按照AISC Steel Design Guide 26进行简化的隔爆结构设计

关于结构分析和 Dlubal 软件应用的技术文章

  • 知识库

技术文章

This article was translated by Google Translator

View original text

来自高能炸药的爆炸荷载,偶然的或故意的,都是很小的,但是也可能满足结构设计的要求。 这些动荷载与正常静荷载不同,是它们的大小和作用时间非常短。 爆炸场景可以作为有限元的时程分析软件直接在有限元软件中直接执行,可以减少对人的伤害,并且可以评估建筑物的破坏程度。

AISC钢结构设计指南26 -抗爆结构设计[1] ,特别是示例2.1 -初步评估单层结构的抗爆性能是Ingenieure的理想选择, 。

理想化爆炸荷载压力时程

一个理想化的压力-时间图显示了爆炸后压力随着时间的变化。

一些最重要的参数直接显示在该图中:

  • 峰值超压(Pr或Pso )... 到达结构膜结构上气压的即时压力。
  • 正相持续时间(td )... 压力恢复为环境压力的时间。
  • 正脉冲(I)... 在正向持续时间过程中施加的总压力-时间能量通过曲线下的面积来计算。
  • 负相持续时间(td - )... 吸力阶段 -在正压阶段之后压力降至大气压以下的时间段。

需要注意的是,理想化压力-时间曲线图显示了两条不同的曲线,包括“侧向爆炸荷载”和“反射爆炸荷载”,分别用虚线和实线表示。 横向爆炸荷载(也称为自由场爆炸荷载)包含在文献中通常使用的索引“ so”。 爆炸荷载平行于面而不是垂直于面时显示。 基本上,荷载将扫掠整个曲面, 一个示例是平行于爆炸荷载的侧壁或不直接暴露在爆炸荷载下的后墙。

当压力波遇到不平行的成角度的面时,发生反射的爆炸荷载,由系数“ r”表示。 反射压力P r可以用下面的公式计算。

Pr = Cr Pso

P表示侧压,Cr表示反射系数。 Cr是入射角和侧向压力的函数。 下图显示了如何将压力波的初始方向和垂直于面的反射波一起计算入射角。

一旦确定了入射角,就可以使用美国设施标准(UFC)3-340-02-抵抗偶然爆炸影响的结构[2]中的图2-193得出C r值,该值是基于峰值事件超压。

简化的爆炸荷载压力时间曲线

为了进行设计,上述理想化的表示简化为在正相下有立即上升和线性下降的三角形分布。 为了使峰值超压与理想值和动量(曲线下的面积)脱离理想状态,对理论持续时间te进行近似计算,te = 2(I/P)。

之前,为了进行研究,首先研究了工作重量,结构与爆炸之间的距离以及在压力-时间曲线图中定义的爆炸参数之间的关系。 在例如Source [2]的技术手册中,爆炸参数是作为爆炸距离的函数的,经验爆炸参数曲线的形式显示。

为了简化说明,在结构简单的情况下通常不考虑负相,因为爆炸作用不大。 但是,如果结构构件在反向荷载方向上变弱或基本持续时间相对于荷载作用持续时间变短,则反相阶段变得越来越重要。

其他影响爆炸计算的变量,例如:B.风或动压作用下的拉力或阻力,附属建筑的屏蔽(荷载折减)和反射(荷载放大)以及内部这里没有考虑压力波进入结构洞口的荷载。

AISC设计指南26 -RFEM中的示例2.1

AISC设计指南26 -例2.1 [1]是在RFEM中按照上述假设进行爆炸荷载分析的理想参考示例。 本示例中的示例建筑为单层钢结构建筑,尺寸为50米(宽),70米(长),15米(高)。 在有限元软件RFEM中,RFEM固定钢梁作为W型钢模型,在刚性构件FEM中长期W的型钢。 中间梁和pur条使用热轧C形截面建模。 建筑幕墙由肋形金属板组成。

爆炸的工作重量为500 lbs,爆炸发生在与建筑物正面相距50米的位置上。 使用该信息,可以按照下面的公式计算比例距离Z。

到最近的比例距离

Z = RW3 = 50 ft500 lb3 = 6.3 ftlb1/3

R 单元到荷载的距离
w TNT当量荷载重量

使用刻度距离,可以直接从[2]中的图2-15确定下面表1中列出的反射和侧压正压力波参数。

爆炸荷载参数来自图2-15 [2]计算值
反射峰值压力(+)Pr = 79.5 psi-
侧向峰值压力(+)Pso = 24.9 psi-
反射动量(+)Ir = 31.0W 1/3Ir = 246 psi MS
侧向脉冲(+)SO = 12.1W三分之一Iso = 96.0 psi MS
到达时间ta = 1.96W 1/3ta = 15.6 ms
指数荷载作用持续时间(+)td = 1.77W 1/3td = 14.0 ms
速度线正面的影响U = 1.75 ft/ms-

因为正面直接面对初始爆炸,所以表1中的“反射”变量适用于该面。 简化的三角形近似法需要计算等效时长,以确保在正时长阶段内保持动量(曲线下的面积)。

te,r = 2Ir/Pr = 2(246 psi ms)/29.5 psi = 6.19 ms

前面的初始压力-时间显示现已完成。

侧壁和屋顶

为了简化计算,使用与建筑物正面的比例距离Z来确定建筑物侧壁和屋顶的爆炸变量。 因此,使用上面表1中的侧向值来定义这些建筑截面的压力-时间曲线。 可以根据爆炸的侧壁和屋顶距离来考虑压力波减少进行更详细的计算。

当量周期te是通过侧向变量计算得出。

te,so = 2Iso/Pso = 2(96.0 psi ms)/24.9 psi = 7.71 ms

后墙

可以调整后墙的比例距离Z,以适应额外的建筑长度。 现在距离为50米 + 70米。 因此,Z计算如下。

到后墙的比例距离

Z = RW3 = 120 ft500 lb3 = 15.1 ftlb1/3

R 单元到荷载的距离
w TNT当量荷载重量

由[2]中的图2-15可以用来确定表2中列出的正压波参数为侧压力。

爆炸荷载参数来自图2-15 [2]计算值
侧向峰值压力(+)Pso = 4.60 psi-
侧向脉冲(+)SO = 5.54W三分之一Iso = 44.0 psi MS
到达时间ta = 8.32W 1/3ta = 66.0 ms
指数荷载作用持续时间(+)td = 3.11W 1/3td = 24.7 ms
速度线正面的影响U = 1.26 ft/ms-

后墙的等效周期te可以通过上述相关变量计算。

te,so = 2Iso/Pso = 2(44.0 psi ms)/4.60 psi = 19.1 ms

因为后墙的高度与发生爆炸的地形高度相距15米,所以不会立即出现压力升高。 而是根据压力波的速度,后墙的高度和到达时间来计算达到峰值压力t 2所需的时间。

t2 = L1/U + ta = 15.0 ft/1.26 ft/ms + 66.0毫秒= 77.9毫秒

得出爆炸荷载tf结束时间的时间。

tf = t2 + te,so = 77.9 ms + 19.1 ms = 97.0 ms

如果将上述所有计算得出的后墙尺寸进行组合,那么这个建筑部分的压力-时间图就完整了。

爆炸荷载摘要

可以通过组装顶棚,前墙,侧面墙和后墙来显示总压力随时间的变化,以及压力波如何随时间影响结构的不同区域。

这些信息现在可以导入到RFEM中,并且可以添加到附加模块RF -DYNAM Pro -强迫振动中,用于确定时程曲线。

RFEM中的应用

现在已经定义了不同建筑区段的压力-时间曲线,然后将这些信息传递到附加模块RF-DYNAM Pro-Forced Vibrations in RFEM中。

但是,在进行时程分析之前,需要使用附加模块RF -DYNAM Pro -自然振动确定自然周期,频率和形状。 关于该部分的分析,在本技术文章中不再详细介绍。

为了进行时程分析,在RFEM中施加了三个独立荷载工况形式的一般面荷载来模拟爆炸荷载在LC1 -前墙,LC2 -侧壁/屋面以及LC3 -后墙位置(后壁)。 值1 kip/ft2只能用作占位符,因为该值稍后会取决于时程函数。

在附加模块RF -DYNAM Pro -强迫振动中定义时间表。

请注意:

定义了时程曲线后,RFEM中的一般面荷载就直接链接到各自的曲线图上。

在进行分析之前,必须在附加模块中设置其他变量,例如:线性隐式Newmark分析求解器,时程分析的最大持续时间为0.5秒,时间步长为0.001秒用于计算。 此外,在附加模块中的Rayleigh阻尼系数α和β是通过两个Lehr's阻尼系数2%计算的两个主导模态的固有角频率设置的。

现在,所有与爆炸时程分析相关的信息都将被定义,并可以使用RFEM和RF-DYNAM Pro进行计算。 RFEM中的计算分析软件例如时程监测器,可以对整个爆炸过程中的结构反应和安全性进行评估。 有关RFEM中AISC设计指南26 2.1 [1]中示例2.1的详细演示,请参阅之前录制的RFEM中的爆炸时程分析网络课堂。

作者

Amy Heilig, PE

Amy Heilig, PE

Dlubal Software,Inc.首席执行官 与销售和技术支持工程师

艾米·海里格(Amy Heilig)是美国宾夕法尼亚州费城分公司的首席执行官。 此外,她还负责销售和技术支持,并继续为美国和加拿大市场的Dlubal项目开发提供支持。

关键词

动力学 时程 爆炸 爆炸荷载 有限元 AISC DG 26 UFC 3-340-02

参考文献

链接

写评论...

写评论...

  • 浏览 587x
  • 更新 2021年08月30日

联系我们

联系Dlubal

您有任何疑问或需要建议吗? 通过免费的电子邮件,聊天或论坛支持与我们联系,或者全天候使用我们的常见问题解答。

+49 9673 9203 0

(可要求接中文热线)

info@dlubal.com

活动邀请

国际大规模木结构大会

讨论会 2022年04月12日 - 2022年04月14日

活动邀请

2022年结构大会

讨论会 2022年04月21日 - 2022年04月22日

RSTAB与RFEM和IDEA StatiCa之间的有效BIM工作流程

RSTAB&RFEM和IDEA StatiCa之间的有效BIM工作流程

Webinar 2021年08月5日 11:00 - 12:00 CEST

使用Dlubal软件进行玻璃设计

使用Dlubal软件进行玻璃设计

Webinar 2021年06月8日 14:00 - 14:45 CEST

RFEM中的爆破时程分析

RFEM中的爆破时程分析

Webinar 2021年05月13日 14:00 - 15:00 EDT

木结构 | 第2部分: 结构设计

木结构梁和面结构 | 第2部分: 结构设计

Webinar 2021年05月11日 14:00 - 15:00 CEST

使用Dlubal软件进行板和壳体的翘曲稳定性分析

使用德儒巴软件进行板壳结构屈曲分析

Webinar 2021年03月30日 14:00 - 14:45 CEST

CSA S16:19 RFEM中的钢结构设计

CSA S16:19 RFEM中的钢结构设计

Webinar 2021年03月10日 14:00 - 15:00 EDT

最常见的用户错误:RFEM和RSTAB

RFEM 和 RSTAB 中最常见的用户错误

Webinar 2021年02月4日 14:00 - 15:00 BST

杆件设计按照RFEM中的ADM 2020

RFEM中的ADM 2020杆件设计

Webinar 2021年01月19日 14:00 - 15:00 EDT

Dlubal信息日

Dlubal在线信息日 | 2020年12月15日

Webinar 2020年12月15日 9:00 - 16:00 BST

使用RFEM和RSTAB进行钢结构稳定性设计

使用 RFEM 和 RSTAB 进行钢结构稳定性设计

Webinar 2020年12月1日 14:00 - 14:45 BST

有限元分析 -RFEM中的故障排除和优化

RFEM中的FEA故障排除和优化

Webinar 2020年11月11日 14:00 - 15:00 EDT

RFEM中的土-结构相互作用

RFEM 结构与地基基础相关性

Webinar 2020年10月27日 14:00 - 14:45 BST

根据NBC 2015在RFEM中进行响应谱分析

Webinar 2020年09月30日 14:00 - 15:00 EDT

在 RFEM 打印报告中编制计算结果

Webinar 2020年08月25日 14:00 - 14:45 CEST

在RFEM中按照ACI 318-19进行混凝土设计

Webinar 2020年08月20日 14:00 - 15:00 EDT

如何高效使用 RFEM

使用 RFEM 和 RSTAB 进行钢结构稳定性设计

Webinar 2020年07月7日 15:00 - 16:00 CEST

RFEM
RFEM

主程序

结构设计与有限元­分析软件(FEA)可以用于建立 平面与空间结构模型,适用于由杆件、面、 板、墙、折板、膜、壳、实体以及接触单元等的建模与分析计算。

第一个许可证价格
3,540.00 USD
RFEM

附加模块

固有振动分析 - 杆件、面和实体模型的自振频率和主振型

第一个许可证价格
1,030.00 USD
RFEM
RF -DYNAM Pro -非线性时程分析

附加模块

激振工况下非线性时程分析

第一个许可证价格
1,120.00 USD
RFEM
RF -DYNAM Pro -强迫振动

附加模块

动力和地震分析 - 时程分析法和多振型反应谱分析方法

第一个许可证价格
1,120.00 USD