tăng cứng cho cầu BTCT dự ứng lực, làm cống qua đường,… Trong quốc phịng, tơn sóng ứng dụng làm cơng trình chiến đấu, làm nhà vòm chứa máy bay, nhà kho,… Do đặc thù cấu tạo hình học, lý thuyết tính cấu kiện tơn sóng khơng tính cấu kiện đơn giản Hiện nay, có hai phương pháp chủ yếu để tính kết cấu tơng sóng Một phương pháp tính với trực hướng tương đương: xây dựng mơ hình phẳng có tính chất làm việc tương đương với mơ hình thực tơn sóng, gọi mơ hình trực hướng tương đương tơn sóng (các tác giả: Seidel; A Samanta M Mukhopadhyay; David Wennberg; Y.Xia M.I Friswell;…) Hai phương pháp phần tử hữu hạn: xây dựng mơ hình tơn sóng phần mềm mơ phỏng, phân tích kết cấu với trợ giúp máy tính, ANSYS cơng cụ hữu hiệu 1.3 Tổng quan phương pháp tính kết cấu công chịu tác dụng tải trọng nổ đất Cho đến nay, giời nước có nhiều cơng trình nghiên cứu tương tác kết cấu cơng trình với mơi trường đất chịu tác dụng tải trọng động Điển hình phải kể đến: nghiên cứu ứng xử kết cấu tơn sóng làm cống qua đường với môi trường đất chịu tải trọng đoàn xe chạy (Josehp H Byrne); nghiên cứu ảnh hưởng tương tác phi tuyến kết cấu – đất tác dụng trụ cầu (Houman Ghalibaflan, Carlos E Ventura, Ricardo O Foschi); nghiên cứu phân tích tương tác phi tuyến kết cấu – môi trường sử dụng khớp nối lặp (H.Zolghadr Jahromi, B.A Izzudin L.Zdravkovic ); nghiên cứu tương tác động lực học phi tuyến kết cấu với biến dạng (Nguyễn Tương Lai); nghiên cứu tương tác kết cấu công - môi trường phi tuyến chịu tác dụng tải trọng nổ (Nguyễn Trí Tá); nghiên cứu tương tác động lực học kết cấu công dạng với phi tuyến chịu tải trọng sóng nổ (Vũ Cơng Hoằng); nghiên cứu trình lan truyền sóng nổ mơi trường san hơ tác động sóng nổ cơng trình qn (Nguyễn Hữu Thế) Có hai quan điểm tính kết cấu cơng chịu tác dụng tải trọng nổ: Quan điểm tính học (tải trọng động thay tải trọng tĩnh tương đương q) Quan điểm động lực học (xác định tần số dao động, tham số động học nội lực tương ứng với trạng thái động vị trí khối lượng hệ từ xác định nội lực kết cấu) Các phương pháp số tính kết cấu cơng trình chịu tải trọng động: - Phương pháp sai phân hữu hạn: Nội dung phương pháp thay toán tử vi phân toán tử đại số cục đơn giản tác dụng nút miền nghiên cứu Phương pháp sử dụng để giải toán tổng quát; - Phương pháp phần tử hữu hạn: Kết cấu chia thành phần tử nhỏ hơn, có kích thước hữu hạn gọi “phần tử hữu hạn” Hệ kết cấu ban đầu coi tập hợp phần tử nối với số hữu hạn điểm gọi “điểm nút” Phương trình cân toàn kết cấu thành lập từ tổ hợp phương trình cân phần tử cho bảo tồn tính liên tục chuyển vị nút, nơi phần tử nối với Phương pháp cho phép giải toán hệ kết cấu – mơi trường thuật tốn, khả xây dựng chương trình có tính tổng qt; - Phương pháp phần tử biên: Tư tưởng phương pháp không dựa vào việc nghiên cứu đại lượng cần tìm trực tiếp tồn miền cho, mà nghiên cứu phần tử biên miền; - Phương pháp hạt không lưới SPH: Cơ sở phương pháp giải tốn tích phân hàm lõi W(r), với vị trí r miền tính tốn W, phù hợp cho mơ lan truyền sóng xung kích lan truyền khơng khí 1.4 Kết luận chương Trong chương này, tác giả trình bày cách tổng quát loại tải trọng nổ tác dụng lên kết cấu công sự, mơ hình phi tuyến mơi trường vật liệu kết cấu, tổng quan tơn sóng ứng dụng tơn sóng thiết kế cơng trình, phương pháp tính tốn kết cấu tơn sóng Trên sở phân tích số cơng trình nghiên cứu giới nước toán tương tác kết cấu công với môi trường chịu tác dụng tải trọng nổ có kể đến tính phi tuyến, nghiên cứu phương pháp tính kết cấu cơng chịu tác dụng tải trọng nổ Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy việc tính tốn kết cấu cơng chịu tác dụng tải trọng nổ bom đạn gây số vấn đề chưa giải đầy đủ là: toán tương tác kết cấu mơi trường theo mơ hình khơng gian 3D, làm việc giai đoạn đàn hồi, chịu tác dụng tải trọng nổ bom đạn có xét đến tách trượt bề mặt kết cấu môi trường Đặc biệt, nghiên cứu ứng dụng vật liệu tơn sóng cho kết cấu cơng nước cịn cơng bố Luận án tập trung nghiên cứu giải nội dung sau: Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng tơn sóng theo mơ hình khơng gian, kể đến tính phi tuyến vật liệu kết cấu mơi trường, tải trọng nổ mơi trường, có xét đến tách trượt bề mặt kết cấu Luận án sử dụng phương pháp PTHH, ứng dụng phần mềm ANSYS làm cơng cụ tính, thí nghiệm trường làm sở đánh giá độ tin cậy phương pháp nghiên cứu phần mềm ứng dụng làm cơng cụ tính CHƯƠNG CƠ SỞ GIẢI BÀI TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CƠNG SỰ TƠN SĨNG - MƠI TRƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 2.1 Đặt tốn, mơ hình tính Tính tốn cơng dã chiến điển hình, công ẩn nấp tổ đội binh từ người, kích thước thơng thủy phần thân: rộng x dài x cao = B x L x H = 1,4 x 2,25 x 1,7 (m) Công đặt môi trường đất cát, chịu tác dụng tải trọng Hình 2.1: Mơ hình cơng nổ ngang thân tường, cách tường công khoảng định Tơn sóng làm cơng chế tạo từ thép CCT38, chiều dày = 3mm, biên độ sóng hs = 5cm, chiều dài bước sóng Ts = 15cm Mơ hình vật liệu kết cấu mơ hình đàn – dẻo tam tuyến tính Mơ hình vật liệu mơi trường mơ hình đàn – dẻo Druker – Prager Mơ hình phần tử tiếp xúc mơ hình R.Goodman, R.Goodman Mahtab mở rộng cho tốn khơng gian ba chiều có kể đến vết nứt tách trượt Mơ hình tải trọng mơ hình sóng nén hình thành đạn nổ đất (cơng thức 1.1) Hình 2.2: Mơ hình đàn - dẻo tam Hình 2.3: Mặt giới hạn dẻo theo tuyến tính điều kiện Druker – Prager 2.2 Cơ sở lý thuyết động lực học tính kết cấu công chịu tác dụng tải trọng nổ đất Đối với toán động, dao động hệ kết cấu - môi trường xuất lực quán tính lực cản nhớt, lực coi lực khối, có phương trình chuyển động hệ: MU CU KU R (2.1) đó: [M] - Ma trận khối lượng tổng thể hệ; [C] - Ma trận cản hệ; [K] - Ma trận độ cứng tổng thể hệ; {R} - Véc tơ ngoại lực hệ (do lực bề mặt lực khối); U ,U ,U - Tương ứng véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị hệ Đối với vật liệu ứng xử phi tuyến, ma trận vật liệu [D] khơng số, mà phụ thuộc biến dạng ngồi giai đoạn đàn hồi theo thời gian, phụ thuộc vào chuyển vị hệ Quan hệ ứng suất – biến dạng toán phi tuyến viết: D t t (2.2) Ma trận độ cứng phụ thuộc vào biến dạng, chuyển vị: K K t K U t (2.3) Phương trình chuyển động hệ kết cấu – mơi trường có kể đến biến dạng phi tuyến vật liệu có dạng: 10 phần tử solid95 mơ hình mơi trường, đặc tính tách – trượt phù hợp với ứng xử mơ hình mơi trường lựa chọn Mơ hình thuốc nổ: Thuốc nổ sử dụng mơ hình tính thuốc nổ TNT, chất nổ hiệu suất cao, theo lý thuyết E Lee , M Finger, W Collins Thơng số thuốc nổ TNT sau: - Trọng lượng riêng = 1630 kG/m3; - Tốc độ nổ v = 6930 m/s; - Công suất nổ P = 3,68.106 J/kg; - Áp suất nổ p = 2,1.104 MPa 2.3.2 Trình tự bước tính tốn Trình tự sử dụng phần mềm ANSYS phân tích tốn tương tác kết cấu – mơi trường chịu tác dụng tải trọng nổ đất gồm bước sau: - Xây dựng mơ hình hình học: mơ hình hóa kết cấu, mơi trường đất miền nghiên cứu; mơ hình vật liệu nổ; chọn kiểu phần tử, xác định tham số toán; - Xây dựng mơ hình vật liệu cho kết cấu, mơi trường, thuốc nổ TNT: thiết lập thông số vật liệu; - Thiết lập kiểu phản ứng nổ: lựa chọn lý thuyết tiêu chuẩn phản ứng nổ thuốc nổ; - Chạy toán; - Xuất kết 2.3.3 Khảo sát lựa chọn chiều dày mơ hình Mơ hình khảo sát phần thân công ẩn nấp, cấu tạo từ việc ghép nối đốt có mơ đun dài 0,45m Lượng thuốc nổ TNT C = 1,5kG C = 2,0 kG khoảng cách tường công 2,0m Khảo sát với chiều dày mơ hình tính số ngun lần chiều rộng mơ đun đốt cơng sự: - Chiều dày mơ hình 0,45m: tương ứng 01 đốt công sự; - Chiều dày mơ hình 0,90m: tương ứng 02 đốt cơng sự; - Chiều dày mơ hình 1,35m: tương ứng 03 đốt cơng sự; - Chiều dày mơ hình 2,25m: tương ứng 05 đốt (tồn thân) cơng sự; 11 a) Chiều dày mơ hình 0,45m b) Chiều dày mơ hình 0,90m c) Chiều dày mơ hình 1,35m d) Chiều dày mơ hình 2,25m Hình 2.5: Tác dụng nổ với mơ hình có chiều dày khác Bảng 2.2: Giá trị ứng suất lớn khảo sát mơ hình với C = 1,5kG Thơng số Chiều dày mơ hình 0,45m 0,90m 1,35m 2,25m Ứng suất 176,72 175,90 174,08 173,16 max (MPa) So sánh với mơ 99,53% 98,51% 97,98% hình dày 0,45m Bảng 1: Giá trị ứng suất lớn khảo sát mơ hình với C = 2,0kG Chiều dày mơ hình Thơng số 0,45m 0,90m 1,35m 2,25m Ứng suất 430,03 427,85 425,58 423,26 max (MPa) So sánh với mô 99,49% 98,96% 98,42% hình dày 0,45m Nhận xét: Ảnh hưởng khơng nhiều chiều dày mơ hình kết cấu cơng dạng tơn sóng Việc lựa chọn chiều dày mơ hình tính khơng thiết phải chọn chiều dài thân cơng sự, lựa chọn kích thước theo số ngun lần chu kỳ sóng tơn, đảm bảo lực phân tích máy tính cách hợp lý 12 2.4 Kết luận chương Tác giả xây dựng mơ hình tính, nêu phương trình thuật tốn để tính kết cấu cơng theo mơ hình tốn tương tác kết cấu – môi trường chịu tác dụng tải trọng nổ đất Mơ hình tính hệ theo sơ đồ khơng gian, trình tự bước tính tốn theo phương pháp PTHH Phân tích lựa chọn phần mềm ANSYS cơng cụ tính, phân tích lựa chọn mơ hình vật liệu, thiết lập thơng số cho mơ hình tính Khảo sát để lựa chọn chiều dày mơ hình tính để xây dựng mơ hình cho thử nghiệm số Tính chất làm việc trực hướng tơn sóng thể rõ nét qua kết khảo sát lựa chọn mơ hình, phù hợp với nghiên cứu mặt lý thuyết, nghiên cứu theo phương pháp PTHH, ứng dụng phần mềm ANSYS; Liên kết đốt dọc theo chiều dài công không ảnh hưởng nhiều đến việc truyền nội lực, mà mang tính giữ ổn định theo phương dọc cơng Vì vậy, lựa chọn phương án liên kết khác đốt cơng cho đảm bảo tính ổn định, đơn giản, dễ lắp dựng, việc xếp chồng múi tôn điều kiện cho phép; Luận án lựa chọn chiều dày mơ hình tính tương ứng với sáu chu kỳ sóng tơn (hai mơ đun đốt cơng sự) có chiều dày 0,90m làm mơ hình thử nghiệm số, thực chương luận án CHƯƠNG THỬ NGHIỆM SỐ NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC KẾT CẤU CÔNG SỰ BẰNG TƠN SĨNG VỚI MƠI TRƯỜNG CHỊU TÁC DỤNG TẢI TRỌNG NỔ TRONG ĐẤT VÀ ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẾN TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG CỦA CƠNG SỰ 3.1 Nghiên cứu tính kết cấu cơng tơn sóng chịu tác dụng tải trọng nổ môi trường tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt kết cấu 3.1.1 Bài tốn Tính ứng suất kết cấu cơng tơn sóng trịn trơn chịu tác dụng tải trọng nổ đất với c lượng thuốc nổ C thay đổi (lần lượt C = 1,0 kG, C = 1,5 kG, C = 2,0 kG), đặt khoảng cách R = 2,0 m ngang tường công Điều kiện môi trường tiếp xúc chặt chẽ với bề mặt Hình 3.1: Mặt cắt sơ đồ tốn kết cấu, gọi “bài tốn tiếp xúc” 13 3.1.2 Tính theo phương pháp truyền thống Bài toán giải theo quan điểm động lực học, tách kết cấu khỏi môi trường, tải trọng tác dụng quy tĩnh tác dụng lên bề mặt kết cấu Ứng dụng phần mềm SAP2000 phân tích nội lực Từ kết nội lực thu được, tính ứng suất kết cấu cơng Kết thu giá trị nội lực, ứng suất lớn điểm tường công (ngang tâm nổ) (Bảng 3.1) Bảng 3.1: Kết tính ứng suất theo phương pháp truyền thống Tổ hợp Tổ hợp Tổ hợp (C = 1,0kG) (C = 1,5kG) (C = 2,0kG) M (T.m) 0,40 0,59 0,79 N (T) 0,42 0,29 0,15 218,918 320,921 428,27 max (MPa) 3.1.3 Mô tính tốn phần mềm ANSYS Kết phân tích tốn ứng với trường hợp lượng nổ Nội lực tổng hợp theo (Bảng 3.2) Bảng 3.2: Kết tính theo phương pháp PTHH (bài tốn tiếp xúc) Chỉ số C(TNT) 1,0 kG 1,5 kG 2,0 kG 122,42 175,9 427,85 max (Mpa) umax (mm) 1,66 2,75 53,61 0,0017 0,0026 0,1663 max (%) So sánh kết kết thu tính theo phương pháp truyền thống phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm ANSYS mô q trình tương tác két cấu – mơi trường (Hình 3.2) Hình 3.2: Ứng suất theo phương pháp truyền thống phương pháp PTHH 14 Nhận xét: Trong giai đoạn đàn hồi, phương pháp truyền thống tính đơn giản hơn, thiên an tồn, chưa kể đến tính tương tác làm việc đồng thời môi trường Trong phương pháp PTHH, mơ mơ hình làm việc đồng thời, phát huy tối đa khả làm việc hệ kết cấu – môi trường Môi trường có vai trị quan trọng, làm giảm tác dụng tải trọng động lên kết cấu công sự, việc sử dụng mơ hình tương tác kết cấu – mơi trường cần thiết 3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng số thông số đến trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu cơng tơn sóng 3.2.1 Nghiên cứu ảnh hưởng việc kể đến tách trượt môi trường bề mặt kết cấu Khảo sát tốn (mục 3.1.1), sử dụng phần mềm mơ ANSYS theo phương pháp PTHH Tại bề mặt tiếp xúc kết cấu công môi trường đất, có xét đến yếu tố tách trượt (gọi tốn tách trượt) Bảng 3.3: Kết tính theo phương pháp PTHH (bài toán tách trượt) Chỉ số C(TNT) max (Mpa) umax (mm) max (%) 1,0 kG 1,5 kG 2,0 kG 319,98 4,46 0,0065 343,5 7,45 0,0092 421,09 24,45 0,1741 So sánh kết tính mơ hình tốn tiếp xúc mơ hình tốn tách trượt: Hình 3.3: Biểu đồ so sánh ứng suất kết cấu cơng 15 Hình 3.41: Biểu đồ so sánh Hình 3.5: Biểu đồ so sánh chuyển vị kết cấu công biến dạng kết cấu công Nhận xét: Quy luật phát triển khác biểu đồ ứng suất biểu đồ chuyển vị, quy luật tương tự biến dạng Cho thấy, mô hình tiếp xúc ảnh hưởng nhiều đến ứng xử làm việc cơng tốn tương tác kết cấu – môi trường 3.2.2 Nghiên cứu ảnh hưởng tương tác theo thời gian sóng nén kết cấu cơng Mục đích nhằm xem xét q trình lan truyền sóng nén đất từ bắt đầu phản ứng nổ đến tác dụng sóng nén lên kết cấu cơng tơn sóng Khảo sát toán (mục 3.1.1), bề mặt tiếp xúc kết cấu cơng mơi trường có xét đến yếu tố Hình 3.6: Vị trí đạt ứng suất, biến tách trượt dạng lớn Lượng thuốc nổ C = 3,6 kG, thay đổi khoảng cách đặt lượng nổ đến tường công R = 2,0m, R = 3,2m, R = 3,8m, R = 4,4m Kết khảo sát với khoảng cách đặt lượng nổ R = 3,2m: Hình 3.7: Ứng suất theo thời gian tường trước cơng sự, R = 3,2m 16 Hình 3.8: Biến dạng theo thời gian tường trước công sự, R = 3,2m Bảng 3.4: Tổng hợp kết tính với C = 3,6kG khoảng cách khác Khoảng cách R 2,0 m 3,2 m 3,8 m 4,4m Biến dạng (%) 0,1921 0,0643 0,0376 0,0276 Ứng suất (MPa) 438,7 315,3 230,7 156,5 -2 Thời gian truyền áp lực x10 (s) 0,72 1,45 1,80 2,12 -2 Thời gian đạt ứng suất cực đại x10 (s) 1,26 1,80 2,15 3,60 Tốc độ truyền sóng đàn hồi a0 (m/s) 277 221 211 207 đó: - Thời gian truyền áp lực: tính từ phản ứng nổ đến thời điểm áp lực tăng đột ngột gây ứng suất (biến dạng) tăng đột biến; - Thời gian đạt ứng suất cực đại: tính từ phản ứng nổ đến thời điểm ứng suất (biến dạng) đạt cực đại; - Tốc độ truyền sóng đàn hồi khoảng cách từ tâm nổ đến công (R) chia cho thời gian truyền áp lực Nhận xét: Có lan truyền áp lực đất mà khơng phải sóng nổ, nép ép đàn hồi môi trường, gọi lan truyền đàn hồi môi trường, kết cấu chưa chịu tác dụng sóng nén Khi khảo sát phần mềm SAP2000, ETAB, Plaxis … thường cho kết sóng nén tác dụng lên kết cấu, khơng có khoảng thời gian trễ 3.2.3 Nghiên cứu ảnh hưởng chắn Mơ hình số liệu toán tách trượt (mục 3.2.1), chắn gỗ dày 15cm, cách c tường công 50cm Giả thiết gỗ vật liệu đẳng hướng, có mơ đun đàn hồi E = 8500 MPa, ứng suất giới hạn [] = 10 MPa Hình 3.8: Mơ hình tốn có chắn 17 So sánh với trường hợp khơng có chắn, ta được: Hình 3.9: Biểu đồ so sánh biến dạng kết cấu cơng Hình 3.10: Biểu đồ so sánh ứng suất kết cấu công Nhận xét: Tấm chắn làm giảm đáng kể áp lực sóng nén tác dụng lên kết cấu cơng Khi có chắn, kết cấu cơng làm việc hồn tồn giai đoạn đàn hồi, biến dạng kết cấu nhỏ Vì xây dựng cơng nên bố trí chắn có thể, kể việc tận dụng vật liệu chỗ gỗ, tre, … 3.2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng sóng tơn Phân tích với kết cấu tơn sóng gấp nếp có chiều dày, chu kỳ, biên độ so với tơn sóng trịn trơn, số liệu tốn tách trượt (mục 3.2.1) Kết sau: Bảng 3.5: So sánh kết tính tơn trịn trơn tôn gấp nếp Lượng nổ C (kG) Ứng suất tơn trịn trơn (MPa) Ứng suất tơn gấp nếp (MPa) Chênh lệch (%) 1,0 319,98 289,29 -9,59 1,5 343,50 326,78 -4,89 2,0 421,09 402.14 -4.50 Nhận xét: Hình dạng múi tơn có ảnh hưởng đến kết tính, nhiên kết tính sai khác khơng nhiều Ngun nhân chủ yếu xác định có thay đổi thơng số đặc trưng hình học như: diện tích tiết diện, mơ men qn tính tiết diện, mơ men kháng uốn 3.3 Kết luận chương Kết cho thấy việc lựa chọn mơ hình nghiên cứu phù hợp với phương pháp nghiên cứu, sát với mơ hình làm việc thực tế công sự, đánh giá khả 18 làm việc cơng mơ hình tổng thể, phát huy tối đa hiệu làm việc vật liệu, nâng cao sức sống công trận địa Kết cấu cơng làm việc ngồi giai đoạn đàn hồi, đảm bảo an toàn chịu lực, có biến dạng lớn, chuyển vị lớn đảm bảo tính ổn định, bảo vệ sinh lực bên trong, phù hợp với tính chất làm việc công dã chiến, nâng cao hiệu sử dụng, tăng tính kinh tế, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật đảm bảo an tồn sử dụng Có thể dùng mơ phịng nổ để xác định tốc độ lan truyền sóng nén mơi trường khác giải pháp cần xem xét đến khắc phục khó khăn tiến hành thí nghiệm trường Đồng thời, cần nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu khác nhau, loại vật liệu mới, giải pháp gia cơng cấu trúc hình học khác nhằm phát huy tối đa khả làm việc vật liệu, giải pháp ngăn chặn có hiệu tác động sóng nổ lên kết cấu cơng CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 4.1 Mục đích, nội dung thí nghiệm Mục đích: Xác định trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu công chịu tác dụng sóng nổ lan truyền đất gây Nội dung: Đo biến dạng điểm tường cấu công sự, ngang vị trí tâm nổ (điểm đo 1, Hình 4.1), xác định biến dạng điểm nguy hiểm kết cấu công tác dụng lượng nổ khác Từ kết biến dạng đo được, xác định ứng suất điểm đo kết cấu 4.2 Mơ hình thí nghiệm Cơng làm vật liệu thép CCT38 (TCVN5575-2012), dày 3mm, biên độ sóng 5cm, chu kỳ sóng 15cm Kích thước cơng ẩn nấp B x L x H = 1,4 x 2,25 x 1,7 (m) Mơ hình thí nghiệm mơ hình cơng thực, nghiên cứu, sản Hình 4.1: Mơ hình thí nghiệm cơng xuất, thử nghiệm theo nội dung đề tài NCKH cấp BQP 19 Hình 4.2: Cơng thí nghiệm Hình 4.3: Đo số liệu 4.3 Kết thí nghiệm 4.3.1 Thí nghiệm 1: Nghiên cứu đặc tính trực hướng tơn sóng làm kết cấu cơng Thí nghiệm với lượng nổ với điều kiện địa chất khác khau, khoảng cách R = 2,0m Đo biến dạng theo hai phương (dọc, ngang sóng tơn): - Lượng nổ C = 1,0kG, mơi trường đất mềm (Hình 4.4 Hình 4.5); - Lượng nổ C = 1,5kG, mơi trường đất chặt (Hình 4.6 Hình 4.7); - Lượng nổ C = 2,0kG, mơi trường đất tơi xốp (Hình 4.8 Hình 4.9) Hình 4.4: Biểu đồ biến dạng Hình 4.5: Biểu đồ ứng suất Hình 4.6: Biểu đồ biến dạng Hình 4.7: Biểu đồ ứng suất 20 Hình 4.9: Biểu đồ ứng suất Hình 4.8: Biểu đồ biến dạng Nhận xét: có chênh lệch lớn kết đo biến dạng theo hai phương sóng tơn Giá trị biến dạng cực đại theo phương dọc sóng tơn lớn nhiều so với giá trị tương ứng theo phương ngang sóng tơn (khoảng lần) Kết cấu tơn sóng làm việc trực hướng 4.3.2 Thí nghiệm 2: Nghiên cứu tương tác cơng tơn sóng với mơi trường chịu tác dụng tải trọng nổ đất Thí nghiệm với lượng nổ điều kiện địa chất đất mềm, khoảng cách R khác Đo biến dạng theo phương dọc sóng tơn: - Lượng nổ C = 0,4kG, khoảng cách R = 1,8m (Hình 4.10 Hình 4.11); - Lượng nổ C = 2,0kG, khoảng cách R = 3,2m (Hình 4.12 Hình 4.13); - Lượng nổ C = 1,0kG, khoảng cách R = 2,0m (Hình 4.14 Hình 4.15); Hình 4.10: Biểu đồ biến dạng Hình 4.11: Biểu đồ ứng suất Hình 4.12: Biểu đồ biến dạng Hình 4.13: Biểu đồ ứng suất 21 Hình 4.14: Biểu đồ biến dạng Hình 4.15: Biểu đồ ứng suất Bảng 4.1: So sánh kết tính phần mềm mơ với kết thí nghiệm trường (lượng nổ C = 1,0 kG) Chỉ số ymax (MPa) Mơ hình Mơ hình Bài tốn tiếp xúc Bài tốn tách trượt 122,42 319,98 Thí nghiệm trường 103,67 Nhận xét: Kết thí nghiệm nhỏ kết tính tốn phần mềm mơ phỏng, Phản ánh việc tính tốn theo lý thuyết thiên an tồn tốn thực tế Trong thực tế, lượng nổ bị tiêu tán qua phễu nổ tung khe nứt môi trường nhiều tính tốn theo lý thuyết 4.3.3 Thí nghiệm 3: Xác định trạng thái làm việc công ẩn nấp chịu tác dụng tương đương đạn pháo 130mm nổ đất Thí nghiệm với lượng nổ C = 3,6kG (tương đương đạn pháo 130mm), khoảng cách R = 1,8m Đo biến dạng theo phương dọc sóng tơn (Hình 4.16) Nhận xét: Tải trọng tác dụng sóng nén tiệm cận gần đến tác dụng xung nổ, biến dạng dư lớn, vật liệu bị chảy dẻo, kết cấu làm việc giai đoạn đàn - dẻo đảm bảo ổn định Cơng an tồn Hình 4.16: Biểu đồ biến dạng 4.3.4 Thí nghiệm 4: Xác định trạng thái làm việc công huy chịu tác dụng nổ đất Thí nghiệm với lượng nổ C = 2,0kG, công huy, khoảng cách R = 1,6m Đo biến dạng theo phương dọc sóng tơn (Hình 4.17 hình 4.18) 22 Hình 4.17: Biểu đồ biến dạng Hình 4.15: Biểu đồ biến dạng Nhận xét: biến dạng dư ổn định (xấp xỉ 0,14%) Biến dạng dư vượt qua ngưỡng giới hạn đàn hồi (0,05%), chuyển sang giai đoạn đàn dẻo, ứng suất lớn xác định max = 365,98 MPa, xấp xỉ ngưỡng giới hạn đàn dẻo có tính đến hệ số gia tăng cường độ vật liệu chịu tác dụng tải trọng động ngắn hạn Cơng ổn định, đảm bảo an tồn 4.4 Kết luận chương Thí nghiệm tiến hành mơ hình cơng thực tơn sóng, mơ hình nghiên cứu, sản xuất, thử nghiệm theo nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cấp Bộ Quốc phòng, nghiệm thu đạt kết tốt Số liệu đo từ thí nghiệm trường phản ánh quy luật sóng nén lan truyền đất, tương tác sóng nén lên kết cấu cơng nằm đất Kết thí nghiệm phán ánh tính chất làm việc trực hướng tơn sóng làm kết cấu cơng sự, phù hợp với nghiên cứu mặt lý thuyết thử nghiệm số Kết thí nghiệm phân tích, so sánh với kết phân tích phần mềm mô theo phương pháp phần tử hữu hạn Trong đó, thí nghiệm trường cho kết nhỏ hơn, phản ánh tính thực tiễn thí nghiệm trường tính thiên an tồn phương pháp tính tốn Đặt vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu mặt lý thuyết khai thác phần mềm ứng dụng để hoàn thiện tính tốn, sát với điều kiện thực tế Sai số kết tính phần mềm mơ ANSYS mơ hình tương tác với kết thí nghiệm trường chấp nhận Cho thấy, kết nghiên cứu phần mềm mô ANSYS mô hình tương tác đảm bảo độ tin cậy, có tính khả thi 23 KẾT LUẬN CHUNG Các kết luận án - Bài tốn nghiên cứu xuất phát từ nhu cầu thực tiễn xây dựng cơng trình quốc phịng nói chung xây dựng hệ thống cơng trận địa nói riêng nhằm chuẩn sẵn sàng chiến đấu điều kiện tác chiến Nghiên cứu với mơ hình cơng thật, nghiên cứu đồng tiêu chiến kỹ thuật, có tính ứng dụng cao, có khả trang bị cho đơn vị huấn luyện sẵn sàng chiến đấu, phục cho nhiệm vụ cụ thể tình tác chiến xảy ra; - Sử dụng phần mềm ANSYS tiến hành phân tích tốn tương tác kết cấu cơng tơn sóng với mơi trường đất cát chịu tác dụng tải trọng nổ đất, khảo sát thay đổi tham số để thấy ảnh hưởng đến trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu công sự; - Thí nghiệm trường mơ hình cơng thật, khối lượng lượng nổ tương đương với phương tiện sát thương dự kiến sử dụng chiến tranh, điều kiện thí nghiệm tương tự điều kiện làm việc thực tế cơng Do đó, kết thí nghiệm phản ánh sát thực tính chất làm việc cơng sự, sở để đánh giá độ tin cậy kết tính tốn theo lý thuyết truyền thống kết phân tích phần mềm ANSYS với mơ hình phương pháp nghiên cứu chọn Các kết luận án - Áp dụng phần mềm chuyên dùng (ANSYS) giải toán chuyên môn tương tác kết cấu công tơn sóng với mơi trường đất chịu tác dụng tải trọng nổ đất theo mơ hình khơng gian, tải trọng nổ đất liên tục từ thời điểm phản ứng nổ đến trình tác dụng lên kết cấu, vật liệu kết cấu môi trường làm việc giai đoạn đàn hồi Các kết khảo sát cho thấy phương pháp nghiên cứu có độ tin cậy, khuyến nghị kỹ thuật làm tài liệu tham khảo cho tính tốn, thiết kế sử dụng cho kết cấu cơng tơn sóng; - Nghiên cứu thí nghiệm trường với mơ hình cơng thực điều kiện thí nghiệm sát với thực tế chiến đấu Kết đạt cho thấy tương đồng lý thuyết thí nghiệm thực tế, làm phong phú thêm hoạt động thí nghiệm lĩnh vực nghiên cứu 24 Các vấn đề cần nghiên cứu sau luận án - Tiếp tục giải toán loại vật liệu nghiên cứu thiết kế, chế tạo cơng sự; - Phân tích tốn tương tự với mơ hình tải trọng tổng thể, bao gồm tác dụng cục truyền sóng, xun suốt q trình va chạm – xuyên – nổ - truyền sóng; - Tính tốn kết cấu tơn sóng theo mơ hình trực hướng chịu tác dụng tải trọng sóng nổ - Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng dã chiến làm việc điều kiện biến dạng lớn ... chịu tác dụng tải trọng nổ có kể đến tính phi tuyến, nghiên cứu phương pháp tính kết cấu cơng chịu tác dụng tải trọng nổ Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy việc tính tốn kết cấu cơng chịu tác dụng. .. Lai); nghiên cứu tương tác kết cấu công - môi trường phi tuyến chịu tác dụng tải trọng nổ (Nguyễn Trí Tá); nghiên cứu tương tác động lực học kết cấu công dạng với phi tuyến chịu tải trọng sóng nổ. .. sóng chịu tác dụng tải trọng nổ? ?? cần nghiên cứu, có ý nghĩa khoa học thực tiễn xây dựng cơng trình chiến đấu 2 Mục đích nghiên cứu luận án Nghiên cứu tính tốn kết cấu cơng tơn sóng chịu tác dụng