¿Cuáles son las consideraciones de diseño estructural de los edificios de resistencia a explosiones?

Answer 1

Las cargas explosivas son de hecho cargas dinámicas que deben calcularse cuidadosamente al igual que las cargas de terremotos y vientos.

ASPECTO ESTRUCTURAL DEL DISEÑO DE EDIFICIOS RESISTENTES

La cara frontal de un edificio experimenta sobrepresiones máximas debido al reflejo de una onda expansiva externa. Una vez que la onda expansiva inicial ha pasado la superficie reflejada del edificio, la sobrepresión máxima disminuye a cero. Como los lados y las caras superiores del edificio están expuestos a sobrepresiones (que no tienen reflejos y son más bajas que las sobrepresiones reflejadas en la cara frontal), se experimenta un efecto de alivio de la sobrepresión de explosión en la cara frontal. La parte posterior de la estructura no experimenta presión hasta que la onda expansiva ha recorrido la longitud de la estructura y una onda de compresión ha comenzado a moverse hacia el centro de la cara posterior. Por lo tanto, la presión acumulada no es instantánea. Por otro lado, habrá un retraso de tiempo en el desarrollo de presiones y cargas en las caras frontal y posterior. Esta demora provoca que las fuerzas de traslación actúen sobre el edificio en la dirección de la onda expansiva.

Las cargas explosivas son casos de carga extra ordinarios, sin embargo, durante el diseño estructural, este efecto debe tenerse en cuenta con otras cargas en una proporción adecuada. Al igual que el diseño de caja cargada estática, el diseño dinámico resistente a explosiones también utiliza las técnicas de diseño de estado límite, que son diseño de límite de colapso y diseño de límite de funcionalidad. En el diseño de límite de colapso, el objetivo es proporcionar suficiente ductilidad al edificio para que la energía de explosión se distribuya a la estructura sin un colapso general. Para el diseño de límite de colapso, el comportamiento de las conexiones de miembros estructurales es crucial. En el caso de una explosión, se produce un movimiento traslacional significativo y un momento, y las cargas involucradas deben transferirse de las vigas a las columnas. La estructura no se derrumba después de la explosión, sin embargo, ya no puede funcionar.

Sin embargo, el diseño del límite de funcionalidad requiere que el edificio continúe funcionando después de que ocurriera una posible explosión. Solo los miembros no estructurales como ventanas o revestimientos pueden necesitar mantenimiento después de una explosión, por lo que deben diseñarse lo suficientemente dúctiles.

Cuando la fase positiva de la onda de choque es más corta que el período de vibración natural de la estructura, el efecto de explosión desaparece antes de que la estructura responda. Este tipo de carga explosiva se define como “carga impulsiva”. Si la fase positiva es más larga que el período de vibración natural de la estructura, se puede suponer que la carga es constante cuando la estructura tiene una deformación máxima. Esta deformación máxima es una función de la carga de la explosión y la rigidez estructural. Este tipo de carga explosiva se define como “carga cuasiestática”. Finalmente, si la duración de la fase positiva es similar al período de vibración natural de la estructura, el comportamiento de la estructura se vuelve bastante complicado. Este caso se puede definir como “carga dinámica”.

Los edificios con estructura diseñados para resistir la gravedad, las cargas de viento y las cargas de terremoto de la manera normal se han encontrado con frecuencia deficientes en dos aspectos. Cuando se somete a carga explosiva; la falla de las conexiones de viga a columna y la incapacidad de la estructura para tolerar la inversión de carga. Las conexiones de viga a columna pueden estar sujetas a fuerzas muy altas como resultado de una explosión. Estas fuerzas tendrán un componente horizontal que surge de las paredes del edificio y un componente vertical de la carga diferencial en las superficies superior e inferior de los pisos. Proporcionar robustez adicional a estas conexiones puede ser una mejora significativa.

En las conexiones, se ha encontrado que los detalles normales para la carga estática son inadecuados para la carga explosiva. Especialmente para las conexiones de viga a columna de acero, es esencial que la conexión tenga deformaciones inelásticas para que los marcos de momento aún puedan funcionar después de una explosión instantánea. La figura muestra el detalle de conexión de la placa lateral. Las características principales a tener en cuenta en la conexión de hormigón armado son el uso de enlaces adicionales y la ubicación de las barras de arranque en la conexión. Estas mejoras están destinadas a reducir el riesgo de colapso o daños en la conexión, posiblemente como resultado de una inversión de carga en la viga.

Es vital que en áreas críticas, se realicen conexiones resistentes al momento para garantizar la capacidad de carga de los miembros estructurales después de una explosión. Las vigas que actúan principalmente en la flexión también pueden llevar una carga axial significativa causada por la carga de la explosión.

Por el contrario, las columnas se cargan predominantemente con fuerzas axiales en condiciones de carga normales, sin embargo, bajo carga de chorro pueden estar sometidas a flexión. Dichas fuerzas pueden conducir a la pérdida de la capacidad de carga de una sección. En el caso de una explosión, las columnas de una estructura de hormigón armado son los miembros más importantes que deben protegerse. Se pueden aplicar dos tipos de envoltura para proporcionar esto. Envoltura con correas de acero o envoltura con polímeros reforzados con fibra de carbono (CFRP).

Las losas de piso de concreto reforzado in situ son la opción preferida para edificios resistentes a explosiones, pero puede ser necesario considerar el uso de pisos prefabricados en algunas circunstancias. No se recomienda el uso de unidades de piso prefabricadas en el primer piso donde el riesgo de una explosión interna es mayor. Se deben evitar los techos livianos y, más particularmente, los techos de vidrio y se prefiere una losa de hormigón armado o prefabricado de hormigón.

Espero que te sea útil.

Gracias

Answer 2

Para el análisis estructural básicamente necesitas:

– El historial de presión-tiempo del valor pico.

– La distribución espacial supuesta de la presión.

– Rigidez (K) y masas (M) de la estructura.

Si simplifica lo suficiente su esquema estructural, el factor de amplificación es fácil, a partir de tablas y gráficos para SDOF o integrando una ecuación simple de Mü + Ku = F. Entonces es posible convertir la presión dinámica en una presión pseudoestática. Un análisis estático es más conveniente que un análisis dinámico completo y engorroso. En edificios estándar, la altura crítica es la primera. A veces, justificando que el caso de la explosión no es la carga accidental dominante para las vigas y vigas principales, es habitual descuidar este caso de carga en las combinaciones de carga. El análisis específico del concreto y la mampostería es bastante similar al de las placas bajo una presión de sobrepresión uniforme y el método de líneas de fluencia es el más común.

Para los detalles estructurales , hay varias recomendaciones y disposiciones de ASCE (Diseño de edificios resistentes a explosiones en instalaciones petroquímicas), PCI, Navfac, Eurocodes, etc. No hace falta decir que las ventanas y puertas deben ser resistentes a explosiones. Estoy seguro de que algunos consejos en los códigos sonarán familiares, ya que algunas recomendaciones son más o menos comunes para el diseño sísmico o con vientos fuertes.