Чисельне моделювання комбінованої дії проникнення та вибуху на двошарове покриття малозаглиблених захисних споруд критичної інфраструктури
DOI:
https://doi.org/10.33271/crpnmu/86.230Ключові слова:
захисна споруда, двошарове покриття, ударно-вибухове навантаження, накладений заряд, модель RHT, ANSYS Explicit DynamicsАнотація
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
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.
