автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Численное моделирование внутреннего взрыва бытового газа и его воздействия на кирпичные жилые здания

2932

/-'ч >.,(

На правах рукописи

Пепеляев Андрей Алексеевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ВЗРЫВА БЫТОВОГО ГАЗА И ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КИРПИЧНЫЕ ЖИЛЫЕ ЗДАНИЯ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пермь-2011

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кашеварова Галина Геннадьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Белостоцкий Александр Михайлович

кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Похилко Виктор Иванович

Ведущая организация: Институт ОАО "НИЦ "Строительство"

ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, г. Москва

Защита диссертации состоится декабря 2011 г. в /VУ/''часов на

заседании диссертационного совета Д 212.138.12 при ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет" по адресу: 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д.26, ауд._.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Московский государственный строительный университет"

Автореферат разослан » /¿/1///^/ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Анохин Н.Н.

йс.ННАЯ ЬиуЯИОТЕКА 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. К особой группе взрывоопасных объектов относится газифицированный жилой фонд. Статистика показывает, что в настоящее время только в Москве газифицированными остаются около 80% всего жилого фонда. Основной причиной взрывов бытового газа в жилых зданиях является человеческий фактор, исключить влияние которого практически невозможно. Такие ситуации как несанкционированное подключение к системе газоснабжения, халатность при пользовании газом и газовыми приборами в бытовых нуждах не представляется возможным контролировать или регулировать их предотвращение. Следовательно, проблему нужно рассматривать исходя именно из этого.

Актуальность настоящего научного исследования вытекает из сложившегося противоречия между необходимостью обеспечить механическую безопасность жилых зданий (состояние строительных конструкций здания или сооружения, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни или здоровью граждан, окружающей среде, вследствие разрушения или потери устойчивости здания, сооружения или их части), с одной стороны, и противоречиями, либо отсутствием рекомендаций, как это обеспечить в действующих нормативно-регламентированных методиках для проектировщиков и эксплуатирующих служб - с другой стороны.

Внутри замкнутых помещений взрыв бытового газа, как правило, имеет дефлаграционный характер, для которого необходимо наличие горючего газа или пара и воздуха, перемешанных в такой пропорции, чтобы эта смесь находилась между нижней и верхней концентрационными пределами взрываемости, а процесс взрывного горения является квазистатическим. Дефлаграционный взрыв - процесс дозвукового горения, при котором образуется быстро перемещающаяся зона (фронт) химических превращений. Передача энергии от зоны реакции в направлении движения фронта происходит за счет теплопередачи, в отличии от детонации, при которой зона превращений распространяется со сверхзвуковой скоростью и передача энергии происходит за счет ударного сжатия. Физические аспекты экспериментально исследованы и описаны профессором Комаровым A.A. Математические модели, адекватно описывающие формирование взрывной нагрузки, опирающиеся на классические труды по гидродинамике, а также на работы Аксенова A.A. Похилко В.И., Тишина А.П., реализованы в программном комплексе FlowVision. Математическая модель дефлаграционного горения газа в воздухе представляет собой совокупность уравнений конвективно-диффузионного переноса, которые описаны в модели слабосжимаемой жидкости (в отличие от модели полностью сжимаемой жидкости - при детонационном взрыве).

Наиболее опасен сценарий развития аварии, при котором здание переходит в стадию прогрессирующего разрушения, т.е. последовательного разрушения несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей.

Для того, чтобы понять, почему расположенные рядом здания, запроектированные с учетом рекомендаций нормативных документов, в одном случае выдерживают взрыв, а в другом разрушаются, необходимо уметь количественно оценивать интенсивность взрывной нагрузки в зависимости от факторов, влияющих на формирование взрывоопасного облака при взрыве бытового газа, и передавать эту нагрузку на пространственную расчетную модель здания, включающую элементы, которые в обычных эксплуатационных условиях являются ненесущими, а при наличии локальных воздействий активно участвуют в перераспределении нагрузки.

Многообразие конструктивных решений зданий и сооружений определяет многообразие их расчетных моделей и неоднозначность наиболее опасных схем их локального разрушения. На сегодняшний день существует большое количество методических и нормативных документов, позволяющих оценивать действие взрыва на здания и сооружения, но все они различны не только в расчетных показателях избыточного давления при внутреннем взрыве, но и в оценке воздействия поражающих факторов на конструкции строительных объектов.

Для конкретности рассматриваются наиболее массовые объекты строительства - кирпичные жилые здания.

Целью диссертационной работы является комплексное исследование проблемы механической безопасности кирпичных жилых зданий, включающее разработку, программную реализацию и верификацию методики расчета взрывной нагрузки и исследование воздействия этой нагрузки на конструкции здания для обоснования адекватности расчетной модели реальным процессам, на основе численного решения трехмерных задач гидрогазодинамики и механики деформируемого твердого тела.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ применимости результатов теоретических и экспериментальных исследований существующих методик и нормативной базы по определению и регулированию нагрузки при дефлаграционном взрыве бытового газа.

2. Разработка методики расчета интенсивности взрывной нагрузки, основанной на численном моделировании и решении уравнений гидрогазодинамики, и определение самых неблагоприятных поражающих факторов при взрыве бытового газа в помещениях типового здания с применением технологии математического планирования эксперимента.

3. Анализ существующих методов расчета кирпичных зданий на воздействие дефлаграционного взрыва, расчетных моделей и программных комплексов.

4. Разработка и реализация методики расчета деформирования и разрушения пространственной модели отдельного помещения и несущих конструкций типового здания; проведение анализа влияния последствий взрыва на несущие конструкции типового здания для выявления удачных и неудачных конструктивных решений с точки зрения взрывоустойчивости.

5. Решение комплексной задачи определения интенсивности взрывной нагрузки и воздействия ее на многоэтажное кирпичное здание. Разработка процедур обмена данных расчетной модели помещения между программами АК^УЭ и РкпуУшоп в виде исследовательского программного модуля для автоматизации применения разработанной методики.

6. Верификация разработанной методики и реализующего программного обеспечения на основе сравнения результатов вычислительных экспериментов с результатами влияния последствий взрыва на несущие конструкции реального строительного объекта.

Научная новизна работы.

Разработана и верифицирована методика численного моделирования дефлаграционного взрыва в помещениях жилого здания, на основе совокупности уравнений конвективно-диффузионного переноса, описанных в модели слабосжимаемой жидкости и математической модели горения Зельдовича с применением метода конечных объемов, позволяющая количественно оценивать интенсивность взрывной нагрузки и разрабатывать мероприятия для исключения наиболее опасного аварийного сценария.

- С помощью разработанной методики и метода математического планирования многофакторного эксперимента установлены зависимости избыточного давления при взрыве бытового газа от объема помещения, концентрации газа в смеси, размеров оконных (дверных) проемов.

- При изучении воздействия дефлаграционного взрыва на несущие конструкции здания выявлены конструктивные параметры, оказывающие наибольшее влияние на механическую безопасность здания.

Проведенные исследования показали, что расчеты на эквивалентную статическую нагрузку, рекомендуемую нормативными документами, дают заниженные и качественно отличающиеся результаты от расчетов на динамическое взрывное воздействие, а учет процесса разрушения материала снижает уровень напряженно-деформированного состояния.

Для решения комплексной связанной задачи гидрогазодинамики и прочностного анализа в разных программных комплексах FlowVision и ANSYS, разработан алгоритм и исследовательский программный модуль связки ANSYS Flow Vision, позволяющий автоматизировать процесс обмена информацией.

Предложена вычислительная технология оценки взрывоустойчивости и оценки степени поврежденности жилого кирпичного здания, которая использована для ретроспективного нелинейного анализа реального кирпичного здания, в котором произошел взрыв бытового газа.

Практическая значимость работы.

• Разработанные в диссертации методика математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также реализующие ее программные средства обеспечивают приемлемую практическую точность расчётов механической безопасности жилых кирпичных зданий при взрыве бытового газа, и могут быть использованы проектировщиками при оценке взрывоустойчивости строительных конструкций, как существующих зданий, так и при проектировании новых взрывоопасных объектов.

• Методика может быть использована при текущем определении технического состояния строительных конструкций взрывоопасных объектов, а также при прогнозировании ущерба от последствий внутренних взрывов на объектовом, местном и региональном уровнях;

• Полученные с использованием разработанной методики результаты могут быть применены для верификации специализированных программных комплексов.

Внедрение:

• Методика и программное обеспечение применялись при обследовании реального аварийного здания в г. Губаха Пермского края для анализа последствий взрыва бытового газа и оценки возможности прогрессирующего разрушения;

• В рамках программы «Научно-исследовательские университеты» разработаны «Методические рекомендации по выполнению индивидуальной научно-исследовательской работы студентов на тему "Исследование живучести кирпичных зданий при взрыве бытового газа в замкнутом помещении" для подготовки специалистов и магистров по направлению «Строительство»».

• Разработанная методика используется в практике обучения студентов кафедры "Строительная механика и вычислительные технологии" ПНИПУ по дисциплине "Численные методы решения задач строительства на ЭВМ" и «Основы САПР в строительстве».

• Работа поддержана грантом РФФИ № 08-08-00702-а «Механика закритического деформирования и вопросы прочностного анализа»

Личный вклад соискателя.

Все исследования, изложенные в диссертационной работе, алгоритмы, вычислительные эксперименты, их анализ, численное моделирование конструкций, зданий и сооружений, а также обработка результатов экспериментов и моделирования были выполнены автором работы лично.

На защиту выносятся:

• Методология численного моделирования воздействий дефлаграционного взрыва на несущие элементы замкнутого помещения и здания в целом, обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (определения взрывоустойчивости строительных конструкций существующих зданий, определения их технического состояния или прогнозировании ущерба от последствий внутренних взрывов)

• Методика определения самых неблагоприятных поражающих факторов и интенсивности взрывной нагрузки с применением технологии математического планирования эксперимента.

• Результаты исследования разных конструктивных решений и моделирования взрывного воздействия на напряженно-деформированное состояние и разрушение отдельных помещений и здания в целом.

• Вычислительная технология численного моделирования многоэлементной системы типового кирпичного здания и разработанный программный модуль для связки разных программных систем (АЫБУБ - Р1оду\Чзюп).

• Определение степени повреждения строительных конструкций здания в зависимости от интенсивности взрывной нагрузки и прочностных свойств материала с использованием теории многофакторного планирования эксперимента.

Достоверность полученных результатов обеспечивается:

• использованием апробированного математического аппарата (математические модели теории гидрогазодинамики и механики деформируемого твёрдого тела) и численных методов решения;

• согласованием полученных результатов с результатами обследования реального здания после аварии бытового газа.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на симпозиумах Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН) «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (Пермь, 2008 и Новочеркасск, 2010), на конференциях: "Механика сплошных сред как основа современных технологий" XVI Зимняя школа по механике сплошных сред, Уральское отделение Российской академии наук, Пермь, 2009 г. "Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов"(23 Международная конференция, г. Санкт-Петербург, 2009 г); "Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации" XII Всероссийская техническая конференция, 75 лет УК "Пермские моторы", г. Пермь, 2010 г.; "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах", X Международная конференция, Россия, г. Пермь, 2010 г.

Публикации. По тематике диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 работы в изданиях, включенных ВАК в перечень рекомендуемых.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы (101 наименования, в том числе - 7 на иностранных языках), 69 рисунков и 5 таблиц. Общий объём диссертации - 137 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится обоснование актуальности работы, определены проблемы, цели и задачи исследований, перечислены основные научные и практические результаты, приведено краткое содержание диссертации по главам.

В первой главе дается аналитический обзор по вопросам воздействия внутреннего взрыва бытового газа на здания и их конструкции и представлен анализ отечественной нормативной базы в ее развитии по обеспечению взрывоустойчивости зданий (A.B. Мишуев, Л.П. Пилюгин, А.И. Плотников, Б.С. Расторгуев, В.М. Ройтман, Д.З. Хуснутдинов и др.) и предотвращению их прогрессирующего обрушения. (В.О. Алмазов, У Бейкер, Я.Б. Зельдович, Ю.И. Кудишин, Ю.И. Стекольников, В.И. Травуш, В.В. Холщевников и др.).

Анализируются существующие методы определения интенсивности нагрузки при взрыве бытового газа в замкнутом помещении и факторы, оказывающие влияние на образование ударной волны (К.К. Андреев, А.Ф. Беляев, Ф.А. Вильяме, В.В. Воеводский, М.Г Годжелло, H.A. Гусев, Я.Б. Зельдович, В.В.Казеннов, A.A. Ковальский, А.А.Комаров, В.Н. Кондратьев, В.А. Котляревский, Г.Г Орлов, П.Ф. Похил, H.H. Семенов, Д.А. Франк-Каменецкий, Ю.Б. Харитон и др.). Особый интерес представляют экспериментально-теоретические исследования по дефлаграционному взрыву газавоздушной смеси в замкнутом объеме А.А.Комарова.

Изучены существующие подходы и методы решения задач гидрогазодинамики и их численной реализации (A.B. Бунэ, Л.Д. Ландау, В.М. Лифшиц, Е.М. Смирнов, A.M. Франк и др.), а также методики расчета зданий и конструкций здания на действие взрывных волн (Растогуев Б. С., Плотников А. И. Хуснутдинов Д. 3. А.А.Комаров, Котляревский В.А., Ревенко СЮ., Горев В.А., Федоров В.Н.).

Основу методологической и теоретической базы по численному

моделированию и прочностному анализу строительных объектов составили работы A.M. Белостоцкого, С.И. Дубинского, О.Зенкевича, Дж. Одена, A.B. Перельмутера, Б.Е. Победри, J1. Розина, А. Сегерлинда, Сливкера,Ф. Сьярле, В.И. и др.

Дано обоснование состава и структуры частных задач исследования и предполагаемые подходы к их решению.

Вторая глава посвящена математическому описанию задачи гидрогазодинамики в постановке Навье-Стокса, ее численной реализации методом конечных объемов, моделированию процесса взрыва внутри замкнутого помещения кухни для определения интенсивности взрывной нагрузки и самых неблагоприятных поражающих факторов с применением технологии математического планирования эксперимента.

Рассматриваются содержательная, концептуальная и математическая постановки задачи моделирования процесса взрыва бытового газа внутри замкнутого помещения.

Математическая модель горения газа в воздухе представляет собой совокупность уравнении конвективно-диффузионного переноса, которые описаны в модели слабосжимаем ой жидкости и включают в себя: - осредненные по числу Рейнольдса уравнения Навье-Стокса:

+ V{pV ® V) = - VP + [{/и + ц, )(V V + (V Vf)] + S

dt

df) +V(pK) = 0 dt

где: S=(p~p,,Jg + pB + R

pRJ*.

M 5{ph)

■ уравнение состояния: P^ -

- закон сохранения энергии

dt

i

(i - \ * +b С Pr.

vv

VA

+ Q

(i)

(2)

(3)

(4)

(5)

уравнение для скалярных величин описывающих концентрацию топлива, окислителя, продуктов сгорания, нейтрального газа, оксидов азота и маркеров:

(6)

Уравнения (1)-(6) замыкаются уравнениями стандартной к с модели турбулентности.

Здесь V - оператор Гамильтона, А — оператор Лапласа, р - давление, £ - время, V - коэффициент кинематической вязкости, р - плотность, о = (и1...и") - векторное

поле скоростей, / векторное поле массовых сил, И — высота столба жидкости, отсчитываемая от дна расчетной области, Ср удельная теплоемкость^, молекулярная теплопроводность, М молекулярный вес, р, турбулентная динамическая вязкость, Рг, турбулентное число Прандтля, Я0 универсальная газовая постоянная, 8с - число Шмидта, 5с, - турбулентное число Шмидта, О - кол-во теплоты, ц - молекулярная динамическая вязкость.

Неизвестные р и и являются функциями времени I и координаты х е О, где ПсЛ",« = 3 —трехмерная область, в которой движется жидкость или газ.

Моделирование процесса горения проводилось с использованием модели горения Зельдовича, в которой постулируется бесконечная скорость брутто-реакции \У (интенсивность горения). Это означает, что топливо и окислитель не могут сосуществовать в одной и той же точке пространства. В этом случае решаются три однородные уравнения (6) для скалярных величин: г - функции Зельдовича, р-концентрации газа, п — концентрации нейтрального газа.

Топливо находится из следующего соотношения:

окислителя, i - массовый стехиометрический коэффициент.

В общем случае, уравнения (1) — (6) нелинейные и не имеют аналитического решения, решать их приходится численно, находя вместо непрерывного решения дискретный набор значений в определенных точках пространства и для определенных моментов времени.

Для численной реализация задачи определения давления взрыва на конструкции здания, используется метод конечных объемов (МКО), являющийся частным, более простым, и более быстродействующим вариантом метода конечных элементов. Консервативные же схемы метода конечных разностей являются частными случаями метода конечных объемов на регулярной расчетной сетке, связанной с используемой системой координат.

В МКО используется подход Эйлера, т. е. рассматривается течение газа в выделенной области пространства. Согласно МКО, при дискретизации пространства расчетной области расчетная сетка может быть любой (структурированной, неструктурированной). Дискретное решение задачи может быть получено, как в узлах расчетной сетки (в этом случае контрольный объем может быть определен произвольно, но обязательно он должен окружать рассматриваемый узел расчетной сетки), так и в ячейках расчетной сетки, т.е. как среднее по ячейке.

Изменение независимых физических параметров с течением времени в выделенной области пространства определяется физическими потоками (конвективными и диффузионными), проходящими внутрь этой области через ее поверхность, а также источниками (объемными и поверхностными), находящимися внутри этой области.

Процесс решения задачи состоит из следующих этапов.

1. Строится расчетная область - трехмерная геометрическая модель помещения, в которых происходит взрыв. Для построения модели можно использовать программу Solid Works. 2. Модель импортируется в программу FlowVision.

(7)

о

коэффициент избытка окислителя; о- исходная концентрация

где а =

1Z

Рис. I. Модель помещения ¡четной обл Рис. 2. Модель помещения кухни ;ывающие моде кухни в Solid Works во FlovvVision

На границах расчетной области задаются начальные и граничные (рис.3) условия.

В качестве начальных условий задаются плотности газов, начальная температура, пульсация, стехиометрические коэффициенты при горении бытового газа в воздухе, кинетические константы, определяющие скорость реакции для горения.

Подразумевав г вентиляцию

Граничное уел Подразумевает из которых по бытовой газ )вие "Вход", конфорки, тупает

ЗА

Граничное уеде вне "Стенка"

Граничное условие "Свободный выход" Подразумевает окно -пре!-раду с условием непротекання дра возгорания газа 14 свободный выход при вскрытии проема взрывом

, • V

Гранин ; '' УСЛОВИ

<Z-: ......................

j Граничное Подразумет | закрытого i | который со

овив ''Выход", прпгочно-вытяжную

юе условие "Стенка", непротекания

'слов не "Вход", ает зазор в заполнении верного проема, через ершается воздухообмен

Рис. 3. Граничные условия модели во FlowVision

При решении во Flow Vision строится расчетная сетка, которая адаптируется по граничному условию "Вход", которое присваивается поверхности, имитирующей вход окислителя (диаметр конфорки газовой плиты).

Расчет разделяется на 2 части: 1 - расчет холодного течения (без горения, смешивание газов); 2 - поджиг и горение смеси газов.

Для расчета холодного течения используется модель слабо сжимаемой жидкости. Фактически, процесс, происходящий в расчетной области, является смешением газов (рис.4). Расчет ведется до достижения определенной концентрации метана в воздухе, либо же до достижения температуры смеси, равной температуре воспламенения. После чего производится инициализация процесса горения (рис.5). Для этого используется фильтр поджига "Зажигание", который производит поджигание смеси в указанной области.

Рис. 4. Процесс смешения газов во времени (отображается концентрация газа)

Рис. 5. Взрыв (горение) газа, (отображается распределение давления по объему)

В результате решения получается значение избыточного давления, которое, как равномерно распределенная нагрузка используется при проведении прочностного анализа в программном комплексе АЫБУБ.

Дефлаграционные взрывы, происходящие внутри помещений, отличаются многообразием проявлений, т.к. зависят от многих факторов: от объема помещения, площади и прочности остекления, наличия естественных препятствий в виде внутренних стен, от концентрации газа в смеси и др.

Т.к. в подобных исследованиях физический эксперимент поставить практически невозможно, проводились вычислительные эксперименты с использованием теории математического планирования многофакторного эксперимента для исследования влияния этих параметров на интенсивность нагрузки при взрыве.

Выделены 3 основных независимых фактора: г, - объем кухни, гг- площадь окна, гз - концентрация газа, влияющих на функцию отклика у - величину давления при дефлаграционном взрыве. Исследуемый процесс описывался уравнением регрессии второго порядка:

у = Ь0г0 , + Ь2г2+Ь^,+Ьиг,г2 + + Ь2,г2г, +Ьиг ,2 + Ь12г22 В основу планирования положено ортогональное планирование на трех уровнях по каждому из факторов - полный факторный эксперимент (ПФЭ).

Коэффициенты уравнения регрессии определяются из решения нормальной системы уравнений, которая в матричном виде записывается в следующем виде:

(Хг * Х)*В = ХТ

9

где У - вектор опытных значений функции отклика размерности N=15 X - матрица независимых переменных размерности (И*пь), /-я строка которой представляет собой вектор эффектов Т(х) в г - ой строке плана эксперимента, л = 1 о - число членов уравнения регрессии.

В результате вычислительных экспериментов получены значения функции отклика:

№ опыта 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

у, кПа 6,1 5,9 5,4 3,2 4,8 4,6 5,7 5.8 4,3 4,9 5,1 4,6 6,0 5,7 4,2

Уравнение регрессии в кодированных значениях переменных имеет вид:

у = 4,809дго -0,09л, + 0,18х2 + 0,28.x, +0,69х,х2 + 0,29*,*, -0,21^,-0,36^-0,11^+0,89^ На рис.6 показаны полученные графики поверхности функции отклика

Рис.6. Графики зависимости величины давления от.*1 - объема кухни, площади окна. л*3

- концентрации газа

Третья глава посвящена исследованию динамического воздействия взрыва бытового газа на конструкции кирпичного здания. Расчеты напряженно-деформированного состояния и процесса разрушения конструктивных элементов проводились с использованием разных моделей взрывной нагрузки, разных конструктивных схем помещений, в которых происходит взрыв бытового газа.

Математическая модель расчета напряженно-деформированного состояния представляет собой краевую задачу механики деформируемого твердого тела, включающую:

дг (VI

Уравнения движения: о\ 1(г,1)+рК(г)= р—

дГ

(8)

где рГ (г) - компоненты массовых сил;

д211,(0 дг

- силы инерции; а(/",?) -

компоненты тензора напряжений, р - плотность материала;

2. Геометрические уравнения Коши (деформации считаем малыми):

Е,;(г,0 = ^(и1^г,0 + ии(г,1)\геБ, (9)

где Еи(г,() - компоненты тензора деформаций ё; и:(/%/) - компоненты вектора перемещений;

3. Физические соотношения, устанавливающие связь между тензорами а и е, конкретный вид которых зависит от физико-механических свойств материалов элементов здания.

Для случая линейной связи между напряжениями и деформациями в конструкции определяющие соотношения имеют вид обобщенного закона Гука:

^'Ьс^ЫгД (10)

где С,1к1 - компоненты тензора модулей упругости.

Для описания нелинейных эффектов материалов в определяющих соотношениях использована модель разрушения бетона Вильямса и Ранке и обобщенная модель упруго-хрупкого разрушения ортотропного материала кирпичной кладки разработанная научной школой Пермского Государственного Технического Университета (профессором Кашеваровой Г.Г.). При появлении трещин коэффициенты жесткости с,уи в определяющих соотношениях (10) изменяются скачком. При этом рассматриваются разные виды повреждений (растрескивание и раскрашивание) для бесконечно малого элемента среды.

Граничные условия, зависят от условий закрепления и нагружения конкретно рассматриваемой модели. Они могут быть смешанного типа, на части границы тела по некоторым направлениям могут задаваться поверхностные нагрузки Р, а на некоторых частях - перемещения и.

При решении задач динамики, кроме статических граничных условий:

= А> ¡и = х,у,г, геБг и, (Г) = 0, / = х,у,г; Г е 5„; (11)

вводятся и динамические граничные условия:

а/п! =/(')> = геБк (12)

Динамическая нагрузка /(/) представлена в виде импульсного сигнала.

Кроме того, исследовалась возможность замены динамического воздействия на эквивалентную статическую нагрузку, рекомендуемую некоторыми нормативными документами.

Для решения краевой задачи (8 12) в настоящее время применяют в основном численные методы и, в частности, метод конечных элементов (МКЭ) для численной реализации которого нами выбран программный комплекс АИБУБ, позволяющий выполнять полноценный статический и динамический анализ широкого круга технических задач. Наиболее существенным достоинством А^УЯ является то, что он имеет встроенный язык параметрического проектирования (АРБЬ), который расширяет возможности программы за пределы традиционного конечно-элементного анализа, позволяя писать собственные программы и макросы.

Решения на динамическое действие нагрузки получены с использованием неявной схемы интегрирования разрешающего уравнения движения. Для оценки времени воздействия динамической нагрузки на конструкцию выполнялся модальный анализ расчетной модели. Шаг изменения нагрузки по времени

определялся по формуле: М = —, где Аг>20 - число точек на цикл; / -

Л /

самая высокая частота, представляющая интерес.

Конечно - элементные модели помещений, в которых происходи взрыв бытового газа, создавались с использованием объемных конечных элементов SOLID65 с билинейной аппроксимацией. Рассматривались помещения без окон, с окнами, с закрытым и открытым межкомнатным проемом. Кроме того исследовались разные

конструктивные решения перекрытий: защемление плиты по двум сторонам и защемление по периметру (рис.7).

При построении

конечно-элементной модели использовался эффективный алгоритм, который сводился к выбору разбитой на КЭ двумерной области, задания размера элемента, объема и шага выдавливания или экструзии. При этом сетка получается более регулярной, отдельные элементы не имеют острых углов и формы, которые могут приводить к значительным погрешностям в расчетах.

Были имитированы нагрузки, действующие на несущие стены комнаты от вышестоящих этажей (500кН/гй); на межкомнатные стены (100 кН/tyt на плиту временная нагрузка (5 кН/Я). Материал стен — кирпичная кладка (керамический кирпич М100 на растворе М50); материал перекрытий - ж/б, класс бетона В15.

Расчеты проводились на динамическое действие нагрузки 6 кПа в виде импульсного сигнала и на эквивалентную статическую нагрузку с учетом нормативного коэффициента динамичности 1,8. Кроме того изучалось влияние процесса разрушения материала на характер напряженно-деформированного состояния конструкций помещения. В качестве критерия прочности принято, что разрушение в материале происходит тогда, когда интенсивность напряжений (второй инвариант тензора напряжений) достигает критического значения. Для разрушаемого материала рассматривают четыре варианта напряженно-деформированного состояния. Остаточная прочность при растрескивании учитывалась трехлинейной моделью нелинейного структурного анализа K1NH.

На рис. 8, 9 приведены графики изменения во времени максимальных суммарных перемещений в конструкциях помещения (Usum) и изменения во времени максимальных значений интенсивности напряжений (Sint).

воздействия нагрузки.

1.20Е+07 ------—---------—----___--

время

Рис.9. Графики изменения во времени максимальных значений интенсивности напряжений в конструкциях при разных конструктивных решениях помещений, определяющих соотношениях

и видах воздействия нагрузки

Обозначения на графиках: О - наличие оконного проема, Э - наличие дверного проема, (ж) - жесткая заделка перекрытия; (сг) - н./лин. расчет с разрушением; -расчет на эквивалентную статическую нагрузку.

Анализ полученных результатов показал, что расчет на эквивалентную статическую нагрузку дает качественно и количественно отличающиеся результаты. Наличие оконных и дверных проемов позволяет снизить ударное воздействие на конструкции причем, чем больше общая площадь проемов, тем это снижение значительнее (разница 12-17 % .). Жесткая заделка перекрытий также уменьшает напряжения в элементах конструкций (примерно в 2-5 раз). Расчет на эквивалентную статическую нагрузку дает заниженные результаты напряженно-

деформированного состояния в среднем в 2 раза, причем при жесткой схеме закрепления перекрытий отклонения интенсивности напряжений и суммарных перемещений при динамическом воздействии от статического отличаются существенно меньше (~ на 25%). Учет процесса разрушения материала снижает уровень напряженно-деформированного состояния, и отклонение результатов динамического расчета от расчета при статической нагрузке в среднем составляет 19%.

В четвертой главе рассматривается ретроспективный анализ реальной аварийной ситуации - взрыв газа внутри замкнутого помещения кухни с целью проверки адекватности численного моделирования и разработанной вычислительной технологии для проведения комплексного анализа действия внутреннего дефлаграционного взрыва на механическую безопасность кирпичного здания.

Для решения комплексной связанной задачи гидрогазодинамики и прочностного анализа в разных программных комплексах FlowVision и ANSYS, и для автоматизации процесса обмена информацией был разработан алгоритм и исследовательский программный модуль связки ANSYS FlowVision, структура интерфейса и принцип работы, которого показаны на рис. 10.

В соответствии с представленным алгоритмом (технология 2) решалась следующая последовательность задач:

1. В программе FlowVision методом конечных объемов решалась задача определения интенсивности взрывной нагрузки для конкретного здания, причем рассматривались два варианта: взрыв в замкнутом помещении кухни и взрыв в помещении кухни, сообщающемся через открытый проем с другим помещением. Использовалась разработанная процедура передачи геометрии помещений из ANSYS во FlowVision. Максимальное значение давления взрыва в 1-м случае получилось 6 кПа, во 2-м - 15 кПа.

2. Решалась пространственная нелинейная краевая задача расчета напряженно-деформированного состояния здания в конечно-элементном программном комплексе ANSYS.

3. Выполнялась количественная оценка степени разрушения конструкции здания в зависимости от интенсивности нагрузки и прочностных свойств материала с использованием математической теории многофакторного эксперимента.

создание трехмерных моделей помещения

Solid Works

создание вспомогательных плоскостей на моделях, имитирующих геометрические объекты: окно помещения, дверной проем, щель между полом и дверным полотном, окно вентиляции

.....j ANSYS

создание трехмерных моделей помещения

; описание свойств описание типов КЭ описание жесгкостшх описание граничных

! ма-ериала характеристик условии

V У "4> 'i'

выбор из библиотеки выбор из библиотеки ввод параметров назначение граничных

i материалов КЭ жесткости условии

у Ж

| ввод параметров ввод дополнительных один тип жесткости для

; материалов параметров [всех элементов

генерация сетки КЭ !

. . ........___ технология №1 технология №2 .............................................................................-............-..............

сохранение и экспорт файлов моделей в формате ......... сохранение и экспорт файлов моделей в формате'.ел

решение газодинамической задачи

выбор модели для выбор моделей веществ, задание граничных [задание шага по задание расчетной

решения участвующих в реакциях условии [времени сетки

u<

выбор из библиотеки выбор из библиотеки | присвоение ГУ адаптация расчетной

■ моделеи веществ фасе-кам модели сети/

модель горения

■ топливо и окислитель'

расчет смешений газов (холодное течение)

достижение концентрации газа в смеси, ■ соответствующей пределам воспламенения

; ввод фильтра, имитирующего :расчет гареиия смва1 поджнг снеси ...................

вывод результатов в бинарном и [ технология ИИСГГ=_1 m £авления графическом виде получение величин давления

на фасетах модели

гехнологая№2 сохранение нагрузок на фасетах (. модели в файле о.!

ANSYS

создание трехмерных моделей помещения

описание свойств описание типов КЭ описание жест костных описание граничных j

материала [ характеристик условии

...................ч]7........ .................i'........................... Ч'

выбор из библиотеки 1 выбор из библиотеки ввод параме-ров [назначение граничных!

материалов [КЭ жесткости ¡условий

..........У

ввод параметров [ввод дополнительных один тип жесткости для!

материалов [параметров всех элементов

генерация сетки КЭ

технология №1

внесение команд SFE в файл '.txt

ANSYS f-----

описание гесгкостшх! характеристик

ввод параметров жесткости

изменение жесткостей

элементов на факшчесте

Рис. 10. Структура интерфейса и принцип работы связки программ Рк^Умюп- АЫЭУЯ

Решение нелинейной краевой задачи расчета напряженно-деформированного состояния и разрушения здания включало реализацию следующей последовательности задач:

1. Построение грубой конечно - элементной модели здания (рис. 11 а) и расчет НДС на действие статических ветровых и распределенных нагрузок, определенных в техническом задании. Для построения КЭ модели использовался трехмерный 20-и узловой элемент 50ЬЮ95 с нелинейной квадратичной аппроксимацией.

2. Проблема большой размерности сформированных конечноэлементных моделей решалась с помощью метода субмоделирования. Вблизи от места взрыва выделялась часть здания, на границах которой при обследовании следов разрушения не обнаружено, наносилась более мелкая сетка конечных элементов (рис.116) и выполнялся расчет на действие статических ветровых и распределенных нагрузок с учетом физической нелинейности материалов несущих конструкций. Использовался трехмерный 8-и узловой элемент 80ЬШ65 с билинейной аппроксимацией перемещений и кинематических граничных условий, полученных на предыдущем шаге. Нелинейный расчет поводился методом конечных элементов с использованием пошаговой процедуры. На каждом шаге решения для получения сходимости выполнялись равновесные итерации с помощью метода Ньютона — Рафсона.

3. Расчет фрагмента здания, где произошел взрыв бытового газа, на действие динамической нагрузки, с использованием метода субмоделирования и уточненной модели этого фрагмента (рис.11в) на еще более мелкой сетке, используя результаты предыдущего расчета. Рассматривались два варианта нагрузки — эквивалентная статическая и динамическая. В первом случае выполнялся нелинейный статический анализ при независимом от времени поведении материала. Во втором - запускался нелинейный анализ переходных процессов, активизировались эффекты интегрирования по времени ("время" представляет фактическую хронологию)

Для оценки достоверности результатов проверялось выполнение естественных граничных условий краевой задачи.

Рис. 11. Полная модель здания Рис.12. Выделенная часть здания Рис.13. Фрагмент здания

В результате решения определено напряженно-деформированное состояние несущих конструкций здания с учетом структурного разрушения, проведена оценка точности полученных результатов и получены схемы распространения трещин в несущих стенах здания, качественно повторяющие фактические, снятые на месте аварии.

Рис. 14. Сравнение расчетной картины трещин с фактическими повреждениями при взрыве

При обследовании зданий и сооружений для вынесения заключения о пригодности строительного объекта к дальнейшей эксплуатации обычно используются качественные характеристики степени повреждения (разрушения),

связанные с состоянием конструктивных элементов. Такой подход имеет чисто субъективный характер, и в данной работе сделана попытка выполнить количественную оценку степени повреждения конструкции стеновой панели, получившей повреждения в результате взрыва бытового газа в помещен™ здания. Степень повреждения конструкции определялась как отношение объема разрушенных конечных элементов к начальному объему. При этом исследовалось влияние прочностных характеристик материала и давления взрывной нагрузки на степень разрушения, с использованием математической теории планирования эксперимента.

Получено уравнение регрессии в натуральных значениях факторов: у = 27,495 + 26,45г, - 86,428::, - 2,492г,72 - 21,243г,2 + 61,278г,2, где I] - прочность материала на одноосное сжатие; г2 - давление взрыва.

На рис.12 изображена поверхность функции отклика, позволяющая оценить влияние каждого фактора на степень разрушения конструкции.

Адекватность модели оценивалась по результатам вычислительных экспериментов в промежуточных точках.

Рис.15. Зависимость степени разрушения конструкции от прочности материала и взрывной нагрузки

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Как показал анализ современных отечественных и зарубежных теоретических и экспериментальных исследований, существующие нормативные документы и методики не в полной мере отражают специфику определения величины и характера воздействия взрыва бытового газа в помещении на конструкции зданий и сооружений и, поэтому нуждаются в уточнении и развитии.

2. Разработана методика расчета интенсивности взрывной нагрузки, основанная на численном моделировании уравнений гидрогазодинамики Навье-Стокса, моделей дефлаграционного взрыва и горения Зельдовича, и реализована с использованием метода конечных объемов в отечественном программном комплексе Flow Vision.

3. С помощью разработанной методики и планирования многофакторного эксперимента установлены зависимости избыточного давления при взрыве бытового газа от объема помещения, концентрации газа в смеси, размеров оконных (дверных) проемов. Наиболее значимым фактором, влияющим на рост давления, является концентрация газа в смеси; в меньшей степени влияют объем помещения и площадь сбросного проема. Чем больше объем помещения, тем больше давление, увеличение размера окна наоборот, снижает давления, но не оказывает влияния на первый максимум давления до момента разрушения окна.

4. При изучении воздействия дефлаграционного взрыва на несущие конструкции здания выявлены параметры, оказывающие наибольшее влияние на механическую безопасность здания. Наличие оконных и дверных проемов позволяет снизить воздействие взрыва на конструкции причем, чем больше общая площадь проемов, тем это снижение значительнее (разница £217 %.)Жесткая за делка перекрытий также уменьшает напряжения в элементах конструкций (~ в 2-5 раз).

5. Расчеты на динамическое воздействие и на эквивалентную статическую нагрузку дают качественно и количественно отличающиеся результаты. При динамическом анализе процесс изменения напряжений развивается во времени и превышает значения напряжений в статике в среднем в 2 раза (при открытой двери) и на 28% при закрытой двери, причем при жесткой схеме закрепления перекрытий отклонения при динамическом воздействии от статического отличаются существенно меньше (~ на 25%).

6. Учет процесса разрушения материала снижает уровень напряженно-деформированного состояния, и отклонение результатов динамического расчета от расчета при статической нагрузке в среднем составляет ~ 19%.

7. Для решения комплексной связанной задачи гидрогазодинамики и прочностного анализа в разных программных комплексах FlowVision и ANSYS, разработан алгоритм и исследовательский программный модуль связки ANSYS Flow Vision, позволяющий автоматизировать процесс обмена информацией.

8. Разработанная вычислительная технология проведения комплексного анализа действия дефлаграционного взрыва газа на механическую безопасность здания использована для ретроспективного анализа реальной аварийной ситуации 9-ти этажного кирпичного здания. Сравнение картины трещин, полученных в результате численного моделирования, с фактическим расположением повреждений позволяет говорить о достоверности математических моделей и предложенной

вычислительной технологии, которую в дальнейшем можно использовать для экспериментов с различными параметрами, влияющими на силу и место взрыва.

9. При исследовании влияния силы взрыва и прочностных свойств материала на процент поврежденности конструкций здания выявлено наибольшее влияние интенсивности взрывной нагрузки.

Основные положения и результаты диссертации отражены в следующих публикациях:

В периодических изданиях, вкчюченных в перечень рекомендованных ВАК:

1. A.A. Пепеляев, Г.Г Кашеварова. Исследование проблемы защиты типовых жилых зданий от прогрессирующего разрушения // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering, Vol.4, Issue 2, 2008 г. C.69-70.

2. A.A. Пепеляев, Г.Г Кашеварова. Моделирование и ретроспективный анализ взрыва бытового газа в кирпичном здании // Строительная механика и расчет сооружений, №2 (229). С. 41-47.

3. A.A. Пепеляев. Моделирование взрыва бытового газа в кирпичном здании // Известия высших учебных заведений, Северо-Кавказский регион, №1 (159), 2011 г. С. 28-34.

Публикации в иных изданиях:

4. A.A. Пепеляев, Г.Г Кашеварова. Исследование влияния негативных воздействий аварии гидротехнических сооружений на здание, находящееся в зоне возможного затопления // Издательство Пермского государственного технического университета, 2008 г. С.56-62.

5. A.A. Пепеляев, Г.Г Кашеварова. Исследование живучести кирпичного здания при взрыве газа в помещении // 16-я Зимняя школа по механике сплошных сред, г. Пермь, 2009г.: Тез. докл. С.184-185.

6. A.A. Пепеляев. Моделирование взрыва бытового газа в программном комплексе "FlowVision " и разработка решений по защите зданий от прогрессирующего разрушения // XII Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации - 2009», г. Пермь, 2009 г.: Тез. докл., С. 138-140.

7. Кашеварова Г.Г Пепеляев А.А, Писарев П.В., Лещев И.П. Оценка живучести существующих кирпичных зданий при взрыве бытового газа внутри помещений // 23 Международная конференция «Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций. Методы граничных и конечных элементов», С-Петербург, 2009: Материалы конф.. С. 103-104.

8. ..A.A. Пепеляев, Г.Г Кашеварова. Моделирование взрыва бытового газа внутри замкнутого помещения для исследования живучести кирпичного здания // Международная научно-практическая конференция «Инженерные системы - 2009», Москва, 2009.: Тез. докл. С. 57.

9. A.A. Пепеляев. Моделирование взрыва бытового газа в кирпичном здании // III Международный симпозиум "Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений" г. Новочеркасск, 2010 г.: Тез. докл. С.51-53.

10.A.A. Пепеляев. Моделирование взрыва бытового газа в кирпичном здании // X Международная конференция "Высокопроизводительные параллельные вычисления на кластерных системах", г. Пермь, 2010 г.: Тез. докл. С.178-181.

11 .A.A. Пепеляев, И.П.Лещев, В. Ю. Белов. Моделирование взрыва бытового газа в жилом здании при совместном использовании программных комплексов ANSYS и FLOW VISION" // Тезисы научной сессии "Актуальные вопросы исследований и проектирования пространственных конструкций с применением физического и компьютерного моделирования" г. Москва, НИИЖБ, 20-21 апреля 2011 г. 5 Стр.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.97 г.

Подписано в печать 17.11.2011 г. Формат 60x84 1/16 Печать офсетная Объем 1,5 п.л. Т.100 3аказ478

ФГБОУ ВПО ((Московский государственный строительный университет»

Ред.-изд.отдел. Тел. (499) 183-97-95, e-mail rio@mgsu.ru. Типография МГСУ Тел. (499) 183-91-90, (499) 183-67-92, (499) 183-91-44 E-mail:info@mgsuprint.ru

/

2010294051

2010294051

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Пермский национальный исследовательский политехнический университет"

Пепеляев Андрей Алексеевич

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВНУТРЕННЕГО ВЗРЫВА БЫТОВОГО ГАЗА И ЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА КИРПИЧНЫЕ ЖИЛЫЕ

ЗДАНИЯ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Г ' О Л Л Г\ г * * Г, 4

! I ; ' / Ч |

и г. . и 1 I. 1 I I

Научный руководитель д.т.н. Кашеварова Г.Г.

Пермь 2011

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ И ПОДХОДОВ К РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ЗДАНИЙ ПРИ ВЗРЫВЕ БЫТОВОГО ГАЗА В ПОМЕЩЕНИИ......................................................................................................14

1.1. Аналитический обзор современного состояния вопроса физики внутреннего дефлаграциоиного взрыва..........................................................14

1.2. Анализ существующей нормативной базы по проблеме аварий, вызванных взрывами бытового газа и предотвращению прогрессирующего разрушения зданий............................................................................................19

1.3. О методах моделирования процесса взрыва бытового газа внутри замкнутого помещения и определения интенсивности взрывной нагрузки25

1.4. Аналитический обзор существующих подходов и методов расчета зданий при взрывах бытового газа и оценки их механической безопасности.......................................................................................................31

1.5. Обоснование состава и структуры частных задач исследования и

предполагаемые подходы к их решению........................................................42

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:......................................................................................44

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЗРЫВА БЫТОВОГО ГАЗА ВНУТРИ ЗАМКНУТОГО ПОМЕЩЕНИЯ.........................................................46

2.1. Моделирование процесса взрыва бытового газа внутри замкнутого помещения для определения интенсивности взрывной нагрузки................46

2.1.1. Содержательная постановка задачи моделирования..........................................47

2.1.2. Концептуальная постановка задачи моделирования............................................48

2.1.3. Математическая постановка задачи моделирования..........................................50

2.2. Метод конечных объёмов и его численная реализация в программном комплексе РкмУшоп........................................................................................52

2.3. Изучение влияния различных факторов на величину избыточного давления при взрыве бытового газа в замкнутом помещении с использованием теории многофакторного эксперимента.............................60

2.4. Разработка алгоритма для решения связанной задачи определения интенсивности нагрузки от взрыва бытового газа в ПК РЬО^УШОМ и

АЫБУБ.................................................................................................................69

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:......................................................................................73

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ МЕХАНИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ КОНСТРУКЦИЙ КИРПИЧНОГО ЗДАНИЯ НА ДЕЙСТВИЕ ВНУТРЕННЕГО ДЕФЛАГРАЦИОННОГО ВЗРЫВА................74

3.1. Математическое моделирование процесса деформирования и разрушения конструкций кирпичного здания при действии взрывной нагрузки..............................................................................................................75

3.1.1. Содержательная постановка задачи моделирования помещения кухни............75

3.1.2. Математическая постановка задачи моделирования..........................................77

3.2. Численное моделирование процесса деформирования помещений кирпичного здания при взрыве бытового газа................................................79

3.2.1. Вариационная постановка МКЭ..............................................................................80

3.2.2. Обоснование выбора нелинейных определяющих соотношений упруго-хрупких материалов с учетом их структурного разрушения.......................................................83

3.3. Численная реализация расчета напряженно-деформированного состояния модели помещения кухни на действие дефлаграционного

взрыва в программном комплексе АК8У8.....................................................87

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:......................................................................................97

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЖИВУЧЕСТИ РЕАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ............................................................................................................99

4.1. Ретроспективный анализ реальной аварийной ситуации — взрыва газа внутри замкнутого помещения кухни.............................................................99

4.2. Разработка исследовательского программного модуля связки А№УБ -ШошУшоп для автоматизации процесса обмена информацией.................105

4.3. Проверка адекватности численного моделирования на основе данных натурного эксперимента (обследования реального здания после взрыва) 107

4.3.1. Численное моделирование дефлаграционного взрыва..........................................107

4.3.2. Численное решение задачи расчета напряженно-деформированного состояния здания..................................................................................................................................109

4.3. Определение степени повреждения (или разрушения) строительных конструкций здания с использованием теории многофакторного

планирования эксперимента...........................................................................119

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ:....................................................................................124

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ:...........................126

Библиографический список литературы...........................................................128

ВВЕДЕНИЕ

К особой группе взрывоопасных объектов относится газифицированный жилой фонд. Статистика показывает, что в настоящее время только в Москве газифицированными остаются около 80% всего жилого фонда. Подобная картина наблюдается во всех крупных городах субъектов РФ, в частности, в городах Пермского края. Основной причиной взрывов бытового газа в жилых зданиях является человеческий фактор, исключить влияние которого практически невозможно. Такие ситуации как несанкционированное подключение к системе газоснабжения, халатность при пользовании газом и газовыми приборами в бытовых нуждах не представляется возможным контролировать или регулировать их предотвращение. Следовательно, проблему нужно рассматривать исходя именно из этого.

Актуальность настоящего научного исследования вытекает из сложившегося противоречия между необходимостью обеспечить механическую безопасность жилых зданий (состояние строительных конструкций здания или сооружения, при котором отсутствует недопустимый риск, связанный с причинением вреда жизни или здоровью граждан, имуществу физических или юридических лиц, государственному или муниципальному имуществу, окружающей среде, вследствие разрушения или потери устойчивости здания, сооружения или их части), - с одной стороны, и противоречиями, либо отсутствием рекомендаций, как это обеспечить в действующих нормативно-регламентированных методиках для проектировщиков и эксплуатирующих служб - с другой стороны.

Внутри замкнутых помещений взрыв бытового газа, как правило, имеет дефлаграционный характер, для которого необходимо наличие горючего газа или пара и воздуха, перемешанных в такой пропорции, чтобы эта смесь находилась между нижней и верхней концентрационными пределами

взрываемости, а процесс взрывного горения является квазистатическим. Дефлаграционный взрыв - процесс дозвукового горения, при котором образуется быстро перемещающаяся зона (фронт) химических превращений. Передача энергии от зоны реакции в направлении движения фронта происходит за счет теплопередачи, в отличии от детонации, при которой зона превращений распространяется со сверхзвуковой скоростью и передача энергии происходит за счет ударного сжатия. Физические аспекты экспериментально исследованы и описаны профессором Комаровым A.A. Математические модели, адекватно описывающие формирование взрывной нагрузки, опирающиеся на классические труды по гидродинамике, а также на работы Аксенова A.A., Похилко В.И., Тишина А.П., реализованы в программном комплексе FlowVision. Математическая модель дефлаграционного горения газа в воздухе представляет собой совокупность уравнений конвективно-диффузионного переноса, которые описаны в модели слабосжимаемой жидкости (в отличие от модели полностью сжимаемой жидкости - при детонационном взрыве).

Наиболее опасен сценарий развития аварии, при котором здание переходит в стадию прогрессирующего разрушения, т.е. последовательного разрушения несущих строительных конструкций, приводящее к обрушению всего сооружения или его частей.

Для того, чтобы понять, почему расположенные рядом здания, запроектированные с учетом рекомендаций нормативных документов, в одном случае выдерживают взрыв, а в другом - разрушаются, необходимо уметь количественно оценивать интенсивность взрывной нагрузки в зависимости от факторов, влияющих на формирование взрывоопасного облака при взрыве бытового газа, и передавать эту нагрузку на пространственную расчетную модель здания, включающую элементы, которые в обычных эксплуатационных условиях являются самонесущими, а при наличии локальных воздействий активно участвуют в перераспределении нагрузки.

Многообразие конструктивных решений зданий и сооружений определяет многообразие их расчетных моделей и неоднозначность наиболее опасных схем их локального разрушения. На сегодняшний день существует большое количество методических и нормативных документов, позволяющих оценивать действие взрыва на здания и сооружения, но все они различны не только в расчетных показателях избыточного давления при внутреннем взрыве, но и в оценке воздействия поражающих факторов на конструкции строительных объектов.

Для конкретности рассматриваются наиболее массовые объекты строительства - кирпичные жилые здания.

Целью диссертационной работы является комплексное исследование проблемы механической безопасности кирпичных жилых зданий, включающее разработку, программную реализацию и верификацию методики расчета взрывной нагрузки и исследование воздействия этой нагрузки на конструкции здания для обоснования адекватности расчетной модели реальным процессам, на основе численного решения трехмерных задач гидрогазодинамики и механики деформируемого твердого тела.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Анализ применимости результатов теоретических и экспериментальных исследований существующих методик и нормативной базы по определению и регулированию нагрузки при дефлаграционном взрыве бытового газа.

2. Разработка методики расчета интенсивности взрывной нагрузки, основанной на численном моделировании и решении уравнений гидрогазодинамики, и определение самых неблагоприятных поражающих факторов при взрыве бытового газа в помещениях типового здания с применением технологии математического планирования эксперимента.

3. Анализ существующих методов расчета кирпичных зданий на воздействие дефлаграционного взрыва, расчетных моделей и программных комплексов.

4. Разработка и реализация методики расчета деформирования и разрушения пространственной модели отдельного помещения и несущих конструкций типового здания; проведение анализа влияния последствий взрыва на несущие конструкции типового здания для выявления удачных и неудачных конструктивных решений с точки зрения взрывоустойчивости.

5. Решение комплексной задачи определения интенсивности взрывной нагрузки и воздействия ее на многоэтажное кирпичное здание. Разработка процедур обмена данных расчетной модели помещения между программами АЫ8У8 и Р1о\уУ18юп в виде исследовательского программного модуля для автоматизации применения разработанной методики.

6. Верификация разработанной методики и реализующего программного обеспечения на основе сравнения результатов вычислительных экспериментов с результатами влияния последствий взрыва на несущие конструкции реального строительного объекта.

Научная новизна работы.

- Разработана и верифицирована методика численного моделирования дефлаграционного взрыва в помещениях жилого здания, на основе совокупности уравнений конвективно-диффузионного переноса, описанных в модели слабосжимаемой жидкости и математической модели горения Зельдовича с применением метода конечных объемов, позволяющая количественно оценивать интенсивность взрывной нагрузки и разрабатывать мероприятия для исключения наиболее опасного аварийного сценария.

- С помощью разработанной методики и метода математического планирования многофакторного эксперимента установлены зависимости избыточного давления при взрыве бытового газа от объема помещения, концентрации газа в смеси, размеров оконных (дверных) проемов.

- При изучении воздействия дефлаграционного взрыва на несущие конструкции здания выявлены конструктивные параметры, оказывающие наибольшее влияние на механическую безопасность здания.

- Проведенные исследования показали, что расчеты на эквивалентную статическую нагрузку, рекомендуемую нормативными документами, дают заниженные и качественно отличающиеся результаты от расчетов на динамическое взрывное воздействие, а учет процесса разрушения материала снижает уровень напряженно-деформированного состояния.

- Для решения комплексной связанной задачи гидрогазодинамики и прочностного анализа в разных программных комплексах Р1о\уУ1Бюп и АЫ8У8, разработан алгоритм и исследовательский программный модуль связки АШУБ - Р1о\уУ1бюп, позволяющий автоматизировать процесс обмена информацией.

- Предложена вычислительная технология оценки взрывоустойчивости и оценки степени поврежденности жилого кирпичного здания, которая использована для ретроспективного нелинейного анализа реального кирпичного здания, в котором произошел взрыв бытового газа.

Практическая значимость работы.

Разработанные в диссертации методика математического моделирования и вычислительного эксперимента, а также реализующие ее программные средства обеспечивают приемлемую практическую точность расчётов механической безопасности жилых кирпичных зданий при взрыве бытового газа, и могут быть использованы проектировщиками при оценке взрывоустойчивости строительных конструкций, как существующих зданий, так и при проектировании новых взрывоопасных объектов.

- Методика может быть использована при текущем определении технического состояния строительных конструкций взрывоопасных объектов, а также при прогнозировании ущерба от последствий внутренних взрывов на объектовом, местном и региональном уровнях;

- Полученные с использованием разработанной методики результаты могут быть применены для верификации специализированных программных комплексов.

Внедрение:

• Методика и программное обеспечение применялись при обследовании реального аварийного здания в г. Губаха Пермского края для анализа последствий взрыва бытового газа и оценки возможности прогрессирующего разрушения;

• В рамках программы «Научно-исследовательские университеты» разработаны «Методические рекомендации по выполнению индивидуальной научно-исследовательской работы студентов на тему "Исследование живучести кирпичных зданий при взрыве бытового газа в замкнутом помещении" для подготовки специалистов и магистров по направлению «Строительство»».

• Разработанная методика используется в практике обучения студентов кафедры "Строительная механика и вычислительные технологии" ПНИПУ по дисциплине "Численные методы решения задач строительства на ЭВМ" и «Основы САПР в строительстве».

• Работа поддержана грантом РФФИ № 08-08-00702-а «Механика закритического деформирования и вопросы прочностного анализа»

Личный вклад соискателя.

Все исследования, изложенные в диссертационной работе, алгоритмы, вычислительные эксперименты, их анализ, численное моделирование конструкций, зданий и сооружений, а также обработка результатов экспериментов и моделирования были выполнены автором работы лично.

На защиту выносятся:

Методология численного моделирования воздействий дефлаграционного взрыва на несущие элементы замкнутого помещения и здания в целом, обеспечивающая успешное практическое решение регламентируемых отечественными нормами задач (определения

и

взрывоустойчивости строительных конструкций существующих зданий, определения их технического состояния или прогнозировании ущерба от последствий внутренних взрывов)

- Методика определения самых неблагоприятных поражающих факторов и интенсивности взрывной нагрузки с применением технологии математического планирования эксперимента.

- Результаты исследования разных конструктивных решений и моделирования взрывного воздействия на напряженно-деформированное состояние и разрушение отдельных помещений и здания в целом.

Вычислительная технология численного моделирования многоэлементной системы типового ки�