Чисельне моделювання комбінованої дії проникнення та вибуху на двошарове покриття малозаглиблених захисних споруд критичної інфраструктури

Автор(и)

  • Н.В. Зуєвська Національний технічний університет України ""Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"" image/svg+xml
  • В.Ю. Берездецький Національний технічний університет України ""Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"" image/svg+xml
  • Д.Г. Дармостук Національний технічний університет України ""Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"" image/svg+xml
  • Р.І. Семчук Національний технічний університет України ""Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"" image/svg+xml
  • О.В. Халимендик Національний технічний університет «Дніпровська політехніка» image/svg+xml

DOI:

https://doi.org/10.33271/crpnmu/86.230

Ключові слова:

захисна споруда, двошарове покриття, ударно-вибухове навантаження, накладений заряд, модель RHT, ANSYS Explicit Dynamics

Анотація

Мета. Обґрунтування конструктивного рішення двошарового покриття малозаглиблених захисних споруд критичної інфраструктури та кількісна оцінка його напружено-деформованого стану при ударно-вибуховій дії боєприпасу порівняно з дією накладеного заряду.

Методика. Чисельне моделювання у зв'язаній ейлерово-лагранжевій постановці ANSYS Explicit Dynamics. Бетон описано моделлю міцності RHT з рівнянням стану P–α, продукти детонації – рівнянням стану JWL, повітря – моделлю ідеального газу. Розглянуто покриття у складі верхньої жертовної плити товщиною 600 мм, повітряного прошарку та несучого настилу із суміжних бетонних балок. Боєприпас містить 100 кг вибухової речовини в алюмінієвому корпусі, швидкість підльоту 139 м/с, уповільнення підриву 14,1 мс. Виконано параметричну серію розрахунків для мас заряду 100–500 кг у тротиловому еквіваленті.

Результати. Встановлено, що ударно-вибухове навантаження створює в нижній частині конструкції пікові розтягувальні напруження 25,5 МПа проти 2,78 МПа при накладеному заряді тієї ж маси. Для накладеного заряду отримано степеневу залежність пікових напружень від маси , узгоджену з законами енергетичної подібності вибуху; пік ударно-вибухового сценарію практично не залежить від маси заряду (26,5 ± 1,0 МПа) і визначається швидкістю удару та акустичними імпедансами матеріалів. Пошкодження настилу локалізуються в межах однієї-трьох балок під зоною удару.

Наукова новизна. Вперше виконано порівняння часових історій напружень рознесеного двошарового покриття при дії накладеного заряду та у зв'язаному сценарії «удар + детонація»; запропоновано інженерну залежність пікових розтягувальних напружень через коефіцієнт передачі контактного напруження співударяння.

Практична значимість. Показано, що спрощена розрахункова схема накладеного заряду занижує навантаження у 3–12 разів залежно від маси, тому розрахунковим випадком для покриттів захисних споруд слід приймати ударно-вибуховий сценарій. Балковий настил забезпечує ремонтопридатність і швидке відновлення функціонування споруд критичної інфраструктури.

Посилання

1. Xu, S., & Liang, Z. (2026). Blast resistance analysis of protective layers for shallow-buried struc-tures. Journal of Physics: Conference Series, 3174, Article 012079. https://doi.org/10.1088/1742-6596/3174/1/012079

2. Langdon, G. S., Karagiozova, D., von Klemperer, C. J., Nurick, G. N., Ozinsky, A., & Picker-ing, E. G. (2013). The air-blast response of sandwich panels with composite face sheets and pol-ymer foam cores: Experiments and predictions. International Journal of Impact Engineering, 54, 64–82. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2012.10.015

3. Yang, R., Guo, Y., Zhang, T., Zhang, R., Wang, K., Song, D., & Zhang, J. (2025). Numerical study on the impact resistance performance of RC walls protected by honeycomb sandwich pan-els. Buildings, 15(21), Article 3921. https://doi.org/10.3390/buildings15213921

4. Li, S., Li, X., Wang, Z., Wu, G., Lu, G., & Zhao, L. (2016). Finite element analysis of sandwich panels with stepwise graded aluminum honeycomb cores under blast loading. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 80, 1–12. https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.09.025

5. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. (2023). Guidelines for adjacent precast concrete box beam bridge systems (NCHRP Research Report 1026). The National Acad-emies Press. https://doi.org/10.17226/27029

6. U.S. Department of the Army. (1986). Fundamentals of protective design for conventional weap-ons (TM 5-855-1). Headquarters, Department of the Army.

7. U.S. Department of Defense. (2002). Design and analysis of hardened structures to conventional weapons effects (UFC 3-340-01).

8. Yu, X., Chen, L., Fang, Q., Hou, X., & Fan, Y. (2018). Blast mitigation effect of the layered concrete structure with an air gap: A numerical approach. International Journal of Protective Structures, 9(4), 432–460. https://doi.org/10.1177/2041419618766951

9. Lal, H., Varma, K. R., & Sethi, S. V. (2000). Test evaluation of blast protective double roof RCC structure. In N. Jones & C. A. Brebbia (Eds.), Structures under shock and impact VI (WIT Transactions on the Built Environment, Vol. 48, pp. 115–119). WIT Press.

10. Lee, E. L., Hornig, H. C., & Kury, J. W. (1968). Adiabatic expansion of high explosive detona-tion products (Report UCRL-50422). Lawrence Radiation Laboratory, University of California. https://doi.org/10.2172/4783904

11. Riedel, W., Thoma, K., Hiermaier, S., & Schmolinske, E. (1999). Penetration of reinforced con-crete by BETA-B-500: Numerical analysis using a new macroscopic concrete model for hydro-codes. In Proceedings of the 9th International Symposium on Interaction of the Effects of Muni-tions with Structures (pp. 315–322).

12. Wei, W.-L., Chen, Y.-Q., Wang, Z.-Q., Li, S.-T., & Hang, C.-L. (2023). Research on damage effect of penetration and explosion integration based on volume filling method. International Journal of Impact Engineering, 177, Article 104591. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2023.104591

13. Geng, H., Lu, H., Sun, S., Yue, S., Song, C., & Feng, S. (2020). Experimental study and damage effect analysis of concrete structures under the combined loadings of penetration and explosion. Shock and Vibration, 2020, Article 2137945. https://doi.org/10.1155/2020/2137945

14. Yang, G., Wang, G., Lu, W., Yan, P., & Chen, M. (2018). Combined effects of penetration and explosion on damage characteristics of a mass concrete target. Journal of Vibroengineering, 20(4), 1632–1651. https://doi.org/10.21595/jve.2017.18522

15. Lee, M., Kristoffersen, M., & Børvik, T. (2026). Dynamic response of thin concrete slabs sub-jected to sequential projectile impact and blast loading: An experimental and numerical investiga-tion. International Journal of Protective Structures. Advance online publication. https://doi.org/10.1177/20414196251339824

16. Cheng, Y. H., Zhou, F., Wu, H., & Fang, Q. (2022). Resistance of composite target against com-bined effects of large caliber projectile penetration and successive charge explosion. International Journal of Impact Engineering, 168, Article 104288. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2022.104288

17. Del Linz, P., Fan, S. C., & Lee, C. K. (2016). Modeling of combined impact and blast loading on reinforced concrete slabs. Latin American Journal of Solids and Structures, 13(12), 2266–2282. https://doi.org/10.1590/1679-78252516

Завантаження

Опубліковано

2026-09-30

Номер

Розділ

БУДІВНИЦТВО ТА ЦИВІЛЬНА ІНЖЕНЕРІЯ