Blast performance of brms structures with sliding foundation & effects of dynamic interaction of structural members on esdof blast analysis

Abstract

Growing terror threat and accidental blast incidents can have significant consequences including structural collapse, personal casualties, and financial losses. Therefore, blast performance of structures is becoming an important design consideration for not only military structures but also for structures located at or near potential explosion sites such as petrochemical industry. However, blast resistant structures can be extremely costly due to high magnitude of blast loads. To minimize cost, prefabricated blast resistant modular steel (BRMS) structures are becoming more common as economic solutions especially in petrochemical industry. Typically, these structures are anchored to their foundation, however this type connection results in large foundation reactions and as a consequence very large and costly foundations. Therefore, occasionally these structures are just left on top of their foundation without any connection to their foundation, which is known as “free-to-slide” foundation to minimize foundation reactions and cost. In the first part of this study, blast performance of a two-module BRMS building was determined by performing 3D nonlinear dynamic blast analysis for different foundation cases including anchored and free-to-slide foundations with different sliding properties. Blast performance of structural members was compared for each foundation case to determine effects of foundation type on blast performance of structure and its members. Performing dynamic blast analysis with large 3D finite element models, where contact and separation is modelled requires significant computational resources. Therefore, this study investigated viability of using anchored foundation and neglecting sliding for conservatively evaluating blast performance of free-to-slide structures. In the second part of this study, feasibility of using equations of rigid body motion for structures with free-to-slide foundation to determine their horizontal acceleration, velocity, and sliding histories under blast loads was investigated. For this purpose, a simple and computationally cheap nonlinear numerical integration method was developed and verified with FE models. Accuracy of using this rigid body approach to predict building sliding distance, velocity, and acceleration were determined as well as its foundation horizontal and vertical reactions. In the last part of this thesis, effects of dynamic coupling of inter-connected structural elements on their blast performance and viability of using uncoupled single degree of freedom (USDOF) blast analysis method were evaluated by performing blast analysis of a girder-beam system. Effects of structural interaction (coupling) on blast performance of girder-supported beam was evaluated by performing blast analysis for both elastic and elastic-perfectly plastic girder-beam systems. The ratio of vibration periods of the girder and supported beam were changes from 0.125 to 4.0 to determine effects of structural coupling between the members for different relative stiffness of structural members. The results and findings were used to provide guidance on limitations for use of USDOF blast analysis method.

Artan terör tehdidi ve patlama kazaları; bina hasarları, can kayıpları ve ekonomik kayıplar gibi kötü sonuçlar doğurabilmektedir. Bu sebeple, binaların patlama yükleri altındaki dayanım performansları günümüzde daha önemli bir dizayn unsuru halinde gelmektedir. Patlama dizaynı sadece askeri binaların dizaynında değil, aynı zamanda patlama kazası riski büyük olan petrokimya endüstrisinde kullanılmaktadır. Bununla birlikte; patlamaya dayanıklı binalar, patlama yüklerinin büyük olması sebebiyle çok maliyetli olabilmektedir. Bu maliyetleri azalttığı için, özellikle petrokimya endüstrisinde, prefabrik patlamaya dayanıklı modüllü çelik binalar, ekonomik çözümler olarak her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Bu modüler binalar genellikle temellerine kalıcı olarak sabitlenmektedir ve bu sabitlenen temel bağlantıları çok büyük temel yüklerine, dolaylı olarak ta çok büyük temellere ve maliyetlere sebep olmaktadır. Bu sebepten, bu binaların temlerine bağlanmadığı veya patlama yüklerinde binanın yanal yer değiştirmelerini engellemeyecek tasarımlar yaygınlık kazanmakta. Bu şekilde modüler binaların, temelinin üstünde hareketi kısıtlanmamış olmakta, temel yükleri ve dolaylı olarak ta temel maliyetleri en aza indirilmiş olmaktadır. Bu tezin ilk bölümünde, iki modüllü bir "patlamaya dayanıklı modüler çelik" binanın 3 boyutlu doğrusal olmayan dinamik patlama analizi ile patlama performansı incelenmiştir. Bu çalışmada sabit ve sabit olmayan (kayan) temel tipleri gibi farklı kayma özelliği olan temel tiplerinin yapının patlama yükleri altındaki performansına etkileri incelenmiştir. Temel tiplerinin, binaya ve yapı elemanlarına etkisini anlamak için; farklı temel bağlantı durumlarının yapının patlama performansına etkileri karşılaştırılmıştır. Yapı temel etkileşiminin modellendiği 3 boyutlu sonlu elemanlar modelleri ile dinamik patlama analizleri yapmak, yüksek performanslı bilgisayarlar gerektirmektedir. Bundan dolayı bu çalışmada, kayan temel tipli yapıların sabit olarak incelenmesinin yapının patlama performansına etkileri ayrıca incelenmiştir. Bu tezin ikinci bölümünde; yatay ivme, hız ve kayma değerlerinin, patlama yükleri altındaki sabit olmayan temelli binalarda, rijit cisim hareket formülleri kullanılarak hesaplanabilirliği incelenmiştir. Bu inceleme için, basit ve kolay hesaplanabilir bir doğrusal olmayan sayısal integral yöntemi geliştirilmiş ve bu yöntemin sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak doğrulanması yapılmıştır. Rijit cisim yönteminin yeterliliği; kayma, hız ve ivme değerlerinin yanında yatay ve dikey temel tepki değerleri için de saptanmıştır. Bu tezin üçüncü ve son bölümünde; patlama yükleri altındaki yapı elemanlarının, düğüm noktalarındaki dinamik etkileşimi incelenmiş ve tek serbestlik dereceli patlama analizi yönteminin uygulanabilirliği, birbirine bağlı bir üçlü kiriş sistemi üzerinde patlama yükleri uygulanarak incelenmiştir. Bu üçlü kiriş sisteminin patlama yükleri altındaki etkileşimi hem elastik hem de elastik-tam plastik malzeme özellikleri kullanılarak incelenmiştir. Ana kiriş ve destek kirişlerinin doğal titreşim periyotları oranı 0.125 ve 4.0 arasında değiştirilerek, farklı rijitlik derecelerine sahip yapı elemanları arasındaki yapısal etkileşim saptanmıştır. Sonuçlar ve bulgular, bağlı olmayan tek serbestlik dereceli patlama analizi yönteminin kısıtlamaları için yol gösterici olarak kullanılmıştır.