Experimental validation of the response of a full scale frame building subjected to blast load

A. PROJECT OVERVIEW

This project is supported by a grant of the Romanian National Authority for Scientific Research and Innovation, CNCS/CCCDI - UEFISCDI, project number PN-III-P2-2.1-PED-2016-0962, within PNCDI III.

Project Director

Florea Dinu

Dept. of Steel Structures and Structural Mechanics

Ioan Curea 1, 300224 Timisoara, Romania

Phone: +40 256 403 927

Mail: florea.dinu@upt.ro

Abstract

Blast load are events with very low frequency of occurrence but with extraordinary consequences. In order to protect the assets and human lifes, we need to address the risk. Because the blast hazards cannot be completely eliminated, the risk can be reduced by reducing the vulnerability. Enhancing the local strength of building components and creating alternate load paths are two main ways to reduce the vulnerability and increase the robustness. The structural robustness is the ability of a structure to withstand extreme events without being damaged to an extent disproportionate to the cause. However, the design requirements for robustness (Eurocodes) are rather generic and do not deal with specific cases, e.g. blast. As a result, significant contributions to the development of comprehensive robustness design guidelines are urged. Due to the complexity (effect, response), research needs to be directed to experimental testing. In this context, the project aims to provide the validation of a full-scale building structural frame system under internal and external blast loading in laboratory environment (TRL4). The demonstration model integrates all components of a building. Explosive charges with different masses will be detonated at different locations (scaled distance Z). As Z reduces, the peak overpressure increases, causing heavier damages or complete removal of elements. Blast pressure will be measured using sensors while response will be measured using strain gauges, shock accelerometers, digital image correlation and laser scanning. Structural identification will be applied to assess the performance of the building (damage level, residual capacity). Supporting information comes from CODEC project (PCCA 55/2012), where individual components and scaled sub-assemblies were tested under different loading conditions associated with blast or column removal (TRL3). Within TRL3, the behavior of structural components was tested experimentally and validated numerically.

Consortium

Coordinator (CO) – Politehnica University of Timisoara

Partner 1 (P1) - INSEMEX Petrosani (http://www.insemex.ro)

Objectives

The experimental and numerical validation of blast load models and structural response of a typical frame building system under blast loading

The development of a procedure to apply structural identification to components of a full-scale building structure with structural deterioration resulting from an internal or external blast

The integration of structural detailing for mitigation of progressive collapse in case of a blast loading in a general methodology for protection against extreme actions that can cause the loss of a structural building member (e.g. earthquakes)

B. PARTNERS

The consortium involves two partners: a technical university and a national research institute.

Project Coordinator

Politehnica University of Timisoara

Research infrastructure

The National Institute for Research and Development in Mine Safety and Protection to Explosion : INCD – INSEMEX;

Research infrastructure

C. PROJECT PHASES

C2 -rezumat activitati etapa I/2017

Etapa I/2017 a proiectului a cuprins opt activități principale:

Activitatea I.1: Analize preliminare privind efectele exploziilor interne si externe asupra clădirilor
Activitatea I.2:Proiectarea specimenului experimental la scara reala si a specimenelor pentru încercări pe materiale
Activitatea I.3: Fabricarea specimenului experimental la scara reala si a specimenelor pentru încercări pe materiale
Activitatea I.4: Încercări experimentale pe materiale pentru determinarea caracteristicilor fizico-mecanice
Activitatea I.5: Montajul clădirii la scara reala pe platforma pentru încercări la explozie
Activitatea I.6: Încercări experimentale pe clădirea la scara reala la acțiunea exploziilor interne
Activitatea I.7: Pregatire incercări experimentale pe clădirea la scara reala la acțiunea exploziilor externe
Activitatea I.8: Diseminarea rezultatelor cercetărilor

In cadrul activității I.1 au fost realizate analize preliminare privind efectul exploziilor asupra clădirilor. Studiile au avut ca obiectiv principal alegerea scenariilor de explozie in vederea proiectării modelului experimental. Au fost analizate mai multe modele in cadre din otel, exploziile fiind variate ca poziție si cantitate de exploziv. In final s-a optat pentru un model cu doua deschideri, doua travei si doua etaje.

Activitatile I.2 si I.3 au cuprins proiectarea si fabricarea modelului experimental. Proiectarea structurii s-a facut pe baza prevederilor din normele nationale (aliniate la cele europene), fara considerarea unor actiuni accidentale (explozii). Pe baza proiectului s-a realizat documentația de fabricație si montaj constând in desene (de ansamblu, de detaliu), liste de materiale si caiete de sarcini.

Din fiecare tip de element (profile de stâlpi si grinzi, placi de tabla) si element de îmbinare (șuruburi) s-au prelevat probe care au fost încercate in laborator pentru determinarea caracteristicilor fizico-mecanice (Activitatea I.4).

Structura metalica a fost transportata in poligonul pentru încercări din cadrul Insemex Petrosani (partener in proiect). Ancorarea structurii in teren s-a facut prin intremediul unor buloane de ancoraj prinse intr-o retea de grinzi de fundare. Prinderile finale cu suruburi s-au facut controlat prin introducerea unor momente la cheie prestabilite (Activitatea I.5).

Activitatea I.6 a inclus teste la explozie produse la interiorul cladirii. Au fost pregatite incarcaturi de proba de 143 g pozitionate in diverse puncte de la parter. Detonările s-au făcut in mai multe etape pentru a se calibra sistemul de achiziții de date (senzori de presiune, senzori de accelerație pe structura, timbre tensometrice pe structura, seismometre pe teren). Testele au fost făcute fără dispunerea de încărcări gravitaționale pe planșee. Activitatea I.7 a constat in verificări preliminare asupra caracteristicilor încercărilor cu explozii externe care vor fi desfășurate in cadrul Etapei II/2018.

Etapa 2/2018 a proiectului a cuprins patru activitati activități principale si anume:

Activitatea 2.1: Încercări experimentale pe clădirea la scara reala la acțiunea exploziilor externe
Activitatea 2.2: Validarea si precalificarea in condiții de laborator a comportării unei clădiri la scara reala supusa la explozii interne si externe (TRL4)
Activitatea 2.3: Identificarea modificărilor structurale si descrierea avariilor structurale/nestructurale cauzate de explozii interne si externe
Activitatea 2.4: Workshop FRAMEBLAST si diseminare

In cadrul activității 2.1 au fost realizate teste experimentale la explozie pe modelul fabricat si montat in etapa 1/2017. Încărcăturile explozive de diverse mase au fost plasate in diferite poziții fata de structura si la diferite înălțimi pana la cedarea completa a unui elemente structural principal (stalp). Instrumentarea a inclus senzori de presiune, accelerometre, timbre tensometrice si camere video de mare precizie. După fiecare serie de teste s-au facut de asemenea măsurători de vibrații, masuratori de deplasari folosind statii totale. Inainte de testare, structura a fost incarcata cu sarcini gravitationale la ambele nivele.

Activitatea 2.2 a cuprins prelucrarea datelor experimentale obtinute in cadrul activitatii 2.1 si calibrarea răspunsului modelului experimental global pe baza datelor experimentale. Calibrarile au avut in vedere parametrii de raspuns structural local (deformatii specifice, rotiri) si global (deplasari verticale si laterale, moduri de vibratie) si de asemenea corectarea legii de presiune din explozie in diferite puncte de pe structura si la diferite secvente de timp.

In cadrul activitatii 2.3 au fost identificate modificarile la nivel structural dupa fiecare explozie folosindu-se rezultatele experimentale obtinute (deformatii specifice, deplasari). Aceste modificari au fost corelate cu modificarile proprietatilor dinamice ale structurii. Prin asocierea schimbarilor la nivelul frecventelor si a modurilor proprii de nivelul de degradare s-a putut evalua starea de degradare produsa de presiunea eliberata de explozie.

Activitatea 2.4 a cuprins activitati de management, coordonare si diseminare la nivelul proiectului. Planificarea si coordonarea activitatilor au tinut cont de contributiile specifice ale partenerilor si de cele generale ale proiectului. Au avut loc mai multe intalniri de lucru care au fost desfasurate atat la poligonul de incarceri de la Insemex cat si la UPT. Au fost utilizate de asemenea platforme media pentru videoconferinte si transferul de informatii intre parteneri.

Promovarea proiectului FRAMEBLAST si diseminarea rezultatelor cercetărilor au fost permanent avute in vedere. Astfel, au fost pregatite si publicate lucrari stiintifice la conferinte si in reviste, au fost facute prezentari orale in cadrul unor manifestari stiintifice si au fost prezentate rapoarte tehnice in cadrul unor comitete tehnice ale asociațiilor profesionale. Rezultatele au fost de asemenea folosite la lansarea unor proiecte de cercetare nationale si internationale si ca suport pentru lucrari de dizertatie si doctorat. A fost organizat de asemenea un Workshop in care au fost prezentate rezultatele analizelor numerice, instrumentarea structurii pentru testarea in situ si teste la explozii externe. A fost de asemenea actualizata pagina web a proiectului.

Promovarea proiectului FRAMEBLAST si diseminarea rezultatelor cercetărilor (Activitatea I.8 si Activitatea II.4) au fost permanent avute in vedere in anul 2017 prin:

prelegerile invitate la conferințe
lucrări publicate (sau trimise spre publicare) la conferințe sau reviste de specialitate
suport pentru teze de doctorat si lucrări de dizertație
suport pentru propuneri de proiecte de cercetare internaționale
pagina de internet
rapoarte tehnice prezentate in cadrul unor comitete tehnice ale asociațiilor profesionale

C3 -Rezultate etapa I/2017

Raport tehnic: Modelarea acțiunii exploziei si a răspunsului clădirilor in cadre
Evaluare si coordonare - Desene de execuție si montaj si specificații de material pentru programul experimental
Structura metalica finita si specimene pentru încercări pe materiale din structura
Raport tehnic privind rezultatele încercărilor pe materiale
Raport tehnic privind rezultatele încercărilor la explozii interne si externe pe clădiri la scara reala
Evaluare, coordonare si diseminare

Rezultate etapa II/2018

Raport tehnic privind validarea numerica a rezultatelor încercărilor la explozie pe o clădire la scara reala
Recomandări privind evaluarea încărcării din explozie
Recomandări privind evaluarea răspunsului structurilor in cadre supuse încărcărilor din explozie
Modele numerice validate pe baza rezultatelor experimentale
Evaluare, coordonare si diseminare

Raport tehnic etapa I/2017

Raport tehnic etapa II/2018

Phase	Phase title
1	Preliminary analyses and design of experimental program Preliminary analysis of external blast load on the building envelope Preliminary analysis of internal blast on the structural/nonstructural building elements Design of experimental full scale building model Design of small scale tests for materials and components Fabrication of full scale test specimen and material samples and components
2	Experimental program Experimental tests on materials and components Erection of full scale building at the testing facility Experimental tests on full scale building model under internal blast Experimental tests on full scale building model under external blast
3	Validation of a full scale building structural frame system under blast loading in laboratory environment Validation and qualification of full scale testing due to internal and external blast load in laboratory environment Structural identification and damage characterization of building components with damages due to internal and external blast