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

Bộ giáo dục vμ đμo 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

Cục Giám định Nhà nước các công trình xây dựng

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án Tiến sĩ kỹ thuật cấp Nhà nước họp tại Học viện Kỹ thuật Quân sự

Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại:

• Thư viện Quốc gia

• Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

mở đầu

1 Tính cấp thiết của luận án

Trong chiến lược 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 được đặt hàng đầu Việt Nam, một đất nước đang trên

đà phát triển, có tốc độ đô thị hóa ngày một nhanh Để nâng cao khả năng phòng thủ đất nước, 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 lưỡng dụng như các tầng hầm dưới 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 lưỡng dụng của các công trình PTDS nên khi tính toán thiết kế chúng, ngoài các tải trọng thông thường phải quan tâm đến một loại tải trọng đặc biệt: tải trọng

nổ do bom đạn gây ra Do loại tải trọng nổ có cường độ thường là rất lớn, nếu toàn bộ công trình (cả phần nổi và phần ngầm) đều được thiết kế để chịu được tải trọng này thì sẽ không kinh tế Để giảm giá thành xây dựng, các công trình PTDS được thiết kế theo quan

điểm bảo vệ hợp lý theo đó phần nổi kết cấu chỉ cần thiết kế chịu được các tải trọng thông thường thời bình, còn khi chịu tác dụng của sóng nổ (thời chiến) phần nổi này có thể bị phá hoại Trong trường 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 được chọn theo hướng:“ 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 phương 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 hưởng của các tham số tải trọng, vật liệu kết cấu đến trạng thái nội lực và chuyển vị của hệ Trên cơ sở đó, đưa ra các kiến nghị khi tính toán và thiết kế loại công trình trên

3 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

- Tải trọng: tải trọng do nổ trên mặt đất hoặc trong không khí

- Đối tượng tính toán của kết cấu là phần ngầm của công trình như là một bộ phận độc lập

đối với phần nổi (tương ứng với trường 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 được 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 trường để kiểm tra kết quả nghiên cứu lý thuyết Để tính toán kết cấu sử dụng phương

pháp phần tử hữu hạn (pp PTHH)

4 ý nghĩa khoa học và thực tiễn

• Luận án đã góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán thiết kế các công trình PTDS

bao gồm:

- Phương pháp xác định tải trọng sóng nổ lên nóc tầng hầm có kể đến sự giảm tải trọng

và tiêu hao năng lượng do sự phá hoại của kết cấu phần nổi

- Tính toán công trình chịu tác dụng sóng nổ có xét đến tương 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 chương, cùng với 21 bảng, 49 sơ đồ, hình vẽ và ảnh, ngoài ra còn có 57 tài liệu tham khảo

và phần phụ lục kèm theo Ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung chính của luận án

được trình bày trong 4 chương:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Xác định tải trọng sóng nổ tác dụng lên kết cấu công trình PTDS

- Chương 3: Thiết lập các phương trình, thuật toán để tính toán công trình PTDS chịu

tác dụng tải trọng sóng nổ

- Chương 4: Nghiên cứu bằng số về ảnh hưởng của các tham số tính toán đến trạng thái chuyển vị - nội lực của công trình Phòng thủ dân sự

Chương 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 thương đối với công trình

1.3 Các phương pháp tính toán kết cấu công trình Phòng thủ dân sự chịu tác dụng của sóng nổ

• Các phương pháp giải tích

• Các phương pháp số

1.4 Kết luận chương 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 được 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 nước 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 được 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 được 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

lược và cách đánh hiện nay của địch cho thấy: tác dụng sát thương 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 trước 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 được 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 được nghiên cứu

• Trong các mô hình tính kết cấu công trình PTDS, mô hình có kể đến sự tương tác giữa

các bộ phận của kết cấu (kể cả tương tác kết cấu-nền), khi chịu tải trọng nổ ngoài phản lực sóng của nền thì phản lực của môi trường lên kết cấu được thay bằng phản lực nền Ωinkler chưa được quan tâm thích đáng Do tính phức tạp của mô hình tính và cách đặt bài toán như trên thì phương pháp tính có hiệu quả nhất là phương pp PTHH

Từ các kết luận trên tác giả đã chọn được đề tài với mục đích, nội dung, phạm vi và phương pháp nghiên cứu như đã trình bày trong phần mở đầu của luận án

Chương 2

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 tương 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 tường của công trình sẽ xuất hiện hiện tượng phản xạ và gây nên tải trọng tác dụng lên tường của công trình PTDS SXK tương tác với kết cấu nhà, áp lực sóng có thể lọt qua các lỗ cửa hoặc phá hoại kết cấu tường bao che của nhà Quá trình đó đã làm giảm năng lượng và thay đổi biểu đồ áp lực sóng tác dụng lên nóc công trình so với năng lượng và biểu đồ áp lực sóng ban đầu Hiệu ứng giảm tải trọng do nổ khi xét tới phá hoại kết cấu nổi từ trước đến nay ở nước ta (kể cả trong tính toán công trình quân sự và công trình PTDS) chưa được nghiên cứu

Vì vậy, trong chương này sẽ phân tích các dạng tải trọng do sóng nổ gây ra và hoàn thiện về phương 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 tương 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

ΔP φ

O Y

X z

3 Khi tính toán các hệ số tác dụng tương hỗ giữa đáy tầng hầm và nền đất, tầng hầm

được coi như vật thể cứng tuyệt đối, sự dịch chuyển của tầng hầm chủ yếu do chuyển

động của tầng hầm theo phương thẳng đứng, bỏ qua lực ma sát giữa tường của tầng hầm với nền đất

4 Nền đất đàn hồi tuyến tính (ĐHTT) có kể đến tính nén động của đất được thể hiện qua độ cứng âm học của nền đất (phản lực sóng của nền khi tương tác với kết cấu)

2.2.2 Thiết lập các phương trình tính tham số sóng nổ khi tường bao che của nhà bên trên bị phá hoại

• Tương tác giữa sóng xung kích với kết cấu nhà

Khi vụ nổ xẩy ra sẽ hình thành SXK, quá trình tương tác SXK với công trình trên mặt

đất thể hiện trên hình 2.6 Hiện tượng phản xạ và chảy bao với các tham số xác định như sau:

áp lực lên tường trước:

2 , 7 P

P 6 P 2 P

2

Δ + Δ

= Δ

trong đó: H * = min( H ; b / 2 ),b;H- tương ứng là chiều rộng và chiều cao công

trình, L- chiều dài công trình, D Φ- tốc độ lan truyền sóng xung kích

a Bắt đầu tương tác; b SXK chảy bao công trình; c Công trình bị dìm trong SXK

Hình 2.6 Tương tác sóng xung kích với chướng ngại Khi tường 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 như hình 2.7, vớiΔ P 1theo đồ thị hình 2.8a Thời gian tăng tải t 1=t c,t c- thời gian sóng nổ lan truyền vào trong kết cấu nổi được xác định theo đồ thị hình 2.8b

0,7 0,4 0,2 0,5 0,1

10 6 3 1 0,6 0,1 0,3 0,5 1 2 4 7

ΔP 1

ΔP φ

1,50 0,14

0,06 0,03 0,02 0,05

0,22 0,18

F/V

t c(giây)

0,50 1,00 0,10

0,07 0,09

0,26

2,00 6,00

• 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 tường trước Không xét tới biến dạng của hệ khung chịu lực khi tường trước bị phá hủy Tải trọng động tác dụng vuông góc với tường trước gồm 2 hàm: (P NvàP TRdo áp lực SXK tác dụng ở phía trước và sóng lọt vào nhà tác dụng từ phía sau) được coi như tác dụng đồng thời

Hình 2.9 Sơ đồ phá hủy tường gạch xây Xét bức tường dưới tác dụng của sóng nổ, 2 nửa tường sẽ xoay như các miếng cứng hình 2.9 Phương trình vi phân chuyển động của tường trong giai đoạn 1 cho tới khi vùng nén bị phá hoại là:

) t ( P A ) t ( A ) t (

trong đó: A 1- hệ số kể đến ảnh hưởng khối lượng của tường, A 2- hệ số kể đến ảnh hưởng độ cứng của tường, A 3- hệ số kể đến ảnh hưởng biên độ tải trọng

1

d

H 1 12

d m

2

H

y E 5 , 1

4

H A 2

3 = , (2.27) ,

,

H , ρc là chiều cao hàng gạch xây, và mật độ vật liệu, P ( t ), ϕ, là tải trọng động trên một đơn vị chiều cao tường và góc xoay, mc- khối lượng trên một đơn vị dài của tường, mc = ρcdH, E k = 0 , 5 E 0- mô đun biến dạng khối xây, E 0- mô đun đàn hồi khối xây, y0= 0 , d- chiều cao vùng nén khối xây tại tiết diện có khớp dẻo

trong đó: P Nxác định theo hình 2.10, P TRxác định theo hình 2.11

Hàm P ( t ) là hàm tuyến tính trên từng đoạn, trên đoạn thứ nhất có dạng:

TR

P )

ư

= τ

1

cb 1 max 1 cb

ư

= ϕ λ +

1

3 1 2 1

t 1 P A

A ) t ( )

A P )

ư τ

ư λ

λ + λ λ λ

=

2 3

* 1

1 t cos t sin A

A P )

0 t gh

ư δ

t A

A P )

6

t 2

t A

A P )

t

3 2 1 1

=

trong đó: ϕ 1 = ϕ ghxác định theo (2.38), ϕ& 1xác định từ (2.36) vớit = t p1

Tại thời điểm mất ổn định của tường góc xoay ϕ = ϕ p, hình 2.9b, thì biểu thức xác định

Biểu đồ tính toán hình 2.7, các tham số của sóng lọt vào nhà được xác định:

- Thời gian tăng tải: t1= min( tp tc), (2.44)

trong đó: t p- thời gian phá hoại tường nhà, được xác định theo (2.43), t c- 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 được xác định theo đồ thị hình 2.8b

Φ ư τ Δ

=

• Tham số của sóng lọt vào nhà tường gạch không có lỗ cửa

- Để xác định tham số sóng lọt vào nhà do tường phá hoại cần giả thiết:

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 tường

trong các giai đoạn bị phá hoại

tuân theo quy luật, hình 2.12

cửa

- Thời gian hình thành toàn bộ lỗ hổng ở tường ( α = 1 ), xác định theo công

trong đó: t pvàt p1xác định từ (2.43), (2.38),t 3-thời điểm tường bị phá hủy hoàn toàn

- Để xác định t 3 xét sơ đồ tính hình 2.12, hệ số lỗ thủng của tường thay đổi theo thời gian:

ư ϕ +

=

1 ) cos(

1 cos 2

Hgt cos

sin t ) t.

( 1 H

b

f f f f f f

P P 2

2 1 0 3 2 1

dễ phá

Hình 2.15 Biểu đồ tải trọng lên nóc công trình dưới tường bao không lỗ

cửa

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

được xác định theo công thức: P P n b

max n

max = Δ (kG/cm),(2.57) trong đó: n

max

P

Δ - áp lực cực đại lên nóc công trình, b - chiều rộng tính toán của kết cấu

• Đối với công trình PTDS dưới nhà cao tầng, tường bao của nhà có lỗ cửa thì biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng lọt như hình 2.11

• Đối với công trình PTDS nằm độc lập, hoặc nằm dưới phần nhà cao tầng có tường bao

là vật liệu dễ phá hủy biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng xung kích như hình 2.14

• Đối với công trình PTDS dưới nhà cao tầng, tường bao của nhà không có các lỗ cửa, biểu đồ tải trọng tác dụng lên nóc công trình có dạng sóng nén như hình 2.15

2.3.2 Tải trọng tác dụng lên đáy công trình PTDS

Biểu đồ tải trọng dưới đáy công trình có thể xấp xỉ dạng hình 2.15, với giá trị cực đại xác

max d

P - tải trọng cực đại tác dụng lên nóc, K m- hệ số tương hỗ giữa đáy công trình và nền

đất được xác định từ bài toán tương tác giữa đáy công trình với nền đất

• Trường hợp tường bao của nhà có lỗ cửa

ư

ư β

ư τ

ư +

t

t 1 ln R

1

t

1 1 m

1

n max m d

1 1

t t τ t

τ ln R

1 t

1 1 1

m 1

1 1 ) t t ( R 1 1

1 1 m 1 1 m m

t τ

t e

t τ

τ ) t R 1 t.

R

1 t τ t t 1

2.3.3 Tải trọng tác dụng lên tường 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 tường của công trình được xác định:

px b t px

b m T

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 trường hợp: công trình nằm độc lập, công trình dưới nhà tường gạch có và không có lỗ cửa khi xét tới sự phá hủy của kết cấu tường 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

2.6.2 Mô hình thí nghiệm và thiết bị thí nghiệm

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 trường

2.6.3 Kết quả đo và so sánh với kết quả tính toán

• Trường hợp 1: Công trình PTDS dưới mô hình nhà tường bao là vật liệu dễ phá Kết quả

ghi bảng 2.3, đồ thị như hình 2.20

0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50

Nhận xét: Kết quả trong bảng 2.3 cho thấy, khi thí nghiệm và tính toán với cùng một

khoảng cách, cùng lượng nổ TNT, giá trị trung bình về áp lựcΔP Φsai khác nhau không quá 25%

• Trường hợp 2: Mô hình nhà có tường bao là tấm gạch xây hoặc tấm panen, tương ứng

nhà trên nóc công trình PTDS với tường bao có cửa Kết quả ghi bảng 2.4, đồ thị như hình 2.21

Hệ số lỗ cửa

ΔP1 (kG/cm2)

t1 (μs) L

ần

nổ

Vật liệu tườ

ng

Tườ

ng trướ

c

Tườ

ng sau

Φ

ΔP(kG/

cm2

)

max

P Δ

(kG/

cm2)

Thí nghiệ

m

Tính toán

Thí nghiệ

m

Tí

nh toá

Nhận xét:

- Kết quả trong bảng 2.4 cho thấy, các giá trị tham số sóng nổ khi thí nghiệm, không những phụ thuộc vào loại vật liệu, chiều dầy của tường mà còn phụ thuộc rất nhiều vào hệ số lỗ cửa, vị trí lỗ cửa so với hướng lan truyền sóng nổ

- Số liệu ở bảng trên cho thấy, trong tất cả các trường hợp thí nghiệm, áp lực sóng nổ sau khi lọt qua các lỗ cửa hoặc phá hủy tường nhà (Δ P max) đều nhỏ hơn

áp lựcΔP Φcủa sóng nổ khi không có tường nhà từ (6,9 ữ37,3)%

• Trường hợp 3: Mô hình nhà có tường bao là tấm gạch xây hoặc tấm panen, ứng với nhà

trên nóc công trình PTDS có tường bao không có lỗ cửa Kết quả ghi bảng 2.5, đồ thị như hình 2.22

Bảng 2.5

max

P Δ(kG/cm2) t1(μs)

g (cm)

Φ

ΔP(kG/cm

nghiệ

m

Tính toán

Thí nghiệ

m

Tín

h toán