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结构仿真工程师揭秘巴黎圣母院火灾倒塌过程与原因

5年前浏览4111

惊闻法国的巴黎圣母院惨遭火灾侵袭,火光冲天,瓦砾一片,一栋人类建筑艺术的瑰宝,从此Ground zero,实则是人类文明成果的巨大损失。

4月15日,在法国巴黎,巴黎圣母院燃起大火

标志性的哥特式塔尖在大火中倒下,美丽玫瑰花窗渐渐融化。这一天,世界各地都在为巴黎圣母院的燃烧感到哀叹。

图片源自BBC

来自北京科技大学许镇课题组,历经12小时的资料收集、建模、模拟、讨论后,给出了巴黎圣母院火灾蔓延过程的CFD模拟结果,如下所示:

▲巴黎圣母院火灾蔓延过程CFD模拟

通过上述巴黎圣母院的火灾蔓延过程模拟结果,让大家清楚的看到:火是从中间部分开始蔓延,先向上蔓延,烧毁了高塔Spire,然后向四周蔓延,烧毁了整个十字型木屋顶。

在此许老师团队致敬和学习。那么问题来了,作为结构仿真工程师,对于类似事件能做什么呢?

当然是算一下倒塌过程了!以此定性的查看一下,导致教堂倒塌的一些影响因素及了解倒塌过程。

本教堂属于石质为主,辅助木制支撑的结构。在高温燃烧下,易燃的木制支撑部分,容易逐渐丧失承载力,使得结构承载力发生忽然崩溃,从而引发快速的剧烈变形而倒塌。

那么我们就可以按照这个思路,利用ANSYS仿真软件,简单计算一下随着温度的增高,结构变形趋势会怎样。

为考虑不同温度下,材料刚度的变化,新建一个材料,并设置随温度提高,而逐渐降低的弹性模量属性。


具体而言,设置从20度到1800度之间的温度范围,弹性模量逐渐降低,从刚开始的2e11pa变为最终的1e6pa,下降了二十万倍。以模拟结构材料,从铮铮铁骨,到柔如丝缎的过程。


下图为简化的四个立柱模型。每个立柱为角钢横截面,总体模型顶部面积较小,底部逐渐增大,近似座椅形。为加强倒塌变形失效的效果,顶部增加了一个配重用的质量点。


模型顶部区域为软件默认的结构钢材料


 底部四角皆为新建的名为11的材料属性

在顶部表面,设置高于顶部100mm的一个10kg质量点

采用三维实体单元建模,总体0.5mm。网格总节点数64万个

采用的边界条件与荷载如下所示。

底部四个表面设置固定位移约束、一个向下的标准地球重力加速度荷载、顶部质量点、设置四角逐渐升高的不同温度荷载。


为模拟结构被火灾逐渐加热升温的过程,采用10个荷载步,并开启大变形开关。

分别对四角设置互不相同的温升过程曲线。

保存项目文件并求解。根据收敛曲线,在第6个荷载步时,结构收敛稍微困难,说明此时发生了较为快速的变形。


查看变形结果,其最大变形在第4个荷载步以后,出现快速变化。在其中一个立柱的中部,有较为明显的变形趋势。可以认为此时结构发生刚度崩溃。


单独选取最大变形位置的一条边线的变形结果。


右键提取其沿着边线长度方向的变形规律曲线。

下图可发现其呈现山包形的变形规律。


提取应力结果,在立柱内侧边缘,存在一定程度的高应力区域,但是其与变形最大区域并不重叠。说明强度失效,不一定是本次结构倒塌的主要因素。

查看总体应力结果,在变形激烈变化的右侧立柱中部,应力结果较小,而变形量较大,说明倒塌的主要因素,应该是刚度发生崩溃。


本次采用静力学分析模块,通过设置随温度弹性模量,逐渐降低的材料以及加载多个荷载步的温度荷载,对巴黎圣母院顶部结构的受热倒塌过程,进行了简单的定性计算。

分析发现随着温度的增高,当达到某一临界值时,结构变形将迅速增大。在原本应力强度较小位置,却出现了一个变形激烈增长的区域,从而带动整个结构,发生刚度崩溃,最终向一个方向倒塌的结果。

作者:刘笑天,仿真秀专栏作者

声明:原创文章,首发仿真秀,部分图片源自网络,如有不当请联系我们,欢迎分享,禁止私自转载,转载请联系我们。

MechanicalWorkbench结构基础断裂碰撞通用建筑
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首次发布时间:2019-04-25
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刘笑天
本科 | 电驱动系统强... 笑看天云谈,选择比努力更重要
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1条评论
莎士比亚的天份
签名征集中
5年前
写的很棒
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