Деформирование и разрушение железобетонных плит при высокоскоростном ударе летящим предметом конечной жесткости 05. 23. 17 Строительная механика 05. 23. 01 Строительные конструкции, здания и сооружения



НазваниеДеформирование и разрушение железобетонных плит при высокоскоростном ударе летящим предметом конечной жесткости 05. 23. 17 Строительная механика 05. 23. 01 Строительные конструкции, здания и сооружения
Югов Алексей Александрович
Дата15.07.2013
Размер295 Kb.
ТипАвтореферат
источник


На правах рукописи


Югов Алексей Александрович


ДЕФОРМИРОВАНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ ЖЕЛЕЗОБЕТОННЫХ ПЛИТ

ПРИ ВЫСОКОСКОРОСТНОМ УДАРЕ ЛЕТЯЩИМ ПРЕДМЕТОМ

КОНЕЧНОЙ ЖЕСТКОСТИ


05. 23.17 – Строительная механика

05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени


Томск-2006

Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете


Научные руководители: доктор технических наук, профессор,

^ Копаница Дмитрий Георгиевич;

доктор физико-математических наук,

старший научный сотрудник,

Радченко Андрей Васильевич.


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

^ Плевков Василий Сергеевич;

доктор технических наук, профессор,

Люкшин Борис Александрович.


Ведущая организация: 26-й Центральный Научно-исследовательский

институт МО РФ


Защита состоится «19» января 2007 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная, 2 ауд. 307/5.


С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета


Автореферат разослан «12» декабря 2006 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Скрипникова Н.К.


^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Стремление к уменьшению веса строительных конструкций при одновременном улучшении их качества (надёжности, экономичности) приводит к необходимости разработки более совершенных методов их расчетов на прочность. Строительство многих объектов в настоящее время невозможно без учета их реакции на динамические нагрузки, к которым относится высокоскоростной удар. Создание надежных методов прочностных расчетов элементов конструкций, работающих в условиях динамических нагрузок является актуальной научно-технической задачей.

Выполняемые экспериментальные исследования без глубокого теоретического анализа часто не дают необходимого результата, несмотря на большие материальные и технические затраты. Инженерные методы так же не отвечают в полной мере запросам практики в виду ограниченности сферы их применения.

Несмотря на то, что в настоящее время посвящено довольно много работ математическому моделированию процессов удара твердых тел по различным мишеням (монолитным, многослойным, разнесенным и.т.д.) выполненных из металлов, керамики, композиционных материалов, вопрос о расчете пробивания твердыми телами железобетонных плит остается не решенным в полной мере.

Актуальность темы диссертации подтверждается тем, что работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты: № 01-01-00813, 04-01-00856) и в рамках межотраслевой программы сотрудничества Министерства образования РФ и Министерства РФ по атомной энергетике по направлению «Научно-инновационное сотрудничество» (проект: Разработка инженерных методик расчета строительных конструкций АЭС на воздействие ударных нагрузок).


^ Объект исследования - железобетонные плиты.


Предмет исследования - процессы деформирования и разрушения железобетонных плит при высокоскоростном взаимодействии с ударником.


^ Цель работы: Разработка метода расчета прочности железобетонных плит на ударные нагрузки в диапазоне скоростей до 1000 м/с на основе модели динамического разрушения хрупких материалов, в которой разрушение рассматривается как процесс образования, роста и слияния микродефектов под действием приложенного напряжения.


Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

  • разработать метод расчета прочности железобетонных плит на ударные нагрузки в диапазоне скоростей удара до 1000 м/с;

  • разработать блок подпрограмм расчета прочности железобетонных плит при высокоскоростном ударе к расчетному комплексу «РАНЕТ-3», позволяющему производить в полной трехмерной постановке решения задач ударного взаимодействия тел произвольной формы с различными преградами (монолитным, многослойным, разнесенным и.т.д.);

  • провести тестирование разработанных подпрограмм путем сравнения данных математического моделирования с результатами специально поставленного эксперимента по разрушению хрупких материалов в условиях высокоскоростного удара;

  • провести экспериментальные исследования по взаимодействию стальных цилиндрических ударников с железобетонными плитами;

  • в трехмерной постановке выполнить расчеты ударного взаимодействия железобетонных плит со стальными цилиндрическими ударниками;

  • провести сравнения данных математического моделирования с результатами эксперимента;

  • определить направление дальнейших исследований в развитие темы диссертационной работы;


^ Методология работы.

Исследования выполнены на основе фундаментальных законов сохранения массы, импульсов, энергии. Экспериментальные исследования выполнены с использованием прецизионного измерительного оборудования в лаборатории НИИ ПММ при Томском государственном университете и в лаборатории испытаний строительных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета, что обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.


^ Научная новизна работы:

  • Разработаны модели и методы расчета прочности бетонной и железобетонной плит в условиях высокоскоростного удара. Динамическое разрушение рассматривается как процесс роста и слияния микродефектов под действием образующихся в процессе нагружения напряжений.

  • Экспериментально определены параметры лицевых и тыльных отколов, глубины и диаметры кратеров, запреградные скорости ударников при ударном действии компактных и удлинённых цилиндрических ударников с бетонными и железобетонными плитами.

  • Поставлена и решена задача о пробитии конструкции из бетонных плит, разделенных слоем песка модельными снарядами.

  • Решена задача расчета прочности бетонных и железобетонных плит на действие летящего предмета конечной жесткости в диапазоне скоростей 50-1000 м/с. В основу расчета положена феноменологическая теория и теория, рассматривающая разрушения как процесс роста и слияния микродефектов. Проведен анализ результатов и показана обоснованность применения двух подходов к расчету динамической прочности бетонных и железобетонных плит.

^ Практическая значимость работы.

Практическое значение работы состоит в создании в рамках программного комплекса «РАНЕТ-3» метода расчета бетонных и железобетонных конструкций на действие ударных нагрузок, позволяющего анализировать напряженно-деформированное состояние с учетом факторов физической нелинейности, включая появление и развитие трещин, и способствующего определению расчетным путем степени надежности конструкций.


^ Достоверность результатов работы обеспечивается корректным использованием научных положений в области строительной механики, механики конструкций и теории прочности, современных методов проведения экспериментальных исследований и использовании сертифицированного прецизионного измерительного оборудования.


^ Реализация работы. Результаты исследований использованы при выполнении научно-исследовательских работ в Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте промышленных зданий и сооружений ОАО «ЦНИИпромзданий».

Материалы диссертационных исследований используются в Томском государственном архитектурно-строительном университете при подготовке специалистов.


^ Личный вклад диссертанта состоит:

  • в разработке модели и метода расчета прочности бетонной и железобетонной плит в условиях высокоскоростного удара;

  • в создании подпрограммы к расчетному комплексу «РАНЕТ-3»;

  • в разработке методики и проведении экспериментальных исследований бетонных и железобетонных плит на ударное взаимодействие со стальными цилиндрическими ударниками;

  • в проведении расчетов в трехмерной постановке бетонных и железобетонных плит на ударное взаимодействие со стальными цилиндрическими ударниками;



На защиту выносятся:

  • физико-математическая модель поведения бетонной и железобетонной сред для расчета прочности бетонных и железобетонных плит на ударные нагрузки;

  • метод расчета динамической прочности бетонных и железобетонных плит при ударном нагружении;

  • результаты экспериментальных исследований процессов ударного взаимодействия компактных и удлиненных ударников с бетонными и железобетонными плитами;

  • результаты решения задач ударного взаимодействия, в том числе неоднократного, ударников из хрупких материалов с преградами;

  • расчет прочности бетонных и железобетонных плит на действие от летящего предмета конечной жесткости;

  • результаты решения задачи расчета прочности слоистой конструкции из бетонных плит, разделенных слоем песка при внедрении ударника.


Публикации.

По материалам диссертационных исследований опубликована монография с соавторами, 6 статей с соавторами в журналах, входящих в перечень ВАК. Всего по теме диссертации опубликована 21 работа.


^ Апробация работы. Материалы диссертации были доложены, обсуждены и получили положительную оценку: на региональной научной конференции «Естественные и гуманитарные науки в XXI веке» (Томск, ТГАСУ, 2003г.); на Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (Горно-Алтайск, 2004 г.); на III Международной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии» (Братск, 2005г.); на 10-й Сибирской (Международной) конференции по железобетону (Новосибирск, 2004 г.); на II Всероссийской (Международной) конференции по железобетону «Бетон и железобетон пути развития» (Москва, 2005 г.); на международном конгрессе «Repair and Renovation of Concrete Structures» (Шотландия, 2005 г.) ; на III научной конференции Волжского регионального центра РАРАН «Современные методы проектирования и отработки ракетно-артиллерийского вооружения» (Саров, 2003 г. ); на Международной научно-технической конференции «Архитектура и строительство, наука, образование, технологии, рынок» (ТГАСУ, Томск, 2002 г.); на международной конференции «Лаврентьевские чтения по математики, механики и физики» (Новосибирск, 2005 г.); на IХ Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006 г.); на международной научной конференции «Проблемы баллистики - 2006 г.» (С.Петербург, 2006 г.); на IV –ой международной научно-практической Интернет - конференции «Состояние современной строительной науки – 2006 г. » (Полтава, 2006 г.); на международных академических чтениях «Безопасность строительного фонда России» (Курск, 2006 г.)


^ Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 162 наименований. Она содержит 79 рисунков, 14 таблиц. Общий объем работы 167 страниц.


основное содержание работы


Во – введении обосновывается актуальность проводимых исследований, дана краткая характеристика состояния вопроса, сформулирована цель работы, раскрыта её научная новизна и практическая ценность полученных результатов, дано краткое содержание работы.


^ В первой главе представлена математическая модель сжимаемой упругопластической среды, позволяющая в рамках механики сплошной среды описывать уплотнение пористых материалов (тела с внутренними пустотами или сыпучие среды) в ударных волнах. Из рассмотрения исключаются полярные среды. Кроме того, предполагается, что отсутствуют массовые силы, подвод тепла и приток нетепловых видов энергии, отличных от работы механических сил. Система уравнений пористой упругопластической среды включает в себя уравнения неразрывности, импульсов и энергии, определяющие соотношения теории пластического течения, уравнение состояния и уравнения, описывающее изменения пористости при сжатии и растяжении. Сформулированы начальные и граничные условия. Выписанная замкнутая система уравнений позволяет в рамках механики сплошной среды рассчитывать напряженное состояние, деформацию и разрушение, как пластичных, так и хрупких материалов в условиях высокоскоростного удара. С точки зрения математического моделирования проблема разрушения имеет два аспекта. Первый связан с разработкой модели и критерия разрушения, второй – с описанием механического поведения поврежденной или разрушенной среды. Рассмотрено два типа разрушений – вязкое и хрупкое. Динамическое разрушение может протекать по двум механизмам – отрывному и сдвиговому. Отрывное разрушение в пластичных материалах рассматривается как процесс образования, роста и слияния микропор под действием образующихся в процессе нагружения растягивающих напряжений. Локальным критерием отрывного разрушения служит предельная величина относительного объема пустот. При растяжении разрушенный материал описывается как порошок, движение которого происходит в соответствии с уравнениями для среды, лишенной напряжений.

Относительное содержание пустот при этом находится из уравнения состояния пористого вещества с нулевым давлением в частицах.

В качестве локального критерия сдвигового разрушения пластичных материалов используется критерий, основанный на предельной величине удельной работы пластических деформаций, или принимается предельная величина интенсивности пластических деформаций. В отличие от пластичных сред высокотвердые керамики, геологические материалы, бетон и другие хрупкие материалы содержат большое число концентраторов напряжений – пор, трещин, границ зерен, зарождение разрушения на которых активируется в области упругого деформирования материала. Подобные материалы под действием девиаторных напряжений могут растрескиваться в области упругого деформирования уже на фазе сжатия, что приводит к падению сопротивления растяжению.

При расчете динамического разрушения хрупких материалов используется два подхода – феноменологический, в котором критерии прочности выражаются через инвариантные связи между критическими значениями макрохарактеристик процесса – напряжений и деформаций, и подход, рассматривающий динамическое разрушение как процесс роста и слияния микротрещин под действием образующихся в процессе нагружения напряжений.

При феноменологическом подходе бетон при динамическом нагружении до выполнения критерия прочности описывается моделью линейно-упругого тела. В качестве условия прочности используется критерий, предложенный для бетона Гениевым Г.А. и Кисюком В. Н.



где I1, J 2, J 3 первый инвариант тензора напряжений, второй и третий инвариант девиатора тензора напряжений. Численные значения А, В, С определяются через пределы прочности бетона при растяжении, сжатии и сдвиге, полученное при динамическом нагружении.

После выполнения критерия прочности считается, что материал поврежден трещинами. Процесс фрагментирования поврежденного трещинами материала описывается в рамках модели пористой упругопластической среды. Фрагментация поврежденного трещинами материала, подвергнутого воздействию растягивающих напряжений, происходит, когда относительный объем пустот достигнет критической величины. Если поврежденный трещинами материал подвергнут воздействию сжимающих напряжений, то критерием фрагментирования является предельная величина интенсивности пластических деформаций. Численные значения критериев фрагментирования определяются из сопоставления результатов математического моделирования процессов ударного взаимодействия стальных цилиндрических ударников с бетонными плитами с экспериментальными данными по глубине проникания и величине лицевого откола. Одним из недостатков феноменологического подхода является то, что он не может быть применен к расчету процессов деформирования и разрушения в условиях удара и взрыва изначально пористых материалов, в частности, пенобетона, керамзитобетона. Кроме того, данный подход не дает возможность рассчитать поведение хрупких материалов при повторном ударе. В данной главе приводится модель деформирования и разрушения пористой высокопрочной керамики в условиях ударно-волнового нагружения. Объем пористой среды представляется в виде суммы удельного объема материала матрицы, удельного объема пор и удельного объема, образующегося при раскрытии трещин. Разрушение в хрупком материале рассматривается, как процесс роста и слияния микротрещин под действием образующихся в процессе нагружения напряжений. Предполагается, что слияние микротрещин начинается, когда характерный размер R при постоянном числе трещин в единице объема N0 достигнет критической величины



(β-параметр модели). Стадия пластического деформирования материала характеризуется процессами роста и затекания пор. Процесс фрагментирования поврежденного трещинами материала и поведение разрушенного материала описывается в рамках модели пористой упругопластической среды аналогично тому, как это делается при феноменологическом подходе к расчету динамического разрушения.

Возможности моделей динамического разрушения пластических и хрупких материалов продемонстрированы путем сравнения данных математического моделирования по соударению стальных дисков разной толщины и удару медного диска по мишени, состоящей из слоя керамики АД-85 (относительный объем пор 6,5%) и ПММА, с экспериментальными. В первом случае в эксперименте регистрировалась зависимость скорости тыльной свободной поверхности мишени от времени процесса, во – втором – зависимость напряжение – время на поверхности раздела керамика – ПММА.


^ Во – второй главе исследованы возможности использования разработанного метода расчета путем решения в полной трёхмерной постановке широкого круга тестовых задач, каждая из которых имеет самостоятельное научное значение. Тестирование модели динамического разрушения пористых хрупких материалов проводилась на высокопрочной пористой керамике и металлокерамике, так как ранее именно эти материалы использовались при решении задач удара в рамках рассмотренной модели в плоской одномерной и двумерной осесимметричной постановках. В полной трехмерной постановке проведено решение задач о взаимодействии цилиндрического компактного элемента h=d0=8мм с жестким препятствием. Скорость удара 250 м/с. Расчет проведен для трёх материалов: стали, корундовой керамики АД-85 и металлокерамики на основе диборида титана и карбида бора. Первый материал пластичный, два других – хрупкие. Рассмотрены особенности динамического разрушения разных по физико-механическим характеристикам материалов. Задача о взаимодействии частиц с жестким препятствием возникает при анализе процессов измельчения частиц из хрупких материалов в пневмоциркуляционных аппаратах для получения субмикронных порошков, необходимых для изготовления новых конструкционных материалов.

Для выявления масштабного эффекта ударно-волнового механизма разрушения хрупких материалов, моделировался процесс соударения сферических частиц трёх диаметров 0,1 мм,1 мм и 10 мм с жесткой стеной, со скоростями 100 и 300 м/с. Это соответствует встречному соударению двух одинаковых по массе и размеру частиц, имеющих скорости 50 м/с и 150 м/с, соответственно. Анализ результатов показывает, что частица диаметром 0,1 мм при данных скоростях не разрушается. В частице диаметром 1 мм отмечается частичное разрушение при скорости 300 м/с. При диаметре частицы 10 мм наблюдается её частичное разрушение при скорости 100 м/с и полное при – 300 м/с. Моделировалось также многократное соударение (до четырех раз) не разрушенных или частично поврежденных частиц. Частица диаметром 0,1 мм при четырёхкратном соударении с жесткой стенкой со скоростью 300 м/с разрушается только на половину объема. Частица диаметром 1 мм при этой скорости разрушается практически полностью уже при повторном соударении.

На рис. 1 приведена конфигурация частицы диаметром 1 мм при первом и втором соударении с жесткой стенкой со скоростью 300 м/с до момента времени 44 мкс.



Рис. 1. Разрушение сферических частиц о жесткую преграду во времени


Таким образом, чем меньше характерный размер частицы, тем большая скорость соударения необходима для её разрушения. Это связано с тем, что интенсивность формирующейся волны сжатия в частице большего размера выше, а следовательно и порождаемые ею волны разгрузки, которые приводят к фрагментации частицы, имеют большую интенсивность.

Кроме того, время действия нагрузок существенно увеличивается с увеличением размера частицы. В результате этого период роста микротрещин увеличивается, что позволяет прорасти им до критической величины.

С целью выявления особенностей проникания ударников из хрупких материалов в деформируемые мишени рассматривалось решение задачи о соударении металлокерамического ударника, имеющего форму параллелепипеда (9,3×9,3×30 мм), со скоростью 870 м/с с алюминиевой полубесконечной плитой. На рис. 2 приведено сравнение результатов численного моделирования с данными специально поставленного аналогичного эксперимента. Видно, что в эксперименте и в расчете на дне кратера находится как разрушенный, так и частично не разрушенный спрессованный материал ударника, кратер имеет качественно подобную форму, состоящею как бы из двух перевернутых конусов, вставленных друг в друга. Наружный конус выходящий на лицевую поверхность, расширенный.




Рис. 2. Экспериментальный и расчетный кратера в алюминиевой мишени при ударе металлокерамическим ударником.


Внутренний конус, уходящий в глубину мишени, зауженный. Он образуется под действием мелких частиц разрушенного материала ударника. Различие по глубине кратера составляет 3 %, по выходному диаметру кратера 30%. Результаты проведенных тестовых расчетов показали, что данная методика может быть использована для расчета прочности элементов конструкций из хрупких материалов при повторных ударных нагрузках, что очень важно при проектировании сейсмостойких сооружений.


^ В третьей главе проведен анализ двух подходов к расчету динамической прочности бетона – феноменологического и подхода, рассматривающего динамическое разрушение как процесс роста и слияния микродефектов под действием образующихся в процессе нагружения напряжений. Параметры модели определялись путём привязки к экспериментальным данным по ударному нагружению плит из мелкозернистого бетона стальными ударниками при скоростях соударения 130-750 м/с. Ударники представляли собой цилиндры диаметром 7,6 мм и высотой 22,8 мм.

Результаты расчетов и данные экспериментов для двух скоростей удара приведены в таблице 1. Использованы следующие обозначения: u0-скорость соударения в м/с; Lk - глубина кратера в мм; Dk-диаметр лицевого откола; d0-диаметр ударника; I-расчет по феноменологической модели; II-расчет по предложенной модели; III-эксперимент


Таблица 1

Результаты расчетов и данные экспериментов





u0=244 м/с

u0=370 м/с

Lk,

Dk

Lk,

Dk

I

17,3

4%

2,4 d0

-

24,6

12%

3,8 d0

28%

II

16,3

9%

4,5 d0

-

26,6

5%

6 d0

13%

III

18

-

-

-

28

-

5,3 d0

-


При сравнении данных по диаметру лицевого откола наблюдается больший разброс результатов расчетов с экспериментом. Так, например, если при феноменологическом подходе максимальный диаметр лицевого откола для указанных скоростей удара составляет 2,4 d0 и 3,8 d0, то для изложенной модели 4,5d0 и 6,0 d0. В эксперименте удалось измерить лицевой откол только для скорости удара 370 м/с. Его максимальная величина составляет 5,3 d0, что отличается от расчетных на 28% и 13%. С учетом работ других авторов, которые отмечают, что лицевые отколы в бетоне при нагружении ударниками в данном диапазоне скоростей составляют 4-6 d0, можно констатировать, что результаты, полученные по предложенной модели более точно описывают имеющиеся эксперименты.

При расчете железобетонных плит слой бетона с арматурой заменялся упругопластической средой (рис.3), представляющей собой гомогенную двухфазную смесь материалов стали и бетона, начальная плотность которой определяется по формуле

,

где n1, n2, , – начальные объемные концентрации и плотности стали и бетона (n1 + n2 = 1).

Объемные концентрации определяются через площади, занятые сталью и бетоном в сечении, перпендикулярном направлению арматурного стержня:

.

где L-длина, n - число арматурных стержней в полосе на длине L, d1- диаметр стержня.



Рис. 3. Схема железобетонного сечения


Уравнение состояния железобетона (смеси) имеет вид



где h = , u - удельный объем смеси, gs – коэффициент Грюнайзена, .

Коэффициенты и линейной зависимости скорости ударной волны D в смеси от массовой скорости D= определяются через ударные адиабаты компонент смеси :

( i =1, 2).

Коэффициент Грюнайзена для смеси определяется через коэффициенты Грюнайзена компонентов

.

В переменных () ударная адиабата смеси имеет вид



Используя для смеси соотношение на ударной волне

D=

можно построить зависимость скорости ударной волны от массовой скорости и определить и .

Модуль сдвига смеси m0S и предел текучести sTS определяются по формулам

, ,

где массовые концентрации стали (i=1) и бетона (i=2) в армированном слое бетона, , (i=1,2) соответственно модули сдвига и пределы текучести компонентов смеси.

В таблице 2 представлены параметры модели гомогенной смеси для некоторых объемных концентраций стали и бетона, используемые в дальнейших расчетах.

Для верификации модели деформирования и разрушения железобетонных плит при ударном нагружении были проведены экспериментальные исследования. Бетонные плиты толщиной 24 и 36 мм армировались двумя слоями стальной сетки вблизи лицевой и тыльной поверхностей. Диаметр стальной проволоки 1,2 мм, размер ячейки 5х5 мм. Ударник представлял собой либо компактный цилиндр (высота равна диаметру и равна 7,65 мм), либо удлиненный цилиндр диаметром 7,65 мм и высотой 23 мм. Диапазон скоростей соударения 340-750 м/с.


Таблица 2

Параметры модели гомогенной смеси сталь – бетон




0,200

0,330

0,785



0,800

0,670

0,215

m1

0,470

0,640

0,930

m2

0,530

0,360

0,070

, г/см3

3,330

4,080

6,640

с0, км/с

2,580

2,780

3,150

q

1,500

1,490

1,500

, ГПа

2,120

2,520

7,350

, ГПа

0,130

0,210

0,260

, ГПа

0,086

0,150

0,170

gs

2

2

2



1,300

1,310

1,430



0,500

0,600

0,930


На рис.4,а представлены фотографии лицевого и тыльного отколов в железобетонной плите толщиной 24 мм, при ударе компактным стальным цилиндром со скоростью 458 м/с. На рис.4,б приведен результат расчета, полученный в рамках изложенной выше модели, в виде изометрической проекции сечения ударника и железобетонной плиты плоскостью симметрии, иллюстрирующего картину разрушения железобетонной плиты в момент полной остановки ударника. Как и в эксперименте в плите образовались лицевой и тыльный отколы. Ударник, пробив два слоя армирующей сетки, расположенные у лицевой поверхности преграды, остановился при соприкосновении с армирующими слоями у тыльной поверхности.

На рис. 5,а приведены фотографии лицевой, тыльной поверхностей и поперечный разрез железобетонной плиты толщиной 24 мм после ударного взаимодействия с удлиненным цилиндрическим ударником со скоростью 462 м/с.


Рис. 4. Разрушение железобетонной плиты стальным цилиндрическим ударником со скоростью 458 м/с: а – эксперимент; б - расчет


Рис. 5. Разрушение железобетонной плиты стальным цилиндрическим ударником со скоростью 462 м/с: а – эксперимент; б - расчет


На рис 5,б представлены картины разрушения в железобетонной плите, рассчитанные в рамках феноменологического подхода (верхний) и по модели изложенной выше (нижний). Различие результатов в первом варианте расчета с данными эксперимента по запреградной скорости ударника составляет 6%, по диаметру лицевого откола -3%, по диаметру тыльного откола -26%. Различие результатов во втором варианте расчете с экспериментальными данными по запреградной скорости ударника составляет -4%, по диаметру лицевого откола -3%, по диаметру тыльного откола -26%. Сравнительно большое различие по диаметру тыльного откола связано с тем, что максимальный размер преграды в расчетах был ограничен 5,8 d0, в то время как в экспериментах тыльный откол достигал величины 7,8 d0, (d0 – диаметр ударника).

Приведенное сравнение данных математического моделирования с результатами проведенных экспериментов показало удовлетворительное согласование для обоих подходов, что позволяет использовать их при расчете разрушений в железобетоне в условиях динамического нагружения. Преимущество предложенной модели рассматривающей разрушение как процесс роста и слияния микродефектов, заключается в том, что она может быть использована при исследовании прочности железобетонных элементов на многократный удар.

^ Четвертая глава посвящена расчету прочности конструкций из бетонных и железобетонных плит при взаимодействии с модельными снарядами. Приведенные в работе модели деформирования и разрушения бетонных и железобетонных плит и мягкого грунта позволяют рассчитывать прочность конструкций, состоящих из слоев бетона или железобетона и мягкого грунта при внедрении в них и подрыве на различной глубине ударников, начиненных взрывчатым веществом.

В работе выполнен расчет взаимодействия ударников диаметром 7,6 мм и удлинением 4d0 c двумя типами преград. Первая преграда представляет собой двухслойную конструкцию, состоящую из слоя сухого песка толщиной 5,6 d0 и слоя бетона толщиной 3,68 d0. Во второй преграде первый и третий слои состоят из бетона, между ними расположен слой сухого песка. Толщина всех слоев одинакова и составляет 2,98 d0. Пробитие первого типа преград произошло при скорости удара 420 м/с и угле встречи 200 (Рис 6,а). Пробитие ударником второго типа преграды при указанных условиях не происходит (рис. 6,б). Ударник остановился при взаимодействии со второй бетонной плитой. На рис 6,в представлены картины разрушения преграды второго типа модельными снарядами при соударении со скоростью 800 м/с под углом 20º. К моменту времени 198 мкс наряду с мелкими осколками наблюдается отделение от преграды крупного куска бетона и движение его вниз. После пробития преграды скорость ударника составляет 235 м/c.

Ниже приведены результаты численного расчета взаимодействия ударника аналогичной геометрии, но содержащего заряд ВВ, с рассмотренной выше преградой и прежних условиях соударения.

В связи с тем, что ударник представляет собой, по сути, стальную оболочку, заполненную ВВ, то наблюдается значительная деформация головной части и имеет место его изгиб (рис. 7,а).


Рис. 6. Разрушение преград первого и второго типа при скоростях

ударника : а –420 м/с, б - 420 м/с, в-800 м/с




Рис.7. Разрушение слоистой преграды ударником с ВВ, скорость 800 м/с.


На рис. 7.б видно расширение продуктов разложения ВВ и вздутие стальной оболочки ударника. В дальнейшем происходит взаимодействие осколков разрушенной оболочки и продуктов реакции ВВ с материалами (песок, бетон) преграды.

На рис. 7в показана конфигурация преграды на момент окончания расчета. Ударник и продукт разложения ВВ на рисунке не приведены. Видно катастрофическое разрушение преграды, которое со временем станет еще больше, так как максимальное давление в продуктах детонации к данному моменту времени еще значительное и составляет приблизительно 5 ГПа.

В данной главе проведен расчет прочности железобетонных стен обстройки реакторного отделения АЭС на действие от летящего предмета. Армирование выполнено двумя сетками с ячейкой 120×120 мм арматурой класса А-III, диаметром 32 мм. Сетки симметрично расположены в плите относительно её срединной поверхности с защитным слоем 30мм. Масса ударника 164,6 кг. Методом компьютерного моделирования исследовалось влияние скорости удара и армирование плиты на процессы разрушения железобетонных плит. Расчет проведен для трех скоростей удара: 50м/с; 300 м/с; 500 м/с.На рис. 8 приведена картина разрушения железобетонной плиты при скорости удара 300 м/с.




Рис. 8. Разрушение железобетонно плиты толщиной 600 мм

при скорости удара 300 м/с.


В следствии откольного разрушения бетон над первым армированным слоем полностью выкрошился. В обоих армированных слоях образовались сквозные отверстия диаметром 1,2 d0. С тыльной стороны плиты в бетоне произошел откол диаметром 3 d0. Армирование плиты привело к уменьшению скорости ударника в запреградном пространстве на 26,7 % по отношению к запреградной скорости ударника при пробитии бетонной плиты.


^ Основные результаты и выводы


  1. Разработана физико-математическая модель поведения бетонной и железобетонной сред для расчета динамической прочности плит на ударные нагрузки в диапазоне скоростей до 1000 м/с.

  2. Разработан блок подпрограмм комплекса «РАНЕТ-3» для расчета прочности железобетонных плит при высокоскоростном ударе.

  3. Проведены экспериментальные исследования бетонных и железобетонных плит на действие стальных цилиндрических ударников. Определены запреградные скорости ударников, глубины их внедрения в преграды, а также лицевые и тыльные отколы.

  4. Проведено сравнение данных математического моделирования с результатами экспериментов. Показано, что предложенная физико-математическая модель и алгоритмы расчета могут быть использованы при оценке прочности железобетонных плит на высокоскоростной удар.

  5. Проведен анализ двух подходов к расчету динамической прочности бетона – феноменологического и подхода, рассматривающего разрушение как процесс роста и слияния микродефектов под действием образующихся в процессе нагружения напряжений. Сравнение с результатами проведенных экспериментов показало удовлетворительное согласование для обоих подходов. Показано, что преимущество модели разрушения как процесса роста и слияния микродефектов в том, что она позволяет проводить расчет прочности бетона при неоднократном высокоскоростном ударе.

  6. Поставлена и решена задача о расчете прочности конструкций из бетонных плит разделенных слоем песка при внедрении в них модельных снарядов.

  7. Проведен расчет прочности железобетонных стен обстройки реакторного отделения АЭС на действие от летящего предмета. Исследовано влияние скорости удара и армирования плиты на процессы разрушения.


^ Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:


  1. Математическое моделирование процессов проникания ударников в преграды из песка и бетона / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, О.Г. Кумпяк, А.В. Радченко, Д.Г. Копаница, Л.А. Валуйская, А.А. Югов // Вестник ТГАСУ.- 2003.-№2.-С. 169-179.

  2. Исследование процессов ударного взаимодействия частиц керамических материалов в пневмоциркуляционном аппарате / Н.Н. Белов, Ю.А. Бирюков, Н.Т. Югов, А.Т. Росляк, С.А. Афанасьева, А.А. Югов // Вестник ТГАСУ.-2003.- №2.-С. 112-128.

  3. Проникание стальных ударников в конструкции из бетона и песчаного грунта / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, А.А. Югов, [и др.] // Вестник ТГАСУ.- 2003.- №1.- С. 5-12.

  4. Расчет прочности железобетонных плит при высокоскоростном ударе / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов [и др.] // Вестник ТГАСУ.-2004.-№1.-С. 71-80.

  5. Математическое моделирование проникания стальных ударников в гранулированную сыпучую среду / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, С.А. Афанасьева, А.А. Югов // Механика композиционных материалов и конструкций.- 2004.-Т. 10.-№1.-С. 108-117.

  6. Исследование особенностей разрушения керамики и металлокерамики на основе диборида, титана и карбида бора в условиях высокоскоростного удара / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, С.А. Афанасьева, А.А. Югов [и др.] // Механика композиционных материалов и конструкций.-2005.-Т. 11.-№1.- С.113-126.

  7. Расчет прочности конструкций из бетонных и железобетонных плит при высокоскоростном ударе / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов [и др.] // ПМТФ.-2005.-Т. 46.-№3.-С. 165-173.

  8. Расчет прочности железобетонных стен обстройки реакторного отделения АЭС на удар телом конечной жесткости / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов // Научные труды общества железобетонщиков Сибири и Урала. Вып. 8 Новосибирск: НГАСУ.-2005.-С. 116-119.

  9. Прочность железобетонных плит на ударные нагрузки / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов // Строительство: материалы, конструкции, технологии. Материалы III Межрегиональной науч.-тех. конф. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ».-2005.-С 73-79.

  10. Разрушение бетонных и железобетонных плит при высокоскоростном ударе и взрыве / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, С.А. Афанасьева, Д.Г. Копаница, А.А. Югов // Доклады академии наук. 2005.-Т.401.-№2.-С. 185-188.

  11. Расчет прочности бетонных конструкций на ударные нагрузки / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов [и др.] // Строительство: материалы, конструкции, технологии. Материалы III Межрегиональной науч.-тех. конф. Братск: ГОУ ВПО «БрГУ».-2005.-С. 87-92.

  12. Mathematical modeling of strikers penetration processes into concrete and sandy barriers / N.N. Belov, O.G. Kumpiak, N.T. Yugov, D.G. Kopanitsa, A.A. Yugov // Repair and Renovation of Concrete Structures. Scotland, UK: Thomas Telford.-2005.-Р. 87-94.

  13. Расчетно-экспериментальный метод исследования особенностей поведения металлокерамики TiB2+B4C при ударно-волновом нагружении / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, С.А. Афанасьева, А.А. Югов [и др.] // Вестник ТГАСУ.- 2005.-№1.-С. 5-14.

  14. Модель разрушения мелкозернистого бетона / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов // Вестник ТГАСУ.-2005.-№2.-С. 14-22.

  15. Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, А.А. Югов. Динамика высокоскоростного удара и сопутствующие физические явления. – Томск: SST.- 2005.-360 с.

  16. Разрушение хрупких материалов при многократном ударе / Н.Н. Белов, О.В. Кабанцев, А.А. Югов, А.Н. Овечкина // Доклад на IХ Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике. Нижний Новгород. 22-28 августа 2006 г.

  17. Исследование динамической прочности элементов железобетонных конструкций / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, О.В. Кабанцев, А.А. Югов, А.Н. Овечкина // Международная научная конференция «Проблемы баллистики -2006». Пятая международная школа-семинар. «Внутри камерные процессы, горения и газовая динамика дисперсных систем» Санкт-Петербург, 19-23 июня 2006 г., сборник материалов. Том III Санкт-Петербург.-2006.-С. 70-73.

  18. Расчет прочности железобетона на ударные нагрузки / Н.Н. Белов, О.В. Кабанцев, А.А. Коняев, Д.Г. Копаница, В.Ф. Толкачев, Н.Т. Югов, А.А. Югов // ПМТФ.-2006.-Т. 47.-№6.-С. 165-173.

  19. Расчетно-экспериментальный метод анализа динамической прочности железобетонных конструкций / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, О.В. Кабанцев, А.А. Югов, А.Н. Овечкина // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений.-2006.-№ 4.-С. 39-45.

  20. Разрушение железобетонных плит при высокоскоростном ударе / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, О.В. Кабанцев, А.А. Коняев, В.Ф. Толкачев, А.А. Югов // Вестник ТГАСУ.-2006.-№1.-С. 5-9.

  21. Анализ прочности моделей бетонных железобетонных колонн при двукратном продольном ударе расчетно-экспериментальным методом / Н.Н. Белов, Н.Т. Югов, Д.Г. Копаница, О.В. Кабанцев, А.А. Югов, А.Н. Овечкина // Вестник ТГАСУ.- 2006.-№1.-С. 10-19.



Подписано в печать _________.

Заказ № _____. Уч.-изд. л. 1.

Тираж 120 экз. Офсетная печать ООП ТГАСУ

634003, Томск, ул. Партизанская, 15



Добавить документ в свой блог или на сайт


Похожие:



Если Вам понравился наш сайт, Вы можеть разместить кнопку на своём сайте или блоге:
refdt.ru


©refdt.ru 2000-2013
условием копирования является указание активной ссылки
обратиться к администрации
refdt.ru