Проектирование стальных конструкций для повышения устойчивости к взрывам в соответствии с рекомендациями Aisc

Введение

Проектирование стальных конструкций для противостояния взрывным нагрузкам является критическим аспектом современного гражданского строительства, особенно для таких объектов, как военные базы, правительственные здания, посольства, нефтехимические заводы и критическая инфраструктура. Американский институт сталелитейного строительства (AISC) предоставляет всеобъемлющие руководящие принципы через свои руководства по проектированию и спецификации, которые помогают инженерам обеспечить, чтобы эти структуры могли эффективно противостоять экстремальным импульсивным силам. В то время как взрывостойкий дизайн традиционно был связан с оборонными и правительственными проектами, растущие проблемы безопасности сделали его приоритетом для коммерческих высотных зданий, транспортных узлов и общественных сборочных помещений. Эта статья расширяет основные принципы конструкции взрывостойкой стали, следуя руководящим принципам AISC, охватывающие нагрузки, структурный ответ, выбор материалов, подробные стратегии, методы анализа и прогрессивное смягчение коллапса.

Понимание взрывных нагрузок и структурного реагирования

Взрывные нагрузки — быстрые, высокоинтенсивные силы, возникающие в результате взрывов — случайные или преднамеренные. Они генерируют волну давления, которая распространяется радиально от точки детонации, характеризующуюся почти мгновенным подъемом к пиковому избыточному давлению с последующим фазой распада и фазой отрицательного давления (всасывания). Длительность положительной фазы чрезвычайно коротка, обычно измеряется в миллисекундах, что делает нагрузку принципиально динамичной и импульсивной. Стальные структуры реагируют на взрывные нагрузки иначе, чем на статические нагрузки: инерционные эффекты становятся значительными, и структура может подвергаться большой неупругой деформации для поглощения энергии. пластичность (способность выдерживать большие деформации без потери прочности) и способность поглощения энергии . Структура, предназначенная для сохранения полной эластичности под взрывной нагрузкой, будет непомерно тяжелой; вместо этого инженеры позволяют контролируемую неупругую деформацию, гарантируя, что соединения

Характеристики взрывной волны

История времени давления взрывной волны обычно идеализируется с использованием экспоненциальной кривой распада или треугольного импульса. Ключевые параметры включают пиковое избыточное давление, положительный импульс (область под кривой времени давления) и продолжительность. Ограниченные взрывы (внутренние взрывы) производят сложные отражения и усиление давления, которые должны учитываться в дизайне. Руководящие принципы AISC ссылаются на стандартные модели взрывной нагрузки из таких источников, как Министерство обороны США (] Единые критерии объектов ) и Национальный институт стандартов и технологий (NIST).

Режимы структурного реагирования

Стальные элементы, подвергшиеся взрывным нагрузкам, обычно реагируют в одном из трех режимов: эластичность, демпфированная эластичность или пластик. Коэффициент пластичности (максимальное неупругое отклонение, деленное на отклонение выходного сигнала) является общей метрической характеристикой. Руководящие принципы AISC рекомендуют ограничивать коэффициенты пластичности значениями, которые предотвращают разрыв и отказ соединения, обычно между 3 и 10 в зависимости от типа элемента и детализации соединения. Эффекты скорости напряжения также временно увеличивают прочность выхода и конечную прочность стали, что может быть полезным фактором, но должно рассматриваться реалистично в анализе.

Руководство AISC для взрывостойкого дизайна

AISC обеспечивает несколько ключевых принципов для проектирования взрывостойких стальных конструкций, в первую очередь через AISC Design Guide 26 : Дизайн взрывостойких конструкций и ссылки в спецификации AISC для структурных стальных зданий (ANSI / AISC 360). Эти руководящие принципы подчеркивают подход, основанный на производительности, который балансирует безопасность, стоимость и конструктивность. Основные области, охватываемые включают выбор материала, детализацию конструкции, соображения нагрузки, избыточность и дизайн фундамента.

Выбор материала

Высокопрочная сталь с достаточной пластичностью предпочтительнее для взрывостойких применений. Стали, такие как ASTM A992 (для широкоугольных форм) и ASTM A572 класса 50, предлагают хорошее соотношение прочности к весу и пластичное поведение. Руководящие принципы AISC рекомендуют использовать сталь с минимальной прочностью на разрыв с помощью Charpy V-notch (CVN) для обеспечения устойчивости к разрывам при высоких скоростях деформации, особенно в холодных средах, где жесткость может снижаться. Для критических соединений пластины могут быть указаны со свойствами сквозной толщины, чтобы избежать разрыва ламелляром. Материальная прочность является основным фактором, потому что хрупкий перелом при динамической нагрузке может привести к катастрофическому отказу, даже если номинальная прочность адекватна.

Структурная деталь

Детализационные конструкции - это то, где взрывостойкая конструкция наиболее отличается от обычной конструкции. Соединения должны быть разработаны, чтобы позволить большие вращения при сохранении прочности - концепция, известная как , проходимость детализации . Это включает в себя использование полностью сдержанных моментальных соединений с усиленными сварными швами, избегая подверженных разрыву деталей, таких как острые повороты для повторного входа, и обеспечение достаточных расстояний кромки для болтов. AISC рекомендует использовать традиционные моментные соединения (например, сварные неукрепленные фланцевые болты или секция уменьшенного луча), которые имеют доказанную способность развивать пластиковые шарниры. Кроме того, детализация для взрыва должна учитывать потенциал для разворота нагрузки : отрицательная фаза взрывной нагрузки может вызвать напряжение на противоположной стороне элемента, требуя усиления как для положительных, так и для отрицательных моментов.

Загрузка с учетом

Взрывные нагрузки сочетаются с мертвой нагрузкой и часто с уменьшенной живой нагрузкой (например, 50% номинальной живой нагрузки) для отражения маловероятного одновременного экстремального события. Спецификация AISC позволяет использовать увеличение допустимого напряжения (или снижение коэффициента нагрузки) для кратковременных переходных нагрузок, но это должно применяться последовательно с чувствительностью к скорости деформации материала. Для сейсмически устойчивых конструкций подход к проектированию коэффициента нагрузки и сопротивления (LRFD) обычно адаптирован для взрыва: номинальное сопротивление увеличивается на коэффициент (часто от 1,0 до 1,2) для учета краткосрочной динамической природы нагрузки. Инженеры также должны учитывать динамическое усиление компонента посредством применения динамического коэффициента нагрузки (DLF) , которые зависят от отношения продолжительности нагрузки к естественному периоду.

увольнение

Увольнение гарантирует, что потеря одного структурного элемента не приводит к непропорциональному коллапсу. Руководящие принципы AISC рекомендуют проектирование для нескольких путей нагрузки, так что, если колонка или луч разорваны или сильно повреждены, соседние элементы могут нести перераспределенные силы. Это тесно связано с концепцией прогрессивной предотвращения коллапса и часто достигается путем обеспечения непрерывных сил связи через соединения, а также вокруг альтернативных путей нагрузки (например, катанарное действие в пучках). AISC Engineering Journal опубликовал многочисленные исследования по прогрессивному коллапсу и альтернативным методам пути.

Дизайн фундамента

Взрывные вибрации земли могут быть значительными, особенно для поверхностных всплесков или когда взрыв происходит близко к структуре. Основания должны противостоять переворачиванию, скольжению и подъему сил, передаваемых от надстройки. Сжижение почвы и кратерирование являются дополнительными опасностями. Руководящие принципы AISC ссылаются на ASCE / SEI Standard 59 для взрывостойкой конструкции, которая обеспечивает методы определения нагрузки на фундамент. Глубокие фундаменты (столбы или кессоны) могут потребоваться для закрепления структуры против подъема. Кроме того, надежная система градуровочный луч может связывать колонны для равномерного распределения сил взрыва и предотвращения дифференциального движения.

Стратегии проектирования для сопротивления взрыву

Реализация эффективных стратегий проектирования включает в себя сочетание структурной компоновки, размера элемента, детализации соединения и дополнительных устройств. Следующие стратегии обычно используются в зданиях из взрывостойкой стали.

Устройства, рассеивающие энергию

Дамперы, амортизаторы и жертвенные элементы могут быть включены для поглощения части энергии взрыва. Успешно использовались амортизаторы, вязкие амортизаторы и амортизаторы трения. Кроме того, пластически деформирующиеся облицовочные системы, которые могут защитить первичную конструкцию, поглощая энергию до того, как она достигнет рамы. Эти устройства часто размещаются на соединениях или как часть оболочки здания.

Структурное увольнение и альтернативные пути нагрузки

Как отмечалось выше, обеспечение нескольких путей нагрузки имеет важное значение. Это может быть достигнуто с помощью непрерывных балок, надежных диафрагм пола и обеспечения того, чтобы колонны не были чрезмерно стройными. метод альтернативного пути , где ключевая колонка условно удалена и структура проверена на стабильность под действием силы тяжести и взрывных нагрузок, является стандартным подходом. Руководящие принципы AISC по прогрессивному коллапсу (см. Руководство AISC по проектированию 7 и связанные с ним документы) непосредственно применимы.

Усиленные связи

Соединения должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать силы, значительно превышающие обычные, потому что взрывные нагрузки могут вызывать разворот и большие вращения. Сварные соединения обычно предпочтительнее болтовых соединений в зонах с большим взрывом, потому что они обеспечивают более предсказуемую пластичность. Однако высокопрочные болтовые соединения с прорезными отверстиями также могут обеспечивать пластичность, если правильно детализированы. Соединения со сниженным лучом (RBS) Соединения со сниженным лучом, которые являются общими в сейсмической конструкции, также хорошо работают при взрыве, потому что они вынуждают уходить в луч от хрупкой зоны соединения.

Гибкая детальная и контролируемая деформация

Вместо того, чтобы пытаться сохранить структуру полностью эластичной, конструкция для контролируемой неупругой деформации. Это уменьшает необходимые размеры и вес элемента. Ключ заключается в том, чтобы гарантировать, что механизм пластикового шарнира является пластичным, с мощностью вращения шарнира по меньшей мере 0,03 рада до 0,05 рада в зависимости от элемента. Холодная сталь и тонкостенные элементы обычно избегают, потому что они имеют ограниченную пластичность и склонны к локальному пристегнутию под взрывными нагрузками. Использование компактные секции , как определено локальными ограничениями пристегнутости AISC, помогает поддерживать пластичность.

Standoff Дистанция и дизайн клейм

Расстояние отсчета является наиболее эффективным параметром для снижения взрывных нагрузок на конструкцию. Хотя часто диктуется ограничениями участка, максимизация противостояния должна быть основной целью. Системы закладки (стены занавески, металлические панели, каменная кладка) должны быть спроектированы так, чтобы противостоять давлению взрыва и удару фрагмента. Сама облицовка может быть спроектирована как жертвенный элемент , который выходит из строя перед основной рамой, или как защитный элемент , который остается неповрежденным. Руководящие принципы AISC относятся к ASTM E1886 и E1996 для тестирования фенестрации под взрывными нагрузками. Прикрепление облицовки к стальной раме должно обеспечивать поведение воздуховодов без вытягивания из конструкции.

Взрывные двери и открытия

Отверстия значительно снижают взрывостойкость стены или плиты. Для зданий, требующих высокой защиты, количество и размер отверстий должны быть сведены к минимуму. Взрывостойкие двери и окна, предназначенные для выдерживания специфических избыточных давлений, как правило, изготавливаются специализированными поставщиками. Конструкционные соединения вокруг отверстий должны быть усилены для переноса нагрузки вокруг отверстия, не вызывая концентрации напряжений.

Методы анализа для Blast Loading

Точный анализ имеет решающее значение для взрывоустойчивого проектирования. Уровень сложности зависит от важности здания и стадии проектирования. Используются три основных метода:

Эквивалентный статический анализ

Для предварительных размеров или зданий с низким уровнем опасности взрывные нагрузки могут быть преобразованы в эквивалентные статические силы путем применения динамического коэффициента нагрузки (DLF). Для простых систем SDOF максимальный отклик может быть оценен с помощью проектных диаграмм. Руководящие принципы AISC обеспечивают значения DLF для различных коэффициентов импульсов и режимов упругого/пластического отклика. Этот метод является консервативным и простым в реализации, но не может захватывать сложное поведение, такое как перераспределение нагрузки или несколько режимов вибрации.

Нелинейный динамический анализ (NLDA)

Для критических структур рекомендуется NLDA с использованием программ конечных элементов (например, LS-DYNA, ABAQUS, SAP2000 и т. Д.) Структура моделируется с помощью элементов пучка или элементов оболочки, учитываются нелинейности материала (эффекты скорости напряжения, пластичность, перелом), а история давления взрыва применяется в качестве зависящей от времени нагрузки. Этот метод точно предсказывает требования к смещению, силы участников и вращения соединений. AISC Design Guide 26 предоставляет рекомендации по моделированию, включая использование модифицированных кривых напряжения Рамберга-Осгуда для стали при высоких скоростях деформации.

Методы одностепенной свободы (SDOF)

Анализ SDOF является обычным промежуточным этапом. Загруженный взрывом компонент (например, балка или плита) сводится к сгустку массы с функцией нелинейного сопротивления. Графики из отдела армии TM 5-1300 или аналогичные документы используются для определения отклонения пика и пластичности. Хотя более простые, чем полная NLDA, методы SDOF обычно адекватны для проектирования отдельных компонентов и широко приняты строительными кодами для проектирования взрыва.

Конструкция соединения для сопротивления взрыву

Подключение является наиболее уязвимой частью стальной конструкции под взрывом. В руководящих принципах AISC подчеркивается, что соединения должны обладать деформационной способностью, сравнимой с подключенными элементами. Общие типы взрывостойких соединений включают:

  • Сварные соединения в сварном моменте: Полнопроникновение сварных швов на фланцы и большие филе сварных швов на паутины, с усилением, чтобы избежать разрыва сварного шва. Часто требуется использование пластин непрерывности и пластин-дублеров.
  • Связи с колеблющимися моментами: С затвердевшими болтами высокой прочности и закаленными шайбами, предназначенными для проскальзывания контролируемым образом для рассеивания энергии.Сплощенные отверстия могут использоваться для обеспечения вращения без отказа подшипника.
  • Сшивание соединений: Должна быть рассчитана на большие вращения и возможное напряжение катенария, если луч подвергается большим отклонениям.
  • Связи базовых пластин: Должна передаваться значительная поднятость и момент к основанию. Якорные стержни должны быть пластичными и встроены достаточно глубоко, чтобы развить их полную прочность. Базовые пластины должны быть толстыми, чтобы распределять нагрузку без локального отказа.

Детальные правила сейсмической конструкции (например, AISC 341, сейсмические положения) часто непосредственно применимы к конструкции взрыва, поскольку оба требуют пластичного поведения и контролируемого выхода. Во многих отношениях взрывная нагрузка более тяжелая, чем сейсмическая, но продолжительность нагрузки намного короче, что позволяет более высокие неупругие деформации.

Прогрессивное смягчение последствий коллапса

Взрывные события часто удаляют одну или несколько критических колонн или стенок сдвига. Способность оставшейся структуры перераспределять нагрузки и оставаться стабильной является сущностью прогрессивного сопротивления коллапсу. Руководящие принципы AISC (и критерии прогрессивного коллапса Управления по оказанию услуг ) требуют, чтобы: