Упрощенный расчет конструкций на взрывоустойчивость по AISC Steel Design Guide 26

Техническая статья из области расчета конструкций и использования программ Dlubal Software

Техническая статья

Назад к Базе знаний

KB 001713 | Упрощенный расчет взрывной волны по AISC Steel Design Guide 26

Назад к Базе знаний

1. июля 2021

001713

RF-DYNAM Pro - Natural Vibrations

RF-DYNAM Pro - Nonlinear Time History

RF-DYNAM Pro - Forced Vibrations

Динамический и сейсмический расчет

ANSI/AISC 360

Взрывные нагрузки от высокоэнергетических взрывчатых веществ, как случайные, так и преднамеренные, встречаются редко, но могут быть включены в требования к расчету конструкций. Такие динамические нагрузки отличаются от обычных статических нагрузок своими значительными величинами и очень короткой продолжительностью. Сценарий взрыва можно смоделировать прямо в программе МКЭ с помощью анализа изменений во времени, и таким образом минимизировать гибель людей и оценить степень повреждения зданий.

Руководство AISC Steel Design Guide 26 - Design of Blast Resistant Structures (Расчет взрывоустойчивых конструкций) [1] и особенно пример 2.1 - Предварительная оценка взрывоустойчивости одноэтажной конструкции - является идеальным справочным материалом для инженеров в упрощенном приложении нагрузок для расчета взрывоустойчивости.

Идеализированная временная диаграмма давления взрывной нагрузки

Идеализированная диаграмма зависимости давления от времени показывает, как сжимающая сила изменяется во времени после взрыва.

Некоторые из наиболее важных параметров отображаются непосредственно на диаграмме, в том числе:

Пиковое избыточное давление (P_r или P_so) ... мгновенное значение давления, которое получает конструкция в дополнение к атмосферному давлению.
Продолжительность положительной фазы (t_d) ... период времени, в течение которого давление возвращается к давлению окружающего пространства.
Положительный импульс (I) ... общая энергия давления, приложенного в течение положительного периода, рассчитывается по площади под кривой.
Продолжительность отрицательной фазы (t_d^-) ... период времени после положительной фазы, в котором давление падает ниже атмосферного.

Следует отметить, что идеализированная диаграмма зависимости давления от времени отображает две различные кривые, а именно «боковую взрывную нагрузку» и «отраженную взрывную нагрузку», которые обозначены пунктирной линией и сплошной линией соответственно. Боковая взрывная нагрузка (также называемая взрывной нагрузкой свободного поля) обозначена индексом «so», который обычно применяется в литературе. Это указывает на то, в какой зоне взрывная нагрузка распространяется скорее параллельно поверхности, чем перпендикулярно. Фактически нагрузка захлестнет поверхность без каких-либо препятствий. Примером может служить боковая стена, параллельная взрывной нагрузке, или задняя стена, которая не подвергается прямому воздействию взрыва.

В свою очередь, отраженная взрывная нагрузка, обозначенная индексом «r», возникает тогда, когда взрывная волна ударяется о непараллельную наклонную поверхность. Для определения значения отраженного давления P_rможно применить следующее уравнение.

P_r = C_r P_so

где P_so - это тангенциальное давление, а C_r- коэффициент отражения. C_r является функцией угла падения волны и тангенциального давления. На рисунке далее показано, каким образом можно рассчитать угол падения с учетом начального направления взрывной волны и волны, отраженной перпендикулярно поверхности.

После нахождения значения угла падения мы можем применить рисунок 2-193, содержащийся в критериях United Facilities Criteria (UFC) 3-340-02-Конструкции, устойчивые к воздействиям случайных взрывов [2], для определения значения C_r на основе пикового аварийного избыточного давления.

Упрощенная временная диаграмма давления взрывной нагрузки

Для выполнения расчета идеализированное изображение, указанное выше, было упрощено до треугольного распределения с мгновенным подъемом и линейным спадом в положительной фазе. Для того, чтобы избежать идеализированного распределения пикового избыточного давления и импульса (площадь под кривой), аппроксимируем условный промежуток времени t_e - t_e = 2(I/P).

Ранее были выполнены обширные исследования по определению взаимосвязи между весом заряда, расстоянием между конструкцией и взрывом и параметрами взрыва, заданными на диаграмме давление-время. В технических руководствах, таких как источник [2], содержатся параметры ударной волны в виде функции масштабированного расстояния, в форме эмпирических параметрических кривых взрыва.

Для упрощения, у простых конструкций часто не учитывается отрицательная фаза, так как не играет большой роли в расчете на взрывоустойчивость. Не смотря на это, отрицательная фаза приобретает более важное значение в случае, когда конструктивные элементы слабее в направлении обратной нагрузки или имеют короткий основной период по отношению к длительности нагрузки.

Дополнительные переменные, которые могут повлиять на расчет взрывоустойчивости, не учитывались в контексте данной статьи, например, влекущая сила от ветра или динамического давления, смежные ограждающие здания (снижение нагрузки) и отражение (усиление нагрузки), а также внутренние нагрузки от проникновения взрывной волны в проемы конструкции.

AISC Design Guide 26 - Пример 2.1 в программе RFEM

AISC Design Guide 26 - Пример 2.1 [1] является идеальным справочным примером для применения анализа взрывных нагрузок в программе RFEM, который содержит вышеизложенные условия. В примере приведена стальная конструкция одноэтажного здания размером 50 футов (W)⋅ 70 футов (L) ⋅ 15 футов (H). По ширине здания в программе RFEM смоделированы жесткие рамы с горячекатаными W-образными профилями, а по длине неразрезные рамы также с W-образным профилем. Промежуточные ригели и прогоны выполнены в модели из горячекатаных С-образных профилей. Фасад здания выполнен из ребристых металлических панелей.

Взрыв содержит вес заряда 500 фунтов и происходит немного выше уровня земли в 50 футах от передней части конструкции. На основе данной информации рассчитывается масштабированное расстояние Z по следующему уравнению.

Масштабированное расстояние до фронта

$Z = \frac{R}{\sqrt[3]{W}} = \frac{50 ft}{\sqrt[3]{500 lb}} = 6.3 \frac{ft}{{lb}^{1 / 3}}$

[SCHOOL.SCHOOLORINSTITUTION]	Расстояние от элемента до нагрузки
w	Вес эквивалентной нагрузки в тротиловом эквиваленте

Фасадная стена

С помощью масштабированного расстояния можно по рисунку 2-15 из [2] напрямую определить параметры положительной взрывной волны, перечисленные ниже в таблице 1, для отраженного и бокового давления.

Параметры взрывной нагрузки	по рисунку 2-15 [2]	расчетное значение
отраженное пиковое давление (+)	P_r = 79,5 фунт/кв. дюйм	-
боковое пиковое давление (+)	P_so = 24,9 фунт/кв. дюйм	-
отраженный импульс (+)	I_r = 31,0W^1/3	I_r = 246 фунт/кв. дюйм мс
боковой импульс (+)	I_so = 12,1W^1/3	I_so = 96,0 фунт/кв. дюйм мс
время подхода волны	t_a = 1,96W^1/3	t_a = 15,6 мс
длительность экспоненциальной нагрузки (+)	t_d = 1,77W^1/3	t_d = 14,0 мс
скорость фронта ударной волны	U = 1,75 фут/мс	-

Поскольку фасадная стена обращена непосредственно к начальному взрыву, то к данной поверхности применяются «отраженные» переменные из таблицы 1. Упрощенный подход с применением треугольника требует того, чтобы эквивалентная длительность была рассчитана таким образом, чтобы гарантировать сохранение импульса (площадь под кривой) в течение положительной фазы.

t_e,r = 2I_r/ P_r = 2(246 фунт/кв.дюйм мс) / 29,5 фунт/кв.дюйм = 6,19 мс

Начальная временная диаграмма давления теперь докончена для фасадной стены.

Боковые стены и кровля

Для упрощения задачи масштабированное расстояние Z, рассчитанное для фасадной стены, применено для определения переменных взрыва у боковых стен и кровли здания. Поэтому для определения параметров временной диаграммы давления для данных разрезов здания используются боковые значения в таблице 1. Более подробный расчет можно выполнить для учета ослабления ударной волны в зависимости от расстояния от взрыва до боковой стены и кровли.

Эквивалентная продолжительность t_e рассчитывается с помощью "боковых" переменных.

t_e,so = 2I_so/ P_so = 2(96,0 фунт/кв.дюйм мс) / 24,9 фунт/кв.дюйм = 7,71 мс

Задняя стена

Масштабированное расстояние Z для задней стены изменено с учетом длины здания. Теперь расстояние равно 50 футов + 70 футов, что в сумме составляет 120 футов. Поэтому Z рассчитывается следующим образом.

Масштабированное расстояние до задней стены

$Z = \frac{R}{\sqrt[3]{W}} = \frac{120 ft}{\sqrt[3]{500 lb}} = 15.1 \frac{ft}{{lb}^{1 / 3}}$

[SCHOOL.SCHOOLORINSTITUTION]	Расстояние от элемента до нагрузки
w	Вес эквивалентной нагрузки в тротиловом эквиваленте

Рисунок 2-15 [2] можно снова использовать для нахождения параметров положительной взрывной волны, перечисленных в таблице 2 для бокового давления.

Параметры взрывной нагрузки	по рисунку 2-15 [2]	расчетное значение
боковое пиковое давление (+)	P_so = 4,60 фунт/кв.дюйм	-
боковой импульс (+)	I_so = 5,54W^1/3	I_so = 44,0 фунт/кв.дюйм мс
время подхода волны	t_a = 8,32W^1/3	t_a = 66,0 мс
продолжительность экспоненциальной нагрузки (+)	t_d = 3,11W^1/3	t_d = 24,7 мс
скорость фронта ударной волны	U = 1,26 фут/мс	-

Эквивалентную продолжительность t_e для задней стены можно рассчитать с помощью соответствующих переменных, упомянутых выше.

t_e,so = 2I_so/ P_so = 2(44,0 фунт/кв.дюйм мс) / 4,60 фунт/кв.дюйм = 19,1 мс

Поскольку высота задней стены составляет 15 м над уровнем земли, на котором происходит взрыв, то мгновенного повышения давления не происходит. Скорее будут применены скорость ударной волны, высота задней стены и время подхода для расчета времени достижения пикового давления t₂.

t₂ = L₁/ U + t_a = 15,0 фута / 1,26 фута/мс + 66,0 мс = 77,9 мс

Теперь мы можем найти время окончания взрывной нагрузки t_f.

t_f = t₂ + t_e,so = 77,9 мс + 19,1 мс = 97,0 мс

Если объединить все переменные, рассчитанные выше для задней стены, то временная диаграмма давления для данного разреза здания будет докончена.

Резюме по взрывной нагрузке

Фасадные, боковые стены и кровля, а также задние стены могут быть составлены таким образом, чтобы отобразить зависимость общего давления от времени и показать, как взрывная волна повлияет на различные части конструкции с течением времени.

Данную информацию можно ввести в программу RFEM и дополнительный модуль RF-DYNAM Pro-Forced Vibrations для определения параметров временной диаграммы.

Применение в программе RFEM

После определения параметров временных диаграмм давления для различных частей здания эти данные можно передать в дополнительный модуль RF-DYNAM Pro-Forced Vibrations в программе RFEM.

Дополнительный модуль RF-DYNAM Pro-Natural Vibrations требуется для определения периодов свободных колебаний, собственных частот и форм колебаний конструкции для того, чтобы можно было выполнить анализ изменения параметров по времени. Данная часть анализа не будет объяснена подробно в рамках нашей технической статьи.

Для расчета изменения параметров во времени в программе RFEM применяется общая распределенная нагрузка в виде трех отдельных загружений для моделирования местоположения взрывной нагрузки, включая загружение 1 - фасадная стена, загружение 2 - боковая стена/кровля и загружение 3 - задняя стена. Величина 1 тыс.фунтов/фут2 используется только в качестве временного значения, так как это значение в дальнейшем будет зависеть от функции изменений во времени.

В модуле RF-DYNAM Pro- Forced Vibrations временные диаграммы определяются для каждой области конструкции.

Обратите внимание, что каждая временная диаграмма отражает информацию, указанную выше, например, пиковое давление и эквивалентную продолжительность для фасадной стены, боковых стен/крыши и задней стены.

Как только параметры временных диаграмм найдены, общие распределенные нагрузки в RFEM будут напрямую связаны с соответствующей диаграммой.

Перед выполнением анализа необходимо задать дополнительные переменные в дополнительном модуле, например, в расчете нужно использовать решатель линейного неявного анализа Ньюмарка, максимальную длительность временного анализа 0,5 сек. и временной шаг 0,001 сек. Кроме того, в дополнительном модуле задаются коэффициенты затухания Релея a и β, при этом используется угловая частота из двух доминирующих форм колебаний, рассчитанная по анализу собственной частоты вместе с коэффициентом затухания Лера, равным 2 %.

Теперь у нас есть вся необходимая информация для временного анализа взрыва и можно выполнить расчет в RFEM и RF-DYNAM Pro. С помощью инструментов оценки, таких как мониторинг изменений во времени в программе RFEM, можно выполнить оценку реакции и безопасности конструкции в течение взрыва. Наглядный показ примера 2.1 из AISC Design Guide 26 [1] в программе RFEM вы найдете в записи вебинара Анализ изменений во времени в течение взрыва в программе RFEM.

Автор

Amy Heilig, PE

Директор компании Dlubal Software, Inc. И инженер по продажам и технической поддержке

Эми Хейлиг является директором американского офиса, расположенного в Филадельфии, штат Пенсильвания. Кроме того, она отвечает за продажи и техническую поддержку и продолжает поддерживать разработку программ Dlubal для рынков США и Канады.

Ключевые слова

Динамика Временная диаграмма Ударная волна Взрыв МКЭ AISC DG 26 UFC 3-340-02

Литература

[1]	Ramon Gilsanz, Ronald Hamburger, Darrell Barker, Joseph L. Smith, Ahmad Rahimian, AISC Design Guide 26: Design of Blast Resistant Structures, AISC 2013
[2]	USA Department of Defense (DoD), UNIFIED FACILITIES CRITERIA (UFC) 3-340-02: Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions, 2008

Ссылки

Добавить комментарий...

0 Прокомментировать

0 0

Контакты

Связаться с Dlubal

У вас есть какие-либо вопросы по нашим программам или вам просто нужен совет?
Тогда свяжитесь с нами через бесплатную поддержку по электронной почте, в чате или на форуме или ознакомьтесь с различными решениями и полезными предложениями на страницах часто задаваемых вопросов.

+49 9673 9203 0

info@dlubal.com

Перейти к
События
Видео
Модели
База знаний
Снимки экрана
Функции продукта
Часто задаваемые вопросы
Проекты заказчиков

Рекомендуемые события

Саммит NCSEA по проектированию конструкций

Конференция 15. февраля 2022 - 16. февраля 2022

RFEM 6 | Динамический расчет и сейсмический расчет по норме EC 8

Онлайн-обучение 10. марта 2022 8:30 - 12:30 CET

2022 год по NASCC: Конференция по металлообработке

Конференция 23. марта 2022 - 25. марта 2022

Международная конференция по массивным лесоматериалам

Конференция 12. апреля 2022 - 14. апреля 2022

Конструктивный конгресс 2022

Конференция 21. апреля 2022 - 22. апреля 2022

Расчет стальных конструкций в программе RFEM 6 по AISC 360-16

Webinar 14. декабря 2021 14:00 - 15:00 EST

Расчет на сейсмику по норме Еврокод 8 в программе RFEM 6 и RSTAB 9

Webinar 2. декабря 2021 14:00 - 15:00 CET

Ознакомление с новой программой RFEM 6

Webinar 11. ноября 2021 14:00 - 15:00 EST

Расчет стекла в программе Dlubal

Webinar 8. июня 2021 14:00 - 14:45

Анализ изменений во времени в программе RFEM

Анализ изменений во времени при взрыве в программе RFEM

Webinar 13. мая 2021 14:00 - 15:00 EST

Деревянные конструкции | Часть 2: расчет

Балочные и плоскостные конструкции из древесины | Часть 2: Расчет

Webinar 11. мая 2021 14:00 - 15:00

Деревянные конструкции | Часть 1: Моделирование, ввод нагрузок и комбинаторика

Балочные и плоскостные конструкции из древесины | Часть 1: Моделирование, ввод нагрузок и комбинаторика

Webinar 4. мая 2021 14:00 - 15:00

Потеря устойчивости плит и оболочек в программном обеспечении Dlubal

Webinar 30. марта 2021 14:00 - 14:45

Расчет железобетонных конструкций по норме CSA S16:19 в программе RFEM

Webinar 10. марта 2021 14:00 - 15:00 EST

Наиболее частые ошибки пользователей при работе с программой RFEM и RSTAB

Самые частые ошибки пользователей при работе с программой RFEM и RSTAB

Webinar 4. февраля 2021 14:00 - 15:00 CET

Расчет стержней по ADM 2020 в программе RFEM

Webinar 19. января 2021 14:00 - 15:00 EST

Онлайн информационный день Dlubal | 15 декабря 2020

Webinar 15. декабря 2020 9:00 - 16:00 CET

Расчет на устойчивость в стальном строительстве с помощью RFEM и RSTAB

Расчет стальных конструкций на устойчивость в программе RFEM и RSTAB

Webinar 1. декабря 2020 14:00 - 14:45 CET

МКЭ - устранение неисправностей и оптимизация в RFEM

Устранение неполадок и оптимизация МКЭ в программе RFEM

Webinar 11. ноября 2020 14:00 - 15:00 EST

Взаимодействие грунтовых конструкций в RFEM

Взаимодействие конструкции с основанием в программе RFEM

Webinar 27. октября 2020 14:00 - 14:45 CET

Все события

Видео

Показать плейлист

KB 001713 | Упрощенный расчет взрывной волны по AISC Steel Design Guide 26

Длительность 1:26 мин

Записанный вебинар | Анализ изменений во времени при взрыве в программе RFEM

Длительность 1:01:38 мин

Модальный анализ | Не учитывать массы

Длительность 1:09 мин

Модальный анализ | Сочетание масс в RFEM 6

Длительность 0:59 мин

Модальный анализ | Табличное и графическое изображение масс

Длительность 1:01 мин

Расчет на сейсмические нагрузки по норме Еврокод 8 в программе RFEM 6 и RSTAB 9

Длительность 49:44 мин

Учебное пособие RFEM для студентов | 018 Динамика: Линейный расчет изменений во времени | Результаты

Длительность 6:30 мин

Учебное пособие RFEM для студентов | 017 Динамика: Линейный расчет изменений во времени | Входные данные

Длительность 14:48 мин

Что такое воздействия?

Длительность 3:04 мин

Учебное пособие RFEM для студентов | 016 Динамика: Анализ спектра реакций | Результаты

Длительность 7:42 мин

Учебное пособие RFEM для студентов | 015 Динамика: Анализ спектра реакций | Входные данные

Длительность 9:16 мин

КБ 000694 | «Упрощенный» расчет колебаний для EC 5

Длительность 1:22 мин

КБ 000614 | Использование модифицированных жесткостей в динамических расчетах

Длительность 1:21 мин

[EN] Учебное пособие RFEM для студентов | 014 Dynamics: Собственные колебания | Результаты

Длительность 5:33 мин

Учебное пособие RFEM для студентов | 013 Динамика: Собственные колебания | Входные данные

Длительность 10:04 мин

Смотреть другие видео

Модели для скачивания

363x

67x

Анализ изменений во времени при взрыве стальной конструкции

Стальная конструкция с железобетонными плитами

72x

19x

Железобетонная конструкция

40x

Железобетонная конструкция

40x

Коэффициент Пуассона ' пластины равен 0

32x

Коэффициент Пуассона ' пластины не равен 0

268x

58x

Многоэтажное железобетонное здание

214x

38x

Жилой блок с CLT конструкцией

94x

FAQ 005019 | Стальная конструкция с бетонной плитой

167x

46x

Стальная конструкция здания

281x

34x

трехпролетная неразрезная балка

266x

17x

Железобетонная конструкция

253x

33x

Консоль с семью опорами

Инерционный демпфер

Железобетонное здание

777x

170x

Железобетонная конструкция

1210x

245x

Железобетонное здание | Модальный анализ спектра реакций | NBC 2015

693x

83x

Стальная конструкция с возбуждением гармоник

465x

137x

Информационный день 2015 - Землетрясение

1383x

125x

Анализ спектра реакции по норме ASCE 7-16

Все модели для скачивания

Статьи из Базы знаний

Новый

Сейсмический расчёт в RFEM 6

Анализ землетрясений в программе RFEM 6 возможен с помощью дополнительных модулей «Модальный анализ» и «Анализ спектра реакции». Общая концепция сейсмического расчета в программе RFEM 6 основана на создании загружения для модального расчета или анализа спектра реакции. Группа стандартов для этих расчетов определена на вкладке « Стандарты II » в общих данных модели.

Упрощенный расчет вибраций для EC 5 Использование измененной жесткости для динамических расчетов Определение эквивалентных нагрузок в RFEM и RSTAB Модальный анализ спектра реакций и учет горизонтальной силы в основании по NBC 2015

Другие статьи из Базы знаний

Снимки экрана

Идеализированная диаграмма изменения давления во времени взрыва

Отраженный угол падения взрывной волны

Упрощенная диаграмма изменения давления во времени взрыва

Руководство по проектированию AISC 26 - Пример 2.1 Стальная конструкция в RFEM

Диаграмма зависимости давления от времени для передней части

Диаграмма зависимости давления от времени для боковых стен и кровли

Диаграмма зависимости давления от времени для задней стенки

Комбинированная диаграмма зависимости давления от времени

Нагрузка на поверхность лицевой стороны перпендикулярно взрывной нагрузке

Настройки временной диаграммы в RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations

Настройки временной диаграммы и нагрузки на поверхность в RF -DYNAM Pro - Forced Vibrations

Анализ изменений во времени при взрыве стальной конструкции

Оценка сил сдвига

Консоль с пятью степенями свободы:

Детальные настройки в модуле DYNAM Pro

Модель здания в RFEM

Параметры спектра отклика по ASCE 7-16

Положение центра тяжести в [футах]

Смещение сюжета в результирующей комбинации (δx = 0,359 дюйма; δy = 0,564 дюйма)

Временная диаграмма в RF-DYNAM Pro

Статьи в Функциях продукта

Новый

Дополнительный модуль для модального анализа

По сравнению с дополнительным модулем RF-/DYNAM Pro-Natural Vibrations (RFEM 5/RSTAB 8), в модуль Modal Analysis для RFEM 6/RSTAB 9 были добавлены следующие новые функции:

Предустановленные коэффициенты комбинирования для различных стандартов (EC 8, ASCE и т.д.)
Необязательное пренебрежение массами (например, массой фундамента)
Методы определения количества форм колебаний (пользовательские, автоматические - для достижения эффективных модальных коэффициентов масс, автоматические - для достижения максимальной собственной частоты)
Вывод модальных масс, эффективных модальных масс, коэффициентов модальных масс и коэффициентов участия
Табличный и графический вывод масс в точках сетки
Различные варианты масштабирования форм колебаний в навигаторе результатов