Table of Contents

Взрывоустойчивая конструкция стала критическим требованием для инфраструктуры, которая должна оставаться функциональной в экстремальных условиях. Мосты, военные объекты, правительственные здания и промышленные предприятия сталкиваются с потенциальными угрозами от случайных детонаций или преднамеренных атак. Стрессовая сталь предлагает уникальное сочетание высокой прочности, пластичности и усталостной стойкости, что делает ее предпочтительным усилением для таких конструкций. Вводя контролируемое сжимающее напряжение в бетон, предварительное напряжение стали значительно улучшает способность структурных элементов выдерживать интенсивные волны давления и высокие показатели нагрузки, производимые взрывами.

Понимание стресса стали

Под натяжной сталью понимаются высокопрочные стальные сухожилия, провода или стержни, которые натягиваются до (натяжения) или после (постнатяжения) бетонного размещения. Сталь имеет прочность на растяжение, как правило, в диапазоне от 1860 МПа (270 кси) для нитей до более 2000 МПа для стержней. Это примерно в четыре-пять раз превышает прочность на выход обычной армирующей стали. Высокая прочность позволяет относительно небольшому количеству стали накладывать большую силу на сжатие на бетон, что противодействует растягивающим напряжениям от внешних нагрузок.

Свойства материала

Наиболее распространенным типом престрессовой стали является семипроводная нить, состоящая из шести наружных проводов, спирально обернутых вокруг центрального провода. Эта конфигурация обеспечивает хорошую связь с затиркой в связанных системах после натяжения. Престрессовые стержни, часто резьбовые, используются в приложениях, требующих высокой силы в ограниченном пространстве, таких как соединения сегмента моста. Вся престрессовая сталь изготавливается со строгим контролем качества для химического состава, дефектов поверхности и релаксационных характеристик. Сталь с низким уровнем релаксации в настоящее время стандартна, теряя только 2-3 процента первоначального напряжения с течением времени по сравнению с 5-8 процентами для нормальной релаксационной стали.

Защита от коррозии

Прочность предварительного натяжения стали при взрывных нагрузках имеет важное значение, поскольку сталь находится под постоянным высоким растяжением. Коррозия может привести к хрупкости водорода или коррозионному растрескиванию под напряжением, что снижает пластичность. В склеенных системах постнатяжения сталь защищена цементной затиркой, вводимой после натяжения. В несвязанных системах сталь покрыта смазкой и заключена в пластиковую обшивку. Для критических взрывостойких конструкций могут быть указаны дополнительные меры, такие как оцинкованные протоки или нити из нержавеющей стали.

Механизмы сопротивления взрыву

Взрывные нагрузки характеризуются быстрым подъемом до пикового избыточного давления с последующим фазой распада, обычно длящейся всего миллисекунды.Эффективность предварительного нажатия стали в сопротивлении таким динамическим нагрузкам обусловлена несколькими взаимосвязанными механическими преимуществами.

Предварительное сжатие и Crack Control

Бетон слаб в натяжении. При взрывной нагрузке условно железобетонный балка может быстро трескаться и терять жесткость. Престрессование помещает бетон под непрерывное сжатие, поэтому растягивающее напряжение от взрыва должно сначала преодолеть это предкомпрессионное до начала растрескивания. Это задерживает наступление гибких трещин и уменьшает их ширину, сохраняя структурную жесткость и предотвращая потерю композитного действия между сталью и бетоном.

Повышение плотности и поглощения энергии

Престрессовая сталь, особенно нить с низким релаксационным давлением, демонстрирует значительное удлинение (обычно 3,5-5 процентов) перед разрывом. Эта пластичность позволяет структурным элементам подвергаться большим деформациям при взрывной нагрузке без внезапного коллапса. Площадь под кривой напряженно-деформированного напряжения, которая представляет собой поглощение энергии, намного больше для предварительного нажатия на сталь, чем для обычных армирующих стержней. В случае взрыва структура может поглощать кинетическую энергию от импульса давления через пластическую деформацию, уменьшая силу, передаваемую опорам и пассажирам.

Динамическое перераспределение нагрузки

Сжимающая сила в предварительно напряжённом элементе помогает поддерживать сопротивление сдвига при высоких уровнях деформации. В железобетонном балке без предварительного натяжения наклонные трещины сдвига могут быстро развиваться при взрыве, приводя к хрупкому отказу. Осевое сжатие от предварительно напряжённой стали активирует зацепление агрегата и снижает основное растягивающее напряжение, тем самым увеличивая мощность сдвига. Это особенно ценно для глубоких балок и плит, которые могут испытывать высокие силы сдвига от давления взрыва.

Уменьшение орнаментации и фрагментации

Растяжение бетона от натяжной поверхности является распространенным режимом отказа в взрывозагруженных элементах. Сохраняя бетон в сжатии, предварительное напряжение снижает вероятность выброса крупных фрагментов, что имеет решающее значение для защиты персонала и оборудования внутри объекта. Контролируемая деформация предварительно напряжённых элементов также ограничивает распространение трещин через секцию.

Проектирование конструкций для взрывостойких напряженных конструкций

Проектирование с использованием подвесной стали для защиты от взрывоопасных воздействий требует тщательной интеграции статических и динамических методов анализа.Обычные коды обеспечивают лишь ограниченное руководство, поэтому проектировщики часто полагаются на специализированные документы, такие как Единые критерии объектов (UFC) 3-340-02 для защитных конструкций.

Параметры нагрузки взрыва

Первый шаг — характеристика угрозы: масса заряда (эквивалент ТНТ), расстояние противостояния и замыкание. Из них вычисляется история времени давления (перенапряжение взрыва и импульс) с помощью эмпирических кривых или вычислительной динамики жидкости. Реакция структуры зависит от отношения продолжительности взрыва к естественному периоду члена. Для кратковременных взрывов (типичных для околополевых детонаций) структура реагирует в первую очередь на приданный импульс, в то время как для более длительных взрывов (взрывов топлива и воздуха) управляет пиковым давлением.

Структурные уровни реагирования и производительности

Взрывоустойчивая конструкция позволяет нанести определенный ущерб, но должна предотвращать обрушение. Общие уровни производительности для критических конструкций:

  • Низкий ответ: Никакой видимой постоянной деформации, члены остаются эластичными.
  • Умеренный ответ: Незначительное растрескивание и ограниченная пластическая деформация, ремонтируемая структура.
  • Высокий отклик: Большие пластические вращения, но остаточная прочность предотвращает коллапс.

Престрессовая сталь может вместить уровни реакции от умеренного до высокого, если обеспечивается достаточная пластичность.Вращение при опорах часто является ограничивающим фактором: для предварительно напряженных элементов максимально допустимые вращения обычно составляют 2-4 градуса для умеренного повреждения и до 6 градусов для высокого повреждения, в зависимости от коэффициента усиления и удержания.

Подробнее о Престресс Тендон

Размещение и крепление предварительно напряжённой стали имеют решающее значение. Тендоны должны быть расположены таким образом, чтобы обеспечить равномерное предварительное сжатие по всей секции. В скреплённых системах затирка должна иметь достаточную прочность и протекание для полной инкапсуляции стали. Несвязанные сухожилия обеспечивают преимущество пониженной концентрации деформации в местах трещин, но они требуют прочных конечных креплений, которые могут противостоять силам растяжения во время удлинения, вызванного взрывом. Зона крепления должна быть сильно усилена с помощью сдвига, чтобы предотвратить выдувание.

Техника дебонирования

В некоторых экстремальных конструкциях часть предварительно напрягающейся нити депонируется из бетона (например, путем обертывания нити пластиковым рукавом), чтобы обеспечить большую деформационную способность. Этот метод использовался в колоннах моста для улучшения сейсмических характеристик и адаптируется для взрыва. Дебондинг смещает область пластикового шарнира от сустава, уменьшая требования к напряжению сухожилия и предотвращая преждевременный перелом.

Комбинация с пассивным подкреплением

Только прочность стали может не обеспечивать достаточной избыточности. Хорошо спроектированный взрывостойкий элемент обычно включает дополнительное мягкое стальное усиление (штуки, стремена и продольные решетки), чтобы обеспечить удержание и сопротивление сдвигу. Например, в предварительно нажатой бетонной плите плотно расположенные шпильки сдвига или укрепление удержания могут предотвратить разбрызгивание бетонной зоны сжатия и поддерживать стабильность блока сжатия.

Приложения и тематические исследования

Стрессовые бетоностойкие конструкции десятилетиями использовались в оборонных, ядерных и коммерческих целях с высокой степенью безопасности.

Военные бункеры и командные центры

Инженерный корпус армии США определяет предварительно напряжённый бетон для многих закалённых объектов. Одним из примеров является подземный командный центр на горе Шайенн, который построен с сильно усиленными и предварительно напряжёнными бетонными стенами, чтобы выдержать почти пропущенную ядерную детонацию. Престресс удерживает стены в сжатии даже после того, как взрывная волна проходит через скалу, предотвращая растягивающие трещины, которые могут поставить под угрозу радиационное экранирование.

Правительственные здания и посольства

После нападений на дипломатические объекты Бюро по эксплуатации заморских зданий требует, чтобы все новые здания посольств в местах повышенной опасности были построены с взрывостойкими предварительно напряженными бетонными рамами и полами. Использование постнатяжения позволяет увеличить пролеты, уменьшить количество колонн и повысить архитектурную гибкость при соблюдении строгих критериев взрыва. Эти здания предназначены для снижения уровня повреждений под определенным порогом бомбы транспортного средства.

Мостовая инфраструктура

Хотя мосты в основном не предназначены для взрывных нагрузок, стратегические военные мосты и ключевые транспортные узлы могут потребовать закалки от взрыва. Постнапряженные бетонные мосты-коробки, такие как мост Вудро Вильсона близ Вашингтона, округ Колумбия, включают избыточные престрессовые сухожилия и надежное усиление сдвига для повышения устойчивости к случайным взрывам. Престресс снижает вероятность прогрессирующего коллапса в случае локального сбоя.

Реконструкция существующих структур

Безсвязное постнатяжение является эффективным методом модернизации существующих железобетонных колонн и балок для взрывостойкости. Добавление внешних сухожилий, прикрепленных к бокам, увеличивает осевую способность сжатия и изгиба без значительного изменения исходной геометрии. Такой подход использовался при модернизации пристроек посольств США в Каире и Найроби после бомбардировок 1998 года.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои преимущества, предварительный нагрузочный сталь представляет уникальные проблемы в конструкции взрыва.

Риск разрыва хрупкого тендона

При очень высоких скоростях деформации (скорость деформации выше 10 -1 ], предварительно напрягаемая сталь может проявлять пониженную пластичность. Исследования в Центре инженерных исследований и разработок армии США показывают, что, хотя предварительный напряжённая нить сохраняет большую часть своей удлиняющей способности, прочность на выходе немного увеличивается (чувствительность к скорости деформации), но перелом может произойти при более низком общем напряжении. Дизайнеры должны ограничить спрос на сухожилия, чтобы избежать достижения конечного удлинения.

Целостность якоря

В склеенных системах затворно-теноновый интерфейс может выйти из строя при высоком растяжении, приводя к потере склеивания и внезапному высвобождению предстресса. По этой причине склеенные сухожилия часто склеиваются возле опор или дополняются механическими креплениями. Несвязанные системы опираются на конечные якоря, которые должны быть сконструированы с фактором безопасности от вытягивания. В условиях взрыва головки якоря должны быть защищены от повреждения фрагментацией.

Стоимость и конструктивность

Для типичного закаленного взрывом здания дополнительные затраты на постнатяжение по сравнению с обычным железобетоном могут составлять от 10 до 25 процентов. Во многих случаях эта премия компенсируется уменьшенными размерами элементов и меньшими весами стали, но требует ранней координации между бетонным субподрядчиком и инженером-защитником.

Будущие разработки в области предварительного давления на сталь для устойчивости к взрывам

Достижения в области материалов и методов анализа обещают расширить роль предварительного натяжения стали в защитных конструкциях.

Высокопрочные волоконно-укрепленные полимерные (FRP) тендоны

Углеродные и арамидные сухожилия FRP обеспечивают коррозионный иммунитет и высокую прочность на растяжение, но их низкая пластичность (менее 2 процентов удлинения) в настоящее время ограничивает их использование в конструкции взрыва. Гибридные системы предварительного натяжения, которые сочетают стальные и FRP-пряди, могут обеспечить баланс прочности, пластичности и долговечности. Исследования в Университете Небраски-Линкольна исследуют гибридные предварительно напряженные бетонные балки со стальным сердечником и внешними слоями FRP.

Интеллектуальные стрессовые системы

Датчики, встроенные в преднапрягающие сухожилия или затиральные каналы, могут контролировать уровни предварительной нагрузки и обнаруживать повреждения после взрыва. Волоконно-оптические тензодатчики и датчики акустического излучения позволяют инженерам оценивать остаточную прочность конструкции без разрушительного тестирования. Эти системы внедряются в новые критические объекты, такие как программа замены для старения федеральных зданий США.

Утонченные методы проектирования

Нелинейный анализ конечных элементов (NLFEA), который учитывает эффекты скорости деформации в стали и бетоне, становится стандартом для взрывной конструкции предварительно напряженных конструкций. Модели, которые захватывают дебондирование сухожилий, смягчение сжатия бетона и отказ сдвига, позволяют более точно прогнозировать предельные состояния. Диаграммы давления-импульса (P-I), разработанные для предварительно напряженных плитных панелей, теперь включены в приложение UFC 3-340-02, предоставляя быстрый инструмент проектирования для инженеров.

Ссылки и дальнейшее чтение

  • PCI Industry Handbook. Прессированный бетон в защитных структурах.Прекастный/Прессированный бетонный институт.Доступно в режиме онлайн
  • Технический совет ASCE по взрывоустойчивому проектированию. Защита зданий от взрывов: последние достижения. Американское общество гражданских инженеров.
  • Ngo, T., et al. (2019). "Взрывостойкость бетонных плит после натяжения: экспериментальное и численное исследование". Международный журнал импакт-инжиниринг , 126, 70-85.
  • Министерство обороны США. UFC 3-340-02: Структуры, которые противостоят воздействию случайных взрывов (с изменением 1, 2018)

Способность стали сжимать бетон и поглощать энергию посредством пластичной деформации делает его незаменимым инструментом для взрывоустойчивой конструкции. По мере развития среды угроз и продвижения инструментов проектирования, предварительно напряженный бетон будет продолжать лежать в основе безопасности критической инфраструктуры во всем мире.