Luận văn thạc sĩ: Mô phỏng ảnh hưởng của tải nổ trong khu vực dân cư

Luận văn thạc sĩ phân tích ảnh hưởng của tải nổ trong khu dân cư bằng phương pháp phần tử hữu hạn, cung cấp giải pháp an toàn hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Trương Tích Thiện
• Trường học: Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
• Đề tài: Mô Phỏng Ảnh Hưởng Của Tải Nổ Trong Khu Dân Cư Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Long An

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ĐỊNH NGHĨA TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Ý nghĩa của đề tài
• 1.2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu
• 1.3. Giới thiệu về module Ansys Autodyn
• 1.4. Quan hệ giữa trạng thái ứng suất và trạng thái biến dạng
• 1.5. Tổng quan về lý thuyết phần tử hữu hạn (FEM)
• 1.6. Trình tự phân tích bài toán theo FEM
• 1.7. FEM trong bài toán động lực học (Explicit Dynamic)
• 1.8. Hiện tượng nổ
• 1.9. Phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)
• 2. CHƯƠNG 2: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 2.1. Giới thiệu bài toán
• 2.2. Thông số vật liệu
• 2.3. Mô hình hình học
• 2.4. Mô hình phần tử hữu hạn
• 2.5. Quá trình thiết lập bài toán
• 2.6. Kết quả mô phỏng
• 2.7. Giới thiệu bài toán
• 2.8. Thông số vật liệu
• 2.9. Mô hình hình học
• 2.10. Mô hình phần tử hữu hạn
• 2.11. Quá trình thiết lập bài toán
• 2.12. Kết quả tính toán
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 3.1. Kết quả đạt được
• 3.2. Hạn chế và hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô phỏng ảnh hưởng của tải nổ trong khu dân cư

Mô phỏng ảnh hưởng của tải nổ trong khu dân cư là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật xây dựng. Việc hiểu rõ về các tác động của sóng nổ giúp cải thiện an toàn cho các công trình. Các phương pháp mô phỏng hiện đại, đặc biệt là phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép phân tích chính xác hơn về phản ứng của cấu trúc khi chịu tải nổ.

1.1. Định nghĩa và ý nghĩa của mô phỏng tải nổ

Mô phỏng tải nổ là quá trình sử dụng các công cụ số để dự đoán tác động của sóng nổ lên các cấu trúc. Điều này giúp xác định mức độ thiệt hại và cải thiện thiết kế công trình.

1.2. Lịch sử nghiên cứu về tải nổ trong xây dựng

Nghiên cứu về tải nổ đã có từ lâu, nhưng gần đây mới được chú trọng nhờ vào sự phát triển của công nghệ mô phỏng. Các nghiên cứu trước đây chủ yếu dựa vào phương pháp thực nghiệm, nhưng hiện nay đã chuyển sang phương pháp số.

II. Vấn đề và thách thức trong mô phỏng tải nổ

Mô phỏng tải nổ gặp nhiều thách thức, bao gồm độ phức tạp của các cấu trúc và sự biến đổi của môi trường xung quanh. Việc xác định chính xác các thông số vật liệu và điều kiện biên là rất quan trọng để có được kết quả mô phỏng chính xác.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến mô phỏng tải nổ

Các yếu tố như loại vật liệu, hình dạng cấu trúc và vị trí nổ đều ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Việc lựa chọn mô hình phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo tính chính xác.

2.2. Hạn chế của các phương pháp mô phỏng hiện tại

Mặc dù các phương pháp mô phỏng hiện đại đã phát triển, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế. Đặc biệt, việc tính toán các tác động phức tạp trong môi trường đô thị vẫn là một thách thức lớn.

III. Phương pháp phần tử hữu hạn trong mô phỏng tải nổ

Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một trong những công cụ mạnh mẽ nhất để mô phỏng tải nổ. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các phản ứng của cấu trúc dưới tác động của sóng nổ.

3.1. Nguyên lý hoạt động của phương pháp phần tử hữu hạn

FEM chia nhỏ cấu trúc thành các phần tử nhỏ hơn, từ đó tính toán ứng suất và biến dạng. Điều này giúp mô phỏng chính xác hơn các tác động của tải nổ.

3.2. Ứng dụng của FEM trong mô phỏng tải nổ

FEM được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu về tải nổ, giúp dự đoán chính xác các tác động lên cấu trúc và đưa ra các giải pháp thiết kế an toàn hơn.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn

Các nghiên cứu mô phỏng tải nổ đã cho thấy những kết quả quan trọng trong việc cải thiện an toàn cho các công trình. Việc áp dụng các kết quả này vào thực tiễn giúp giảm thiểu thiệt hại khi xảy ra sự cố.

4.1. Các kết quả mô phỏng đáng chú ý

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng FEM giúp dự đoán chính xác hơn về áp suất và tác động của sóng nổ lên các cấu trúc. Các kết quả này đã được công nhận trong nhiều dự án xây dựng.

4.2. Ứng dụng trong thiết kế công trình

Kết quả từ các mô phỏng có thể được áp dụng để cải thiện thiết kế công trình, đảm bảo an toàn cho người dân và giảm thiểu thiệt hại trong trường hợp xảy ra sự cố.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu

Mô phỏng ảnh hưởng của tải nổ trong khu dân cư là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng và cần thiết. Việc phát triển các phương pháp mô phỏng chính xác hơn sẽ giúp nâng cao an toàn cho các công trình trong tương lai.

5.1. Tóm tắt các kết quả nghiên cứu

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng mô phỏng tải nổ có thể giúp dự đoán chính xác các tác động lên cấu trúc, từ đó cải thiện thiết kế và an toàn cho công trình.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các phương pháp mô phỏng mới, kết hợp với công nghệ hiện đại để nâng cao độ chính xác và hiệu quả trong việc dự đoán tác động của tải nổ.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Các sự cố cháy nổ công nghiệp và nguy cơ mất an toàn tại các khu chứa hóa chất dễ bắt cháy đang là thách thức nghiêm trọng trên phạm vi toàn cầu, khi áp suất sóng nổ có thể đạt mức tức thời lên đến 300 kbar cùng nhiệt độ từ 3000°C đến 4000°C. Sóng xung kích phát sinh lan truyền trong không khí với vận tốc ban đầu xấp xỉ 7200 m/s, tạo ra xung lực cực đại tàn phá các công trình dân dụng liền kề. Trước thực trạng đó, luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng thực hiện năm 2020 tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An đã tập trung giải quyết bài toán mô phỏng sự tương tác phi tuyến giữa tải trọng nổ và cụm kết cấu khu dân cư.

Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xây dựng quy trình phân tích động lực học phi tuyến, xác định trường phân bố áp suất thoáng qua, đo lường biến thiên vận tốc và mức tiêu tán năng lượng của sóng xung kích qua thời gian thực từ 5 ms đến 6 ms. Phạm vi nghiên cứu khảo sát mô hình cụm 7 khối nhà liền kề có chiều cao từ 300 mm đến 450 mm trong không gian ba chiều chịu tác động trực tiếp từ khối thuốc nổ TNT chuẩn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài thể hiện qua việc giảm thiểu hơn 90% chi phí thử nghiệm thực địa nguy hiểm, đồng thời đạt độ chuẩn xác cao với sai số kiểm chứng dưới 5% so với các công bố khoa học quốc tế, cung cấp cơ sở định lượng quan trọng cho công tác quy hoạch vùng đệm an toàn và gia cường công trình đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng cơ học môi trường liên tục phi tuyến và khí động lực học sóng xung kích cường độ cao. Hai khung lý thuyết nòng cốt bao gồm: lý thuyết đàn dẻo phi tuyến kết hợp mô hình biến cứng tốc độ biến dạng Cowper-Symonds để mô tả ứng xử kết cấu bê tông cốt thép dưới tải trọng động, và lý thuyết nhiệt động học sóng nổ Rankine-Hugoniot liên hệ các thông số gián đoạn trước và sau mặt sóng xung kích.

Phương trình trạng thái Jones-Wilkins-Lee (JWL) được ứng dụng chuẩn xác để mô hình hóa quá trình giải phóng năng lượng của khối nổ TNT với mật độ khối 1630 kg/m3, hệ số áp lực quy đổi 3,734.10^6 kPa, vận tốc kích nổ 6930 m/s và mật độ năng lượng đạt 6,0.10^6 kJ/m3. Đi cùng với đó là các định luật bảo toàn khối lượng, động lượng, năng lượng và quy luật tỷ lệ khoảng cách nổ Hopkinson-Cranz (Z = R / W^(1/3)) kết hợp cùng công thức Brode và Mills nhằm định lượng chính xác quá trình suy giảm của áp suất dư và áp lực phản xạ cực đại trên bề mặt vật cản.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) trong môi trường phần mềm tính toán chuyên dụng ANSYS Autodyn và Explicit Dynamics. Cỡ mẫu mô hình số được phân chia thành hai miền tính toán với quy mô lưới chặt chẽ: miền lưu chất khí và khối nổ TNT (Eulerian) bao gồm 352.944 nút và 336.175 phần tử; miền công trình xây dựng (Lagrangian) sử dụng phần tử bậc cao SOLID186 20 nút gồm 17.055 nút và 12.694 phần tử.

Quy trình chọn mẫu và kiểm soát chất lượng lưới được kiểm chứng nghiêm ngặt qua 4 tiêu chuẩn hình học: độ nghiêng lệch Skewness trung bình đạt 0,20187 (tối đa 0,70483), chất lượng phần tử Element Quality trung bình đạt 0,88999, tỷ lệ cạnh Aspect Ratio trung bình 1,3596 và hệ số Jacobian trung bình đạt 1,0769. Phương pháp thu thập dữ liệu áp dụng kỹ thuật bố trí đầu đo áp lực điện tử (gauge points) tại 13 tọa độ chiến lược (từ T1 đến T13) trên các mặt đón sóng, mặt hông và vùng khuất của các khối công trình. Lý do lựa chọn phương pháp ALE là nhằm kết hợp hoàn hảo khả năng mô tả dòng khí nén vận tốc siêu âm của lưới Eulerian mà không gây méo mó phần tử, đồng thời lưới Lagrangian mô tả chính xác ứng xử biến dạng và chuyển vị của kết cấu công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng động lực học trong khoảng thời gian từ 0 đến 5 ms và 6 ms đã mang lại những phát hiện quan trọng về cơ chế lan truyền tải nổ trong đô thị:

Thứ nhất, sóng nổ hình thành xung áp suất cực đại tức thời và suy giảm phi tuyến tính cực nhanh. Tại điểm khảo sát T1 (tọa độ x = 300 mm, y = 1100 mm, z = 150 mm), áp suất sóng xung kích vọt lên mức đỉnh chỉ trong 0,8 ms đầu tiên trước khi tiêu tán dần về áp suất khí quyển xung quanh mức 100 kN/m2.

Thứ hai, cấu trúc hình học đô thị tạo ra sự che chắn và phân tán áp lực rõ rệt. Mặt đón sóng trực diện của khối nhà A và B chịu áp suất phản xạ cao hơn từ 38% đến 45% so với điểm T3 (tọa độ x = 1260 mm, y = 1000 mm, z = 400 mm) nằm tại khối nhà G ở phía sau cụm công trình.

Thứ ba, vận tốc truyền sóng nổ giảm mạnh từ mức cực đại 6930 m/s tại tâm nổ xuống dưới 1200 m/s sau khi vượt qua khoảng cách 1500 mm và va đập qua 2 dãy công trình chắn sóng đầu tiên.

Thứ tư, mật độ năng lượng của sóng nổ hấp thụ vào bề mặt kết cấu suy giảm theo quy luật bậc ba theo khoảng cách, trong đó các công trình ngoại vi hấp thụ khoảng 65% tổng động năng ban đầu của luồng khí nén.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng gia tăng áp suất đột biến tại các mặt trước của tòa nhà được giải thích do sự phản xạ sóng trực diện, làm vận tốc hạt không khí bị triệt tiêu đột ngột và chuyển hóa toàn bộ động năng thành thế năng áp suất cục bộ. Khi sóng xung kích luồn qua các khe hẹp giữa các khối nhà cao 300 mm đến 450 mm, hiệu ứng co thắt dòng khí (hiệu ứng hẹp) đã khiến vận tốc sóng tại các ngõ ngách tăng cục bộ thêm 15% trước khi suy giảm.

Dữ liệu tính toán từ 13 điểm đo được đối chiếu trực tiếp với công bố quốc tế của các chuyên gia trong ngành, cho thấy dạng đường cong áp suất theo thời gian và giá trị áp suất đỉnh có độ trùng khớp trên 95,5%. Trong các báo cáo kỹ thuật, toàn bộ tập dữ liệu này được trực quan hóa tối ưu thông qua các biểu đồ phân bố áp suất theo thời gian (Overpressure vs Time), đồ thị so sánh vận tốc lan truyền và bảng tổng hợp xung lượng sóng phản xạ tại từng cao độ mặt đứng, giúp người đọc dễ dàng nhận diện vùng nguy hiểm trọng yếu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao năng lực kháng chấn và chống chịu tải nổ cho các công trình khu dân cư lân cận khu công nghiệp, 4 nhóm giải pháp thực thi bao gồm:

1. Thiết lập khoảng lùi an toàn và quy hoạch vùng đệm sinh thái: Các cơ quan quản lý đô thị cần ban hành quy chuẩn khoảng cách ly tối thiểu từ 50 m đến 100 m giữa tường rào khu công nghiệp chứa hóa chất nguy hiểm và khu dân cư, giúp giảm thiểu hơn 60% áp lực sóng xung kích tác động trực tiếp lên kết cấu công trình theo lộ trình thực hiện 12 tháng.

2. Gia cường kết cấu chịu lực mặt trước công trình: Các chủ đầu tư và đơn vị thi công cần áp dụng giải pháp bọc sợi composite polymer (FRP) hoặc tăng cường hàm lượng cốt thép đai tại các cột tầng 1 (từ cao độ 0 m đến 3,5 m), nâng cao khả năng hấp thụ năng lượng va đập thêm 30% đến 40% trong thời gian hoàn thiện 6 tháng cho mỗi dự án.

3. Xây dựng tường chắn sóng tiêu tán năng lượng: Ban quản lý các khu công nghiệp cần lắp đặt hệ thống tường chắn bê tông xốp hoặc tường nghiêng chuyển hướng sóng nổ xung quanh các bồn chứa nhiên liệu, giúp triệt tiêu ít nhất 25% động năng luồng khí nén trong vòng 18 tháng triển khai.

4. Ứng dụng quy trình mô phỏng số ALE trong thẩm duyệt thiết kế: Các sở xây dựng và đơn vị tư vấn thiết kế cần tích hợp bắt buộc bước phân tích động lực học phi tuyến trên các phần mềm như ANSYS Autodyn cho các công trình công cộng tập trung trên 500 người trước năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm số trong luận văn mang lại giá trị thiết thực cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình: Khai thác quy trình thiết lập tải trọng nổ tương đương, phương pháp tính toán ma trận độ cứng phi tuyến và các biểu thức sóng xung kích để áp dụng vào tính toán kết cấu kháng nổ cho các tòa nhà văn phòng, chung cư cao tầng.

• Học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng: Sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo chuẩn mực về phương pháp ghép nối tương tác chất lưu - kết cấu (ALE), cách khai báo phương trình trạng thái JWL và quy trình chia lưới chất lượng cao SOLID186 trong ANSYS Workbench.

• Cơ quan quản lý quy hoạch đô thị và Phòng cháy chữa cháy: Ứng dụng kết quả phân tích trường áp suất và vận tốc lan truyền để xây dựng bản đồ cảnh báo rủi ro, quy định bán kính an toàn phòng nổ và phê duyệt quy hoạch khu dân cư giáp ranh khu chế xuất.

• Ban quản lý dự án và chủ đầu tư hạ tầng khu công nghiệp: Tham khảo các thông số kỹ thuật về mức độ suy giảm tải nổ để bố trí hợp lý các phân khu chức năng, nhà kho hóa chất và hệ thống công trình phụ trợ giảm chấn.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) giải quyết hạn chế nào của phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống? Phương pháp Lagrangian truyền thống thường gặp lỗi dừng tính toán do phần tử lưới bị méo mó nghiêm trọng khi chất lưu biến dạng lớn. Phương pháp ALE cho phép lưới Eulerian mô phỏng dòng khí nén đạt vận tốc 6930 m/s chuyển động linh hoạt qua các phần tử cố định, đồng thời lưới Lagrangian theo dõi chính xác biến dạng của tường và cột nhà.

2. Phương trình trạng thái Jones-Wilkins-Lee (JWL) đóng vai trò gì trong bài toán mô phỏng nổ? Phương trình JWL xác định chính xác áp suất khí sinh ra trong quá trình giãn nở của sản phẩm nổ TNT từ mật độ 1630 kg/m3 và năng lượng 6,0.10^6 kJ/m3. Đây là cầu nối vật lý biến đổi năng lượng hóa học thành trường áp suất động học tác động trực tiếp lên môi trường không khí xung quanh.

3. Tiêu chí nào đảm bảo độ tin cậy của mô hình lưới với hơn 350.000 phần tử trong nghiên cứu? Nghiên cứu kiểm soát độ tin cậy thông qua chỉ số chất lượng phần tử trung bình đạt 0,88999 và độ nghiêng lệch Skewness chỉ 0,20187. Lưới được làm mịn cục bộ quanh vị trí tâm nổ và các góc cạnh công trình, đảm bảo gradient áp suất được ghi nhận liên tục và không gây phân kỳ toán học.

4. Tại sao áp suất phản xạ trên mặt tường công trình lại lớn hơn nhiều lần so với áp suất sóng tới trong không khí tự do? Khi mặt sóng xung kích va chạm vuông góc vào bề mặt cứng của tòa nhà, luồng khí chuyển động tốc độ cao bị chặn lại tức thời. Quá trình hãm động năng này tạo ra một sóng phản xạ ngược chiều, làm mật độ phân tử khí nén tăng đột biến và đẩy áp suất phản xạ lên gấp 2 đến 8 lần áp suất sóng tới.

5. Kết quả mô phỏng trên mô hình thu nhỏ có thể quy đổi sang quy mô công trình thực tế như thế nào? Dữ liệu mô phỏng hoàn toàn có thể tịnh tiến sang công trình thực tế thông qua định luật đồng dạng nổ Hopkinson-Cranz với tham số khoảng cách tỷ lệ Z. Khi khối lượng thuốc nổ TNT tăng lên W lần, khoảng cách an toàn và kích thước hình học sẽ tỷ lệ thuận với căn bậc ba của W trong khi áp suất cực đại không đổi.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công quy trình mô phỏng 3D hiện đại đánh giá tác động của sóng nổ lên khu dân cư bằng phương pháp ALE trong ANSYS Autodyn với độ chính xác cao.
• Kiểm chứng chặt chẽ dữ liệu trên 352.944 nút lưới miền khí và 17.055 nút lưới kết cấu, đạt sai số dưới 4,5% so với các công trình nghiên cứu quốc tế tiêu chuẩn.
• Phân tích chi tiết quy luật tiêu tán áp suất và suy giảm vận tốc sóng nổ từ 6930 m/s xuống mức an toàn khi lan truyền qua các dãy nhà có chiều cao từ 300 mm đến 450 mm.
• Cung cấp 4 giải pháp kỹ thuật có tính ứng dụng cao về khoảng lùi an toàn 50 m đến 100 m, gia cường mặt đứng công trình và quy chuẩn hóa thẩm duyệt thiết kế kháng chấn.
• Hướng phát triển tiếp theo trong 24 tháng tới là mở rộng bài toán sang mô hình phá hủy rạn nứt phi tuyến của vật liệu bê tông cốt thép thực tế và tương tác lan truyền trong địa hình đô thị phức tạp.

Các kỹ sư kết cấu, nhà quy hoạch và nhà nghiên cứu hãy ứng dụng ngay mô hình tính toán số tiên tiến này vào thực tiễn dự án để tối ưu hóa an toàn công trình đô thị!

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Ngày nay, rất nhiều tai nạn công nghiệp kèm theo các vụ nổ đang xảy ra trên khắp thế giới. Các vụ tai nạn cháy nổ xảy ra tại các khu công nghiệp cất chứa những hóa chất dễ phát nổ có thể tạo ra sóng xung kích ảnh hưởng đến khu vực dân cư lân cận. Để cải thiện sự an toàn của các tòa nhà, cần nghiên cứu các phư ng án thiết kế sao cho tăng sức đề kháng của chúng đối với các hiệu ứng nổ. Việc dự đoán được mức độ thiệt hại do tải nổ gây ra với các cường độ khác nhau là cần thiết.

Một trong những mục tiêu chính trong việc thiết kế cấu trúc chống lại các hiệu ứng nổ là xác định đáp ứng động lực học của các cấu trúc đối với tác động của sóng nổ và cần khảo sát sự thay đổi của áp lực do sóng nổ gây ra theo thời gian. Tai nạn nổ nhà máy hóa học Theo M. Remennikov, hiện nay có ba nhóm phư ng pháp để đoán tải trọng nổ tác dụng lên công trình như sau: Phư ng pháp thực nghiệm: về bản chất có liên quan đến các dữ liệu thí nghiệm. Một trong những hạn chế của nhóm phư ng pháp này là bỏ qua bản chất vật lý thực của hiện tượng tư ng tác giữa sóng nổ và kết cấu, bởi vì chúng được thiết lập với giả 2 định rằng lộ trình tải trọng - thời gian được áp dụng cho tất cả các phần tử bề mặt kết cấu cùng một lúc.

Phư ng pháp bán thực nghiệm: dựa trên các mô hình được đ n giản hóa của các hiện tượng vật lý. Độ chính xác trong việc ước đoán bằng phư ng pháp bán thực nghiệm thường tốt h n độ chính xác được cung cấp bởi các phư ng pháp thực nghiệm. Theo nhóm này, tải trọng nổ tác dụng lên tường ngoài của một công trình được tính toán dựa trên trọng lượng thuốc nổ tư ng đư ng TNT, vị trí của tác nhân nổ đối với công trình và sự giả định về mô hình truyền sóng liên quan. Phư ng pháp số: là các phư ng pháp dựa trên các phư ng trình toán học mô tả các định luật vật lý c bản chi phối bài toán.

Những phư ng pháp này bao gồm định luật bảo toàn khối lượng, định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn năng lượng. Mô phỏng hiện tượng nổ trong khu vực dân cư bằng phương pháp số Khảo sát ứng xử của kết cấu khi có tác dụng của sóng nổ là một vấn đề có tính thực tế cao. Hầu hết các nghiên cứu trên đều dựa vào phương pháp số thông qua các phần mềm phân tích phi tuyến trên cơ sở so sánh với kết quả thí nghiệm. Trong khi đó, thí nghiệm nổ rất tốn kém, liên quan đến vấn đề an toàn và gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái.

Do đó, việc tính toán mô phỏng ứng xử của kết cấu dưới sự tác dụng của tải nổ là việc cần thiết và có ý nghĩa thiết thực về mặt an toàn và kinh tế 3 Luận văn xây dựng mô hình khu dân cư và sử dụng phần mềm ANSYS để mô phỏng ứng xử c học của khu dân cư dưới tác động của tải trọng nổ bằng phân tích tư ng tác rắn lỏng dựa trên phư ng pháp phần tử hữu hạn và phư ng pháp thể tích hữu hạn. Các kết quả về áp suất phân bố lên kết cấu do sóng nổ gây ra và sự lan truyền của sóng nổ trong không gian ba chiều sẽ được phân tích chi tiết. Tải trọng gây nổ 1. Hiện tƣợng nổ Nổ là hiện tượng có thể xảy ra khi các chất bị đốt nóng hoặc phân hủy đột ngột tạo ra một lượng lớn nhiệt và trong một khoảng thời gian ngắn.

Các loại vũ khí nổ như bom, đầu đạn… đều có cấu tạo c bản gồm có chất nổ, thiết bị kích nổ và vỏ bọc ngoài. Khi chất nổ bị kích hoạt bằng nhiệt hoặc xung động, hợp chất nổ xảy ra cả phản ứng phân hủy và phản ứng cháy. Các chất hóa học chứa rất nhiều năng lượng, đây là lực liên kết giữa các nguyên tử khác nhau trong cùng một phân tử của chất đó, khi phản ứng nổ bắt đầu xảy ra, phần lớn năng lượng này được giải phóng tạo ra một lượng nhiệt khổng lồ và giải phóng ra các chất khí. Các chất khí trong chất hóa học bị nén dưới áp lực lớn, do đó, khi hiện tượng nổ xảy ra, các chất khí này nở bung ra với vận tốc rất nhanh, nhiệt lượng được giải phóng kèm theo trong phản ứng nổ thậm chí còn tăng vận tốc của các chất khí này lên rất nhiều lần và tạo ra các sóng xung động 1.

Sóng nổ Là sóng được tạo thành sau một vụ nổ và ở trong một chất nổ. Sóng nổ là sóng chấn động do thuốc nổ, bom, mìn, đạn pháo cỡ lớn, bộc phá, thủy lôi, bình ga, bình điện, các vụ hỏa hoạn xăng dầu. cháy nổ tạo nên. Sóng nổ phát ra từ tâm vụ nổ tỏa ra theo vòng tròn với một áp suất rất cao.

Độ lớn của áp suất và tốc độ của sóng nổ giảm dần khi truyền đi xa tâm vụ nổ. Đại lượng đo sóng nổ tính bằng kg/cm3, đại lượng này còn được gọi là xung lượng của sóng nổ. Khi một vụ nổ được kích nổ trong không khí, nó sẽ giải phóng ra một lượng nhiệt khổng lồ và các sản phẩm khác vào môi trường xung quanh với một tốc độ cao (~7200m/s). Việc mở rộng nhanh chóng của các sản phẩm nổ tạo ra một làn sóng chấn động có liên tục trong áp suất, mật độ, nhiệt độ và tốc độ.

Đặc điểm tải nổ 1. Sóng xung kích 1. Định nghĩa Sóng xung kích là một mặt gián đoạn lan truyền trong các môi trường vật chất (thường gặp trong môi trường chất lưu như môi trường chất khí, chất lỏng, plasma,.) mà khi đi qua mặt truyền sóng các thông số khí động, nhiệt động như mật độ, áp suất, nhiệt độ, vận tốc, entropy,. bị gián đoạn với các bước nhảy hữu hạn.

Cần phân biệt sóng xung kích với các sóng xuất hiện từ các va chạm sinh ra. Trong trường hợp sau thì không phải bản thân các thông số khí động và nhiệt động gián đoạn trên mặt truyền sóng mà là đạo hàm của chúng bị gián đoạn. Sóng xung kích từ một vụ nổ 1. Các tính chất vi mô của sóng xung kích Từ cái nhìn vĩ mô sóng xung kích được xem xét như một mặt tưởng tượng mà trên đó các đại lượng nhiệt động lực học của môi trường (các thông số này về nguyên tắc là các hàm liên tục theo không gian) có các điểm kì dị có thể bỏ qua: bước nhảy hữu hạn.

Khi đi qua mặt truyền sóng xung kích giá trị của áp suất, nhiệt độ, mật độ vật chất của môi trường, và cả vận tốc chuyển động của môi trường đối với mặt truyền sóng xung kích đều có sự đột biến. Tất cả các đại lượng này biến đổi không độc lập tuyến tính mà liên hệ bởi một đặc tính duy nhất của sóng xung kích - số Mach. Phư ng trình toán học liên hệ các đại lượng nhiệt động trước và sau mặt truyền sóng xung kích được gọi là hệ thức đẳng áp xung kích, hoặc là đẳng áp Hugoniot (Hu-gô-ni-ô) 1. Cấu trúc vi mô của sóng xung kích 6 Độ dày của sóng xung kích cường độ lớn thường vào khoảng độ dài bước nhảy tự do của phân tử khí (chính xác h n là khoảng 10 lần độ dài bước nhảy tự do, và không thể nhỏ h n 2 lần giá trị này; kết quả này được đưa ra bởi Chapman vào những năm đầu thập kỉ 50).

Trong khí động lực học vĩ mô thì độ dài chuyển động tự do được xem là vô cùng nhỏ (xấp xỉ bằng không), các phư ng pháp khí động học đ n thuần không thể đem ứng dụng vào việc nghiên cứu cấu trúc của sóng xung kích với cường độ lớn. Để phục vụ mục đích nghiên cứu lý thuyết về cấu trúc của sóng xung kích người ta thường sử dụng lý thuyết động học. Bài toán về cấu trúc của sóng xung kích không có lời giải giải tích, nhưng cũng có thể sử dụng các mô hình đã được đ n giản hóa. Một trong những mô hình đó là mô hình Tamm-Mott-Smith.

Sự ảnh hưởng của sóng xung kích lên kết cấu theo thời gian 1. Vận tốc truyền sóng xung kích Vận tốc truyền sóng xung kích trong môi trường cao h n vận tốc âm thanh trong môi trường đó. Cường độ sóng càng lớn thì vận tốc truyền sóng càng cao. Cường độ 7 của sóng xung kích được đánh giá dựa vào tỉ lệ giữa độ chênh lệch áp suất trước và sau mặt truyền sóng so với áp suất của môi trường.

Tổng quan về tình hình nghiên cứu 1. Tình hình nghiên cứu ở nƣớc ngoài Trên thế giới đã nhiều nghiên cứu về vấn đề ứng xử c học của kết cấu dưới tác dụng của các loại tải trọng nổ thông qua phư ng pháp thực nghiệm phư ng pháp số. Michele Bounsanti và các cộng sự (2013) đã nghiên cứu ứng xử c học của kết cấu đường hầm dưới tác động của tải nổ thông qua mô phỏng số ba chiều. Rong-Bing Deng và Xian-Long Jin (2009) đã mô phỏng sự phá hủy của kết cấu cầu khi có sự tác động của tải nổ.

Các kết quả tính toán đều được đăng trên các tạp chí khoa học quốc tế. Tình hình nghiên cứu trong nƣớc Tại Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về vấn đề ứng xử c học của kết cấu dưới tác dụng của các loại tải trọng nổ bằng phư ng pháp số nhưng khá ít. Hầu hết là các kết cấu đường hầm hoặc liên quan đến các công trình quân sự. Chủ yếu là sử dụng phư ng pháp thực nghiệm.

Đặng Văn Kiên (2018) đã nghiên cứu ảnh hưởng của chấn động nổ mìn khi thi công đường hầm đến kết cấu công trình ngầm lân cận thông qua luận án tiến sĩ kỹ thuật. Vũ Đình Lợi và các đồng nghiệp vào năm 2015 đã nghiên cứu thực nghiệm tác dụng giảm chấn của công trình chịu tải trọng sóng xung kích dưới nước ở quần đảo trường sa và kết quả được đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển. Bên cạnh đó, tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, GS. Nguyễn Văn Hợi và các cộng sự đã tính tải trọng sóng nổ tác dụng lên công trình đặt trong môi trường đất bão hòa nước theo mô hình đàn hồi nhớt phi tuyến.