Análisis dinámico de estructuras sometidas a cargas de explosión

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Abbildungen eines Explosionsszenarios einer Ferndetonation in RF-DYNAM Pro - Erzwungene Schwingungen

Fundamentos

Un sistema estructural se debe planificar y diseñar de tal manera que resista las posibles acciones e impactos más allá de su vida útil y cumpla con la capacidad de servicio requerida. En este sentido, las acciones se clasifican según su cambio temporal de la siguiente manera:

• Acciones permanentes (por ejemplo, peso propio)
• Acciones variables (por ejemplo, cargas vivas, cargas de nieve y viento)
• Acciones excepcionales (por ejemplo, una explosión o el impacto de un vehículo)

Este artículo técnico trata sobre la acción extraordinaria de una explosión. Una acción extraordinaria es de corta duración y no ocurre con ninguna probabilidad identificable. Sin embargo, puede tener consecuencias importantes en la estabilidad de la estructura.

"Una explosión es una reacción de oxidación o descomposición" extremadamente rápida y repentina "con un aumento repentino de la temperatura y la presión. Esto conduce a una expansión súbita del volumen de los gases y a la liberación de grandes cantidades de energía en un espacio pequeño (...). Una expansión de volumen repentina causa una explosión que se puede describir para una explosión ideal (que emana de una fuente puntual única) mediante un modelo de onda expansiva ". [1] Además de la carga de la ráfaga de aire, una explosión tiene más impacto debido a temperaturas o proyección (astillas, escombros). En este artículo, la carga de una detonación remota se representa como una carga de chorro de aire puro en una estructura, pero no otros efectos de la explosión.

Carga con chorro de aire de la detonación remota

La carga del chorro de aire se puede mostrar esquemáticamente como una curva de presión-tiempo (desde [2] ).

Evolución presión-tiempo de la detonación remota

La onda de choque de aire libre golpea la estructura abruptamente con una sobrepresión máxima. La curva incluye un período de sobrepresión actuando sobre la estructura hasta que se alcance el período de tiempo t_d, y que se reduce mediante un período de depresión hasta que se alcance la presión del aire ambiente. Este enfoque exponencial a menudo se simplifica a la región de sobrepresión. En este caso, ^{se puede calcular un tiempo virtual t ~}_d (t ^~_d <t_d ) que describe la aproximación linealizada con la misma cantidad de momento, pero omite por completo el período de depresión.

Los valores de entrada relevantes para el cálculo de la explosión son la distancia al centro de la explosión R así como la masa explosiva como equivalente de_TNT M TNT. Las siguientes fórmulas se refieren al modelo de carga desarrollado en [2]. Una distancia escalada Z se determina a partir de ambos valores de entrada, R y M_TNT.

En el siguiente texto, se calculan la sobrepresión máxima máxima, el impulso específico positivo y el coeficiente de forma. El factor de forma tiene una influencia significativa en la expresión del período de depresión.

En el siguiente paso, se puede calcular la duración de la acción de la presión positiva t_d así como la duración virtual de la acción de la presión positiva t ^~_d.

Para determinar la curva de presión reflejada -tiempo, se determinan un factor de reflexión para el período de sobrepresión c_r y un factor de reflexión para el período de depresión c ^-_r. Se supone una cara de reflexión infinitamente perpendicular. Para obtener detalles sobre los valores, consulte [2].

En base a todos los valores determinados, la carga en RF -DYNAM Pro -Forced Vibrations se puede representar por medio del modelo de carga para la curva de presión -tiempo reflejada completa

y cualquier función de carga seleccionada como diagramas de tiempo (funciones).

Entrada en RF -DYNAM Pro - Vibraciones forzadas

En el módulo adicional, las funciones de carga se pueden introducir como diagramas de tiempo. Los diagramas de tiempo se pueden definir transitoriamente, periódicamente o directamente como una función. Excitan la estructura en una posición específica. La posición de la carga se define en casos de carga estática. Aquí se puede introducir casi cualquier tipo de carga. Los casos de carga estática están vinculados a los diagramas de tiempo. Esto sucede en los casos de carga dinámica. El multiplicador k se usa para determinar la magnitud final de la fuerza de excitación.

Para los siguientes cálculos,_{se muestra una explosión remota de M TNT} = 1 kg a una distancia de R = 10 m. Esto da como resultado los siguientes valores cuando se usa la entrada parametrizada.

Lista de parámetros

En la lista de parámetros almacenada en el archivo del modelo de RFEM, solo se deben ajustar_{los valores para R y M TNT.} Si estos se encuentran en los intervalos de valores para la distancia a escala de 5 <Z <30, se puede usar el modelo de cálculo presentado en [2].

Con los valores calculados en la lista de parámetros, las entradas para los cuatro diagramas de tiempo mostrados en el módulo adicional se han realizado de la siguiente manera. Al igual que con muchos programas numéricos, la presión no se aplica directamente en t = 0 s, sino en nuestro ejemplo en t = 0,01 s. El uso de funciones If anidadas es útil aquí para representar las funciones deseadas.

Resumen: introducción de diagramas de tiempo

Para comparar las cuatro funciones en un archivo, se analizan cuatro subsistemas idénticos en un caso de carga dinámica. Se asigna un caso de carga a cada subsistema que afecta a la superficie frontal en 1 kN/m². Además, se asigna a cada subsistema un diagrama de tiempo diferente y, por lo tanto, una función de carga diferente.

Caso de carga dinámica: conjuntos de diagramas de tiempo

Finalmente, se introduce el amortiguamiento de Rayleigh de los subsistemas, que se puede determinar a partir de las dos formas de modo dominantes de los subsistemas en la dirección considerada.

Caso de carga dinámico: amortiguación

Resultados

Después de calcular y determinar los resultados, puede comparar las cuatro funciones de carga y sus efectos en los subsistemas del archivo. Este artículo compara la aceleración y el desplazamiento en la dirección X global solo brevemente. Puede evaluar los resultados con la interfaz gráfica de usuario en el navegador de resultados. Aquí se pueden mostrar varios valores de resultados para los pasos de tiempo calculados. Además, después de analizar un caso de carga dinámica, puede acceder al diagrama del historial de tiempo mostrando y comparando los valores adicionales de los puntos. Aquí se consideran los valores en el medio de las superficies frontales.

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Beschleunigung in globaler X-Richtung

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Verschiebung in globaler X-Richtung

La aplicación del momento constante p₁ (t) muestra los valores más grandes, como se esperaba. Las dos curvas linealizadas p₂ (t) y p₃ (t) son muy similares, con los valores de p₂ (t)> p₃ (t) como se esperaba. Al final, el curso de p₄ (t) muestra que la consideración del período de depresión no se puede omitir y que los valores más grandes actúan sobre la estructura en comparación con la aproximación lineal común de p₃ (t).

Resumen

Representar la curva real de presión-tiempo de una detonación remota por medio de diagramas de tiempo en RF-DYNAM Pro- Forced Vibrations es una forma eficaz de determinar los efectos de los períodos de sobrepresión y de presión negativa en la estructura. La parametrización del modelo le permite representar y comparar diferentes escenarios de explosiones ajustando R y M_TNT.