Introduzione

La progettazione di strutture in acciaio per resistere ai carichi di alto livello è un aspetto critico dell'ingegneria civile moderna, soprattutto per strutture come basi militari, edifici governativi, ambasciate, impianti petrolchimici e infrastrutture critiche. L'American Institute of Steel Construction (AISC) fornisce linee guida complete attraverso le sue guide di progettazione e specifiche che aiutano gli ingegneri a garantire che queste strutture possano resistere efficacemente alle forze impulsive estreme.

Comprendere carichi di lama e risposta strutturale

I carichi di Blast sono forze rapide e ad alta intensità derivanti da esplosioni, sia accidentali che deliberate, che generano un'onda di pressione che propaga radialmente verso l'esterno dal punto di detonazione, caratterizzata da un aumento quasi istantaneo della sovrapressione di picco seguito da una fase di decadimento e da una fase di pressione negativa (suzione) .

Caratteristiche dell'onda Blast

La storia della pressione-tempo di un'onda d'onda è tipicamente idealizzata utilizzando una curva di decadimento esponenziale o un impulso triangolare. I parametri chiave includono sovrapressione di picco, impulso positivo (area sotto la curva di pressione-tempo), e la durata.

Registri di risposta strutturale

I membri dell'acciaio sottoposti a carichi di alto livello rispondono in genere in uno dei tre regimi: elastico, elastico smorzato o plastica. Il rapporto di duttilità ] (deflessione massima inelastice divisa per deflettore di rendimento) è un'analisi delle prestazioni comuni.

Linee guida AISC per il design Blast-Resistant

L'AISC fornisce diversi principi fondamentali per la progettazione di strutture in acciaio resistenti agli urti, principalmente attraverso AISC Design Guide 26]: []Design delle strutture resistenti alla lama e riferimenti all'interno della specifica AISC per gli edifici strutturali in acciaio (ANSI/AISC 360).

Selezione dei materiali

Gli acciai come ASTM A992 (per forme a lama larga) e ASTM A572 Grade 50 offrono un buon rapporto resistenza-peso e un comportamento duttile. Le linee guida AISC raccomandano di usare l'acciaio con una resistenza minima di Charpy V-notch (CVN) per garantire la resistenza alla frattura sotto alti tassi di deformazione, soprattutto in ambienti freddi dove la resistenza alla resistenza alla resistenza alla rottura può diminuire.

Particolare strutturale

Il design resistente agli urti è più diverso dal design convenzionale. Le connessioni devono essere progettate per consentire grandi rotazioni mantenendo la forza, un concetto noto come ] Dettaglio duttile]. Ciò include l'utilizzo di connessioni di momento completamente ritenute con saldature rinforzate, evitando dettagli fratture-prone come angoli affilati di rientro, e fornendo distanze di bordo sufficienti per i bulloni tradizionali.

Considerazioni sui carichi

I carichi di lama sono combinati con il carico morto e spesso un carico live ridotto (ad esempio, il 50% del carico nominale in tensione) per riflettere l'evento estremo simultaneo improbabile. La specifica AISC permette l'uso di un aumenta lo stress ammissibile (o la riduzione del fattore di carico) per carichi di breve durata, ma questo deve essere applicato coerentemente con il fattore di sforzo del materiale.

Redunda

La ridondanza assicura che la perdita di un elemento strutturale non porti al collasso sproporzionato. Le linee guida AISC raccomandano di progettare per più percorsi di carico in modo che se una colonna o un fascio è severo o gravemente danneggiato, gli elementi adiacenti possono portare le forze redistribuite. Questo è strettamente legato al concetto di prevenzione del collasso progressivo[FLT1] e spesso è raggiunto fornendo connessioni continui di legame con il percorso di catena.

Design della Fondazione

Le vibrazioni del suolo indotte dai laghi possono essere significative, in particolare per le esplosioni di superficie o quando l'esplosione si verifica vicino alla struttura. Le basi devono resistere a sovratensioni, scorrevoli e sollevare le forze trasmesse dalla sovrastruttura.

Strategie di progettazione per la resistenza alla lama

L'implementazione di strategie di progettazione efficaci comporta una combinazione di layout strutturale, dimensionamento dei membri, dettagli di connessione e dispositivi supplementari.

Dispositivi di dissipazione dell'energia

Gli ammortizzatori, gli ammortizzatori e gli elementi sacrificali possono essere incorporati per assorbire una parte dell'energia di scarico. Gli ammortizzatori in acciaio, gli ammortizzatori viscosi e gli ammortizzatori ad attrito sono stati utilizzati con successo. Inoltre, i sistemi di rivestimento resistenti alla sabbia[]] che deformano in plastica possono proteggere la struttura primaria assorbendo energia prima di raggiungere la struttura prima di raggiungere la cornice.

Riduzioni strutturali e percorsi di carico alternativi

Come sopra indicato, fornire più percorsi di carico è essenziale. Questo può essere raggiunto utilizzando travi continui, robusti diaframmi del pavimento, e garantire che le colonne non sono eccessivamente snelle. Il alternate metodo percorso[], dove una colonna chiave è notualmente rimosso e la struttura è controllata per la stabilità sotto gravità e carichi di alto livello, è un approccio standard.

Collegamenti rinforzati

Le connessioni devono essere progettate per resistere alle forze significativamente superiori al solito perché i carichi di esplosione possono causare rotazioni inversali e grandi. I collegamenti saldati sono generalmente preferiti sopra i collegamenti a grandi lame in zone perché offrono una duttilità più prevedibile. Tuttavia, le connessioni ad alta resistenza con i fori a slot possono anche fornire duttilità se correttamente dettagliate.

Deformazione flessibile e controllata

Piuttosto che cercare di mantenere una struttura completamente elastica, design per deformazione inelastic controllata. Questo riduce le dimensioni e il peso dei membri richiesti. La chiave è garantire che il meccanismo di cerniere di plastica è duttile, con una capacità di rotazione di cerniera di almeno 0,03 rad a 0,05 rad a seconda del membro.

Standoff Distanza e Progettazione di Rivestimenti

La distanza di stallo è il parametro più efficace per ridurre i carichi di esplosione sulla struttura. Mentre spesso dettato dai vincoli del sito, massimizzare lo stallo dovrebbe essere un obiettivo primario. I sistemi di serraggio (tessitura pareti, pannelli metallici, riempimento di muratura) devono essere progettati per resistere alle pressioni di esplosione e all'impatto del frammento.

Porte e aperture

Per gli edifici che richiedono un'elevata protezione, il numero e la dimensione delle aperture devono essere minimizzati. Le porte e le finestre resistenti alla polvere, progettate per resistere a specifiche sovrapressione, sono tipicamente prodotte da fornitori specializzati. I collegamenti strutturali intorno alle aperture devono essere rinforzati per trasferire il carico intorno all'apertura senza causare concentrazioni di stress.

Metodi di analisi per il caricamento del Blast

L’analisi accurata è fondamentale per il design resistente agli urti. Il livello di raffinatezza dipende dall’importanza e dalla progettazione dell’edificio.

Analisi statica equivalente

Per gli edifici a bassa velocità o per il dimensionamento preliminare, i carichi di scoppio possono essere convertiti in forze statiche equivalenti applicando un fattore di carico dinamico (DLF). Per i sistemi SDOF semplici, la risposta massima può essere stimata utilizzando i grafici di progettazione. Le linee guida AISC forniscono valori DLF per i diversi rapporti di impulso e regimi di risposta elastica/plastica.

Analisi dinamica non lineare (NLDA)

Per le strutture critiche, si raccomanda di usare NLDA con programmi di elementi finiti (ad esempio, LS-DYNA, ABAQUS, SAP2000, ecc.) e la struttura è modellata con elementi di trave o elementi di conchiglia, le nonlinearità materiali sono rappresentate per (effetti di tasso di spessa, plasticità, frattura), e la storia della pressione dell'alto è applicata come carico dipendente dal tempo.

Metodi di libertà (SDOF)

L'analisi SDOF è un passo intermedio comune. Il componente a carica elevata (ad esempio, un fascio o una lastra) è ridotto a una massa lumped con una funzione di resistenza non lineare. I grafici dal Dipartimento dei codici dell'esercito TM 5-1300 o documenti simili sono utilizzati per determinare la deflezione di picco e duttilità.

Progettazione di connessione per resistenza alla lama

Le linee guida AISC sottolineano che le connessioni devono possedere capacità di deformazione paragonabili ai membri collegati.

  • Collegamenti di momento saldati:[] saldature a piena penetrazione a flange e grandi saldature di filetto a web, con rinforzo per evitare la frattura della saldatura. L'uso di piastre di continuità e piastre a doppio piatto è spesso richiesto.
  • Connessioni di momento flessibili: Con bulloni ad alta resistenza e lavatrici indurite, progettati per scivolare in modo controllato per dissipare l'energia. I fori Slotted possono essere utilizzati per consentire la rotazione senza guasto del cuscinetto.
  • I collegamenti dei piedi:[] devono essere progettati per grandi rotazioni e possibile tensione catenaria se il raggio subisce grandi deflettori.
  • Connessioni di base:[] Deve trasferire un significativo sollevamento e un momento alla fondazione. Le barre di ancoraggio dovrebbero essere duttili e incorporati abbastanza profondi da sviluppare la loro piena forza. Le piastre di base dovrebbero essere spesse per distribuire il carico senza guasto locale.

Le regole di dettaglio per il design sismico (ad esempio, AISC 341, Seismic Provisions) sono spesso direttamente applicabili al design dell'esplosione perché entrambi richiedono un comportamento duttile e una resa controllata.

Mitigazione progressiva del crollo

[LT] Le strutture di controllo del suolo sono spesso di tipo permanente[LT][L'azione di rottura continua[Ll][Ll][Ll]

Criteri di performance e obiettivi di progettazione

I progettisti devono stabilire obiettivi di prestazione chiari con il proprietario dell'edificio. I livelli tipici includono:

    [[FLT: 1]] Limiti di risposta bassa: La struttura rimane largamente elastica con i danni minori, adatti per le strutture essenziali come ospedali o centri di emergenza.
  • [FLT:]

    Conclusioni

    In seguito alle linee guida AISCLT per il design resistente agli urti, la sicurezza e la resilienza delle strutture in acciaio contro le forze esplosive. La combinazione di robuste scelte materiali, dettagli duttili, percorsi di carico ridondanti, e metodi di analisi appropriati crea una struttura in grado di assorbire l'energia impulsiva estrema senza collassare.