Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
CIR-seminarium 2019, 2019-05-22
Hagastaden ur ett konstruktionsperspektiv
Morgan Johansson
Indata vid explosionsbelastning
• Last
• Tryck
• Varaktighet
• Impuls
• Struktur
• Massa
• Styvhet
• Lastkapacitet
• Deformationsförmåga
u
R
R
Wi
utot uel
utot = uel + upl
k
P
t t0 t1
i
Vad inverkar på lasten?
• Explosionens energiinnehåll
• Energimängd
• Förbränningshastighet
• Omgivningen
• Avstånd och läge till utsatt punkt
• Utbredningsmöjligheter
r
reflekterad
stötvåg
r
oreflekterad
stötvåg
laddning
Plan
spegling 1 m
Vy stötvågsfront
Byggnad Byggnad
Byggnad Byggnad
Flerfaldig reflexion
• Omgivningen påverkar resulterande last
Tid
Tryck
P0
Tid
P0
Tryck
Innesluten explosion
• Uppstår en kombination av olika laster
• Kortvarigt tryck – flera reflexioner
• Långvarigt tryck – spränggaser som inte ventileras bort
‒ Påverkas av förhållandet volym /ventilationsarea
Tryck
Tid
P0
= kortvarigt
tryck
= långvarigt
tryck
Explosion i tunnel
• Trafikverkets explosionslast i tunnel
Längdsektion Tvärsektion
Last 1 (kortvarig)
Last 2 (långvarig)
t
P
t1
P1
i1
Nr Beskrivning P1 t1 i1 Lastyta
[kPa] [ms] [Pas]
1 Lokalt tryck 5 000 2 5 000 4 x 4 m2
2 Fördelat tryck 100 50 2 500 alla ytor
Hur skyddar man sig?
• Primärt
• Avstånd
• Skyddande massa
• Sekundärt
• Energiupptagande konstruktion
• God redundans (alternativ lastupptagning möjlig)
Princip kring energibalans
• Impulslast ger upphov till ett yttre arbet Wy
• Storlek på Wy beror på impulslast, massa och mothållskraft
• Yttre arbete balanseras av inre arbete Wi
• Storlek på Wi beror på mothållskraft och erhållen deformation
• Energibalans ska uppnås
• Maximal deformation (noll rörelse)nås när Wy = Wi
u
F, R
utot
F(u)
R(u)
Wy
Wi
Kritiska parametrar hos struktur
• Massa (yttre arbete)
• Strukturegenskaper (inre arbete)
• Styvhet
• Hållfasthet
• Deformationsförmåga
R
u u1 u2
R1
Wi,1
R2
Wi,2
Wi,2 > Wi,1
Energiupptagningsförmåga, Wi
m
IWy
2
2
=
=u
i duuRW0
)(
Kritiska parametrar hos struktur
• Massa (yttre arbete)
• Strukturegenskaper (inre arbete)
• Styvhet
• Hållfasthet
• Deformationsförmåga
R
u u1 u2
R1
Wi,1
R2
Wi,2
Wi,2 > Wi,1
Energiupptagningsförmåga, Wi
m
IWy
2
2
=
=u
i duuRW0
)(
• Statisk last:hög styvhet/kapacitet önskvärt
• Impulslast:inte nödvändigtvis bra egenskaper
Hagastaden, överdäckning (I)
Hagastaden, överdäckning (II)
• Lastsituation
•Normal explosionslast i tunnel utgår från W = 30 kg TNT
19 m
6,3 m
3,0 m
2,0 m
W = 1000 kg TNT
Hur görs beräkning?
• Last
•Beräkningsmetod
• Enkla fall / övergripande bild – Empiriska samband
• Komplexa fall – FE-program anpassat för explosionsberäkning
• Strukturrespons
•Dynamisk beräkning med olinjär strukturrespons
•Beräkningsmetod
• Enkla modeller (SDOF, 2DOF)
• 2D eller 3D FE-analyser
F(t)
R(u)
m u
Hur görs beräkning?
• Last
•Beräkningsmetod
• Enkla fall / övergripande bild – Empiriska samband
• Komplexa fall – FE-program anpassat för explosionsberäkning
• Strukturrespons
•Dynamisk beräkning med olinjär strukturrespons
•Beräkningsmetod
• Enkla modeller (SDOF, 2DOF)
• 2D eller 3D FE-analyser
F(t)
R(u)
m u
Överdäckning, Hagastaden
Detaljerad information: www.msb.se/skyddsrum
Lastvärden (I)
• Initial last på närmaste vägg
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0
5
10
15
20
25
30
35
40
0 1 2 3 4 5
Imp
uls
täth
et, i
[kP
as]
Öv
ertr
yck
, P
[MP
a]
Tid, t [ms]
Belastning
P2 P4
P5 i2
i4 i5
19 m
6,3 m W = 1000 kg TNT
1
2
3
4
5
1
3
5
1 3 5 7 9 11 13 15 17
1
2
3
4
5
6 7 8 9 10 11 12 13 14
17
16
15
Lastvärden (II)
• Långvarig last på närmaste vägg
19 m
6,3 m W = 1000 kg TNT
1
2
3
4
5
1
3
5
1 3 5 7 9 11 13 15 17
1
2
3
4
5
6 7 8 9 10 11 12 13 14
17
16
15
0
4 000
8 000
12 000
16 000
20 000
24 000
28 000
32 000
36 000
40 000
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1 000
0 20 40 60 80 100
Imp
uls
täth
et, i
[Pa
s]
Öv
ertr
yck
, P
[kP
a]
Tid, t [ms]
Belastning - Jämförelse av approximerat värde
P2
P_approx
P2
i_approx
Lastvärden (II)
• Lastens medelvärde över närmaste vägg
0
5
10
15
20
25
30
35
0
5
10
15
20
25
30
35
0 2 4 6 8 10
Imp
uls
täth
et, i
[kP
as]
Öv
ertr
yck
, P
[MP
a]
Avstånd längs tunneln, l [m]
Belastning mot vägg - Medelvärden
Tryck
i_tot
i_in,2
i_in,1
Standard-
last i tunnel
Effekt av explosionslast (I)
• Effekt inne i tunneln
•Samtliga närvarande inne i tunneln omkommer
• Önskan
• Skydda närliggande byggnad från explosionens effekt
• Förhindra skador på personer i byggnad
• Möjliga skyddskoncept
• Tillåt lokalt brott men utforma omgivande byggnader att motstå den last som ”läcker” ut
• Förhindra uppkomst av brottzon, inneslut explosion inne i tunnel och isolera dess effekter
Effekt av explosionslast (II)
• Lokalt brott tillåts
•Komplext att bestämma storlek på utläckande last – svårt att bedöma lasteffekt på närliggande byggnad
•Medför ökade krav på utformning av närliggande byggnad
•Kan medföra krav på hur delar av närliggande byggnad får användas – oönskade begränsningar fås
Effekt av explosionslast (III)
• Förhindrad brottzon
•Ställer stora krav på konstruktionens utformning(h = 1,2 m; ρs = 1,0%)
•Betydande deformationer skulle fortfarande uppstå (uvägg = 0,2 m; utak = 0,4 m)
•Stora deformationer kan medföra problem för närliggande byggnad – lasten riskerar att föras vidare
Särskilda åtgärder krävs för att förhindra detta
Koncept för åtgärder
• Syfte
•Förhindra lastöverföring från överdäckning till byggnad
• Förutsättning
•Stöd mot vägg i överdäckning bedöms vara opåverkad om vägg klarar explosionslast
• Åtgärd
•Säkerställ att erforderlig deformationszon finns mellan byggnad och överdäckning
Åtgärd vid vägg och tak (I)
• Erforderlig deformationszon
•Bärande konstruktionsdelar ska inte påverkas av deformerad vägg eller tak i överdäckning
3,0 m
0,6 m
tunneltak
deformerat tunneltak
6,3 m
3,0 m
2,0 m
W = 1000 kg TNT
tunnelvägg
0,3 m
deformerad
tunnelvägg
Åtgärd vid vägg och tak (II)
• Exempel på utförande vid tak
tunneltak
byggnad
marknivå (”gata”)
primär-
balk
hålrum ej hålrum
hålrum
sekundär-
balk
primär-
balk
stödmur
stödmur
ej hålrum
A A
B
B
sekundärbalk
A-A
C
C
tunneltak
stöd-
mur
sekundär-
balk
bjälklag i
byggnad
hål-
rum
D-D
tunneltak
marknivå
stöd-
mur
sekundär-
balk
hål-
rum
B-B
tunneltak
stöd-
mur
sekundär-
balk
hål-
rum
C-C
vägg i
byggnad
tunneltak
stöd-
mur
sekundär-
balk
bjälklag i
byggnad
hål-
rum
D-D
tunneltak
marknivå
stöd-
mur
sekundär-
balk
hål-
rum
B-B
tunneltak
stöd-
mur
sekundär-
balk
hål-
rum
C-C
vägg i
byggnad
Tack för uppmärksamheten!
Frågor?