. Вплив вибухових навантажень на міцність малозаглиблених підземних бомбосховищ

Заголовок (англійською): 
Influence of Explosive Loads on the Strength of Shallow Underground Bomb Shelters
Автор(и): 
Литвин О.В.
Сахаров В.О.
Автор(и) (англ): 
Lytvyn O.V.
Sakharov V.O.
Ключові слова (укр): 
інженерні конструкції, числове моделювання, метод скінченних елементів, напружено-деформований стан, взаємодії конструкцій, математичні моделі, ґрунтова основа, вибухові навантаження, міцність
Ключові слова (англ): 
engineering structures, numerical modeling, finite element method, stress-strain state, structural interactions, mathematical models, soil base, explosive loads, strength
Анотація (укр): 
У статті досліджено вплив вибухових навантажень на міцність малозаглиблених підземних бомбосховищ при детонації бойової частини дрона-камікадзе масою 90 кг у тротиловому еквіваленті. Запропоновано методику числового моделювання з використанням методу скінченних елементів у програмному комплексі ABAQUS за Ейлерово-Лагранжевою постановкою. Для опису поведінки вибухових речовин використано рівняння стану JWL, для бетону – модель Concrete Damaged Plasticity, яка враховує пошкодження та деградацію матеріалу, а для сталі – модель Johnson-Cook, що моделює нелінійні пружньо-пластичні властивості та руйнування. Проведено аналіз напружено-деформованого стану конструкцій укриття та ґрунтової основи, оцінено зміну тиску в ґрунті та розміри кратера, що утворюється після вибуху. Результати числового моделювання підтверджено шляхом порівняння з емпіричними залежностями, отриманими з польових випробувань, зокрема за методиками Gould та Cooper. Встановлено, що вхідні групи укриття сприяють проникненню ударної хвилі, що призводить до локальних пошкоджень та руйнування несучих конструкцій, особливо в зонах входів. Запропоновано модифіковану конструкцію укриття, де вхідні групи відокремлені від основної конструкції, а демпферна ґрунтова засипка зменшує вплив вибухової хвилі. Це дозволяє зберегти міцність укриття навіть при значних вибухових навантаженнях. Для підвищення стійкості рекомендується розміщувати вхідні групи на максимальній відстані від укриття з використанням системи з двох-трьох тамбурів-шлюзів із герметичними броньованими дверима, що відповідає нормам, прийнятим у Швейцарії. Подальші дослідження передбачають натурні випробування для калібрування параметрів моделей та вдосконалення алгоритмів видалення скінченних елементів, що забезпечить точніше моделювання фізичних процесів.
Анотація (англ): 
This study investigates the impact of explosive loads on the strength of shallow underground bomb shelters under the detonation of a kamikaze drone warhead with a 90 kg TNT equivalent. A numerical modeling methodology is proposed, employing the finite element method in the ABAQUS software with a coupled Eulerian-Lagrangian approach. The JWL equation of state is used to describe the behavior of explosives, the Concrete Damaged Plasticity model accounts for damage and degradation in concrete, and the Johnson-Cook model simulates the nonlinear elastic-plastic properties and failure of steel. The stress-strain state of the shelter’s structures and soil base is analyzed, alongside pressure changes in the soil and the dimensions of the resulting crater. The numerical results are validated by comparison with empirical relationships derived from field tests, including those by Gould and Cooper. It is found that the shelter’s entrance groups facilitate blast wave penetration, leading to localized damage and failure of load-bearing structures, particularly near entrances. A modified shelter design is proposed, with entrance groups separated from the main structure and a damping soil backfill, significantly reducing the blast wave’s impact and preserving structural integrity. To enhance resilience, it is recommended to position entrance groups at a maximum distance from the shelter, incorporating a system of two to three airlock chambers with hermetic armored doors, aligning with Swiss standards. Future research will involve full-scale tests to calibrate model parameters and refine finite element removal algorithms for more accurate simulation of physical processes.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2025, номер 115
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2025, number 115
Мова статті: 
Українська
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
18-115_litvin_o.v._saharov_v.o.pdf
Дата публікації: 
23 Декабрь 2025
Номер збірника: 
115
Університет автора: 
Київський національний університет будівництва і архітектури просп. Повітряних Сил, 31, м. Київ. 03037, University of Zielona Góra Licealna Street 9, Zielona Góra., Poland, 65-417
Литература: 
  
  1. Коваль М.В., Коваль В.В., Білик А.С., Коцюруба В.І., Кубраков О.М. Основи інженерного захисту об’єктів критичної інфраструктури енергетичної галузі України від засобів повітряного нападу противника /монографія // Видавництво Ліра-К.- К.: 2023. Генеральний штаб Збройних Сил України. – 185 с. ISBN 978-617-520-660-7.
  2. ДБН В.2.2-5:2023. Захисні споруди цивільного захисту. — Київ: Мінінфраструктури України, 2023. — 78 с.
  3. TWK 2017. Technische Weisungen für die Konstruktion und Bemessung von Schutzbauten. (Технічні вказівки щодо конструкції та розрахунку захисних споруд) — Bern: Bundesamt für Bevölkerungsschutz, 2017. — 180 s.
  4. Federal Emergency Management Agency (FEMA 453). Safe Rooms and Shelters: Protecting People Against Terrorist Attacks. — Washington, D.C.( Безпечні приміщення та укриття: Захист людей від терористичних атак. — Вашингтон, округ Колумбія): FEMA, May 2006. — 263 p.
  5. Wytyczne Szefa Obrony Cywilnej Kraju z dnia 04.12.2018 р. Zasady postępowania z zasobami budownictwa ochronnego.( Вказівки Голови Цивільної Оборони Країни від 04.12.2018р. щодо правил застосування ресурсів захисного будівництва) — Warszawa: Szef Obrony Cywilnej Kraju, 2018.
  6. Gould, K.E. “High-Explosive Field Tests: Explosion Phenomena and Environmental Impacts.” DNA 6187F. Washington, DC: Defense Nuclear Agency. October 1981.
  7. Cooper, P.W. Explosives Engineering. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 1996.
  8. Lee E.L., Hornig H.C., Kury J.W. Adiabatic Expansion of High Explosive Detonation Products / E.L. Lee, H.C. Hornig, J.W. Kury // Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, Livermore. — Report UCRL-50422. — 1968. — 45 p.
  9. Pan Z., Jiang N., Zhou J., Zhang P. Dynamic behavior of detonation waves in millimeter-scale tubes: Unraveling the influence of tube diameter, initial pressure, and mixture [Електронний ресурс] / Z. Pan, N. Jiang, J. Zhou, P. Zhang // Experiments in Fluids. — 2024. — Vol. 65. — Article 13. — Режим доступу: https://doi.org/10.1007/s00348-023-03744-2.
  10. Sow S., Radulescu M.I. Minimum tube diameters for steady propagation of gaseous detonations [Електронний ресурс] / S. Sow, M.I. Radulescu // Shock Waves. — 2014. — Vol. 24. — P. 447–457. — Режим доступу: https://doi.org/10.1007/s00193-014-0505-8.
  11. Lee J., Fenves G.L. Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures // Journal of Engineering Mechanics. – 1998. – Vol. 124. – P. 892–900.
  12. Lubliner J., Oliver J., Oller S., Oñate E. A plastic-damage model for concrete // International Journal of Solids and Structures. — 1989. — Vol. 25, No. 3. — С. 299–329.
  13. Chen L., Fang Q., Jiang X. Q., Zhang Y. X. Combined effects of high temperature and high strain rate on normal weight concrete // International Journal of Impact Engineering. — 2015. — Vol. 86. — С. 40–56.
  14. Fang Q., Huan Y., Chen L., Zhang Y. X. Explicit analysis elements of strain rate type RC beam-column and its implementation in ABAQUS software // Engineering Mechanics. — 2013. — Vol. 30, No. 5. — С. 49–55.
  15. Johnson, G.R., Cook, W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. – 1983. – P. 541–547.
  16. Sirigiri, V.K.R., Gudiga, V.Y., Gattu, U.S., Suneesh, G., Buddaraju, K.M. A review on Johnson Cook material model // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62. – P. 3450–3456. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.016.
  17. Dassault Systèmes Simulia Corp. ABAQUS Analysis User’s Manual, Version 6.12. — Providence, Rhode Island : Dassault Systèmes Simulia Corp., 2012.
  18. DOD. “Fundamentals of Protective Design for Conventional Weapons.” TM 5–855–1. Arlington, Virginia: Department of Defense. 1986.
  19. Chowdhury A. H. Characterizing Explosive Effects on Underground Structures [Електронний ресурс] / A. H. Chowdhury, T. E. Wilt. — Washington, DC : U.S. Nuclear Regulatory Commission, 2015. — 97 p. — (NUREG/CR-7201). — Режим доступу: https://www.nrc.gov/docs/ML1524/ML15245A640.pdf.
  20. Nagy, N., M. Mohamed, and J.C. Boot. “Nonlinear Numerical Modelling for the Effects of Surface Explosions on Buried Reinforced Concrete Structures.” Geomechanics and Engineering. Vol. 2. pp. 1–18. 2010.
  21. Gould, K.E. “High-Explosive Field Tests: Explosion Phenomena and Environmental Impacts.” DNA 6187F. Washington, DC: Defense Nuclear Agency. October 1981.
  22. Cooper, P.W. Explosives Engineering. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 1996.
  23. Rehman S. U. Finite Element Analysis of Impact-perforated Reinforced Concrete Slabs [Електронний ресурс] / S. U. Rehman. — Espoo : Aalto University, 2017. — 72 p. — Режим доступу: https://aaltodoc.aalto.fi/bitstream/handle/123456789/29336/master_Rehman_Safi_2017.pdf?isAllowed=y&sequence=2.
 
References: 
 1.     Koval M.V., Koval V.V., Bilyk A.S., Kotsiuruba V.I., Kubrakov O.M. Osnovy inzhenernoho zakhystu obiektiv krytychnoi infrastruktury enerhetychnoi haluzi Ukrainy vid zasobiv povitrianoho napadu protyvnyka (monohrafiia) (Fundamentals of engineering protection of critical infrastructure facilities of the energy sector of Ukraine against enemy air attack (monograph)) // Vydavnytstvo Lira-K.- K.: 2023.Heneralnyi shtab Zbroinykh Syl Ukrainy. – 185 s. ISBN 978-617-520-660-7.2.     DBN V.2.2-5:2023. Zakhysni sporudy tsyvilnoho zakhystu (Civil defense structures). — Kyiv: Mininfrastruktury Ukrainy, 2023. — 78 s.3.     TWK 2017. Technische Weisungen für die Konstruktion und Bemessung von Schutzbauten. ‑ Bern: Bundesamt für Bevölkerungsschutz, 2017. — 180 s.4.     Federal Emergency Management Agency (FEMA 453). Safe Rooms and Shelters: Protecting People Against Terrorist Attacks. — Washington, D.C. FEMA, May 2006. ‑ 263 p.5.     Wytyczne Szefa Obrony Cywilnej Kraju z dnia 04.12.2018 р. Zasady postępowania z zasobami budownictwa ochronnego. ‑ Warszawa: Szef Obrony Cywilnej Kraju, 2018.6.     Gould, K.E. “High-Explosive Field Tests: Explosion Phenomena and Environmental Impacts.” DNA 6187F. Washington, DC: Defense Nuclear Agency. October 1981.7.     Cooper, P.W. Explosives Engineering. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 1996.8.     Lee E.L., Hornig H.C., Kury J.W. Adiabatic Expansion of High Explosive Detonation Products / E.L. Lee, H.C. Hornig, J.W. Kury // Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, Livermore. — Report UCRL-50422. — 1968. — 45 p.9.     Pan Z., Jiang N., Zhou J., Zhang P. Dynamic behavior of detonation waves in millimeter-scale tubes: Unraveling the influence of tube diameter, initial pressure, and mixture / Z. Pan, N. Jiang, J. Zhou, P. Zhang // Experiments in Fluids. — 2024. — Vol. 65. — Article 13. https://doi.org/10.1007/s00348-023-03744-2.10.   Sow S., Radulescu M.I. Minimum tube diameters for steady propagation of gaseous detonations / S. Sow, M.I. Radulescu // Shock Waves. — 2014. — Vol. 24. — P. 447–457. https://doi.org/10.1007/s00193-014-0505-8.11.   Lee J., Fenves G.L. Plastic-damage model for cyclic loading of concrete structures // Journal of Engineering Mechanics. – 1998. – Vol. 124. – P. 892–900.12.   Lubliner J., Oliver J., Oller S., Oñate E. A plastic-damage model for concrete // International Journal of Solids and Structures. — 1989. — Vol. 25, No. 3. — С. 299–329.13.   Chen L., Fang Q., Jiang X. Q., Zhang Y. X. Combined effects of high temperature and high strain rate on normal weight concrete // International Journal of Impact Engineering. — 2015. — Vol. 86. — С. 40–56.14.   Fang Q., Huan Y., Chen L., Zhang Y. X. Explicit analysis elements of strain rate type RC beam-column and its implementation in ABAQUS software // Engineering Mechanics. — 2013. — Vol. 30, No. 5. — С. 49–55.15.   Johnson, G.R., Cook, W.H. A constitutive model and data for metals subjected to large strains, high strain rates and high temperatures // Proceedings of the 7th International Symposium on Ballistics. – 1983. – P. 541–547.16.   Sirigiri, V.K.R., Gudiga, V.Y., Gattu, U.S., Suneesh, G., Buddaraju, K.M. A review on Johnson Cook material model // Materials Today: Proceedings. – 2022. – Vol. 62. – P. 3450–3456. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matpr.2022.02.016.17.   Dassault Systèmes Simulia Corp. ABAQUS Analysis User’s Manual, Version 6.12. — Providence, Rhode Island : Dassault Systèmes Simulia Corp., 2012.18.   DOD. “Fundamentals of Protective Design for Conventional Weapons.” TM 5–855–1. Arlington, Virginia: Department of Defense. 1986.19.   Chowdhury A. H. Characterizing Explosive Effects on Underground Structures / A. H. Chowdhury, T. E. Wilt. — Washington, DC : U.S. Nuclear Regulatory Commission, 2015. — 97 p. — (NUREG/CR-7201). https://www.nrc.gov/docs/ML1524/ML15245A640.pdf.20.   Nagy, N., M. Mohamed, and J.C. Boot. “Nonlinear Numerical Modelling for the Effects of Surface Explosions on Buried Reinforced Concrete Structures.” Geomechanics and Engineering. Vol. 2. pp. 1–18. 2010.21.   Gould, K.E. “High-Explosive Field Tests: Explosion Phenomena and Environmental Impacts.” DNA 6187F. Washington, DC: Defense Nuclear Agency. October 1981.22.   Cooper, P.W. Explosives Engineering. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons, Inc. 1996.Rehman S. U. Finite Element Analysis of Impact-perforated Reinforced Concrete Slabs / S. U. Rehman. — Espoo : Aalto University, 2017. ‑ 72 p. https://aaltodoc.aalto.fi/bitstream/ handle/123456789/29336/ master_Rehman_Safi_2017.pdf? isAllowed=y&sequence=2.