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14.10.2020

Analyse dynamique de structures soumises au souffle d'une explosion

Cet article présente un scénario d'explosion avec une onde de choc (blast) testé dans RF-DYNAM Pro - Forced Vibrations. Ses effets sont comparés à l'aide d'un diagramme de temps linéaire.

Notions de base

Un système doit être planifié et conçu de manière à résister aux effets de divers chocs et actions potentiels au-delà de sa durée de vie ainsi qu'à continuer de remplir ses fonctions. Les actions sont classées selon leur évolution au cours du temps :

  • Actions permanentes (le poids propre, par exemple)
  • Actions variables (charges d'exploitation, charges de neige et de vent)
  • Actions accidentelles (explosion, choc avec un véhicule, etc.)

Cet article technique traite d'une explosion, qui est donc une action accidentelle. Une action extraordinaire est de courte durée et sa probabilité de se produire est relativement faible. Elle peut cependant avoir des conséquences importantes sur la stabilité de la structure.

Une explosion est une réaction chimique soudaine et rapide provoquant de grandes variations de pression et de température. L'expansion soudaine d'un volume important de gaz crée une onde de choc (blast) dans un espace réduit. Outre le choc causé par son souffle, une explosion s'accompagne d'autres effets causés par des températures élevées ou des projections (éclats, débris). Cet article analyse la charge due à une explosion à distance représentée exclusivement par un souffle appliqué à la structure, mais pas les autres effets de l'explosion.

Charges dues au souffle d'une explosion à distance

La charge du souffle de l'explosion peut être représentée schématiquement à l'aide de l'onde de Friedlander, qui dépend de la pression et du temps (d'après [2]).

L'onde de choc du souffle heurte la structure et provoque une surpression extrême. La courbe comprend une phase de surpression qui agit sur la structure jusqu'à un intervalle de temps td, puis une phase de dépression jusqu'à ce que la pression atmosphérique soit atteinte. Cette approche exponentielle est souvent simplifiée durant la phase de surpression. Une durée fictive t~d (t~d < td) peut alors être calculée. Elle correspond à une approche linéarisée avec la même quantité de mouvement, mais où la phase de dépression est complètement négligée.

Les valeurs d'entrée pertinentes pour le calcul de l'explosion sont la distance au centre de l'explosion R et la masse explosive en équivalent en TNT MTNT. Les formules suivantes sont basées sur le modèle de chargement analysé dans [2]. Une distance Z mise à l'échelle est déterminée à partir de R et MTNT.

La surpression maximale, la quantité de mouvement positive spécifique et le facteur de forme sont alors calculés. Le facteur de forme a une influence notable sur les caractéristiques de la phase de dépression.

Il est ensuite possible de calculer la durée td de l'action de la surpression et la durée fictive t~d de l'action de la surpression.

Pour déterminer la courbe pression-temps correspondante, un facteur cr traduisant la phase de surpression et un facteur c-r représentant la phase de dépression sont déterminés. Une surface réflechissante perpendiculaire infinie est supposée. Pour plus de détails sur les valeurs, consultez [2].

Le chargement peut être affiché sous forme de diagrammes de temps (fonctions) en se basant sur les valeurs déterminées à l'aide du modèle de chargement pour la courbe pression-temps complète

et les fonctions du chargement sélectionnées dans RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations.

Définition des paramètres dans RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations

Les données du chargement peuvent être entrées sous forme de diagrammes de temps dans le module additionnel. Ces diagrammes peuvent être définis de manière transitoire, périodique ou directe en tant que fonction. Ces fonctions d'excitation agissent ainsi sur la structure à un endroit précis. La position de la charge est définie dans des cas de charge statiques, qui permettent de définir presque tous les types de charge. Les cas de charge statiques sont liés aux diagrammes de temps via les cas de charge dynamiques. Le multiplicateur k est utilisé pour déterminer la valeur finale de la force d'excitation.

Les calculs suivants sont effectués pour une explosion avec une masse MTNT de 1 kg à une distance R de 10 m. On obtient ainsi les valeurs suivantes en utilisant l'entrée paramétrique :

Seules les valeurs de R et MTNT doivent être ajustées dans la liste de paramètres enregistrée dans le fichier du modèle RFEM. Ces valeurs étant dans les plages de valeurs pour la distance mise à l'échelle 5 < Z < 30, le modèle de calcul présenté dans [2] peut être utilisé.

Avec les valeurs calculées dans la liste de paramètres, les entrées pour les quatre diagrammes de temps affichés dans le module additionnel ont été effectuées comme suit : comme c'est le cas avec de nombreux logiciels de calcul, la pression n'est pas appliquée directement à t = 0 s, mais à partir de t = 0,01 s dans notre exemple. La fonctionnalité « Si » est utile pour représenter les différentes fonctions.

Pour comparer les quatre fonctions dans un même fichier, quatre sous-systèmes identiques sont analysés dans un cas de charge dynamique. Un cas de charge est assigné à chaque sous-système, qui correspond à une charge de 1 kN/m² appliquée à la surface avant. Un diagramme de temps différent, donc une fonction de charge différente, est assigné à chaque sous-système.

Enfin, le coefficient d'amortissement de Raleigh des sous-systèmes est défini. Il peut être déterminé à partir des deux modes propres déterminants des sous-systèmes dans la direction considérée.

Résultats

Après avoir calculé et déterminé les résultats, on peut comparer les quatre fonctions du chargement et leurs effets sur les sous-systèmes dans le fichier. L'accélération et le déplacement dans la direction X globale ne seront que brièvement comparés dans cet article. Les résultats peuvent être analysés dans le navigateur Résultats du logiciel. Différentes valeurs de résultat pour les pas de temps calculés peuvent y être affichées. De plus, après avoir analysé un cas de charge dynamique, on peut consulter le diagramme de temps en affichant et en comparant les valeurs au niveau d'autres points. On considère ici les valeurs au centre des surfaces avant.

Comme prévu, l'application de la quantité de mouvement constante p1 (t) produit les valeurs les plus élevées. Les deux courbes linéarisées p2(t) et p3(t) sont très similaires, avec les valeurs de p2(t) > p3(t) conformes à ce qui était attendu. L'évolution de p4(t) montre que la phase de dépression doit être considérée et que des valeurs plus élevées agissent sur la structure par rapport à l'approche linéarisée courante de p3(t).

Résumé

La courbe pression-temps réelle d'une explosion à distance obtenue à l'aide de diagrammes de temps dans RF-DYNAM Pro-Forced Vibrations est un moyen efficace de déterminer les effets des phases de surpression et de dépression sur la structure. Les paramètres du modèle permettent de représenter et comparer différents scénarios d'explosion en ajustant les valeurs de R et MTNT.


Auteur

M. Hoffmann est responsable du développement dans les domaines de l'analyse dynamique, des structures à membrane et de RWIND. Il fournit également une assistance technique aux clients de Dlubal Software.

Liens
Références
  1. Lexikon chemie.de: Explosion
  2. Teich, M.: Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau - Interaktionen von Explosionen mit flexiblen Strukturen. Neubiberg: Universität der Bundeswehr München, 2012