Розвиток наукових основ розрахунків захисних споруд на аварійні температурні та силові навантаження

Abstract

У дисертаційній роботі представлені дослідження, що присвячені розробці нових та вдосконаленню існуючих методів розрахунків захисних споруд критичної інфраструктури та цивільної оборони на дію аварійних температурних і силових навантажень. Розглянуто аварійні навантаження, як нормовані (падіння літака на захисну конструкцію атомної електростанції, аварія ректора, пожежне навантаження) так і не встановлені чинними нормами: терористичні атаки на захисні споруди з використанням лазерного випроміненДисертаційна робота присвячена вирішенню важливої науково-практичної проблеми обґрунтування та валідації математичних моделей і розрахункових схем для описання поведінки несучих конструкцій ЗС ЦО та ОКІ в умовах впливу аварійних навантажень, прогнозування (оцінювання) їхніх захисних властивостей в умовах найбільш небезпечних сполучень екстремальних динамічних температурних та силових навантажень, вдосконалення чинних норм, які регламентують вимоги щодо проєктування ЗС ЦО та ОКІ. Розроблені математичні моделі та виконано чисельні дослідження поведінки ЗО при дії аварійних навантажень від пожежі, удару транспортного засобу, удару БпЛА з подальшим вибухом. Застосований ПК дозволив провести математичний аналіз на основі явного та неявного методів у постановці нестаціонарної задачі теплопровідності. Розглянуті аналітичні підходи на основі можливостей програмного САЕ-комплексу LS-DYNA. Встановлено забезпечену несучу здатність сховища для зберігання відпрацьованого ядерного палива в умовах пожежі, захисного перекриття при ударі дрона з подальшим вибухом, а для забезпечення захисних властивостей мобільного укриття при ударі транспортного засобу розроблено для безпеки будівлі додаткову захисну систему у вигляді залізобетонної платформи з посиленими сталевими стійками. Проведено експериментальні дослідження бетонних кубів, фрагментів ЗС на місцеве продавлювання та температурне навантаження від лазерного випромінення. Проведені аналітичні та чисельні дослідження деформативності тришарової сталебетонної ЗО АЕС на дію аварійного тиску та підвищеної температури. Вперше з врахуванням положень деформаційного методу одержані аналітичні залежності на основі теорії пружності для визначення деформацій шарів, моменту тріщиноутворення і переміщень зовнішньої грані кільцевого перерізу тришарової оболонки при такому аварійному навантаженні. При математичному моделюванні проаналізовано доступні в програмному комплексі ЛІРА 10 розв’язувачі з пружно-пластичним аналізом на основі різних теорій міцності та обґрунтовано для пружно-пластичного аналізу в чисельному експерименті розв’язувач на основі теорій Друкера-Прагера та Треска. The dissertation presents research devoted to the development of new and improvement of existing methods for calculating protective structures of energy and civil defense for the action of emergency temperature and force loads. The introduction substantiates the relevance, purpose and objectives of research, general characteristics and scientific novelty as well as the practical value of research. The first section reviews the technical literature on the research issues, namely: existing methods for calculating reinforced concrete protective structures under the action of emergency temperature and force loads, analysis of the stress-strain state of reinforced concrete structures under such influences, numerical calculation methods using modern software packages. The second section is devoted to the development of a program and methods for researching reinforced concrete protective structures under the influence of emergency local laser heating, local crushing from the fall of an aircraft (24 samples). Mathematical modeling was carried out and methods for numerical studies of the dynamic interaction of emergency temperature and force loads with protective structures numerical studies of models of three-layer protective shells were developed. The third section presents the results of experimental studies of concrete compositions on 10 types of cements, with complex additives that increase the suction properties of structures. Concrete compositions for protective structures with a minimum amount of free water in the pores and recommendations for their use have been developed. The fourth section presents the results of experimental studies of fragments of protective dams on local crushing from an airplane crash, improved analytical dependences of the calculation for such a load with consideration of the features of the operation of horizontal ballast layer reinforcement. The results of experimental and numerical studies of the concrete surface of the protective structure under the influence of local laser heating are presented, and their comparison is made. The physical emission control method is applied, a numerical model of the interaction of the laser beam with concrete is developed in the LIRA 10 PC, and the parameters of spatial temperature fields are established. The fifth section describes the results of mathematical modeling and numerical experiments of the interaction of dynamic emergency temperature and force loads from fire, vehicle impact, and drone fall with subsequent explosion with a protective structure. Their validation was performed in the LS-DYNA CAE software complex. An additional protective system has been developed that comprehensively blocks a large-mass vehicle and ensures the preservation of the protective properties of the modular prefabricated shelter. The sixth section presents the developed analytical relationships for assessing the crack resistance of a three-layer reinforced concrete protective shell. The results of mathematical modeling of such a shell and a comparison of the results of a numerical experiment with those obtained analytically are presented. The possibility of using analytical dependencies obtained using the deformation method to assess the protective properties of the shell is substantiated.