Análise dinâmica de estruturas sob carga explosiva

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

Noções básicas

Um sistema estrutural tem de ser planeado e dimensionado de forma a resistir a possíveis ações e impactos para além da sua vida útil e cumprir a capacidade de utilização necessária. A este respeito, as ações são classificadas de acordo com a sua alteração temporal da seguinte forma:

• Ações permanentes (por exemplo, peso próprio)
• Ações variáveis (por exemplo, cargas vivas, cargas de neve e vento)
• Ações excepcionais (por exemplo, uma explosão ou impacto de um veículo)

Este artigo técnico trata da extraordinária ação de uma explosão. Uma ação extraordinária é de curta duração e não ocorre com qualquer probabilidade nominal. No entanto, pode ter consequências significativas na estabilidade da estrutura.

"Uma explosão é uma reação de oxidação ou decomposição" que ocorre repentinamente e extremamente rápida, com um aumento repentino da temperatura e da pressão. Isto leva a uma expansão repentina de volume de gases e à libertação de grandes quantidades de energia num espaço pequeno (...). Uma expansão repentina de volume causa uma explosão que pode ser descrita como uma explosão ideal (proveniente de uma fonte pontual única) por um modelo de onda de explosão ". [1] temperaturas ou projeções (estilhaços, detritos). Neste artigo, o carregamento de uma detonação remota é representado como um carregamento de explosão de ar puro numa estrutura, mas sem outros efeitos da explosão.

Carregamento de explosão de ar de detonação remota

A carga de sopro de ar pode ser apresentada esquematicamente como uma curva de pressão-tempo (a partir de [2] ).

Curso de pressão-tempo de detonação remota

A onda de choque do ar livre atinge a estrutura abruptamente com um pico de sobrepressão. A curva inclui um período de sobrepressão que atua sobre a estrutura até_{ser atingido o período de tempo t d} , o qual é reduzido por um período de subpressão até ser atingida a pressão do ar ambiente. Esta abordagem exponencial é frequentemente simplificada para a região de sobrepressão. Neste caso, pode ser calculado um tempo virtual t ^~_d (t ^~_d <t_d ) que descreve a abordagem linearizada com a mesma quantidade de momento, mas despreza completamente o período de subpressão.

Os valores de entrada relevantes para o cálculo da explosão são a distância ao centro de explosão R, bem como a massa explosiva como equivalente a_TNT M TNT. As seguintes fórmulas referem -se ao modelo de carga desenvolvido em [2]. Uma distância escalada Z é determinada a partir de ambos os valores de entrada, R e M_TNT.

No texto a seguir, são calculados a sobrepressão de pico máxima, o impulso específico positivo e o coeficiente de forma. O fator de forma tem uma influência significativa na expressão do período de subpressão.

No próximo passo, a duração da ação de pressão positiva t_d assim como a duração virtual da ação de pressão positiva t ^~_d podem ser calculadas.

Para determinar a curva de pressão -tempo refletida, são determinados um fator de reflexão para o período de sobrepressão c_r e um fator de reflexão para o período de subpressão c ^-_r. É assumida uma face de reflexão infinitamente perpendicular. Para detalhes sobre os valores, consulte [2].

Com base em todos os valores determinados, o carregamento no RF -DYNAM Pro -Forced Vibrations pode então ser representado através do modelo de carregamento para a curva de pressão -tempo refletida completa

e quaisquer funções de carregamento selecionadas como diagramas de tempo (funções).

Entrada no RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations

No módulo adicional, as funções de carregamento podem ser introduzidas como diagramas de tempo. Os diagramas de tempo podem ser definidos transitoriamente, periodicamente ou diretamente como uma função. Eles estimulam a estrutura em uma posição específica. A posição da carga é definida em casos de carga estáticos. Quase qualquer tipo de carga pode ser introduzido aqui. Os casos de carga estáticos estão ligados aos diagramas de tempo. Isso acontece nos casos de carga dinâmica. O multiplicador k é utilizado para determinar a magnitude final da força de excitação.

Para os seguintes cálculos, é apresentada uma explosão remota de M_TNT = 1 kg a uma distância de R = 10 m. Isso resulta nos seguintes valores ao usar a entrada parametrizada.

Lista de parâmetros

Na lista de parâmetros armazenada no ficheiro do modelo do RFEM, apenas os valores para R e M_TNT têm de ser ajustados. Se estes estiverem nos intervalos de valores para a distância escalada de 5 <Z <30, pode ser utilizado o modelo de cálculo apresentado em [2].

Com os valores calculados na lista de parâmetros, as entradas para os quatro diagramas de tempo exibidos no módulo adicional foram feitas da seguinte forma. Tal como acontece com muitos programas numéricos, a pressão não é aplicada diretamente em t = 0 s, mas no nosso exemplo em t = 0,01 s. O uso de funções If aninhadas é útil aqui para representar as funções desejadas.

Visão geral: entrada de diagramas de tempo

Para comparar as quatro funções em um arquivo, quatro subsistemas idênticos são analisados em um caso de carga dinâmico. Um caso de carga é atribuído a cada subsistema que afeta a superfície frontal em 1 kN/m². Além disso, é atribuído um diagrama de tempo diferente e, portanto, uma função de carga diferente para cada subsistema.

Caso de carga dinâmica: conjuntos de diagramas de tempo

Por fim, é introduzido o amortecimento de Rayleigh dos subsistemas, o qual pode ser determinado a partir das duas formas modais dominantes dos subsistemas na direção considerada.

Caso de carga dinâmica: Amortecimento

Resultados

Após calcular e determinar os resultados, pode comparar as quatro funções de carregamento e os seus efeitos nos subsistemas do ficheiro. Este artigo compara a aceleração e o deslocamento na direção X global apenas brevemente. Pode avaliar os resultados com a interface gráfica do utilizador no Navegador de resultados. Vários valores de resultados para os intervalos de tempo calculados podem ser exibidos aqui. Além disso, após analisar um caso de carga dinâmico, é possível acessar o diagrama de histórico de tempo exibindo e comparando os outros valores dos pontos. Os valores no meio das superfícies frontais são considerados aqui.

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Beschleunigung in globaler X-Richtung

Ergebnisse Zeitverlaufsdiagramm: Verschiebung in globaler X-Richtung

A aplicação do momento constante p₁ (t) apresenta os maiores valores, conforme esperado. As duas curvas linearizadas p₂ (t) e p₃ (t) são muito semelhantes, com os valores de p₂ (t)> p₃ (t) como esperado. No final, o curso de p₄ (t) mostra que a consideração do período de subpressão não pode ser desprezado e que valores maiores atuam na estrutura em comparação com a abordagem linearizada comum de p₃ (t).

Resumo

A representação da curva pressão-tempo real de uma detonação remota através de diagramas de tempo no RF-DYNAM Pro- Forced Vibrations é uma forma eficaz de determinar os efeitos dos períodos de sobrepressão e subpressão na estrutura. A parametrização do modelo permite representar e comparar diferentes cenários de detonação ajustando R e M_TNT.