A. PROJECT OVERVIEW
This project is supported by a grant of the Romanian National Authority for Scientific Research, UEFISCDI, PN-III-P2-2.1-PED-2019-1765, contract nr. 279PED/2020.
Project Director
Dept. of Steel Structures and Structural Mechanics
Ioan Curea 1, 300224 Timisoara, Romania
Phone: +40 256 403 912
Mail: florea.dinu@upt.ro
Abstract
Explosions produced in urban or industrial areas are low-probability / high-impact events. If distance from buildings or other constructions is small, explosions can cause structural failures (local damage of structural members or even global failures) and serious injuries or deaths. Preventing building collapse is essential to minimizing casualties among building occupants. However, experience has shown that even if the collapse is prevented, high number of injuries can result from fragments and flying debris from non-structural components. This risk could be minimized through building design, avoiding specific building materials, detailing, and construction techniques. However, in the EU normative framework no guidelines are provided for external accidental or intentional explosions. Therefore, there is a strong need to support the development of design rules and best practice strategies for designers, practitioners, and other stakeholders involved in site planning, building design and urban risk reduction.
Rezumat
Exploziile produse în zone urbane sau industriale sunt evenimente cu probabilitate redusă, dar cu potential distructiv ridicat. Daca exploziile se produc la mică distanță, apar avarii structurale (cedari locale, colaps) și implicit victime (ranire grava, deces). Prevenirea prăbușirii clădirii este deci esențială pentru a reduce pierderile de vieti omenesti. Cu toate acestea, chiar daca exploziile nu conduc la prăbușirea clădirii, resturilor desprinse din elementele de închidere pot produc numeroase victime. Acest risc poate fi redus prin proiectarea adecvata a clădirii și renunțarea la anumite materiale, detalii de alcătuire și tehnici de construcție. Cu toate acestea, în cadrul normativ european, nu exista prevederi privind protectia impotriva exploziilor externe accidentale sau intenționate. Așadar, există un real interes in elaborarea de reguli de proiectare și norme de bune practici pentru proiectanți, constructori și autoritati.
Proiectul urmareste cresterea nivelului de siguranta al sistemelor de inchidere pentru cladiri, oferind ocupanților protecție împotriva efectelor directe (unda de presiune) și a celor secundare (fragmente si resturi proiectate cu viteza) în urma unei explozii. Deși sistemele de inchidere cu mase/rigiditati mari au fost mult timp considerate adecvate protejării clădirilor împotriva amenințărilor de tip explozie, sistemele ușoare și flexibile sunt din ce în ce mai utilizate în clădirile moderne. Permițând producerea unor avarii (dar nu fragmentare), un astfel de sistem oferă protectie adecvata în cazul unei explozii. Modelul demonstrativ include mai multe tipologii de elemente de inchidere, adoptate pe scara larga la clădirile in cadre, care sunt fixate pe o structură in cadre din oțel 3D și testate împotriva exploziilor produse la diferite distante. Sunt vizate si sistemele de fixare/ancorare a panourilor de pereți, deseori proiectate si detaliate pe bază empirică, a caror performanta va fi validata în condiții de solicitare extremă.
Consortium
Coordinator (CO) – Politehnica University of Timisoara
Partner 1 (P1) - Technical University of Cluj-Napoca
Partner 2 (P2) - INSEMEX Petrosani (http://www.insemex.ro)
Objectives
The main objective of the project is the development of a performance based robustness design methodology for mitigation of progressive collapse of multi-story frame buildings against extreme load events coming from both natural and man-made hazards. The ability of the research team and each individual partner in conducting the research project and providing the anticipated outputs comes from the experience that has been gathered in previous work and their contribution to the state of the art. Partners involved in the project have brought many contributions to the relevant issues of the field. The outcome of their activity is reflected in scientific papers, national and international research projects and also dissemination of knowledge
B. PARTNERS
The consortium involves three partners: two technical universities and a national research institute.
|
|
Project Coordinator Politehnica University of Timisoara |
|
|
Technical University of Cluj-Napoca
|
|
|
The National Institute for Research and Development in Mine Safety and Protection to Explosion : INCD – INSEMEX; |
C. PROJECT PHASES
Phase 1
WP1: Preliminary analyses, design and fabrication of experimental specimens
Objectives
- Review of existing analytical/numerical methods and experimental results for evaluating the blast response of enclosure walls and façade systems.
- Identification of gaps in knowledge and the practice needs
- Design of experimental program and fabrication of test models
Task 1-1: Preliminary analysis of building envelope under external explosions
Task 1-2: Design of experimental full-scale wall specimens for explosion tests
Task T1-3: Design of full-scale substructure specimens for static test
Full-scale substructure specimens for static test
Task T1-4: Design of small-scale specimens from materials and components
Task T1-5: Fabrication of full-scale specimens, material coupons and connection components
Phase 2
WP2: Experimental program
Objectives:
Characteristics of materials from different components of the wall assemblies and connections
Evaluation of the ultimate load bearing capacity of the wall system under quasi-static conditions. Two types of tests are planned, first under a concentrated load in the middle of the wall, and second under a distributed load. It the first test, the wall is loaded in a similar manner to a near-field explosion (but static), while second test is similar to a far field explosion, where the pressure is almost uniform.
Full-scale tests on wall specimens mounted on the existing building frame structure. The wall system is attached to the structure and tested for different explosions (charge weight, W, and stand-off distance, R.
Rezumatul etapei
Etapa 2/2021 a proiectului a cuprins cinci activități principale si anume:
- Activitatea 2.1: Teste experimentale pe materiale și componente de imbinare
- Activitatea 2.2: Teste in regim static pe substructuri de perete
- Activitatea 2.3: Teste la explozie pe clădirea cu închideri
- Activitatea 2.4: Calibrarea modelelor numerice pe baza datelor experimentale
- Activitatea 2.5: Diseminare prin lucrări științifice publicate in reviste/ proceedings si rapoarte tehnice disponibile online
In cadrul Activitatii 2.1 au fost desfășurate cercetari experimentale pe detalii de imbinari folosite la prinderea panourilor de perete testate experimental (casete si panouri sandwich). Detaliile de imbinari au fost realizate din aceleasi materiale (panou, surub) si au fost testate folosind mai multe protocoale de incarcare care sa permita evaluarea capacitatilor de raspuns asteptate. Avand in vedere complexitatea comportarii panourilor si lipsa unor protocoale specifice, testele au fost realizate in doua etape si anume:
teste preliminare, desfasurate inainte de testele la scara reala. Rezultatele au fost folosite la detalierea prinderilor pentru testele la scara reala
teste suplimentare, desfasurate dupa realizarea testelor la scara reala. Acestea au avut rolul de a furniza detalii suplimentare legate de modul de cedare (in special pentru cazurile in care protocoalele actuale nu ofera rezultate concludente)
Pe baza rezultatelor obținute la testele preliminare pe îmbinări, s-a trecut la Activitatea 2.2, care a constat in teste in regim static pe sisteme de perete (panourile de perete cu elemente sandwich si rigle de perete si respectiv casete). Testele au fost conduse pana la cedarea completa a substructurilor. Deschiderile folosite sunt identice cu cele utilizate pe modelul la scara reala folosit la testele la explozie.
Rezultatele obtinute au condus la ajustari in programul de testare la explozie (Activitatea 2.3), in special la detalierea prinderilor dintre panouri si sistemul suport (stalpi, rigle de perete). Testele la explozie au cuprins doua distante de siguranta, sarcinile explozive fiind crescute pana la cedarea completa a peretilor.
Pe baza rezultatelor obtinute in Activitatile 2.2 si 2.3, in cadrul Activitatii 2.4 s-au construit modele numerice folosind programele ELS ai Abaqus. Calibrarea modelelor experimentale s-a facut folosind datele experimentale obtinute in testele statice si testele la explozie.
Activitatea 2.5 a cuprins diseminarea prin lucrări științifice (publicatii in reviste si proceedinguri de conferinte) si rapoarte tehnice. O parte din aceste rezultate sunt disponibile pe pagina web a proiectului (https://www.ct.upt.ro/centre/cemsig/safe-wall.htm).
Task 2-1: Experimental tests on materials and components
a)
b)
c)
d)
e)
Experimental tests on materials and components: a) linear trays tensile test; b) SP sheeting tensile test; c) linear trays connection shear test; d) SP shear + bending test; e) SP pull-through test
Task 2-2: Full-scale static tests on wall sub-structures
a)
b)
Test setup for full-scale tests under static loading: a) point load test; b) uniformly distributed load test
Task 2-3: Full-scale blast tests on wall-frame structure systems
a)
b)
c)
Full-scale structure used for site blast testing: a) existing frame building; b) far-field blast, pressure distributed along a large wall area; c) near-field blast, with pressure localized around the center of detonation (sandwich panels and linear trays)
T2.4 Numerical model callibration
Calibration of numerical models against test data: a) linear tray component; b) linear tray full scale blast test
PHASE 3
WP3: Validation of a full-scale building envelope under blast loading in laboratory environment
Objectives:
Development of an integrated wall /structure model using advanced numerical modelling (Extreme Loading for Structures ELS)
Wall/façade systems and detailing with enhanced response against accidental blast events
Rezumatul etapei
Etapa 3/2022 a proiectului a cuprins trei activități principale si anume:
- Activitatea 3.1: Validarea răspunsului sistemului de închidere al unei clădiri la acțiunea exploziei in condiții de laborator (TRL4)
- Activitatea 3.2: Simulări numerice pe sisteme de perete cu comportare îmbunătățită la explozie
- Activitatea 3.3: Diseminare prin lucrări științifice publicate in reviste/ proceedings si rapoarte tehnice disponibile online
Activitatea 3.1 a inclus prelucrarea datelor experimentale obținute in cadrul Etapei 2 (teste in regim static pe panouri si componente de îmbinare, teste la explozie pe sisteme de închideri montate pe o structura metalica) si calibrarea răspunsului modelelor experimentale pe elemente de panou si integrate (panouri + structura principala) pe baza datelor experimentale. Calibrările au avut in vedere parametrii de răspuns structural local (deformații specifice, capacități de rezistenta si deformație pe prinderi) si global (deplasări laterale pe panouri si structura) si corectarea legilor de presiune din explozie in diferite puncte de pe structura in funcție de distanta fata de încărcătură si tipul de panou de închidere .
In cadrul Activității 3.2 au fost realizate simulări numerice pe sisteme de perete cu comportare îmbunătățită la explozie. Rezultatele obtinute in regim static pe panouri si componente de imbinare si testele la explozie au permis identificarea parametrilor principali care permit cresterea capacitatii de rezistenta si deformatie a sistemelor de inchidere folosite (numarul de conectori si detaliile de prindere, distante pana la margine, rigiditatea sistemului de sustinere, distanta de siguranta fata de explozie). Programul numeric a inclus mai multe seturi de parametri si a pus in evidenta efectul lor asupra capacitatii ultime a sistemului de inchideri.
Activitatea 3.3 a cuprins activități de management a proiectului si de diseminare a rezultatelor obținute. Planificarea si coordonarea activităților au ținut cont de contribuțiile specifice ale partenerilor si de obiectivele generale ale proiectului. Au avut loc mai multe întâlniri de lucru care au fost desfășurate la poligonul de încercări de la Insemex, la Laboratorul de Construcții Metalice de la UPT si de asemenea la UTCN. In plus, au fost utilizate platforme media pentru videoconferințe si transferul de informații intre parteneri.
Promovarea proiectului SAFE WALL si diseminarea rezultatelor cercetărilor au fost susținute permanent. Astfel, au fost pregătite si publicate lucrări științifice la conferințe si in reviste de specialitate, au fost făcute prezentări orale in cadrul unor manifestări științifice si au fost prezentate rapoarte tehnice in cadrul unor comitete tehnice ale asociațiilor profesionale. Rezultatele au fost de asemenea folosite pentru pregătirea unor proiecte de cercetare naționale (a fost depusa propunerea de proiect “Damage mitigation by water-filled containers for contact and near field blast loadings against steel structures” in cadrul competiției Proiecte experimental demonstrativ (PED), 2022) si ca suport pentru lucrări de dizertație si de doctorat. A fost de asemenea actualizata pagina web a proiectului (https://www.ct.upt.ro/centre/cemsig/safe-wall.htm).
T3.1 Validation of full-scale blast test model in laboratory environment - TRL 4
Numerical model for static test with linear trays and lateral supports
Numerical modeling vs. experimental results for linear tray – static tests
3D structure numerical modeling with linear trays for blast tests
T3.2 Numerical simulations on external wall systems with enhanced protection against explosive threats
Blast wave and contact with the wall system
a)
b)
c)
Blast analysis – unprotected linear tray, 6 bolts/linear tray, for different blast loads: a) maximum displacement vs. time; b) axial force in linear tray vs. time: c) shear force in bolt vs. deformation (the blast load is expressed in kg)
Unprotected linear tray failure against blast load – 6 bolts /linear tray, blast load 1.144 kg
Deformed shape of the wall system after failure (laser scan with scanner Z+F IMAGER 5010C)
Deformation variation on linear tray length at failure (laser scan with scanner Z+F IMAGER 5010C)
a)
b)
c)
Blast analysis – unprotected linear tray, 4 bolts/linear tray, for different blast loads: a) maximum displacement vs. time; b) axial force in linear tray vs. time: c) shear force in bolt vs. deformation (the blast load is expressed in kg)
a)
b)
c)
Blast analysis – unprotected linear tray, 2 bolts/linear tray, for different blast loads: a) maximum displacement vs. time; b) axial force in linear tray vs. time: c) shear force in bolt vs. deformation (the blast load is expressed in kg)
a)
b)
Blast analysis – unprotected linear trays, 2 bolts/linear tray, for two different lateral support stiffnesses: a) maximum displacement vs. time; b) shear force in bolt vs. deformation (the blast load is expressed in kg)
D. PUBLICATIONS
Abstracts accepted at international conferences:
- Florea Dinu, Ioan Marginean, Robert Laszlo, Ayman Elfouly, Jean-François Demonceau, Numerical simulations of near field blasts against light steel based building facades, 19th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Dresden, Germany, 19-23 septembrie, 2022 (Anulat).
- Florea Dinu, Calin Neagu, Mihai Senila, Robert Laszlo, Emilian Ghicioi, Near field experimental blast tests on a full scale building with liner tray walls, 19th International Symposium on Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Dresden, Germany, 19-23 septembrie, 2022 (Anulat).
articles published at national conferences:
- Dinu Florea, Călin Neagu, Ioan Mărginean, Robert Laszlo, Emilian Ghicioi, Mihai Senila, Bogdan Heghes, Horia Constantinescu, Incercari experimentale la explozii externe pe pereti de inchidere neportanti, a XVII-a Conferință Națională de Construcții Metalice, 7-8 aprilie 2022, București, pg. 125-132, Ed. ConsPress, ISBN 978 973 100 528 7.
- Florea Dinu, Călin Neagu, Ioan Mărginean, Dominiq Jakab, Viorel Ungureanu, Dan Dubină, Ovidiu Abrudan. Evaluarea experimentală a capacității ultime a panourilor sandwich de perete. A XVII-a Conferință Națională de Construcții Metalice, 7-8 aprilie 2022, București, pg. 39-48, Ed. ConsPress, ISBN 978 973 100 528 7.
articles published at international conferences:
- D. Jakab, F. Dinu, A. Stratan, I. Marginean, and D. Dubina, “Multi-hazard Robustness Assessment of Seismic Resistant Dual Frame Concentrically Braced Frames,” in Proceedings of the 10th International Conference on Behaviour of Steel Structures in Seismic Areas STESSA, Cham, 2022, pp. 405–413, DOI 10.1007/978-3-031-03811-2_41.
- G. Vasilescu, F. Dinu, A. Kovacs, R. Laszlo, and C. Miron, “Safety assessment of industrial locations under the effects generated by controlled explosions,” MATEC Web Conf., vol. 342, p. 01001, 2021, doi: 10.1051/matecconf/202134201001.
PHDs supported by the projected:
- Titlul tezei de doctorat: Îmbunătățirea rezilienței clădirilor existente solicitate la acțiuni extreme folosind sisteme metalice avansate, Doctorand: Dan CONSTANTINESCU, Coordonator: Prof.dr.ing Florea DINU
- Titlul tezei de doctorat: Sisteme structurale metalice si mixte otel-beton cu robustete ridicata la actiuni extreme Doctorand: MIRON AURA - GEORGETA, Coordonator: Prof.dr.ing Florea DINU
- Titlul tezei de doctorat: Monitorizarea pre- și post-dezastru în acțiunile de intervenție și reconstrucție a clădirilor, Doctorand: ZDRENGHEA PAUL-CRISTIAN, Coordonator: Prof.dr.ing Florea DINU
- Titlul tezei de doctorat: Rezilienta multi-hazard a cladirilor multietajate cu structura in cadre din otel, Doctorand: LINDIRI SIMONE, Coordonator: Prof.dr.ing Florea DINU
Project proposals:
PNCDI III - Programme 2 - Subprogramme 2.1. Competitiveness by research, development and innovation Experimental - Demonstration Project 2021, Protecția structurilor metalice împotriva exploziilor produse la mica distanta folosind recipiente umplute cu apă (Damage mitigation by water-filled containers for contact and near field blast loadings against steel structures) Watblast, PN-III-P2-2.1-PED-2021-2164. In urma evaluarii, propunerea de proiect a primit 91.2 puncte, fiind inclusa in lista de rezerva).
E. LINKS
UEFISCDI — Executive Agency for Higher Education, Research, Development and Innovation Funding
ESF — European science foundation
ECCS — European Convention for Constructional Steelwork
WBDG - Whole Building Design Guide
FEMA — Federal Emergency Management Agency