doctoral thesis
Djelovanje eksplozija na nadvožnjake

Hrvoje Draganić (2014)
Metadata
TitleDjelovanje eksplozija na nadvožnjake
AuthorHrvoje Draganić
Mentor(s)Damir Varevac
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.
Keywordsoverpasses explosion blast wave numerical modeling finite element mesh damage
Committee MembersDragan Morić (committee chairperson)
Damir Varevac (committee member)
Damir Lazarević (committee member)
GranterSveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku
Građevinski fakultet Osijek
PlaceOsijek
StateCroatia
Scientific field, discipline, subdisciplineTECHNICAL SCIENCES
Civil Engineering
Supporting Structures
UDK624/625
APPLIED SCIENCES. MEDICINE. TECHNOLOGY
Civil and structural engineering. Civil engineering of land transport. Railway engineering. Highway engineering
Study programme typeuniversity
Study levelpostgraduate
Study programmePostgraduate university study program in civil engineering
Academic title abbreviationdr. sc.
Genredoctoral thesis
Language Croatian
Defense date2014-05-20
Parallel 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.
Parallel keywords (Croatian)nadvožnjaci eksplozija val eksplozije numeričko modeliranje mreža konačnih elemenata oštećenje
ExtentXVI, 239 str. : graf. i tabelarni prikazi : ilustr. (u bojama) ; 30 cm
Versionaccepted version
Resource typetext
Access conditionOpen access
Terms of usehttp://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Noteaccepted version
URN:NBNhttps://urn.nsk.hr/urn:nbn:hr:133:383331
CommitterVesna Zobundžija