Experimental and numerical analysis of reinforced concrete elements subjected to blast loading

Abstract

El hormigón es uno de los materiales de construcción más empleados en la actualidad
debido a sus buenas prestaciones mecánicas, moldeabilidad y economía de obtención,
entre otras ventajas. Es bien sabido que tiene una buena resistencia a compresión y
una baja resistencia a tracción, por lo que se arma con barras de acero para formar el
hormigón armado, material que se ha convertido por méritos propios en la solución
constructiva más importante de nuestra época.
A pesar de ser un material profusamente utilizado, hay aspectos del comportamiento
del hormigón que todavía no son completamente conocidos, como es el caso de su
respuesta ante los efectos de una explosión. Este es un campo de especial relevancia,
debido a que los eventos, tanto intencionados como accidentales, en los que una
estructura se ve sometida a una explosión son, por desgracia, relativamente frecuentes.
La solicitación de una estructura ante una explosión se produce por el impacto sobre la
misma de la onda de presión generada en la detonación. La aplicación de esta carga
sobre la estructura es muy rápida y de muy corta duración. Este tipo de acciones se
denominan cargas impulsivas, y pueden ser hasta cuatro órdenes de magnitud más
rápidas que las cargas dinámicas impuestas por un terremoto. En consecuencia, no es
de extrañar que sus efectos sobre las estructuras y sus materiales sean muy distintos
que las que producen las cargas habitualmente consideradas en ingeniería.
En la presente tesis doctoral se profundiza en el conocimiento del comportamiento
material del hormigón sometido a explosiones.
Para ello, es crucial contar con resultados experimentales de estructuras de hormigón
sometidas a explosiones. Este tipo de resultados es difícil de encontrar en la literatura
científica, ya que estos ensayos han sido tradicionalmente llevados a cabo en el ámbito
militar y los resultados obtenidos no son de dominio público. Por otra parte, en las
campañas experimentales con explosiones llevadas a cabo por instituciones civiles el
elevado coste de acceso a explosivos y a campos de prueba adecuados no permite la
realización de ensayos con un elevado número de muestras. Por este motivo, la
dispersión experimental no es habitualmente controlada. Sin embargo, en elementos
de hormigón armado sometidos a explosiones, la dispersión experimental es muy
acusada, en primer lugar, por la propia heterogeneidad del hormigón, y en segundo,
por la dificultad inherente a la realización de ensayos con explosiones, por motivos
tales como dificultades en las condiciones de contorno, variabilidad del explosivo, o
incluso cambios en las condiciones atmosféricas. Para paliar estos inconvenientes, en
esta tesis doctoral se ha diseñado un novedoso dispositivo que permite ensayar hasta
cuatro losas de hormigón bajo la misma detonación, lo que además de proporcionar un
número de muestras estadísticamente representativo, supone un importante ahorro de
costes. Con este dispositivo se han ensayado 28 losas de hormigón, tanto armadas
como en masa, de dos dosificaciones distintas.
Pero además de contar con datos experimentales, también es importante disponer de
herramientas de cálculo para el análisis y diseño de estructuras sometidas a
explosiones. Aunque existen diversos métodos analíticos, hoy por hoy las técnicas de
simulación numérica suponen la alternativa más avanzada y versátil para el cálculo de
elementos estructurales sometidos a cargas impulsivas. Sin embargo, para obtener
resultados fiables es crucial contar con modelos constitutivos de material que tengan
en cuenta los parámetros que gobiernan el comportamiento para el caso de carga en
estudio. En este sentido, cabe destacar que la mayoría de los modelos constitutivos desarrollados para el hormigón a altas velocidades de deformación proceden del
ámbito balístico, donde dominan las grandes tensiones de compresión en el entorno
local de la zona afectada por el impacto. En el caso de los elementos de hormigón
sometidos a explosiones, las tensiones de compresión son mucho más moderadas,
siendo las tensiones de tracción generalmente las causantes de la rotura del material.
En esta tesis doctoral se analiza la validez de algunos de los modelos disponibles,
confirmando que los parámetros que gobiernan el fallo de las losas de hormigón
armado ante explosiones son la resistencia a tracción y su ablandamiento tras rotura.
En base a los resultados anteriores se ha desarrollado un modelo constitutivo para el
hormigón ante altas velocidades de deformación, que sólo tiene en cuenta la rotura por
tracción. Este modelo parte del de fisura cohesiva embebida con discontinuidad fuerte,
desarrollado por Planas y Sancho, que ha demostrado su capacidad en la predicción de
la rotura a tracción de elementos de hormigón en masa. El modelo ha sido modificado
para su implementación en el programa comercial de integración explícita LS-DYNA,
utilizando elementos finitos hexaédricos e incorporando la dependencia de la
velocidad de deformación para permitir su utilización en el ámbito dinámico. El
modelo es estrictamente local y no requiere de remallado ni conocer previamente la
trayectoria de la fisura.
Este modelo constitutivo ha sido utilizado para simular dos campañas experimentales,
probando la hipótesis de que el fallo de elementos de hormigón ante explosiones está
gobernado por el comportamiento a tracción, siendo de especial relevancia el
ablandamiento del hormigón. Concrete is nowadays one of the most widely used building materials because of its
good mechanical properties, moldability and production economy, among other
advantages. As it is known, it has high compressive and low tensile strengths and for
this reason it is reinforced with steel bars to form reinforced concrete, a material that
has become the most important constructive solution of our time.
Despite being such a widely used material, there are some aspects of concrete
performance that are not yet fully understood, as it is the case of its response to the
effects of an explosion. This is a topic of particular relevance because the events, both
intentional and accidental, in which a structure is subjected to an explosion are,
unfortunately, relatively common.
The loading of a structure due to an explosive event occurs due to the impact of the
pressure shock wave generated in the detonation. The application of this load on the
structure is very fast and of very short duration. Such actions are called impulsive
loads, and can be up to four orders of magnitude faster than the dynamic loads
imposed by an earthquake. Consequently, it is not surprising that their effects on
structures and materials are very different than those that cause the loads usually
considered in engineering.
This thesis broadens the knowledge about the material behavior of concrete subjected
to explosions.
To that end, it is crucial to have experimental results of concrete structures subjected
to explosions. These types of results are difficult to find in the scientific literature, as
these tests have traditionally been carried out by armies of different countries and the
results obtained are classified. Moreover, in experimental campaigns with explosives
conducted by civil institutions the high cost of accessing explosives and the lack of
proper test fields does not allow for the testing of a large number of samples. For this
reason, the experimental scatter is usually not controlled. However, in reinforced
concrete elements subjected to explosions the experimental dispersion is very
pronounced. First, due to the heterogeneity of concrete, and secondly, because of the
difficulty inherent to testing with explosions, for reasons such as difficulties in the
boundary conditions, variability of the explosive, or even atmospheric changes. To
overcome these drawbacks, in this thesis we have designed a novel device that allows
for testing up to four concrete slabs under the same detonation, which apart from
providing a statistically representative number of samples, represents a significant
saving in costs. A number of 28 slabs were tested using this device. The slabs were
both reinforced and plain concrete, and two different concrete mixes were used.
Besides having experimental data, it is also important to have computational tools for
the analysis and design of structures subjected to explosions. Despite the existence of
several analytical methods, numerical simulation techniques nowadays represent the
most advanced and versatile alternative for the assessment of structural elements
subjected to impulsive loading. However, to obtain reliable results it is crucial to have
material constitutive models that take into account the parameters that govern the
behavior for the load case under study. In this regard it is noteworthy that most of the
developed constitutive models for concrete at high strain rates arise from the ballistic
field, dominated by large compressive stresses in the local environment of the area
affected by the impact. In the case of concrete elements subjected to an explosion, the
compressive stresses are much more moderate, while tensile stresses usually cause material failure. This thesis discusses the validity of some of the available models,
confirming that the parameters governing the failure of reinforced concrete slabs
subjected to blast are the tensile strength and softening behaviour after failure.
Based on these results we have developed a constitutive model for concrete at high
strain rates, which only takes into account the ultimate tensile strength. This model is
based on the embedded Cohesive Crack Model with Strong Discontinuity Approach
developed by Planas and Sancho, which has proved its ability in predicting the tensile
fracture of plain concrete elements. The model has been modified for its
implementation in the commercial explicit integration program LS-DYNA, using
hexahedral finite elements and incorporating the dependence of the strain rate, to
allow for its use in dynamic domain. The model is strictly local and does not require
remeshing nor prior knowledge of the crack path.
This constitutive model has been used to simulate two experimental campaigns,
confirming the hypothesis that the failure of concrete elements subjected to explosions
is governed by their tensile response, being of particular relevance the softening
behavior of concrete.