Protección de losas de hormigón armado frente a explosiones cercanas : análisis numérico y experimental

Martínez Almajano, Santiago (2021). Protección de losas de hormigón armado frente a explosiones cercanas : análisis numérico y experimental. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69236.

Description

Title: Protección de losas de hormigón armado frente a explosiones cercanas : análisis numérico y experimental
Author/s:
  • Martínez Almajano, Santiago
Contributor/s:
  • López Sánchez, Lina María
  • Castedo Ruíz, Ricardo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. de Minas y Energía (UPM)
Department: Ingeniería Geológica y Minera
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

En el presente trabajo de investigación se analiza el comportamiento de ocho losas de hormigón armado, reforzadas externamente con fibras de carbono (CFRP) y fibras de vidrio (GFRP), ante explosiones. Los refuerzos se colocaron en la cara opuesta a la detonación. El análisis se ha abordado desde un doble punto de vista: experimental y numérico. En la fase experimental, desarrollada en el Instituto Tecnológico de la Marañosa, se han realizado ensayos a escala real, en los que se evaluó el efecto de las mallas de CFRP o GFRP en el comportamiento de las losas, ante cargas explosivas. Las pruebas se han efectuado a tres distancias escaladas distintas: 0,84, 0,42 y 0,21 m/kg1/3. La primera losa, sin reforzar, se ensayó a 0,84 m/kg1/3, sobre ella se colocaron sensores de aceleración y presión, que se han utilizado para calibrar los modelos numéricos. Las cuatro siguientes se probaron a una distancia escalada de 0,42 m/kg1/3, reforzando dos de las losas con CFRP, otra con GFRP, y la última sin refuerzo. Las tres restantes se testaron a una distancia escalada de 0,21 m/kg1/3, una con refuerzo CFRP, otra con GFRP y la tercera sin refuerzo. La aproximación numérica al problema se ha implementado con LS DYNA, un software comercial para el análisis de fenómenos explosivos. Para la validación de los modelos se han estudiado tres modelos constitutivos de material (CSCM, MAT72 Rel3 y JHC) y dos procedimientos de simulación de cargas explosivas (Load Blast Enhance (LBE) y Smoothed-particle hydrodynamics (SPH)). Se ha demostrado que la distancia escalada es un factor determinante en el mecanismo de fallo y condiciona el área de daño. Se ha observado una reducción significativa de la superficie de daño, para el refuerzo de CFRP, mientras que los resultados con GFRP no han sido concluyentes. En ambos casos ha disminuido la proyección de escombros, observándose una importante reducción de la flecha con el refuerzo con fibras de carbono para distancias escaladas medias 0,42 m/kg1/3, no así para distancias escaladas menores 0,21 m/kg1/3. Todos los modelos muestran una buena correlación con los resultados de las pruebas para distancias escaladas intermedias, 0,42 y 0,84 m/kg1/3, mientras que, para distancias escaladas menores, 0,21 m/kg1/3, únicamente el modelo LBE ofrece buenos resultados. El planteamiento más adecuado para simular cargas cercanas es el método LBE, utilizando como modelo de material el hormigón el CSCM, ofreciendo peores resultados los materiales MAT72-Rel 3 y JHC. Los modelos LBE permiten calcular de manera muy precisa las superficies de daño para cualquier distancia escalada, pero no pueden describir las diferentes formas de cargas explosivas, que son por definición, esféricas o hemisféricas. Al contrario, los modelos SPH que funcionan peor para distancias escaladas pequeñas, permiten un análisis forense del tipo de carga utilizada, al menos para las que tienen formas cilíndricas, cubicas o de bolsa, resultandos útiles para determinar patrones de daños. ----------ABSTRACT---------- This work analyses the response of eight reinforced concrete slabs, externally reinforced with carbon fibres (CFRP) and glass fibres (GFRP), in the event of explosions. The reinforcements were placed on the opposite side of the detonation. Both experimental and numerical approach has been made. In the experimental phase, made a full-scale, has been carried out at the Instituto Tecnológico de la Marañosa. The tests have been carried out at three different scaled distances: 0,84, 0,48 and 0,21 m/kg1/3. The first slab, without reinforcement, was tested at 0,84 m/kg1/3, acceleration and pressure sensors were placed on it. The result of this test was used to calibrate the numerical models. The next four slab, two of them with CFRP, one with GFRP, and the last without reinforcement, were tested at a scaled distance of 0,42 m/kg1/3. The last three slabs were tested at a scaled distance of 0,21 m/kg1/3, one with CFRP, another with GFRP and the third without reinforcement. The numerical approach to the problem has been implemented with LS Dyna, a commercial software for the analysis of explosive phenomena. For the validation of the models, three constitutive material models (CSCM, MAT72 Rel3 and JHC) and two explosive charge simulation procedures (Load Blast Enhance (LBE) and Smoothed-particle hydrodynamics (SPH)) have been used. The scaled distance has been shown to be a determining factor in the failure mechanism and determines the area of damage. A significant reduction in the damage surface has been observed for the CFRP reinforcement, while the results with GFRP have not been conclusive. In both cases, debris projection has decreased, observing an important reduction in the deflection with CFRP reinforcement for scaled distances 0,42 m/kg1/3, not so for scaled distances less than 0,21 m/kg1/3. All models show a good correlation with the test results for intermediate scale distances, 0,42 and 0,84 m/kg1/3, while for smaller scale distances, 0,21 m/kg1/3, only the LBE model offers good results. The best approach to simulate close loads is the LBE method, using the CSCM concrete as a material model, the materials MAT72-Rel 3 and JHC offer worse results. LBE models allow the damage surfaces to be calculated very precisely for any scaled distance, but they cannot describe the different forms of explosive charges, which are by definition spherical or hemispherical. On the contrary, the SPH models that perform worse for small scaled distances, allow a forensic analysis of the type of load used, at least for those that have cylindrical, cubic or bag shapes, being useful to determine damage patterns.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainRTC-2016-4748-8PICAEXUnspecifiedProtección de Infraestructuras Críticas frente a Explosiones

More information

Item ID: 69236
DC Identifier: https://oa.upm.es/69236/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69236
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69236
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 11 Jan 2022 08:39
Last Modified: 23 May 2022 15:21
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