CC BY
8
УДК 004.94:624
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НАГРУЖЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
ТОННЕЛЯ
ЯК. Исаева
В данной работе проводится имитационное компьютерное моделирование того, как влияет нагрузка на укрепления сводов тоннелей. Проводится оценка выдерживаемой нагрузки, а также исследование стадий разрушения конструкции в целом.
Ключевые слова: компьютерное моделирование, имитационное моделирование, обработка результатов, подземное строительство, нагрузка, стальная опора, конструкция.
Имитационно-компьютерное моделирование является одним из современных методов решения разнообразных задач в различных областях знаний человека. Основываются методы в большинстве своем на методе конечных элементов, который в свою очередь основывается на решении дифференциальных уравнений с частными производными. Таким образом, для решения какой-либо задачи, будь то движение среды, механика деформирования твердого тела, теплообмен, электродинамики, проводятся десятки тысяч операций по вычислению различных уравнений [1-2]. Таким образом, программы, реализующие описанный выше метод решают сложнейшие задачи.
В данной работе рассмотрим поведение укрепления свода тоннеля при значительной перегрузке. Укрепления зачастую ставятся в тоннелях под сводом, чтобы укрепить его [3-5]. Они представляют собой чаще стальную конструкцию, повторяющую форму свода. Однако подобные своды не могут выдержать нагрузку значительно большую, чем расчётная, и в этом случае происходит его деформирование и в конечном счете обрушение. Рассмотрим поведение укрепления при воздействии на него силы, действующей по нормали ко всей верхней поверхности.
На данный момент существует ряд работ, в которых проводятся исследования с выдерживаемым нагрузками [6-8], однако исследование нагружения подземных сооружений весьма немного. Данное исследование проводится с помощью имитационного компьютерного моделирования программе Ansys. Рассматривается укрепление свода, шириной 10 м и высотой 4 м. Укрепление имеет квадратное сечение размерами 400 мм. Материал укрепления - конструкционная сталь 35. Нагружалась конструкция силой 500 кН. На рис. 1 представлены изображения того, как с течением времени деформируется укрепление, при этом тонкими линиями изображена изначальная форма изучаемой конструкции.
Рис. 1. Стадии деформации 90
Системный анализ, управление и обработка информации
На рис. 2 изображены общие деформации, возникающие при значительном нагружении конструкции.
0.00066648 Мах
0,00059243
0,00051837
0,00044432
0,00037027
0,00029621
0,00022216
0,00014011
7,4053е-5
О М|п
0,00066646 Мах
0,00059243 0,00051837 0.00044432 0,00037027 0.00029621 0,00022216 0,00014811 7,4053е-5
0 М(П
б
Рис. 2. Общая деформация: а — на первой стадии; б — на второй стадии
Величина деформации в абсолютном выражении в данном случае не велика, однако стоит заменить что габариты конструкции весьма значительны, вследствие чего данная величина не столь велика и достигает 0,0007.
На рис. 3 изображены интенсивности напряжений, возникающие при деформировании укрепления.
2.8675е7 Мах
2,6224е7
2,3772е7
2,132е7
1,38б8е7
1,бД17е7
1,3965е7
1,1513е7
ЕЮбПеб
6.609 Зеб М1п
Рис. 3. Интенсивность напряжений (Па)
При нагружении конструкции возникают интенсивности напряжений, наименьшая величина которых равняется 6 МПа, а наибольшая 29 МПа.
На рис. 4 изображена энергия деформирования, возникающая при деформировании конструкции.
0.099443 Мах
0,09201 Э
0.0М5М
0.077169
0,069745
0,06232
0,054096
0,047471
0,040047
0,032622 М1п
Рис. 4. Энергия деформирования (Дж)
91
При деформировании моста выделяется также энергия в местах с наибольшей степенью деформации, однако ее величина не столь существенна и данным показателем можно пренебречь.
Таким образом данное имитационное компьютерное моделирование позволило с помощью программных методов определить поведение укрепления при ее значительном нагружении, которое привело к разрушению конструкции.
Список литературы
1. Морозов Е.М., Муйземнек А.Ю., Шадский А.С. ANSYS в руках инженера. Механика разрушения. М.: Ленанд, 2010. 456 с.
2. Газаров А.Р. Применение программного обеспечения Ansys для выявления аэродинамических характеристик зданий // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 11. С. 344 - 347.
3. Беляев В.Ф., Пястолов А.В. Механические и физико-химические способы укрепления горных пород. М.: Недра, 1967. 115 с.
4. Гринев А.А., Дориан И.Я., Афендиков Л.С. Исследование вопросов технологии возведения и статической работы тоннельных обделок из монолитно-прессованного бетона. М.: Транспорт, 1971. 145 с.
5. Расчет сооружений с применением вычислительных машин. Под общ. ред. А.Ф. Смирнова. М.: Транспорт, 1964. 377 с.
6. Еремеев А.А., Изотов Е.А., Шаронина Е.В. Деформирование строительной двутавровой балки с гофрированной стенкой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 139-142.
7. Акулин В.А., Кондратьев М.А., Рерих В.А. Анализ метода повышения выдерживаемой нагрузки и безопасности колонн при возведении зданий // Перспективы науки. 2019. №3 (114). С. 16-18.
8. Еремеев А.А. Исследование деформирования моста под нагрузкой // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. Вып. 2. С. 417-420.
Исаева Яна Константиновна, магистрант, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
SIMULATION OF LOADING OF TUNNEL ELEMENTS
Y.K. Isaeva
In this work, a computer simulation is carried out of how the load affects the strengthening of the tunnel vaults. An assessment of the withstand load is carried out, as well as a study of the stages of destruction of the structure as a whole.
Key words: computer modeling, simulation modeling, processing of results, underground construction, load, steel support, structure.
Isaeva Yana Konstantinovna, master student, [email protected], Russia, Tula, Tula State University
