文摘
爆炸的决心保护水平的夹层玻璃窗户和外墙至关重要,它通常是通过使用实验调查。近年来也变得更加强大的数值方法对这类应用程序。本文试图给出一个最初的想法可能标准化有关这样的数值模拟。注意力被吸引到爆炸加载的表示和适当的行为的描述提到产品的材料,几何啮合,玻璃组件的连接的造型的主要结构。需要可靠的实验数据,验证数值模型的表示,是强调。
1。介绍
最近的恐怖袭击表明,爆炸可能导致windows的一个巨大的失败就像在2011年的恐怖袭击在奥斯陆(图1)。玻璃被广泛用于现代建筑的外墙通常结合钢底座。然而,玻璃一般也最脆弱的部分结构及其故障导致碎片可能严重伤害的人。的窗户关键基础设施的关键建筑,一般可以加强(及其保护增加),例如,通过使用夹层玻璃。这种干预和结果可以确定图增强保护1在五楼,一些窗户并没有失败。
玻璃的特殊脆弱性的调查显示在俄克拉荷马城攻击Norville et al。1]。在这项研究中,一个非常大的风险区域已被确认,windows失败,他们的碎片可能会伤害人。关于explosion-induced受伤,由于主要爆炸风险对人类的影响(图2)是由几位作者已经描述得很好2]。然而,这还不是二次爆炸影响的情况,这是由于碎片推动高速度和攻击人类的身体。大规模爆炸的一个相关的例子在密集的城市环境的爆炸AZF工厂在图卢兹,法国,2001年,超过3000人受伤,主要由碎片(3]。这是一个感兴趣的领域和强烈的研究。一个简单的程序评估额外的风险由于碎片的二次爆炸影响目前正在开发(4]。
(1)数值模拟在Blast-Loaded玻璃系统。几个数值调查各种型号已开展关于夹层玻璃。穆勒和瓦格纳6]表明,分层壳单元可以代表夹层玻璃的失败行为很好。简化模型是由Timmel et al。7和太阳等。8],显然并不代表所有失败机制的夹层玻璃。
一些作者(张和郝9),Bennison et al。10],Hidallana-Gamage et al。11)提出了三维模型与固体元素法律允许使用一个详细的材料层间。这个造型的自由度数量增加迅速。例子和计算失效准则的传统玻璃显示,例如,穆勒和瓦格纳6]和Burmeister [12]。
几个额外的影响关于夹层玻璃窗户也被调查数值。据张,郝9),边界条件的影响非常大。因此,玻璃之间的连接的详细模型和刚性结构的窗口或立面被连接起来,是至关重要的。夹层玻璃的可能的分层调查Pelfrene et al。13使用组合shell-solid模型)。发现,这取决于聚乙烯醇缩丁醛(PVB)夹层,分层失败行为可能产生重大的影响。
的分类和设计blast-loaded windows执行,作为一个规则,通过实验调查。Zhang et al。14]目前一些初步PI-formulas可用于初步设计。通过使用参数公式推导与有限元模拟研究。然而,由于这种保护的设计往往是安全相关的,没有信息的整合程度等数值设计的工程实践。如下所述,数值模拟可以取代一些昂贵的实验工作和有关参数的研究可能进一步增加的可能性。
(2)现有标准防弹玻璃窗户。欧洲标准化委员会(岑)公布了2001年首次测试标准防弹玻璃。这些包括欧洲标准(EN)仅用于测试安全玻璃(EN 13541:2012)和一套标准测试完整系统像窗户,门,百叶窗(EN 13123 - 1:2001 EN 13123 - 2:2004 EN 13124 - 1:2001和EN 13124 - 2:2004)。目前,没有标准测试釉面外墙。EN 13541:2012只考虑单一窗格玻璃与一个固定大小的刚架在规定测试和边界条件。EN 13123 - 1:2001和EN 13123 - 2:2004考虑整个窗口系统并允许测试实际尺寸和其真正的框架,从而产生更现实的结果。这些标准使测试与激波管和领域提供测试用小的指控。美国(美国)政府一般服务管理(GSA)发表了一份测试协议在2003年玻璃(GSA-TS01:2003),它允许测试通过激波管或范围测试。国际标准化组织(ISO)于2007年出版的标准ISO 16933:2007。这在很大程度上是基于EN标准。 It extends the test conditions to allow the use of large charges in range tests and it also includes additional small charges to encompass the GSA test requirements. A parallel standard (ISO 16934:2007) covers shock-tube testing.
(3)目标和开放的挑战。显然,没有标准化的过程是如何定义数值方法可以用来支持夹层玻璃的设计或窗口。尽管数值模拟blast-loaded窗户或外观可能存在许多困难,目前数值模拟工作为了设计这种结构。因此,为了减少可能的错误和误解,一个标准化的程序数值模拟将是有益的。这项工作提出了元素为了将来画一个标准化的过程。
在这个方向,综述论文以以下方式结构。当前设计工具blast-loaded玻璃结构第一节中描述2古典的方式和对可能使用数值模拟相一致。数值模拟在这一领域的程序然后描述的部分3的定义,这种模拟的关键部分是包括在内。验证和可能blast-loaded玻璃系统的性能评估部分中给出4。最后,一些结论和报告可能的下一个步骤标准化节中给出5。
2。Blast-Loaded窗户的设计
保护关键基础设施的设计(特别是玻璃关注的元素)对恐怖袭击通常是按照以下思路:(我)第一步是确定场景。这是一个共同决定的所有者或涉众和设计师。风险评估可以适当的工具来定义和选择可能的场景。一个迹象,例如,北大西洋公约组织(北约)的标准化协议(STANAG) 2280 (21]。(2)下一步是计算相应的加载结构通过确定最坏的情况。这可以针对某些情况下通过简单的冲击波传播公式,通过使用,例如,Kingery-Bulmash方程(22)和金妮和格雷厄姆的方程(23]或通过使用一系列abacus提出了统一的设施标准等终极格斗冠军赛3-340-2 (24]。这些方程与实验数据的比较是通过Bogosian et al。25]。情况可能更加复杂城市环境因为爆炸传播不是任何更多的球。数值模拟是必要的和足够的计算可能加载的结构,如图所示(26]。(3)招标必须包括规范为了保护窗户或门面对爆炸载荷。这意味着最大压力和脉冲值必须指定和提供的证据必须定义满足这些需求。几个可能性(数值、实验)可以考虑,所示(27]。(iv)招标人将在大部分的情况下咨询专业设计办公室能够提供证据(基于产品规范、实验或计算),一个特定的windows系统确实是防止指定的最大荷载。
2.1。数值模拟对Blast-Loaded窗口
即使有一些开放式问题的数值模拟blast-loaded夹层玻璃,有强大的原因,他们可以帮助工程师的工作。之间的相互作用数值模拟和验证,通过实验验证和批准的设计可以被描述为图所示3。
其他几个参数也可以引用为保护设计中采用数值模拟涉及玻璃制品。
数值模拟可以帮助理解的行为结构。虽然详细的实验调查不容易执行,数值模拟可以填补这一空白。数值模拟有助于开发新型的材料或结构。这些结构可以在昂贵的实验进行之前测试数值。数值模拟可以帮助调查不同窗户的设计参数。当一组实验进行演示窗口的保护或者验证数值模拟,仿真可以用来调查,例如,其他尺寸的玻璃表。通过这种方式,实验结果可以扩展到类似配置的数值模拟。也因此田间试验的数量可以减少使用数值模拟。当一个实验调查主要捕捉一个场景,甚至只有一个pressure-time曲线代表的情况下,数值模拟可以用来调查多重性威胁的场景。电荷的位置及其大小可以不同很容易看到这些参数的影响。也可以考虑更大的结构,就像整个门面,和不同类型的外观可以测试,如钢架或粗纱网支持结构。此外,实验调查必须事先知道可能的失效模式而设计的。数值模拟可以支持这一过程设计一个激波管进行测试窗口或设计基础在的夹层玻璃舞台上测试。
毫无疑问,实验研究是必要的为了理解物理现象时,选择合适的建模技术和材料的法律。还需要进一步的专用材料测试来获得相关材料参数的材料模型。
除了更复杂的有限元技术,另一种数值法是由单自由度振子法(应用),在窗口是由一个质量和一个特殊的刚度(菲舍尔(28,29日])。大量的实验结果被用来获取数据以弹簧的非线性刚度特性模型。显然,应用方法不能取代实验研究更复杂的设计。
2.2。期望从数值模拟
ISO,欧洲和美国的测试标准,夹层玻璃窗口(例如,(15])定义一个危险等级评估和测量的损伤状态的玻璃面板和玻璃碎片的位置后面的实验后发现玻璃窗格。更多细节可以发现在美国总务管理局(30.)和ISO标准(15)(表1)和(29日,31日]。
对于这些标准,科学和技术文献表明,数值模拟可以用于信心确定夹层玻璃和夹层的失败,可能是有用的近似发射条件的碎片4]。承载力和玻璃损伤程度的窗口的窗口系统及其组件也可以充分由数值模拟。然而,形成和发展的预测碎片或裂片blast-loaded夹层玻璃一直不够准确和数值模拟是一个挑战。还背后的分裂速度和分散窗口不能确定的数值。
2.3。选择代表负载场景
加载场景取决于特定的保护要求和当地条件。定义加载场景给出详细说明在国家法规或必须与基础设施运营商讨论/所有者或当局负责。攻击场景被认为是在设计一个结构通常表示的等效质量的三硝基甲苯(TNT)和对峙距离,例如,结构设计之间的距离和假定的爆炸源。的电荷的大小可以从[21]。不同的TNT当量等炸药,例如,季戊四醇四硝酸酯(PETN),是由(32]。
一般来说,数值模拟可以处理几乎任意加载场景结构元素的考虑。考虑到这些功能有关加载,重要的是要确保模拟场景可以与实验结果相比。为此,它将需要捕捉的实际加载结构组件检查与实验相同的逻辑。因此,建议记录在每个模拟产生的加载压力和脉冲的结构元素,特别是在计算流体和结构结合起来。
2.4。加载描述
爆炸波通常表现为一个压缩阶段,称为超压(压力高于环境压力的快速高度)。这种超压峰值然后其次是稀疏波诱导负相期间的压力低于环境压力。压缩阶段始于一个强劲增长的压力环境压力()到峰值压力()在微秒的时间尺度。图4显示了一个简化形式的冲击波的压力历史和显示相关的参数。更多的描述中给出的参数(22,33,34]。加载玻璃窗的重要性也是负相可以强大到足以把碎片,因为这是由积极的阶段外,特别是在结合回弹效应。
blast-loaded结构可以区分不同的加载条件:冲动、动态和准静态加载(图5)。加载和很短的时间(相对于结构的自然周期)被称为脉冲加载,在夹层玻璃窗户,他们常常导致一个剪切破坏边界或边界本身。加载持续时间较长的(动态加载)往往会导致弯曲模式失败的玻璃面板。只有非常缓慢发展压力(准静态加载)将由使用静态模拟负载。结构在考虑这些加载政权可以在所谓的示意图所示π(Pressure-Impulse)图(图5)。
3所示。玻璃系统的数值模拟的关键输入参数下爆炸
3.1。模型Discretisation
discretisation模型是基于真实结构的变换组件使用有限元素数值表示。元素的特点是三个主要参数:(我)元素类型(自由度)。(2)的节点数量/元素的顺序。(3)集成。
的一些元素类型是用于应力分析是呈现在图6(35]。这些元素类型的一个主要区别是他们的几何。元素也可以区分固体元素,壳牌,梁和桁架元素。
根据软件用来评估下玻璃系统的结构模型研究中,不同的元素类型是可用的和可以使用。自由度的数目相关的元素类型和基本变量在分析计算。对应力/位移自由度平移和模拟,为壳,管,和梁元素,平移和旋转。
元素可以实现线性(一阶)或二次(二阶)元素不同节点的数量。二次元素给每个元素精度高但通过使用更多的节点。通常,元素的增加订单提高结果的准确性相同的元素的大小。然而,元素的增加订单增加了CPU时间(计算时间)。通常,一阶波传播元素表现得更好。
数值方法用于集成各种数量在每个元素的体积。元素通常可以使用全部或减少集成,可以选择有重大影响的准确性元素对于一个给定的问题。使用减少集成还可以减少所需的CPU时间。减少集成主要是为了减少使用锁定的元素。这可能导致沙漏模式,应该避免。
在建模窗口面板或外观,应该考虑以下问题:(我)的几何形状窗口面板。(2)结构的设计(叠层、多层等)。(3)解决者用来分析结构的类型(显式的或隐式时间积分)。(iv)类型的损伤研究(脆性破坏、分层等)。(v)类型的结构组件之间的联系。(vi)边界条件。
夹层玻璃的模型discretisation是非常具有挑战性的。几个选项从单壳元素到三维实体元素是由落叶松et al。20.]。根据问题,平衡模型精度和计算时间之间应该选择。
绝缘夹层玻璃面板的一个例子及其框架如图7。关于模拟绝缘玻璃外墙的附加信息(36]。
3.2。材料模型
适当的材料模型应该选择最好的代表在检查加载条件下材料的行为和兼容模型中描述discretisation部分3所示。1。所有窗口组件的机械校准应该进行,根据玻璃系统类型,通过考虑到具体损伤本构行为和可能的应变rate-dependent现象。
材料模型的模拟夹层玻璃窗户和外墙通常基于以下理论:(我)线性行为与脆性破坏极限(开裂)。(2)塑性理论和塑性流动法则。(3)损伤理论。(iv)粘弹性和粘塑性的理论。
选择一个合适的理论取决于特定的应用程序,也就是说,在模拟的目的。一般材料模型应该尽可能简单但全面的。复杂的材料模型需要很多材料参数,这些模型并不总是可用,除了有时很难检查。
3.2.1之上。玻璃
玻璃是一种典型的脆性材料。一个线性弹性表示失败或侵蚀标准适用技术的兴趣。在大多数的情况下有时,一个塑料部分是添加为了淡出压力也慢的方式,减少数值不稳定问题如果这些模型不是物理材料。玻璃还没有足够的应变率行为调查。第一次失败结果表明,强度增加高应变率(37]。典型的材料参数值为钢化玻璃退火以及可以从38,39并给出了表2。
3.2.2。夹层
聚乙烯醇缩丁醛夹层材料模型很大程度上取决于考虑损伤水平。其行为直到第一个玻璃开裂可以假定为弹性应变以来仍然是非常小的。更准确的描述层间的行为变得很重要尤其是当玻璃杯破了。塑性材料法律可能,例如,代表了在高应变率加载行为很好当聚乙烯醇缩丁醛的卸载行为变得更加粘弹性。夹层材料给出的一些值(20.),在表2。
3.2.3。粘合剂和结构性密封剂关节
胶接头和结构密封胶通常是介绍了玻璃面板和金属之间的帧。文献引用可用于机械描述,例如,从生产商。一般来说,常用的胶粘剂和密封剂建筑玻璃应用程序通常的特点是低弹性模量,拉伸/剪切强度有限,大的极限应变。最简单的数值建模方法的力学描述结构性密封剂张力的等效线性弹性材料脆性行为(40]。一些塑封材料数据可以来自生产商的数据表41- - - - - -43]。
3.2.4。钢铁和铝组件
铝的应变率效应通常是小而钢高。根据结构配置、轴承结构的应变率可能较小。然而,Johnson-Cook实体法(44)可以代表许多金属材料的应变率和温度的行为。示例(31日]。
3.3。边界条件
分析爆炸响应的玻璃窗口或立面,有限元数值模型不仅要进行适当的验证和评估方面的力学描述的材料也通过适当地考虑到所有的主要影响参数。
具体地说,应小心注意每个窗口的数值建模组件(例如,玻璃面板,金属框架,以及它们之间可能的胶粘剂关节)和到建筑结构的连接9,20.]。
两个几何简化模型和详细计算模型可以被使用,如果适当的具体案例进行验证。简化的模型可以描述的一个例子一个窗口的形式3 d壳元素(玻璃),梁元素(金属框架)和机械连接器(正确校准,这样他们可以充分繁殖玻璃面板和框架之间的物理相互作用)。相同的建模方法可以扩展到玻璃系统,也就是说,幕墙组成的模块化单元,粗纱网系统和金属点连接器的玻璃面板(图8)。
适当的数值描述每个窗口组件应该适当的检查和验证对简单的分析模型或实验来自小样本/单facade组件。
在执行动态分析完整的三维实体有限元模型,应仔细考虑评估的正确描述胶关节和/或机械连接器。关于有限元模型的边界条件,存在特殊的设备/连接系统或括号之间的玻璃窗口和结构系统(例如,建筑物的混凝土板)应妥善考虑,以便预测效果的准确性由于设计爆炸荷载玻璃以及最大反应部队传送到子结构可以保证。
3.4。加载应用程序
数值方法可以分成两个主要团体:耦合与非耦合计算方法。耦合的方法可能需要在一个情况下,structure-fluid相互作用是很大的,例如,在一个非常灵活的结构,孤立的玻璃,轨迹片段,开口的玻璃。在一般情况下,加载定义是基于梯恩梯当量法。在任何情况下,必须谨慎使用梯恩梯当量的概念:方法确定梯恩梯当量,电荷几何,和有效性的范围必须指定46]。
3.4.1。非耦合的方法
压力引起的爆炸波可以根据正常的理论计算和斜激波反射,在球形冲击波的参数估计从经验公式或图表(例如,Kinney和格雷厄姆(23],Kingery和Bulmash [22])。这些负载功能可以使用如果没有改变之间的传播冲击波引爆点和研究结构(由于地形异常,其他障碍物,等等)。显然这种方法只考虑结构的动态行为(而不是周围的空气),和它的优点是计算成本要低得多。
3.4.2。耦合方法
更全面的爆炸模拟使用拉格朗日(ALE)任意模拟方案。啤酒的爆炸性和周围空气的模仿使用欧拉方法,典型的流体力学。气体材料的行为是模仿使用状态方程(EOS)模型相关材料的密度和内部的压力能量。为空气,这通常是理想气体定律和炸药,比如TNT, Jones-Wilkins-Lee (JWL)模型可以使用[29日]。结构受爆炸载荷是使用传统的拉格朗日方法建模。包括欧拉和拉格朗日元素之间的耦合,所以固体占据了欧拉拉格朗日结构空间和压力接口作为负载的固体结构。非耦合的方法相比,结果可能描述爆炸传播更好就足够小的元素。尤其是在多次反射的情况下,必须使用引导或阴影耦合方法。这个过程一般的计算时间更长的时间,因为它依赖于爆轰过程时间很短的特点。
3.5。敏感性研究重要的计算参数
敏感性研究的话题广泛,可以涵盖很多方面。本节主要关注一些重要参数分析等(我)网格大小和形状的元素定义,(2)参数材料造型。
3.5.1。网格大小和形状定义的元素
一些建议被写在[29日,31日),和表3提出了典型参数检查之前和期间模拟。大多数数值编码提供自己的质量检查,可以帮助工程师设计数学模型。
元素质量检查后,应由使用模型网格敏感性研究与不同的网格细化和比较的主要结果,如故障位置和大小,结构的最大挠度和最大应变(塑性应变)值。至少两个不同的网格细化应该给类似的结果以减少网格敏感性。
指导网格生成的另一种方法是评估的最高应力值出现,然后验证网格大小能够这些压力的梯度模型。如果坡度太陡,它可以生成一个错误估计的最大应力值。网融合在一个常见的例子(47]。
当地discretisation下面的一个例子,代表blast-loaded夹层玻璃板类似克兰兹等人的实验。18]。仿真是通过使用EUROPLEXUS [48)相同的方式提出的落叶松et al。20.使用分层的元素(线性)通过厚度。玻璃夹紧板两个钢框架,按照ISO 16933的定义,弹性条纹被放置在钢框架和玻璃。元素的大小、元素的个数和计算时间的表4。获得的结果(数据9和10)表明,粗网格的结果在不同的位移历史。这可能是由于粗网格的扩展边界条件的弹性条纹是广泛的。只有最好的网格管理代表的失败行为夹层玻璃的实验。最好的位移历史也很不同网格大小对粗网格大小,尤其是在反弹阶段。
3.5.2。材料模型参数
材料的选择模型定义输入参数的数量。例如,对于一个纯粹的弹性材料(如玻璃)的应力极限,将所需的材料参数分析(我)杨氏模量,(2)泊松比,(3)密度(由于动态结构响应),(iv)弹性极限压力。
在许多情况下,材料参数的数量大得多。例如,Johnson-Cook塑性模型的参数的数量(44](应变速率与温度有关的模型包括故障)通常是6。通常,更“高级”的材料模型,所需的输入参数就越多。
为了评估每个材料参数的影响,确定的程度是很有用的材料参数的值的不确定性。然后,一个选择是生成一个在每个材料参数敏感性分析以检查其对结果的影响。
可以使用不同的数学方法来解决这种类型的问题。基于一个迭代过程,几个模拟编码提供了一种数值方法进行这种类型的分析(优化问题)。
3.6。失败、骨折和侵蚀
一旦after-breakage行为必须模仿,失败的机制玻璃、夹层和框架变得重要。玻璃是易碎的失效行为。材料的失败导致骨折,数值方法可以应用来描述这样的效果。最合适的显式有限元方法是侵蚀。元素,达到故障判据从元素中删除表和没有更多的考虑在计算。删除质量必须得到控制或移动到相邻的元素。裂缝宽度定义为元素的大小,因此小元素必须从一开始就使用模拟或其他元素的分裂方法或自适应性49可以使用)。得到其他的可能性给出的伽辽金方法或扩展有限元法(XFEM)或直接分裂的元素。
4所示。验证和评估性能
4.1。数值模型的验证
数值方法和材料应由实验数据验证模型。验证应包括以下:(我)基本材料测试,即用于适当的力学描述的玻璃和其他窗口组件(例如,夹层,夹层玻璃和框架,胶粘剂关节,和机械连接器)。基本材料测试将是适当的,即使这是在大多数情况下,既不可能也不成本效率。数据从文学或制造商的产品可以替代的材料测试。(2)结构性测试:单独的玻璃窗口组件(玻璃面板、框架、和连接器),以及相应的结构相互作用,应该得到充分的验证。(3)网格敏感性研究:它必须执行,如前所述,为了验证该模型。
非线性分析的目的是模拟的结构行为和确定结构阻力。等任务也可以制定一个预测的最可能的阻力,然后将极限强度的平均值。因此,选择平均阻力由非线性分析作为安全评价的参考。由于材料特性的随机变化的不确定性(可能还有其他参数的阻力)可以被描述随机变化的阻力。另外一个模型不确定性必须包括分开。
4.2。从文学的例子进行验证实验
为了验证数值模型实验数据是必要的。适当的实验并不是经常可以提前。表5包括一些组实验,发表在公开文献,可用于模型的开发和验证。
4.3。业绩评估
结果的解释可以在几个方面进行。损伤参量或失败限制一起的侵蚀则可以识别裂缝玻璃,夹层,或其他结构组件。模拟结果在一个完全的国家可以被称为一个完整的保护,没有任何玻璃碎片的内部。假设一个模型,可以表示层间的失败,对模拟结果的夹层,它可以表示,房间的室内不受大的玻璃碎片。也失败的窗口可以区分窗口边界附近的剪切破坏和弯曲破坏中间的窗格。最后,点连接器可能有不同的局部破坏机制。之间的相互作用的力锚/链接和周围结构还应该检查以避免失败。
4.4。关于实际的标准数值模拟领域的应用
表1显示了通常的风险水平建立了实验。他们代表的形成和投影方式碎片或碎片在夹层玻璃窗口。夹层玻璃的碎片还不能很好地代表数值模拟。因此,对风险水平,数值模拟只能被视为补充实验调查。
关于具体的风险水平ISO 16933:2007 [15),一个想法的建议解释数值模拟结果和相应的风险水平,B、C可以显示在表6。计算方法和模型的最终发展应该使更多的可靠的结果及其分配更高的风险水平,。
5。结论
已经审查的能力数值模拟来评估blast-loaded夹层玻璃窗户和外墙,在某些情况下使用来确定相关的风险水平。
强调,应特别重视数值模型的验证,因为选择加载条件下,材料参数和边界配置可能会强烈影响的结果。特别是,本文提出了一个正在进行的活动的第一步对欧洲标准化。下一步将进一步阐明这些发现并讨论它们与责任技术委员会有关EN ISO标准。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
导致这些结果的研究收到了来自欧盟的资金在欧洲参考网络关键基础设施保护(ERNCIP)项目主持联合研究中心(JRC)、欧盟委员会(European Commission), 2749年通过大肠费米,这里,瓦雷泽(VA),意大利。