Response on reinforced concrete structural elements to ballistic impact and contact detonations

Abstract

Even though significant research works have been carried out, limited research has been conducted in order to investigate the detailed response of reinforced concrete structural members under contact detonation events. In addition, there is a lack of literature when the contact blast event is combined with the ballistic impact of a soft projectile. Thus, the author will assess in detail the response of RC slabs under contact detonation in terms of pressures, impulses, energy balances, kinematic response and the role of reinforcing bars, since those findings are not addressed in previous research studies. Also, the author will assess the response of a RC wall, in terms of the same parameters, under the effect of a HESH projectile that does not only impacts the target but detonates in a contact manner when touches the surface of the structural element. This specific projectile exists currently on the market and behaves differently from normal projectiles that consist of one single material. Since, literature cannot provide us with information regarding this topic, the current work is a unique scientific contribution. Consequently, this doctoral thesis that focuses on the previously mentioned missing components, will aim to develop a three dimensional finite element model which is able to replicate in a realistic manner the response of concrete under those specific conditions. The numerical tool that was employed for the needs of the current study, is the finite element analysis commercial software package LS-DYNA, since it has been proved very efficient in coping with high transient dynamic loading conditions. In order to cover the main objectives satisfactorily, subsequent explorations were performed with respect to the initial target. Their purpose was to:• Verify the use of a Multi-Material-Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (MMALE)approach in the near field through comparison with the totally Lagrangian approach Load-Blast-Enhanced (LBE).• Validate the efficiency of the numerical modelling along with the selection of Winfrith Concrete constitutive material, with experimental results. The experimental data was obtained from open- arena tests that were carried out by researchers at the Royal Military academy of Belgium. This validation is assessed through the measured diameter of the localised damage zone. Another aim is to explore in both loading scenaria the damage evolution.• Assess the effect of the mass of the explosive (C4) on pressures, impulses and energy balances. Also, investigate the kinematic response of RC slabs and thestructural role of the reinforcing bars. In addition, propose fitting curves where possible.• Assess the response of RC walls under the combined effect of the impact velocity (terminal ballistics) and contact detonation (contact blast) caused by a High Explosive Squash Head (HESH) projectile, in terms of the previous parameters. In other words, to investigate the dominant event when detonation and ballistic impact are acting at the same time. Examine also, the influence of the increasing kinetic energy on the damage evolution.

Αν και έχουν πραγματοποιηθεί σημαντικές ερευνητικές εργασίες, έχει διεξαχθεί περιορισμένη έρευνα για τη διερεύνηση της λεπτομερούς απόκρισης των δομικών στοιχείων από οπλισμένο σκυρόδεμα υπό συμβάντα έκρηξης σε επαφή. Επιπλέον, υπάρχει έλλειψη βιβλιογραφίας όταν το συμβάν εξ επαφής έκρηξης συνδυάζεται με βαλλιστική πρόσκρουση μαλακού βλήματος. Έτσι, ο συγγραφέας θα αξιολογήσει λεπτομερώς την απόκριση των πλακών από οπλισμένο σκυρόδεμα υπό έκρηξη επαφής όσον αφορά τις πιέσεις, τις ωθήσεις, τα ισοζύγια ενέργειας, την κινηματική απόκριση και τον ρόλο των ράβδων οπλισμού, καθώς αυτά τα ευρήματα δεν έχουν αντιμετωπιστεί σε προηγούμενες ερευνητικές μελέτες. Επίσης, ο συγγραφέας θα αξιολογήσει την απόκριση ενός τοίχου από οπλισμένο σκυρόδεμα, όσον αφορά τις ίδιες παραμέτρους, υπό την επίδραση ενός βλήματος HESH που όχι μόνο προσκρούει στον στόχο αλλά εκρήγνυται εξ επαφής όταν αγγίζει την επιφάνεια του δομικού στοιχείου. Αυτό το συγκεκριμένο βλήμα υπάρχει αυτή τη στιγμή στην αγορά και συμπεριφέρεται διαφορετικά από τα κανονικά βλήματα που αποτελούνται από ένα μόνο υλικό. Δεδομένου ότι η βιβλιογραφία δεν μπορεί να μας παρέχει πληροφορίες σχετικά με αυτό το θέμα, η παρούσα εργασία αποτελεί μια μοναδική επιστημονική συμβολή. Συνεπώς, αυτή η διδακτορική διατριβή που επικεντρώνεται στα προαναφερθέντα ελλείποντα στοιχεία, θα στοχεύσει στην ανάπτυξη ενός τρισδιάστατου μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων που είναι ικανό να αναπαράγει με ρεαλιστικό τρόπο την απόκριση του σκυροδέματος υπό αυτές τις συγκεκριμένες συνθήκες. Το αριθμητικό εργαλείο που χρησιμοποιήθηκε για τις ανάγκες της παρούσας μελέτης είναι το εμπορικό πακέτο λογισμικού ανάλυσης πεπερασμένων στοιχείων LS-DYNA, καθώς έχει αποδειχθεί πολύ αποδοτικό στην αντιμετώπιση συνθηκών υψηλής δυναμικής φόρτισης. Για να καλυφθούν ικανοποιητικά οι κύριοι στόχοι, πραγματοποιήθηκαν εξερευνήσεις σε σχέση με τον αρχικό στόχο. Ο σκοπός τους ήταν να:- Επαληθεύσουν τη χρήση της προσέγγισης Multi-Material-Arbitrary-Lagrangian-Eulerian (MMALE) στην κοντινή περιοχή μέσω σύγκρισης με την εντελώς Lagrangian προσέγγιση Load-Blast-Enhanced (LBE).- Επικυρώσουν την αποδοτικότητα του αριθμητικού μοντέλου μαζί με την επιλογή του υλικού σύστασης Winfrith Concrete, με πειραματικά αποτελέσματα. Τα πειραματικά δεδομένα λήφθηκαν από δοκιμές σε ανοικτό χώρο που πραγματοποιήθηκαν από ερευνητές στην Βασιλική Στρατιωτική Ακαδημία του Βελγίου. Αυτή η επικύρωση αξιολογείται μέσω της μετρημένης διαμέτρου της τοπικής ζώνης ζημιάς. Ένας άλλος στόχος είναι να εξεταστεί η εξέλιξη της ζημιάς και στα δύο σενάρια φόρτισης.- Αξιολογήσουν την επίδραση της μάζας του εκρηκτικού (C4) στις πιέσεις, τις ωθήσεις και τα ισοζύγια ενέργειας. Επίσης, να διερευνήσουν την κινηματική απόκριση των πλακών από οπλισμένο σκυρόδεμα και τον δομικό ρόλο των ράβδων οπλισμού. Επιπλέον, να προτείνουν καμπύλες προσαρμογής όπου είναι δυνατόν.- Αξιολογήσουν την απόκριση των τοίχων από οπλισμένο σκυρόδεμα υπό την συνδυασμένη επίδραση της ταχύτητας πρόσκρουσης (τερματική βαλλιστική) και της εξ επαφής έκρηξης που προκαλείται από ένα βλήμα High Explosive Squash Head (HESH), όσον αφορά τις προηγούμενες παραμέτρους. Με άλλα λόγια, να διερευνήσουν το κυρίαρχο γεγονός όταν η έκρηξη και η βαλλιστική πρόσκρουση δρουν ταυτόχρονα. Να εξετάσουν επίσης την επίδραση της αυξανόμενης κινητικής ενέργειας στην εξέλιξη της ζημιάς.