Comparison of experimental and numerical sloshing loads in partially filled tanks

Sloshing describes the movement of liquids inside partially filled tanks, generating dynamic loads on the tank structure. The resulting impact pressures are of great importance in assessing structural strength, and their correct evaluation still represents a challenge for the designer due to the high level of nonlinearities involved, with complex free surface deformations, violent impact phenomena and influence of air trapping. In the present paper, a set of two-dimensional cases, for which experimental results are available, is considered to assess the merits and shortcomings of different numerical methods for sloshing evaluation, namely two commercial RANS solvers (FLOW-3D and LS-DYNA), and two academic software (Smoothed Particle Hydrodynamics and RANS). Impact pressures at various critical locations and global moment induced by water motion in a partially filled rectangular tank, subject to a simple harmonic rolling motion, are evaluated and predictions are compared with experimental measurements. 2012 Copyright Taylor and Francis Group, LLC.

Cargas explosivas sobre pilares y forjados modelados con elementos tipo viga y lámina

Los fenómenos de impacto y explosión sobre estructuras de hormigón tienen efectos en muchos casos catastróficos a pesar de su reducida probabilidad. Las estructuras de hormigón no suelen estar diseñadas para resistir este tipo de solicitaciones dinámicas. El análisis numérico mediante elementos finitos con integración explícita permite una aproximación suficiente a los efectos de la onda explosiva sobre pilares y forjados de estructuras reticuladas de hormigón. Los materiales recientemente implementados en LS-Dyna para hormigón como el CSCM [1], para elementos de continuo 3D, y la formulación que proporciona la debida compatibilidad con los elementos viga de acero dispuestos de forma segregada, permite estudiar de forma realista modelos detallados de pilares y forjados. Pero las limitaciones computacionales hacen inviable emplear estos métodos en estructuras completas. Como alternativa es posible usar modelos de elementos estructurales de vigas y láminas para el análisis de estas estructuras. Sin embargo es necesario un adecuado ajuste de parámetros y propiedades en estos modelos. Este trabajo muestra un método con en el que obtener modelos de elementos estructurales, elementos viga y lámina, usando modelos de material [2] adecuados para ellos, junto a un procedimiento para incluir la armadura de forma adecuada. Utilizando este método es posible representar con suficiente aproximación el comportamiento de modelos detallados realistas de forjados y pilares de estructuras reticuladas de hormigón frente a acciones explosivas, posibilitando el análisis de una estructura completa frente a explosión.

Impact And Explosive Loads On Concrete Buildings Using Shell And Beam Type Elements

The threat of impact or explosive loads is regrettably a scenario to be taken into account in the design of lifeline or critical civilian buildings. These are often made of concrete and not specifically designed for military threats. Numerical simulation of such cases may be undertaken with the aid of state of the art explicit dynamic codes, however several difficult challenges are inherent to such models: the material modeling for the concrete anisotropic failure, consideration of reinforcement bars and important structural details, adequate modeling of pressure waves from explosions in complex geometries, and efficient solution to models of complete buildings which can realistically assess failure modes. In this work we employ LS-Dyna for calculation, with Lagrangian finite elements and explicit time integration. Reinforced concrete may be represented in a fairly accurate fashion with recent models such as CSCM model [1] and segregated rebars constrained within the continuum mesh. However, such models cannot be realistically employed for complete models of large buildings, due to limitations of time and computer resources. The use of structural beam and shell elements for this purpose would be the obvious solution, with much lower computational cost. However, this modeling requires careful calibration in order to reproduce adequately the highly nonlinear response of structural concrete members, including bending with and without compression, cracking or plastic crushing, plastic deformation of reinforcement, erosion of vanished elements etc. The main objective of this work is to provide a strategy for modeling such scenarios based on structural elements, using available material models for structural elements [2] and techniques to include the reinforcement in a realistic way. These models are calibrated against fully three-dimensional models and shown to be accurate enough. At the same time they provide the basis for realistic simulation of impact and explosion on full-scale buildings

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura

An Experimental and Numerical Study of Ballistic Impacts on a Turbine Casing Material at Varying Temperatures

An experimental and numerical study of ballistic impacts on steel plates at various temperatures (700ºC, 400ºC and room temperature) has been carried out. The motivation for this work is the blade‐off event that may occur inside a jet engine turbine. However, as a first attempt to understand this complex loading process, a somewhat simpler approach is carried out in the present work. The material used in this study is the FV535 martensitic stainless steel, which is one of the most commonly used materials for turbine casings. Based on material test data, a Modified Johnson‐Cook (MJC) model was calibrated for numerical simulations using the LS‐DYNA explicit finite element code (see Figure 1). To check the mesh size sensitivity, 2D axisymmetric finite element models with three different mesh sizes and configurations were used for the various temperatures. Two fixed meshes with 64 and 128 elements over the 2mm thick plate and one mesh with 32 elements over the thickness with adaptive remeshing were used in the simulations. The formation of adiabatic shear bands in the perforation process has been found critical in order to achieve good results. Adiabatic shear bands are formed by the temperature rise due to the accumulation of plastic strain during impact (see Figure 2). The influence of the thermal softening in the plastic model has hence been analyzed for the room temperature impact tests, where the temperature gradient is highest

Importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos en placas de acero a altas temperaturas

En el presente trabajo se presenta un estudio experimental y numérico de impactos balísticos sobre placas de acero inoxidable martensítico a altas temperaturas (400ºC y 700ºC), que pone de manifiesto la importancia del ablandamiento térmico en simulaciones de impactos a altas temperaturas. Mediante un estudio metalográfico de la zona de impacto, se ha observado la aparición de bandas adiabáticas de cortante formadas por el aumento brusco de la temperatura debido a la acumulación del trabajo plástico en el interior del material. La correcta predicción en la formación de estas bandas durante el proceso de penetración es crítica a la hora de obtener resultados representativos de los experimentos realizados. Basándose en datos experimentales de ensayos previamente realizados, se ha calibrado un modelo de material de Johnson-Cook (JC) para su uso con simulaciones numéricas en el código no lineal de elementos finitos LSDYNA. Mediante estas simulaciones numéricas se demuestra la importancia del ablandamiento térmico en el proceso de perforación de placas, al igual que la incapacidad que un modelo tipo JC tiene para representar el dicho ablandamiento para material estudiado. Esta investigación presenta, finalmente, una modificación a un modelo tipo JC programado como subrutina de material de usuario para LS-DYNA que permite simular correctamente estos procesos de impacto a alta temperatura.

Flow and fracture behaviour of FV535 steel at different triaxialities, strain rates and temperatures

The new generation jet engines operate at highly demanding working conditions. Such conditions need very precise design which implies an exhaustive study of the engine materials and behaviour in their extreme working conditions. With this purpose, this work intends to describe a numerically-based calibration of the widely-used Johnson–Cook fracture model, as well as its validation through high temperature ballistic impact tests. To do so, a widely-used turbine casing material is studied. This material is the Firth Vickers 535 martensitic stainless steel. Quasi-static tensile tests at various temperatures in a universal testing machine, as well as dynamic tests in a Split Hopkinson Pressure Bar, are carried out at different triaxialities. Using ABAQUS/Standard and LS-DYNA numerical codes, experimental data are matched. This method allows the researcher to obtain critical data of equivalent plastic strain and triaxility, which allows for more precise calibration of the Johnson–Cook fracture model. Such enhancement allows study of the fracture behaviour of the material across its usage temperature range.

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

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.

Modelo de comportamiento plástico y rotura en aleaciones de solidificación direccional

Esta investigación presenta un modelo de material para aleaciones de solidificación direccional que poseen un comportamiento mecánico transversalmente isótropo. Se han realizado una serie de ensayos de tracción sobre probetas cilíndricas a varias velocidades de deformación y a varias temperaturas sobre la superaleación de base níquel de solidificación direccional MAR-M 247 con objeto de conocer su comportamiento mecánico. Los ensayos se realizaron sobre probetas cilíndricas cuya dirección longitudinal forma 0º y 90º con la de la orientación de crecimiento de los granos. Para representar el comportamiento plástico anisótropo se ha formulado una función de plastificación de forma no cuadrática basada en la transformación lineal de tensores. Con el propósito de simplificar en todo lo posible el modelo se ha considerado un endurecimiento isótropo. Para probar la validez del modelo propuesto se ha implementado el mismo como modelo de material definido por el usuario en el código no lineal de elementos finitos LS-DYNA. In this research a material model for directionally solidified alloys with transversely isotropic mechanic behavior is presented. In order to characterize the mechanical behavior of the Mar-M 247 directionally solidified nickel based superalloy, tensile tests of axisymmetric smooth specimens were performed at various strain rates and temperatures. The specimens were machined making sure that the longitudinal axis of them was forming 0º and 90º with the grain growth orientation. To represent the plastic flow, a non-quadratic anisotropic function based on linear transformation of tensors has been formulated. For the sake of simplicity isotropic strain hardening of the material has been considered. To prove the validity of the model, a material subroutine has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code as a user defined material model.

Behaviour of Concrete Structural Members Subjected to Air Blast Loading

Numerical analysis is a suitable tool in the design of complex reinforced concrete structures under extreme impulsive loadings such as impacts or explosions at close range. Such events may be the result of terrorist attacks. Reinforced concrete is commonly used for buildings and infrastructures. For this reason, the ability to accurately run numerical simulations of concrete elements subjected to blast loading is needed. In this context, reliable constitutive models for concrete are of capital importance. In this research numerical simulations using two different constitutive models for concrete (Continuous Surface Cap Model and Brittle Damage Model) have been carried out using LS-DYNA. Two experimental benchmark tests have been taken as reference. The results of the numerical simulations with the aforementioned constitutive models show different abilities to accurately represent the structural response of the reinforced concrete elements studied.

Análisis mediante elementos finitos del comportamiento de losas de hormigón armado sometidas a explosiones

Se presenta en este trabajo una investigación sobre el comportamiento de losas de hormigón armado sometidas a explosiones y la simulación numérica de dicho fenómeno mediante el método de los elementos finitos. El trabajo aborda el estudio de la respuesta de dichos elementos estructurales por comparación entre los resultados obtenidos en ensayos reales a escala 1:1 y los cálculos realizados mediante modelos de ordenador. Este procedimiento permite verificar la idoneidad, o no, de estos últimos. Se expone en primer lugar el comportamiento mecánico de los modelos de material que son susceptibles de emplearse en la simulación de estructuras mediante el software empleado en la presente investigación, así como las diferentes formas de aplicar cargas explosivas en estructuras modeladas mediante el método de los Elementos Finitos, razonándose en ambos casos la elección llevada a cabo. Posteriormente, se describen los ensayos experimentales disponibles, que tuvieron lugar en las instalaciones del Laboratorio de Balística de Efectos, perteneciente al Instituto Tecnológico de la Marañosa (ITM), de Madrid, para estudiar el comportamiento de losas de hormigón armado a escala 1:1 sometidas a explosiones reales. Se ha propuesto un método de interpretación del nivel de daño en las losas mediante el martillo de Schmidt, que posteriormente permitirá comparar resultados con los modelos de ordenador realizados. Asimismo, se propone un método analítico para la determinación del tamaño óptimo de la malla en las simulaciones realizadas, basado en la distribución de la energía interna del sistema. Es conocido que el comportamiento de los modelos pueden verse fuertemente influenciados por el mallado empleado. Según el mallado sea “grosero” o “fino” el fallo puede no alcanzarse o hacerlo de forma prematura, o excesiva, respectivamente. Es más, algunos modelos de material contemplan una “regularización” del tamaño de la malla, pero en la presente investigación se evidencia que dicho procedimiento tiene un rango de validez limitado, incluso se determina un entorno óptimo de valores. Finalmente, se han elaborado los modelos numéricos con el software comercial LS-DYNA, contemplando todos los aspectos reseñados en los párrafos anteriores, procediendo a realizar una comparación de los resultados obtenidos en las simulaciones con los procedidos en los ensayos reales a escala 1:1, observando que existe una muy buena correlación entre ambas situaciones que evidencian que el procedimiento propuesto en la investigación es de todo punto adecuado para la simulación de losas de hormigón armado sometidas a explosiones. ABSTRACT This doctoral thesis presents an investigation on the behavior of reinforced concrete slabs subjected to explosions along with the numerical simulation of this phenomenon by the finite elements method. The work involves the study of the response of these structural elements by comparing the results of field tests at full scale and the calculations performed by the computer model. This procedure allows to verify the appropriateness or not of the latter. Firstly, the mechanical behavior of the material models that are likely to be used in the modelling of structures is explained. In addition, different ways of choosing explosive charges when conducting finite element methods are analyzed and discussed. Secondly, several experimental tests, which took place at the Laboratorio de Balística de Efectos at the Instituto Tecnológico de la Marañosa (ITM), in Madrid, are described in order to study the behavior of these reinforced concrete slabs. A method for the description of the slab damage level by the Schmidt hammer is proposed, which will make possible to compare the modelling results extracted from the computation experiments. Furthermore, an analytical method for determining the optimal mesh size to be used in the simulations is proposed. It is well known that the behavior of the models can be strongly influenced by the mesh size used. According to this, when modifiying the meshing density the damaged cannot be reached or do it prematurely, or excessive, respectively. Moreover, some material models include a regularization of the mesh size, but the present investigation evidenced that this procedure has a limited range of validity, even an optimal environment values are determined. The method proposed is based on the distribution of the internal energy of the system. Finally, several expecific numerical models have been performed by using LS-DYNA commercial software, considering all the aspects listed in the preceding paragraphs. Comparisons of the results extracted from the simulations and full scale experiments were carried out, noting that there exists a very good correlation between both of them. This fact demonstrates that the proposed research procedure is highly suitable for the modelling of reinforced concrete slabs subjected to blast loading.

An experimental and numerical study of ductile failure under quasi-static and impact loadings of Inconel 718 nickel-base superalloy

A numerical and experimental study of ballistic impacts at various temperatures on precipitation hardened Inconel 718 nickel-base superalloy plates has been performed. A coupled elastoplastic-damage constitutive model with Lode angle dependent failure criterion has been implemented in LS-DYNA non-linear finite element code to model the mechanical behaviour of such an alloy. The ballistic impact tests have been carried out at three temperatures: room temperature (25 °C), 400 °C and 700 °C. The numerical study showed that the mesh size is crucial to predict correctly the shear bands detected in the tested plates. Moreover, the mesh size convergence has been achieved for element sizes on the same order that the shear bands. The residual velocity as well as the ballistic limit prediction has been considered excellent for high temperature ballistic tests. Nevertheless, the model has been less accurate for the numerical simulations performed at room temperature, being though in reasonable agreement with the experimental data. Additionally, the influence that the Lode angle had on quasi-static failure patterns such as cup-cone and slanted failure has been studied numerically. The study has revealed that the combined action of weakened constitutive equations and Lode angle dependent failure criterion has been necessary to predict the previously-mentioned failure patterns

Determination of the JWL constants for ANFO and emulsion explosives from cylinder test data

The Jones-Wilkins-Lee (JWL) equation of state parameters for ANFO and emulsion-type explosives have been obtained from cylinder test expansion measurements. The calculation method comprises a new radial expansion function, with a non-zero initial velocity at the onset of the expansion in order to comply with a positive Gurney energy at unit relative volume, as the isentropic expansion from the CJ state predicts. The equations reflecting the CJ state conditions and the measured expansion energy were solved for the JWL parameters by a non-linear least squares scheme. The JWL parameters of thirteen ANFO and emulsion type explosives have been determined in this way from their cylinder test expansion data. The results were evaluated through numerical modelling of the tests with the LS-DYNA hydrocode; the expansion histories from the modelling were compared with the measured ones, and excellent agreement was found.

A methodology to calibrate structural finite element models for reinforced concrete structures subject to blast loads

Civil buildings are not specifically designed to support blast loads, but it is important to take into account these potential scenarios because of their catastrophic effects, on persons and structures. A practical way to consider explosions on reinforced concrete structures is necessary. With this objective we propose a methodology to evaluate blast loads on large concrete buildings, using LS-DYNA code for calculation, with Lagrangian finite elements and explicit time integration. The methodology has three steps. First, individual structural elements of the building like columns and slabs are studied, using continuum 3D elements models subjected to blast loads. In these models reinforced concrete is represented with high precision, using advanced material models such as CSCM_CONCRETE model, and segregated rebars constrained within the continuum mesh. Regrettably this approach cannot be used for large structures because of its excessive computational cost. Second, models based on structural elements are developed, using shells and beam elements. In these models concrete is represented using CONCRETE_EC2 model and segregated rebars with offset formulation, being calibrated with continuum elements models from step one to obtain the same structural response: displacement, velocity, acceleration, damage and erosion. Third, models basedon structural elements are used to develop large models of complete buildings. They are used to study the global response of buildings subjected to blast loads and progressive collapse. This article carries out different techniques needed to calibrate properly the models based on structural elements, using shells and beam elements, in order to provide results of sufficient accuracy that can be used with moderate computational cost.

Modelos de elementos finitos explícitos para explosiones en estructuras reticuladas de hormigón armado : aplicaciones al estudio del colapso de edificios

La frecuencia con la que se producen explosiones sobre edificios, ya sean accidentales o intencionadas, es reducida, pero sus efectos pueden ser catastróficos. Es deseable poder predecir de forma suficientemente precisa las consecuencias de estas acciones dinámicas sobre edificaciones civiles, entre las cuales las estructuras reticuladas de hormigón armado son una tipología habitual. En esta tesis doctoral se exploran distintas opciones prácticas para el modelado y cálculo numérico por ordenador de estructuras de hormigón armado sometidas a explosiones. Se emplean modelos numéricos de elementos finitos con integración explícita en el tiempo, que demuestran su capacidad efectiva para simular los fenómenos físicos y estructurales de dinámica rápida y altamente no lineales que suceden, pudiendo predecir los daños ocasionados tanto por la propia explosión como por el posible colapso progresivo de la estructura. El trabajo se ha llevado a cabo empleando el código comercial de elementos finitos LS-DYNA (Hallquist, 2006), desarrollando en el mismo distintos tipos de modelos de cálculo que se pueden clasificar en dos tipos principales: 1) modelos basados en elementos finitos de continuo, en los que se discretiza directamente el medio continuo mediante grados de libertad nodales de desplazamientos; 2) modelos basados en elementos finitos estructurales, mediante vigas y láminas, que incluyen hipótesis cinemáticas para elementos lineales o superficiales. Estos modelos se desarrollan y discuten a varios niveles distintos: 1) a nivel del comportamiento de los materiales, 2) a nivel de la respuesta de elementos estructurales tales como columnas, vigas o losas, y 3) a nivel de la respuesta de edificios completos o de partes significativas de los mismos. Se desarrollan modelos de elementos finitos de continuo 3D muy detallados que modelizan el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con un modelo constitutivo del hormigón CSCM (Murray et al., 2007), que tiene un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura. El acero se representa con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura. Se modeliza la geometría precisa del hormigón mediante elementos finitos de continuo 3D y cada una de las barras de armado mediante elementos finitos tipo viga, con su posición exacta dentro de la masa de hormigón. La malla del modelo se construye mediante la superposición de los elementos de continuo de hormigón y los elementos tipo viga de las armaduras segregadas, que son obligadas a seguir la deformación del sólido en cada punto mediante un algoritmo de penalización, simulando así el comportamiento del hormigón armado. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF de continuo. Con estos modelos de EF de continuo se analiza la respuesta estructural de elementos constructivos (columnas, losas y pórticos) frente a acciones explosivas. Asimismo se han comparado con resultados experimentales, de ensayos sobre vigas y losas con distintas cargas de explosivo, verificándose una coincidencia aceptable y permitiendo una calibración de los parámetros de cálculo. Sin embargo estos modelos tan detallados no son recomendables para analizar edificios completos, ya que el elevado número de elementos finitos que serían necesarios eleva su coste computacional hasta hacerlos inviables para los recursos de cálculo actuales. Adicionalmente, se desarrollan modelos de elementos finitos estructurales (vigas y láminas) que, con un coste computacional reducido, son capaces de reproducir el comportamiento global de la estructura con una precisión similar. Se modelizan igualmente el hormigón en masa y el acero de armado de forma segregada. El hormigón se representa con el modelo constitutivo del hormigón EC2 (Hallquist et al., 2013), que también presenta un comportamiento inelástico, con diferente respuesta a tracción y compresión, endurecimiento, daño por fisuración y compresión, y rotura, y se usa en elementos finitos tipo lámina. El acero se representa de nuevo con un modelo constitutivo elastoplástico bilineal con rotura, usando elementos finitos tipo viga. Se modeliza una geometría equivalente del hormigón y del armado, y se tiene en cuenta la posición relativa del acero dentro de la masa de hormigón. Las mallas de ambos se unen mediante nodos comunes, produciendo una respuesta conjunta. En este trabajo se denominarán a estos modelos simplificadamente como modelos de EF estructurales. Con estos modelos de EF estructurales se simulan los mismos elementos constructivos que con los modelos de EF de continuo, y comparando sus respuestas estructurales frente a explosión se realiza la calibración de los primeros, de forma que se obtiene un comportamiento estructural similar con un coste computacional reducido. Se comprueba que estos mismos modelos, tanto los modelos de EF de continuo como los modelos de EF estructurales, son precisos también para el análisis del fenómeno de colapso progresivo en una estructura, y que se pueden utilizar para el estudio simultáneo de los daños de una explosión y el posterior colapso. Para ello se incluyen formulaciones que permiten considerar las fuerzas debidas al peso propio, sobrecargas y los contactos de unas partes de la estructura sobre otras. Se validan ambos modelos con un ensayo a escala real en el que un módulo con seis columnas y dos plantas colapsa al eliminar una de sus columnas. El coste computacional del modelo de EF de continuo para la simulación de este ensayo es mucho mayor que el del modelo de EF estructurales, lo cual hace inviable su aplicación en edificios completos, mientras que el modelo de EF estructurales presenta una respuesta global suficientemente precisa con un coste asumible. Por último se utilizan los modelos de EF estructurales para analizar explosiones sobre edificios de varias plantas, y se simulan dos escenarios con cargas explosivas para un edificio completo, con un coste computacional moderado. The frequency of explosions on buildings whether they are intended or accidental is small, but they can have catastrophic effects. Being able to predict in a accurate enough manner the consequences of these dynamic actions on civil buildings, among which frame-type reinforced concrete buildings are a frequent typology is desirable. In this doctoral thesis different practical options for the modeling and computer assisted numerical calculation of reinforced concrete structures submitted to explosions are explored. Numerical finite elements models with explicit time-based integration are employed, demonstrating their effective capacity in the simulation of the occurring fast dynamic and highly nonlinear physical and structural phenomena, allowing to predict the damage caused by the explosion itself as well as by the possible progressive collapse of the structure. The work has been carried out with the commercial finite elements code LS-DYNA (Hallquist, 2006), developing several types of calculation model classified in two main types: 1) Models based in continuum finite elements in which the continuous medium is discretized directly by means of nodal displacement degrees of freedom; 2) Models based on structural finite elements, with beams and shells, including kinematic hypothesis for linear and superficial elements. These models are developed and discussed at different levels: 1) material behaviour, 2) response of structural elements such as columns, beams and slabs, and 3) response of complete buildings or significative parts of them. Very detailed 3D continuum finite element models are developed, modeling mass concrete and reinforcement steel in a segregated manner. Concrete is represented with a constitutive concrete model CSCM (Murray et al., 2007), that has an inelastic behaviour, with different tension and compression response, hardening, cracking and compression damage and failure. The steel is represented with an elastic-plastic bilinear model with failure. The actual geometry of the concrete is modeled with 3D continuum finite elements and every and each of the reinforcing bars with beam-type finite elements, with their exact position in the concrete mass. The mesh of the model is generated by the superposition of the concrete continuum elements and the beam-type elements of the segregated reinforcement, which are made to follow the deformation of the solid in each point by means of a penalty algorithm, reproducing the behaviour of reinforced concrete. In this work these models will be called continuum FE models as a simplification. With these continuum FE models the response of construction elements (columns, slabs and frames) under explosive actions are analysed. They have also been compared with experimental results of tests on beams and slabs with various explosive charges, verifying an acceptable coincidence and allowing a calibration of the calculation parameters. These detailed models are however not advised for the analysis of complete buildings, as the high number of finite elements necessary raises its computational cost, making them unreliable for the current calculation resources. In addition to that, structural finite elements (beams and shells) models are developed, which, while having a reduced computational cost, are able to reproduce the global behaviour of the structure with a similar accuracy. Mass concrete and reinforcing steel are also modeled segregated. Concrete is represented with the concrete constitutive model EC2 (Hallquist et al., 2013), which also presents an inelastic behaviour, with a different tension and compression response, hardening, compression and cracking damage and failure, and is used in shell-type finite elements. Steel is represented once again with an elastic-plastic bilineal with failure constitutive model, using beam-type finite elements. An equivalent geometry of the concrete and the steel is modeled, considering the relative position of the steel inside the concrete mass. The meshes of both sets of elements are bound with common nodes, therefore producing a joint response. These models will be called structural FE models as a simplification. With these structural FE models the same construction elements as with the continuum FE models are simulated, and by comparing their response under explosive actions a calibration of the former is carried out, resulting in a similar response with a reduced computational cost. It is verified that both the continuum FE models and the structural FE models are also accurate for the analysis of the phenomenon of progressive collapse of a structure, and that they can be employed for the simultaneous study of an explosion damage and the resulting collapse. Both models are validated with an experimental full-scale test in which a six column, two floors module collapses after the removal of one of its columns. The computational cost of the continuum FE model for the simulation of this test is a lot higher than that of the structural FE model, making it non-viable for its application to full buildings, while the structural FE model presents a global response accurate enough with an admissible cost. Finally, structural FE models are used to analyze explosions on several story buildings, and two scenarios are simulated with explosive charges for a full building, with a moderate computational cost.