Resumen de Validación de modelos simplificados para el análisis de vigas de hormigón armado bajo cargas explosivas

Ramón Hingorani, Peter Tanner, Max Hendriks

• español

  En el marco de un trabajo en progreso sobre la evaluación del riesgo debido a colapsos estructurales inducidos por explosiones de gas, la presente contribución abarca el comportamiento estructural de vigas de hormigón armado expuestas a dicha situación accidental, considerada explícitamente en el Eurocódigo. Su relevancia práctica queda además reflejada por el hecho de que, a pesar de la modernización continua de equipamiento e instalaciones para el suministro de los edificios con gas, se produce todavía una media en torno a tres explosiones anuales en España que inducen colapsos de elementos estructurales con el consecuente riesgo para las personas.

  Variando los parámetros más relevantes para el dimensionado, como la luz de las vigas, la resistencia de los materiales, o los niveles de la precarga estática y de la presión generada por la explosión, se define un conjunto representativo de vigas de hormigón armado. En primer lugar las vigas se evalúan por medio de un análisis dinámico estructural simplificado. Con el fin de considerar la influencia de la inercia estructural y la disipación de energía debida a deformaciones plásticas durante la respuesta en flexión de las vigas, éstas se representan, de manera simplificada, mediante un sistema estructural equivalente de un solo grado de libertad. Las reacciones de apoyo, que se emplean para la determinación de la solicitación por esfuerzo cortante de las vigas, se obtienen a partir de la formulación del equilibrio dinámico.

  A efectos del modelado de las acciones y de la resistencia estructural de las vigas, el análisis dinámico estructural simplificado implica la adopción de una serie de hipótesis.

  Con el fin de validar estas hipótesis, las vigas se analizan mediante el método de los elementos finitos que permite tener en cuenta adecuadamente aspectos complejos, como, por ejemplo, las no-linealidades de los materiales o la influencia de una precarga estática sobre los elementos posteriormente expuestos a la explosión. Basado en la hipótesis de tensión plana, se desarrolla para ello un modelo numérico computacionalmente eficiente cuyo comportamiento se compara con resultados obtenidos en ensayos de vigas sometidas a cargas explosivas, adoptados de la bibliografía. A continuación, el modelo se emplea a efectos comparativos del comportamiento de las vigas anteriormente analizadas por medio de los métodos simplificados. Los resultados obtenidos muestran que estos métodos simplificados presentan una herramienta eficiente si se adoptan hipótesis razonables a efectos de la caracterización tanto de la acción dinámica como de la respuesta estructural correspondiente.

• English

  Within the scope of an ongoing work on the evaluation of structure-related risks due to gas explosions, the present contribution addresses the structural performance of reinforced concrete (RC) beams in residential building structures when exposed to this accidental situation. Its practical importance, dealt with in the Eurocodes, can be gleaned from the fact that, despite the continuous modernization of gas installations and appliances, still a mean of about three moderate to severe explosions involving structural collapse occur yearly in Spain.

  Varying relevant parameters for design like beam span, material strength, or levels of static preloading and explosion pressure, a representative set of RC beams is defined. A simplified, structural dynamic analysis is then carried out. To account for inertia effects and energy dissipation due to plastic deformations during the flexural response, the beams are represented by equivalent single degree of freedom systems, whereas the dynamic reaction forces are obtained from the dynamic equilibrium formulation. In doing so, a number of simplifying assumptions are met with regard to the definition of both the loading and the resistance functions.

  For purpose of validation of the mentioned assumptions, a finite element analysis of the RC beams is then performed where complex aspects, like material non-linearity, strain rate effects, or the influence of a static preloading on the subsequently, dynamically loaded members, can be adequately taken account of. Based on the plain stress assumption, a computationally efficient, numerical beam model is developed and its structural behavior compared to test results reported in literature. Subsequently, the structural performance at the ultimate limit state of the RC beams is explored. It is shown that the simplified analysis procedure provides an efficient tool for the study of RC beams if the implying assumptions governing structural behavior under the dynamic loading conditions are reasonably met.