Чисельне моделювання напружено-деформованого стану бетонної обробки тунелю при поверхневому вибуховому навантаженні з використанням RHT-моделі
DOI:
https://doi.org/10.33271/crpnmu/85.175Ключові слова:
фізико-механічні властивості, коефіцієнт запасу стійкості, RHT-модель, ANSYS Explicit Dynamics, поверхневий вибух, оправлення тунелю, коефіцієнт динамічного зміцнення, залізобетонАнотація
Мета. Розрахунок напружено-деформованого стану бетонного оправлення тунелю, розташованого на глибині 10 м у ґрунтовому масиві, при дії поверхневого вибухового навантаження та обґрунтування методики коректної інтерпретації результатів з урахуванням динамічних ефектів. Методика. Розрахунок виконано у програмному комплексі ANSYS Explicit Dynamics із застосуванням повністю зв'язаної ейлерово-лагранжевої постановки. Поведінка бетону C35/45 описується динамічною моделлю Ріделя–Хірмаєра–Томи (RHT), а поведінка ґрунту – моделлю Drucker–Prager Piecewise. Вплив швидкості деформації на міцність бетону враховано через коефіцієнт динамічного зміцнення (DIF), який визначається як відношення динамічної міцності до статичної. Результати. Максимальне головне напруження σ1у бетонному оправленні становить відповідно: піковий рівень у точці моніторингу – 3,82 МПа в момент часу t = 43,5 мс; просторовий максимум – 3,57 МПа в момент часу t = 50 мс. Максимальне переміщення ґрунту в епіцентрі вибуху становить 4,21 м, а на рівні тунелю – 0,2–0,5 м. Динамічна міцність бетону на розтяг становить ft,dyn ≈ 6,27 МПа, а запас міцності – близько 76 %. Наукова новизна. Встановлено залежності між піковим рівнем напружень у бетонному оправленні тунелю та часом проходження ударної хвилі крізь ґрунтовий масив; обґрунтовано двоетапну схему оцінки міцності –порівняння розрахункових напружень зі статичною міцністю, а потім із динамічною міцністю з урахуванням фактичної швидкості деформації ε̇ ≈ 10² с⁻¹. Запропоновано параметр RHT-моделі ft/fс = 0,171 для гомогенізованої моделі залізобетону C35/45 з коефіцієнтом армування ρ = 0,5 % сталлю класу А500С. Практична значимість. Отримані розрахункові дані дозволяють оцінювати залишковий ресурс оправлень тунелів при поверхневому вибуховому навантаженні без необхідності переходу до обчислювально витратного дискретного моделювання арматури, а також формулювати обґрунтовані вимоги до товщини ґрунтового захисного шару та класу бетону для захисних підземних споруд.Посилання
1. Riedel, W., Thoma, K., Hiermaier, S., & Schmolinske, E. (1999). Penetration of reinforced concrete by BETA-B-500 –Numerical analysis using a new macroscopic concrete model for hydrocodes. In Proceedings of the 9th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures (pp. 315–322).
2. Riedel, W. (2009). 10 years RHT: A review of concrete modelling and hydrocode applications. In S. Hiermaier (Ed.). Predictive modeling of dynamic processes: A tribute to Professor Klaus Thoma (pp. 143–165). https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0727-1_9
3. Borrvall, T., & Riedel, W. (2011). The RHT concrete model in LS-DYNA. In Proceedings of the 8th European LS-DYNA Users Conference (12 p.). Strasbourg, France
4. Grunwald, C., Schaufelberger, B., Stolz, A., Riedel, W., & Borrvall, T. (2017). A general concrete model in hydrocodes: Verification and validation of the Riedel–Hiermaier–Thoma model in LS-DYNA. International Journal of Protective Structures, 8 (1), 58–85. https://doi.org/10.1177/2041419617695977
5. Ding, Y.-Q., Tang, W.-H., Zhang, R.-Q., & Ran, X.-W. (2013). Determination and validation of parameters for Riedel–Hiermaier–Thoma concrete model. Defence Science Journal, 63 (5), 524–530. https://doi.org/10.14429/dsj.63.3866
6. Tu, Z., & Lu, Y. (2009). Evaluation of typical concrete material models used in hydrocodes for high dynamic response simulations. International Journal of Impact Engineering, 36 (1), 132–146. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2007.12.010
7. Malvar, L. J., & Crawford, J. E. (1998). Dynamic increase factors for concrete. In Proceedings of the 28th DDESB Seminar (17 p.). Orlando, FL.
8. Zuievska, N., Darmostuk, D., Semchuk, R., & Zuievskyi, Y. (2025). Modelling blast effects for a multilayer "Reinforced-concrete slab – Soil mass". Geotechnical Mechanics, 175 , 169–180. https://doi.org/10.15407/geotm2025.175.169
9. Haiko, H., Berezdetskyi, V., & Zuievskyi, Y. (2026). Modeling the impact of dynamic loads and critical effects on the geotechnical system "soil layer – underground structure". IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 1630 , 012099. https://doi.org/10.1088/1755-1315/1630/1/012099
10. Mussa, M. H., Mutalib, A. A., Hamid, R., Naidu, S. R., Radzi, N. A. M., & Abedini, M. (2017). Assessment of damage to an underground box tunnel by a surface explosion. Tunnelling and Underground Space Technology, 66 , 64–76. https://doi.org/10.1016/j.tust.2017.04.001
11. Mussa, M. H., Mutalib, A. A., Hamid, R., & Raman, S. N. (2018). Blast damage assessment of symmetrical box-shaped underground tunnel according to peak particle velocity (PPV) and single degree of freedom (SDOF) criteria. Symmetry, 10 (5), 158. https://doi.org/10.3390/sym10050158
12. Mobaraki, B., & Vaghefi, M. (2016). Effect of the soil type on the dynamic response of a tunnel under surface detonation. Combustion, Explosion, and Shock Waves, 52 (3), 363–370. https://doi.org/10.1134/S0010508216030175
13. Mandal, J., Agarwal, A. K., & Goel, M. D. (2020). Numerical modeling of shallow buried tunnel subjected to surface blast loading. Practice Periodical on Structural Design and Construction, 25 (3), 04020019. https://doi.org/10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001518
14. Rashiddel, A., Kharghani, M., Dias, D., & Hajihassani, M. (2020). Numerical study of the segmental tunnel lining behavior under a surface explosion –Impact of the longitudinal joints shape. Computers and Geotechnics, 128 , 103822. https://doi.org/10.1016/j.compgeo.2020.103822
15. Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., & Ramsay, J. (2007). Blast loading and blast effects on structures –An overview. Electronic Journal of Structural Engineering, 7 , 76–91. https://doi.org/10.56748/ejse.671
16. Henrych, J. (1979). The dynamics of explosion and its use . Elsevier.
17. Smith, P. D., & Hetherington, J. G. (1994). Blast and ballistic loading of structures . Butterworth-Heinemann.
18. Livingston, C. W. (1956). Fundamentals of rock failure. Quarterly of the Colorado School of Mines, 51 (3), 1–14.
19. Міністерство регіонального розвитку та будівництва України. (2009). ДСТУ Б В.2.7-176:2008. Будівельні матеріали. Суміші бетонні та бетон. Загальні технічні умови . Мінрегіонбуд України.
20. ДП «УкрНДНЦ». (2019). ДСТУ 3760:2019. Прокат арматурний для залізобетонних конструкцій. Загальні технічні умови . ДП «УкрНДНЦ».
21. Laine, L., & Sandvik, A. (2001). Derivation of mechanical properties for sand. In Proceedings of the 4th Asia-Pacific Conference on Shock and Impact Loads on Structures (pp. 361–368). CI-Premier PTE LTD.
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
All articles are published under the Creative Commons Attribution License (CC BY 4.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Authors retain copyright and grant the journal right of first publication.
Authors are permitted and encouraged to deposit the final published version of their article, or the Author's Accepted Manuscript (AAM), in institutional or subject-specific open-access repositories (including the university's own institutional repository, CORE, Zenodo, or Figshare), ensuring maximum visibility, accessibility, and impact of the publication.
