Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1822/34699

TitleSecurity evaluation and design of structures subjected to blast loading
Author(s)Pereira, João Miguel
Advisor(s)Lourenço, Paulo B.
KeywordsBlast loading
Dynamic response
FE modelling
LS-DYNA
Masonry
Impact
Drop weight
Strain rate
DIF
Infill walls
Out-of-plane loading
WBWG
Risk assessment
COUNTERACT
Structural security
ABAQUS
Alvenaria
Impacto
Torre de queda
FID
Paredes de enchimento
Carregamento fora do plano
Avaliação de risco
Segurança estrutural
Explosões
Resposta dinâmica
Elementos finitos
Issue date27-Jun-2014
Abstract(s)The work presented in this thesis was developed at the Department of Civil Engineering of University of Minho. This work involves experimental and numerical campaigns and intends to give a contribution for a better understanding of the effect of explosions. Blast loading is a subject of much actuality and considerable lack of expertise. Europe has never been so rich and safe, where the violent years of the first half of the 20th century lead to an unprecedented period of peace and stability. Despite the terrorist decades, e.g. connected to ETA and IRA in Europe, the attacks of Madrid (2004), London (2005) and worldwide (New York, Oklahoma, Mumbai) had a major psychological effect in the societies. Clearly, the understanding about the effect of blast loading in structures and their subsystems saves lives and reduces damage in buildings. The Buncefield explosion (2005) resulted in tremendous damage to the outlying area and huge fires involving 23 large oil fuel tanks. Experimental and finite element analyses are carried out for the static and dynamic response of lightweight metal boxes that are similar to the steel junction boxes on the site of this explosion. During the Buncefield Explosion Mechanism Phase I research, the lightweight steel junction boxes on the site located within the area covered by the gas cloud are compared with similar boxes tested under a range of different loading conditions using hydrostatic pressure, gas explosions and high explosive charges. The residual plastic deformations for these boxes are recorded and used to validate a finite element based modelling approach. The predicted pressure-time history is in reasonably good agreement with the measurements. Further parametric studies are then conducted to produce iso-deformation curves which can be used in accident investigations to back track the blast loading from structure deformations. Investigation of the dynamic properties of construction materials is critical for structural engineering. The strain rate effect influences the properties on most constructions materials. This effect on materials such as concrete or steel has been intensively investigated. However, such studies on masonry materials such as clay bricks cannot be found in the open literature easily. Understanding the strain rate effect on masonry materials is important for proper modelling and design of masonry structures under high velocity impacts or blast loads. This work aims to study the behaviour of masonry and its individual components in compression at different strain rates. A Drop Weight Impact Machine is used at different heights and weights introducing different levels of strain rate. The strain rate effect on the compressive strength, Young’s modulus, strain at peak strength and compressive fracture energy is determined from the experimental results. Empirical relations of dynamic increase factors (DIF) for these material properties are also presented. The vulnerability of the masonry envelop under blast loading is considered critical due to the risk of loss of lives. The dynamic behaviour of masonry infill walls subjected to dynamic out-of-plane loading is experimentally investigated in this work. In the present study water plastic containers, having in its centre a detonator inside a cylindrical explosive charge, are used as confined underwater blast wave generators (WBWG). Tests are performed in unreinforced walls with 1.7 by 3.5 m, which are 1:1.5 scaled, and the results presented. These results are used to calibrate numerical models using ABAQUS Explicit dynamics, allowing a detailed study on this kind of masonry panels under dynamic out-of-plane loading in the form of parametric studies. Two different reinforcement solutions are studied in the numerical model and the results are presented. The results are used to create pressure-impulse (P-I) diagrams which can help the designer to estimate the response of these elements under different loading conditions. Protection is not an absolute concept and there is a level of protection where the cost of the protection provided with respect to the cost of potential loss is in balance. On one hand, protection cannot offer full guarantee of safety and, on the other hand, too much protection is a waste of resources with regard to what is expected to be saved. The purpose of protective construction is to improve the probability of survival of people and other contents in a given facility for a given threat, to an adequate level. In order to improve this probability, one must first understand the threat and accordingly analyse the facility. In this work risk assessment is addressed and applied to a large Public Transport Operator. This assessment allows identifying potentially critical infrastructure, which are studied and its structural security is evaluated for different scenarios regarding blast loading.
O trabalho apresentado nesta tese foi desenvolvido no Departamento de Engenharia Civil da Universidade do Minho. Este trabalho envolve campanhas experimentais e numéricas, e pretende ser uma contribuição para uma melhor compreensão do efeito das explosões. As explosões são um tema atual e de conhecimento muito reduzido. A Europa nunca esteve tão rica e segura, sendo que os anos violentos da primeira metade de século 20 conduziram a um período sem precedentes de paz e estabilidade. Apesar de décadas de terrorismo, por exemplo da ETA e do IRA na Europa, os ataques de Madrid (2004), Londres (2005) e em todo o mundo (Nova York, Oklahoma, Mumbai) têm tido um impacto psicológico muito elevado nas sociedades. Claramente, a compreensão sobre o efeito da ação das explosões nas estruturas e nos seus subsistemas salva vidas e reduz os danos nas construções. A explosão de Buncefield em 2005 resultou num dano impressionante nas proximidades e fogos imensos em 23 grandes depósitos de combustível. Campanhas experimentais e numéricas são executadas para estudar o comportamento dinâmico de caixas metálicas semelhantes às encontradas em Buncefield. Durante a investigação do incidente de Buncefield, as caixas presentes na área coberta pela nuvem de vapor são comparadas com caixas semelhantes sujeitas a diferentes tipos de ações, usando pressão hidrostática, explosões de gás e explosivos de grau militar. As deformações permanentes são registadas e usadas para validar modelos numéricos com recurso ao Método dos Elementos Finitos. A previsão dos perfis de pressão é adequada aos dados obtidos durante a investigação do acidente. Os modelos numéricos obtidos são usados para criar curvas de iso-dano que podem ser usadas para auxiliar em investigações pós-acidente relacionando a deformação nessas subestruturas com o perfil de pressões atuante. A investigação das propriedades dinâmicas dos materiais de construção é considerada crítica para a engenharia. O efeito das velocidades de deformação influencia as propriedades da maior parte dos materiais de construção. Este efeito tem sido estudado em betão e aço. No entanto, estudos sobre este efeito em alvenaria, e seus componentes, são reduzidos na literatura. A compreensão destes efeitos em alvenaria é crucial para uma modelação e dimensionamento adequado destes materiais quando sujeitos a impactos ou explosões. Este trabalho pretende estudar o comportamento da alvenaria, e dos seus componentes individuais, em compressão a diferentes velocidades de deformação. Para o efeito uma torre de queda é usada com diferentes alturas e pesos de impacto, introduzindo no sistema diferentes velocidades de deformação. O efeito das velocidades de deformação é determinado pelos resultados experimentais, e estudado para a resistência à compressão, módulo de elasticidade, extensão em compressão máxima e energia de fratura em compressão. Relações empíricas sob a forma de fatores de incremento dinâmico (FID) são apresentadas para estas propriedades mecânicas. A vulnerabilidade da envolvente em alvenaria dos edifícios quando sujeita a explosões é considerada crítica devido ao risco de perdas humanas. O comportamento de paredes de enchimento quando sujeitas a ações dinâmicas fora do seu plano é investigado neste trabalho. São usados reservatórios de água com uma carga explosiva no seu centro para atuar como geradores de onda de choque. São executados testes em paredes de enchimento de alvenaria com 1.7×3.5 metros (escala de 1:1.5). Os resultados obtidos são usados para calibrar modelos numéricos com recurso ao software ABAQUS Explicit. Isto permite uma análise alargada do comportamento destes elementos quando sujeitos a ações dinâmicas fora do plano, sob a forma de estudos paramétricos. Duas soluções de reforço são estudas numericamente e os resultados apresentados. Os resultados obtidos nas tarefas anteriores são usados para criar diagramas de pressãoimpulso (P-I) que auxiliam os técnicos que pretendam estimar a resposta deste tipo de paredes quando sujeitas a diferentes tipos de ação. A proteção não é um conceito absoluto e há um nível de proteção em que o custo da proteção em relação às perdas possíveis está em equilíbrio. Por um lado, não é possível garantir proteção e segurança absoluta, por outro lado, demasiada proteção pode ser um desperdício de recursos em relação ao que se espera proteger. O objetivo de proteção, no caso de estruturas, é melhorar a probabilidade de sobrevivência dos seus ocupantes e seu conteúdo, para uma ameaça específica, obtendo uma probabilidade adequada. Para isto ser possível é necessária uma compreensão detalhada da ameaça e da estrutura. Neste trabalho a avaliação de risco é estudada e uma metodologia é aplicada a um Operador de Transportes Públicos. Esta avaliação de risco permite identificar infraestruturas críticas, tendo sido avaliada a segurança estrutural de uma destas a diferentes cenários de explosão.
TypeDoctoral thesis
DescriptionTese de doutoramento em Engenharia Civil
URIhttp://hdl.handle.net/1822/34699
AccessOpen access
Appears in Collections:BUM - Teses de Doutoramento
ISISE - Teses de Doutoramento

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