Design of cladding to mitigate blast effects on the supporting structure

Abstract

The main aim of this doctoral thesis is to gain insight into the role of building cladding to mitigate blast effects on the supporting structure. This can be achieved by utilizing two different mechanisms, i.e., the mechanism of inertial resistance and the mechanism of plastic energy absorption, which, if properly exploited, may lead to the same result. More specifically, the initial blast load profile on the cladding is converted from a high-amplitude and short-duration time history into a lower-amplitude and longer-duration time history of the dynamic reactions of the cladding that are transferred to the supporting structure. In this way, the load demand on the supporting structure is decreased, thus reducing its deflections, increasing the chances of maintaining its integrity, achieving life safety, and limiting damages. The mechanism of inertial resistance is activated through increased mass and decreased stiffness in the cladding, while the mechanism of plastic energy absorption is activated through plastic strains in thecladding.In this context, a combined numerical, analytical and experimental investigation of the capacity of cladding to mitigate blast effects is performed. The investigation is conducted along four distinct lines of action. In the first one, the influence of cladding mass, stiffness, ultimate resistance and ductility on the supporting structure is theoretically explored. In the second, the influence of cladding membrane action on the supporting structure is researched. Next, the results of the theoretical investigation are verifiedwith the experimental investigation of two steel cladding types and the respective numerical models are validated. Finally, a methodology is proposed for the calculation of the potential of any cladding to mitigate blast effects on the supporting structure, when subjected to a variety of blast loadings.Hence, the originality of the doctoral thesis and its contribution to the advancement of engineering practice is multilevel. More specifically, novel scientific conclusions are extracted and guidelines for structural engineers are formulated about the properties that cladding should have in order to offer increased mitigation potential capabilities. The above are initially verified with an experimental investigation of two steel cladding-to-girt systems. The relevant numerical models are validated on the basis of experimentalresults, and guidelines for the preparation of proper, detailed numerical models regarding blast loading are presented. Finally, a methodology is developed for the direct comparison of different cladding types, in order to estimate their strength characteristics and mitigation potential capacity of the blast effects on the supporting structure.

Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η διερεύνηση της δυνατότητας των στοιχείων επικάλυψης των κατασκευών να μειώνουν τις συνέπειες εκρήξεων στον υποκείμενο φορέα. Αυτή η δυνατότητα της επικάλυψης μπορεί να πραγματοποιείται μέσω δύο ξεχωριστών μηχανισμών, οι οποίοι, εφόσον αξιοποιηθούν κατάλληλα, μπορούν να οδηγήσουν σε κοινό αποτέλεσμα. Πρόκειται για τον μηχανισμό αδρανειακής αντίστασης και τον μηχανισμό πλαστικής απορρόφησης ενέργειας. Πιο συγκεκριμένα, η χρονοϊστορία της ασκούμενης πίεσης επί της επικάλυψης μετατρέπεται από υψηλής τιμής και σύντομης διάρκειας σε μια χαμηλότερης τιμής και μεγαλύτερης διάρκειας χρονοϊστορία των αντιδράσεων στήριξης της επικάλυψης, οι οποίες αποτελούν φορτία επί του υποκείμενου φορέα. Με αυτόν τον τρόπο, μειώνεται η απαίτηση στον υποκείμενο φορέα και, άρα, μειώνονται οι παραμορφώσεις του, και αυξάνονται οι πιθανότητες διατήρησης της ακεραιότητάς του, διασφάλισης της προστασίας της ανθρώπινης ζωής, και περιορισμού των βλαβών. Ο μηχανισμός αδρανειακής αντίστασης ενεργοποιείται μέσω αυξημένης μάζας και μειωμένης δυσκαμψίας της επικάλυψης, ενώ ο μηχανισμός πλαστικής απορρόφησης ενέργειας ενεργοποιείται μέσω πλαστικών παραμορφώσεων της επικάλυψης. Για τον σκοπό αυτό, πραγματοποιείται συνδυασμός αριθμητικής, αναλυτικής και πειραματικής διερεύνησης αυτών των δυνατοτήτων των στοιχείων επικάλυψης. Η διερεύνηση γίνεται σε τέσσερις διακριτούς άξονες. Στον πρώτο άξονα αναζητείται θεωρητικά ο τρόπος επιρροής της επικάλυψης μέσω των δύο μηχανισμών και των ζωνών ενεργοποίησής τους, καθώς και της συμβολής της μάζας, της δυσκαμψίας, της αντίστασης και της ολκιμότητας. Στη συνέχεια αναζητείται θεωρητικά ο τρόπος επιρροής της μεμβρανικής λειτουργίας της επικάλυψης στη συμπεριφορά του υποκείμενου φορέα. Στον τρίτο άξονα επιβεβαιώνονται τα θεωρητικά συμπεράσματα μέσω πειραματικής διερεύνησης σε δύο τύπους επικάλυψης από δομικό χάλυβα και πιστοποιούνται τα αποτελέσματα των αριθμητικών προσομοιωμάτων. Τελικά, προτείνεται μεθοδολογία μέσω της οποίας μπορεί να υπολογιστεί η δυνατότητα μιας επικάλυψης να οδηγεί σε μείωση των συνεπειών έκρηξης στον υποκείμενο φορέα.Επομένως, η πρωτοτυπία της διατριβής και η συμβολή της στην επαγγελματική πρακτική είναι πολυεπίπεδη. Προκύπτουν πρωτότυπα επιστημονικά συμπεράσματα που μετουσιώνονται σε τεχνικές οδηγίες προς τους μηχανικούς, όσον αφορά στις ιδιότητες που πρέπει να έχει η επικάλυψη για την επίτευξη του στόχου μείωσης των συνεπειών εκρήξεων. Τα παραπάνω επιβεβαιώνονται αρχικά μέσω της πειραματικής διερεύνησης δύο συστημάτων επικάλυψης–υποκείμενου φορέα. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα, πιστοποιούνται αντίστοιχα αριθμητικά προσομοιώματα και διατυπώνονται οδηγίες σύνταξης αριθμητικών προσομοιωμάτων έναντι έκρηξης. Τέλος, διατυπώνεται μεθοδολογία για τη συγκριτική ανάλυση διαφόρων ειδών επικάλυψης έναντι έκρηξης, προκειμένου να διαπιστωθεί η ικανότητά τους για μείωση των συνεπειών στον υποκείμενο φορέα.