Title Djelovanje eksplozija na nadvožnjake Author Hrvoje Draganić Mentor Damir Varevac (mentor)Committee member Dragan Morić (predsjednik povjerenstva)Committee member Damir Varevac (član povjerenstva)Committee member Damir Lazarević (član povjerenstva)Granter Josip Juraj Strossmayer University of Osijek Defense date and country 2014-05-20, Croatia Scientific / art field, TECHNICAL SCIENCES Universal decimal classificationUDC ) 624/625 - Civil and structural engineering. Civil engineering of land transport. Railway engineering. Highway engineering Abstract Terorističke aktivnosti postaju sve veći problem svih zemalja svijeta posebno onih koje su
članice NATO-a, iako Hrvatska do sada nije bila izložena terorističkim napadima, svojim
vojnim angažmanom u mirovnim misijama lako može postati jedna od meta. S obzirom na to
da je osnovno oružje prilikom takvih napada eksploziv, realnost situacije dodatno je naglašena
s dostupnosti informacija o izradi eksplozivnih naprava, relativnoj lakoći njihove izrade te
njihovoj kompaktnosti i prenosivosti.
Jedna od mogućih meta spomenutih napada su mostovi, koji su važne infrastrukturne
građevine i čije uništenje može imati za posljedicu odsijecanje važnih strateških točaka i visok
broj ljudskih žrtava. Takva mogućnost prisiljava inženjere da prilikom projektiranja pokušaju
uzeti u obzir opasnost izlaganja mosta snažnom opterećenju uzrokovanom eksplozijom, no za
takvo što je prvo nužno podrobnije proučiti učinke eksplozija na mostnu konstrukciju.
Budući da su eksperimentalna istraživanja djelovanja eksplozija na konstrukcije složena i
skupa, ali i vrlo opasna, proučavanje problema djelovanja eksplozija na mostove u širem
razmjeru omogućeno je tek s razvojem numeričkih programskih paketa koji mogu s
određenom pouzdanošću simulirati djelovanje eksplozije na složene konstrukcijske tvorevine
s također složenim ponašanjem i međudjelovanjima unutar elemenata. Osim toga, tek s
računalima koja mogu obraditi velike količine podataka pri takvim simulacijama omogućeno
je u racionalnom vremenu osigurati dostatno prihvatljive rezultate.
Uzimajući u obzir da djelovanje eksplozija na mostove nije dostatno proučeno, te mogućnosti
i nedostatke numeričkih analiza djelovanja eksplozija, za cilj disertacije uzeto je: proučavanje
utjecaja parametara eksplozije na numeričke rezultate; obrada, kalibracija i prijedlozi za
odabir kontaktnih elemenata za modeliranje mosta; proučavanje i odabir modela ponašanja
materijala – zrak, beton, čelik, elastomerni ležaj – na rezultate; optimizacija veličine
konačnog elementa zraka i materijala mosta te vremenskog koraka pri proučavanju djelovanja
eksplozije; proučavanje djelovanja valne fronte na konstrukciju različitih oblika poprečnog
presjeka mosta i rješenja upornjaka.
Naglasak disertacije stavljen je na proučavanje djelovanja tri različite količine eksploziva
ispod nenadziranog mosta s pretpostavkom kako nagib nasipa te oblik rasponskog sklopa bitno utječu na ponašanje mosta. Analizirani su pločasti poprečni presjeci nadvožnjaka s dva
različita oblika pogleda: ravni i zaobljeni. Uz oblik poprečnog presjeka rasponskog sklopa,
varirana je i vrsta upornjaka: masivni upornjak s vertikalnim zidom (Tip 1) te olakšani
upornjak s propuštenim nasipom, nagiba 1:1,5 (Tip 2). Pri tome je usvojeno da su nadvožnjaci
izvedeni od armiranog betona kojemu je u simulaciji omogućeno raspucavanje i drobljenje,
interakcija između armature i betona te promjena karakteristika u ovisnosti o brzini nanošenja
opterećenja. Dakle, korišteni su zakoni ponašanja materijala koji omogućavaju nelinearno
modeliranje ovisno o brzini deformacije i lokalnom oštećenju (jednadžbe stanja).
Uporabom odabranih materijalnih karakteristika za elemente nadvožnjaka simulirani su
nastanak i širenje oštećenja kroz ukupno trajanje djelovanja eksplozije što je omogućilo
procjenu stanja nadvožnjaka nakon prestanka djelovanja valne fronte. Osim toga, simulacije
su omogućile zaključak da veličina konačnog elementa zraka znatno utječe na veličinu tlaka
vala eksplozije na konstrukciju, te da oblik oslonca (vertikalni zid upornjaka ili propušteni
kosi nasip) nemaju kritični utjecaj na veličinu tlaka uzrokovanog detonacijom eksplozivne
naprave, budući da se većina oštećenja razvije u početnim trenutcima djelovanja eksplozije, a
ne nakon refleksije od susjednih elemenata.
Daljnji rad treba usmjeriti prema eksperimentalnim istraživanjima kojima bi se utvrdile
stvarne vrijednosti tlakova na konstrukciju te prema njima kalibrirali postojeći numerički
modeli. Kalibracija se prvenstveno odnosi na veličinu mreže konačnog elementa samih
betonskih komponenti te okolnog zraka kroz koji prolazi valna fronta eksplozije.
Abstract (english) Terrorist attacks are becoming ever more present problem for all world countries, especially
for those who are NATO members and although Croatia was so far exempt from terrorist
attacks, whit its involvement in peace missions around the world could easily become one of
the targets. Because the main weapon in terrorist arsenal are explosive devices, reality of the
situation is additionally emphasis with the fact that nowadays it is very easy to acquire all
necessary information about device manufacturing, production is relatively easy and devices
can be very compact and portable.
Bridges are one of the potential targets because they are important structures in road
transportation and their destruction can cause traffic interruption between key points and
isolation of certain strategic locations. That possibility enforces engineers to take into account
threat of explosive device detonation in their design, but primarily is necessary to conduct an
in-depth study of explosive effects on bridge elements.
Because experimental investigations of blast loads are complex, expensive and also
dangerous, it was possible to analyse the problem on larger scale only after a development of
numerical softwares which were able to simulate blast loading on complex structures whit
sufficient accuracy. Apart from that, only with the development of computers with high-speed
processing capabilities it was possible to obtain acceptable results of blast load simulations in
rational time.
Taking into account that the influence of the blast loading hasn’t been so far sufficiently
investigated and possibilities and shortfalls of numerical analysis, the goal of this dissertation
was to investigate the following: influence of blast parameters on numerical results;
processing, calibration and proposal for adequate contact elements for bridge modelling;
investigation and selection of material models for air, concrete, steel and elastomer;
determination of optimal mesh size for air and bridge elements and adequate time step;
investigation of blast load influence on bridge behaviour for different types of bridge
superstructures and abutments.
Dissertation emphasized the investigation of bridge behaviour for detonation of three different
explosive quantities under the unmonitored bridge with assumption that the embankment slope and superstructure shape influence overall bridge behaviour. In accordance with
aforementioned assumptions two types of bridge superstructure and abutments were analysed:
flat (superstructure type 1) and rounded lower face slab cross section (superstructure type 2),
and vertical wall abutment without an embankment (embankment type 1) and with an inclined
embankment of slope ratio 1:1.5 (embankment type 2). Material used for overpass modelling
was reinforced concrete in which cracking, crushing, interaction between concrete and
reinforcement was enabled. That means that suitable constitutive equations were used, which
enabled modelling of nonlinear concrete behaviour in relation to strain rates and local damage
(equations of state).
Using adequate material characteristics for overpass elements it was possible to simulate
occurrence and spread of damage throughout all time instances during blast loading. This
consequently enabled assessment of overpass condition after the simulation. Additionally,
simulations showed that blast pressures are significantly affected by air mesh size and that the
type of the support (vertical abutment wall or inclined embankment) doesn't have any
influence on the blast pressure magnitude because the bulk of damage occurs in initial stages
of simulation and is not affected by blast load reflections of adjacent elements.
Further research should be directed toward experimental investigation in order to obtain
actual pressure values and accordingly calibrate existing numerical models, which primarily
relates to the calibration of the finite element mesh size of concrete components and
surrounding air through which blast wave front is transmitted.
Keywords
nadvožnjak
eksplozija
val eksplozije
numeričko modeliranje
mreža konačnih elemenata
oštećenje
Keywords (english)
overpasses
explosion
blast wave
numerical modeling
finite element mesh
damage
Language croatian URN:NBN urn:nbn:hr:133:383331 Study programme Title: Postgraduate university study program in civil engineering Type of resource Text Extent XVI, 239 str. : graf. i tabelarni prikazi : ilustr. (u bojama) ; 30 cm File origin Born digital Access conditions Open access Terms of use Repository Repository GrAFOS Created on 2016-04-07 14:06:46
