La normale rigidità all'impatto di un detrito

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3969 (2023) Citare questo articolo

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Questo articolo propone una rigidezza d'urto orientata normalmente di una barriera flessibile a tre cavi di supporto sotto un piccolo sforzo di pretensione per stimare il comportamento del carico strutturale, e impiega due categorie di colate detritiche su piccola scala (grossolane e fini) per esplorare l'evoluzione della rigidezza attraverso fenomeni fisici. esperimenti sul modello con fotografia ad alta velocità e rilevamento del carico. I risultati suggeriscono che il contatto particella-struttura è essenziale per l’effetto del carico normale. Le colate detritiche grossolane hanno un contatto più frequente tra le particelle e la struttura ed esercitano un flusso di quantità di moto evidente, mentre le colate detritiche fini con poche collisioni fisiche ne impartiscono uno molto più piccolo. Il cavo situato al centro che riceve solo la forza di trazione dal sistema di giunzione verticale equivalente della rete di cavi mostra un comportamento di carico indiretto. Il cavo posizionato sul fondo mostra un elevato feedback di carico dovuto alla somma del contatto diretto del flusso detritico e delle forze di trazione. La relazione tra i carichi d'urto e le deflessioni massime del cavo può essere spiegata mediante funzioni di potenza secondo la teoria quasi-statica. La rigidità all'impatto non è influenzata solo dal contatto particella-struttura ma anche dall'inerzia del flusso e dall'effetto di collisione delle particelle. Il numero selvaggio Nsav e il numero di Bagnold Nbag riescono a rappresentare gli effetti dinamici sulla rigidezza normale Di. Gli esperimenti indicano che Nsav ha una correlazione lineare positiva con la non-dimensionalizzazione di Di, mentre Nbag ha una correlazione di potenza positiva con la non-dimensionalizzazione di Di. Questa idea rappresenta un ambito alternativo per lo studio sull'interazione flusso-struttura e può contribuire all'identificazione dei parametri nella simulazione numerica dell'interazione colata detritica-struttura e all'ottimizzazione della standardizzazione del progetto.

La frequenza delle frane o delle colate detritiche è elevata nelle aree montuose della Cina sudoccidentale a causa dei passaggi ripidi, delle abbondanti precipitazioni e delle sorgenti solide frammentarie1. Negli ultimi anni, colpite dall’ondata di temporali estremi in tutto il mondo, alcune aree soggette a frane a bassa frequenza si sono trasformate in aree con frane elevate e aumenta la portata dei pericoli, che è difficile da stimare con precisione e sta causando considerevoli minacce ai residenti e alle infrastrutture vicine. nonché difficoltà nella progettazione di misure di prevenzione e controllo.

La barriera flessibile è una misura valida per il contenimento delle colate detritiche su piccola scala. La sua struttura complessiva leggera e aperta riduce l'impatto dell'ambiente naturale e rende la costruzione rapida ed economica. Pertanto, soddisfa i requisiti del trattamento multipunto dei canaloni di colata detritica nelle aree montuose del sud-ovest della Cina e ha una prospettiva promettente2,3,4,5. Tuttavia, la risposta strutturale all’impatto delle colate detritiche è ancora in progresso a causa della complessa non linearità geometrica della barriera flessibile6,7,8. Attualmente, la rigidità della barriera flessibile contro le colate detritiche non è chiara e la progettazione convenzionale della struttura in Cina si basa principalmente su un modello conservativo di dissipazione dell’energia. In pratica, la componente di rete metallica della struttura potrebbe rompersi prima che si verifichino cedimenti dei cavi di supporto o degli ancoraggi9,10,11, indicando un divario tra la teoria della progettazione strutturale e l'effettiva funzione ingegneristica. È teoricamente riconosciuto che lo stress di taglio interno e il momento flettente della struttura della rete di cavi possono essere ignorati a causa della notevole caratteristica di tensione. L'impatto della colata detritica viene disperso e trasmesso dalla tensione della struttura della rete di cavi, pertanto le ricerche sulla rigidità strutturale delle barriere flessibili si concentrano sulla forza di trazione e sulla deformazione. Ashwood12 utilizza la rigidità assiale di un cavo come parametro chiave basato sulla relazione lineare tra carico e deflessione per quantificare l'interazione flusso-struttura. Grandi massi o particelle grossolane tendono ad accumularsi nella testa di una colata detritica e la distribuzione del carico della struttura sotto spinta ad alta velocità è transitoria. Quindi la rigidità nella direzione dell'impennata dovrebbe servire come un altro fattore di stabilità meccanica. La conoscenza rilevante della distribuzione del carico strutturale è per lo più risolta con un metodo quasi statico che scompone l'impatto del flusso di detriti in carico dinamico e carico statico di pressione del terreno, ma la sezione trasversale della struttura è definita come una trave a sbalzo, ignorando l'impatto della spinta -deformazione della direzione13. La rigidità normale perpendicolare alla faccia elastica di una barriera flessibile tende a dimostrare la resistenza al taglio del sistema rete di cavi durante gli impatti istantanei. Ng et al.14,15 hanno già inserito il comportamento carico-spostamento del cavo di supporto nella normale analisi della rigidezza. Song et al.16 hanno studiato la rigidezza normale massima del cavo di supporto sotto carico distribuito e concentrato aggiungendo il numero di Froude della colata detritica Fr e hanno trovato una rigidezza normale massima maggiore sotto carico distribuito. Uno studio di follow-up ha discusso il regime del flusso e la comprimibilità dei flussi granulari secchi che incontrano una barriera flessibile in profondità, indicando che la deflessione della barriera flessibile e lo stato del materiale granulare contribuiscono entrambi alla variazione del carico d'impatto17. Inoltre, i cavi di arresto su una portaerei sono identificati come una struttura con rigidità a trazione e flessione, e la modalità di sviluppo della sollecitazione tangenziale normale al cavo durante il processo di arresto sottolinea la necessità di un'analisi delle sollecitazioni tangenziali della struttura del cavo sotto elevata -impatto della velocità18.