pdf Streszczenie - Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji

Military University of Technology
Faculty of Civil Engineering and Geodesy
MECHANISM OF SPALL FORMATION IN STRUCTURAL COMPONENTS OF A
SHELTER
Author: Bartłomiej Pieńko, M.Sc., Eng.
Supervisor: Zbigniew Szcześniak Ph.D., D.Sc.
The subject of the presented PhD thesis falls within the area of special structures of the
Military Infrastructure. One of the special structures is a stationary shelter performing
different functions in defensive situations.
Within the scope of the discussed study, there was an overview of issues concerning
building of components of the shelter's casing, taking the phenomenon of a spall into
consideration, offered. The study referred to scientific works, textbooks, publications and
regulations supporting the shelters' execution programmes and military training programmes
in Poland as well as USA, Great Britain and Russia. One could state that the mentioned
publications do not always fully refer to the subject of moulding the structure for the
contemporary fortification. The presented solutions concern either the selected aspects of final
ballistics or the impact of explosion from the perspective of local effects without linking them
with a general reaction of a component. Therefore, there are no all-embracing foundations that
would enable one to perform a complete assessment of the level of safety of a designed
structural component of a shelter in connection to the impact of conventional munitions.
The assumed objective of the PhD thesis was to develop a numerical prediction for a
dynamic response of reinforced concrete shield and structural components of shelters' casing
with special consideration of the mechanisms of formation of spall and mechanical
destruction of the material within the whole area of a structural component.
The objective was achieved completely thanks to the author's own, original algorithms
and the computer software. According to the software, the analysis of the dynamic response is
an interaction of local effects and, especially, fragmentation and general ones. The conditions
resulting from the nature of reinforced concrete structures and the impact of the basic
conventional munitions were taken into consideration. The main tool of the analysis was an
original method of modelling of stress waves in structural components (SWM). The offered
method is characterised with a specific structure of spatial arrangement of model's masses. In
the case of the dynamic analysis, the assumed model simulates a complete process of
spreading of stress waves with high accuracy. The offered model of the mass structure of the
material is naturally adjusted to dynamic division into parts in the processes of cracking and
fragmentation. Simultaneously, the possibility of maintaining high accuracy of description of
the mentioned processes is provided. The mentioned modelling qualities show its significant
application properties.
A certain simplifying assumption is adoption of a two-dimensional disk model to
describe the dynamics of reinforced concrete beams. As the result of the analyses, it was
stated that this model enables one to grasp the essence of mechanics of beams successfully.
This was confirmed by comparison with the results of field tests. In the case of dynamic
problems, the disk model represents a higher level in comparison with the technical beam
theory and the Timoshenko beam theory. The original qualities of the model of dynamic
concrete cracking are worth mentioning here. These include the properties of the concept of
the generic model as well as a reference to the mechanics of stress waves from the local
perspective of the place of a crack, as well as, the description of the effect from the process
perspective. The generated crack is of "biphase" character. The first phase includes
progressing degradation of mechanic qualities of the material near the crack. In the second
phase, there is a complete separation of the mass halves of the model. In the full phase of
fragmentation, in the separated fragment blocks, there are isolated specific wave processes
taking place.
What is more, the author's own concept of the model of dynamic concrete straining with
progressive rigidity degradation was offered. The concept considers Bąk-Stolarski's law to
determine concrete dynamic strength.
The concept of the offered model of numerical reinforced concrete structural component
was assessed by comparison with the results of field tests of Polish fortifier, Stanisław
Kożuchowski, which were referred to the physics of spalls formed in the conditions of
explosion. The comparisons turned out to be favourable to the presented concept of
modelling.
What is more, the author's own so-called substitute simulation of the process of shell
penetration was introduced. Simulation enables one to perform a full continuous analysis of
the dynamic response of the beam to the impact of a two-stage missile. Successively, the
process of missile penetration, explosion of its load and further response of the whole beam
were considered continuously.
The developed computer software enables one to perform advanced analyses of
cognitive and application nature within the scope of the dynamics of reinforced concrete
shield and structural components. The results presented in the PhD thesis show a multi-phase
character of the course of the phenomenon of spall. Simultaneously one may observe the
effects of internal cracking, invisible to the eye. There is a possibility of formation of
scratches of different contents, cracks and internal spalls. The internal spall is a natural
response of the component in the case of presence of anti-spall layers. The applied simulation
enables one to estimate the size of this spall and its impact on the general response of the
beam also considering the conditions of the beam's interaction with the ground.
Wojskowa Akademia Techniczna
Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji
MECHANIZM FORMOWANIA SIĘ ODŁAMÓW W ELEMENTACH
KONSTRUKCYJNYCH SCHRONU
mgr inż. Bartłomiej Pieńko
Promotor: dr hab. inż. Zbigniew Szcześniak, prof. WAT.
Tematyka przedstawionej pracy wpisuje się w obszar budowli specjalnych
Infrastruktury Wojskowej. Szczególnymi obiektami specjalnymi są schrony stacjonarne
spełniające różne funkcje w sytuacjach obronnych.
W ramach omawianej pracy wykonano
przegląd problematyki konstruowania
elementów obudowy schronów z uwzględnieniem zjawiska odłamu. Odniesiono się do prac
naukowych, podręczników, publikacji i przepisów wspomagających programy realizacyjne
schronów oraz programy szkolenia wojska w Polsce a także w USA, Wielkiej Brytanii i
Rosji. Można stwierdzić, że spotykane publikacje nie zawsze odnoszą się w pełni do tematyki
związanej z kształtowaniem konstrukcji dla współczesnej fortyfikacji. Przedstawione
rozwiązania dotyczą albo tylko wybranych aspektów balistyki końcowej albo oddziaływania
wybuchu w ujęciu efektów miejscowych bez ich łączenia z reakcją ogólną elementu. Nie
istnieją więc kompleksowe podstawy, które umożliwiają wykonanie pełnej oceny stopnia
bezpieczeństwa zaprojektowanego elementu konstrukcyjnego schronu na oddziaływanie
konwencjonalnych środków rażenia.
Założonym celem pracy było opracowanie numerycznej prognozy reakcji dynamicznej
żelbetowych elementów osłonowych i konstrukcyjnych obudowy schronów ze szczególnym
uwzględnieniem mechanizmu formowania się odłamów oraz stanu destrukcji mechanicznej
materiału w całym obszarze elementu konstrukcyjnego.
Cel pracy został zrealizowany w pełni za pomocą własnych, oryginalnych algorytmów i
programu komputerowego. W programie, analiza reakcji dynamicznej traktowana jest jako
interakcja efektów miejscowych, w szczególności odłamowych i ogólnych. Uwzględniono
warunki wynikające z natury konstrukcji żelbetowych i działania podstawowych
konwencjonalnych środków rażenia. Jako główne narzędzie analizy zastosowano oryginalną
metodę modelowania fal naprężeń w elementach konstrukcyjnych (MFN). Proponowana
metoda charakteryzuje się szczególną strukturą przestrzennego uporządkowania mas modelu.
W przypadku analizy dynamicznej przyjęty model symuluje pełny proces rozprzestrzeniania
się fal naprężeń z dużą dokładnością. Proponowany model struktury masowej materiału jest
naturalnie dostosowany do dynamicznego dzielenia się na części w procesach zarysowania
lub fragmentacji. Przy czym zapewniona jest możliwość zachowania dużej precyzji opisu
wymienionych procesów. Wymienione cechy modelowania wskazują na jego istotne
właściwości aplikacyjne.
Pewnym upraszczającym założeniem jest przyjęcie dwuwymiarowego modelu
tarczowego do opisu dynamiki belek żelbetowych. W wyniku analiz stwierdzono że model
ten pozwala dobrze uchwycić istotę mechaniki belek. Potwierdziły to porównania z
wynikami eksperymentów poligonowych. W przypadku zagadnień dynamicznych, model
tarczowy reprezentuje wyższy poziom w porównaniu z techniczną teorią belek jak również
teorią Timoshenki. Warto odnotować oryginalne cechy modelu dynamicznego pękania
betonu. Składają się na nie właściwości koncepcji modelu ogólnego jak również nawiązanie
do mechaniki fal naprężeń w ujęciu miejscowym gdzie następuje pęknięcie ale także opis
efektu w ujęciu procesowym. Powstała rysa ma charakter „dwufazowy”. W pierwszej fazie
ujęto degradację postępującą cech mechanicznych materiału w obrębie rysy. W drugiej fazie
ma miejsce pełna separacja mas połówkowych modelu. W fazie pełnej fragmentacji w
wydzielonych bryłach odłamowych materiału przebiegają wyizolowane szczególne procesy
falowe.
Zaproponowano również własną koncepcję modelu dynamicznego odkształcania
betonu z postępującą degradacją sztywności. W koncepcji uwzględniono prawo BąkaStolarskiego do określenia wytrzymałości dynamicznej betonu.
Koncepcję zaproponowanego modelu numerycznego żelbetowego elementu
konstrukcyjnego, oceniono przez porównanie z wynikami doświadczeń poligonowych
polskiego fortyfikatora Stanisława Kożuchowskiego, które były odniesione do fizyki
odłamów formowanych w warunkach wybuchu. Porównania wypadły korzystnie dla
przedstawionej propozycji modelowania.
Zaproponowano również własną, tak zwaną symulację zastępczą procesu penetracji
pocisków. Symulacja pozwoliła na wykonywanie pełnej ciągłej analizy reakcji dynamicznej
belki na działanie pocisku dwustopniowego . Uwzględniono w sposób ciągły, kolejno proces
penetracji pocisku, wybuchu zawartego w nim ładunku i dalszą reakcję całej belki.
Opracowany program komputerowy umożliwia wykonywanie analiz zaawansowanych
o charakterze poznawczym i aplikacyjnym w zakresie dynamiki żelbetowych elementów
osłonowych i konstrukcyjnych. Przedstawione w pracy wyniki wskazują na wielofazowy
charakter przebiegu zjawiska odłamu. Można obserwować jednocześnie powstające efekty
wewnętrznego zarysowania, niewidoczne „gołym okiem”. Odnotowano możliwość
powstawania rys różnej rozwartości, szczelin i odłamów wewnętrznych. Odłam wewnętrzny
jest naturalną reakcją elementu w przypadku istnienia warstw przeciwodłamowych.
Zastosowana symulacja pozwala oszacować wielkość tego odłamu i jego wpływ na reakcję
ogólną belki również przy uwzględnieniu warunków interakcji belki z gruntem.