Исследование влияния размера оконного стекла на взрывную волну

Дата: 4 августа 2023 г.

Авторы: Сюфэнь Ван, Бо Чжун, Цзе Тан, Чэнь Гао и Мэй Ли.

Источник: Устойчивое развитие 2023, 15(12), 9325; МДПИ

ДОИ:https://doi.org/10.3390/su15129325

(Эта статья относится к специальному выпуску «Устойчивость к стихийным бедствиям и устойчивость структур и инфраструктур»).

Оконные стекла, как наиболее часто используемые компоненты внешней защиты зданий, из-за своих типичных хрупких характеристик более склонны к разрушению под действием взрывных нагрузок и образованию осколков, разлетающихся с высокой скоростью, что может представлять большую угрозу личной безопасности. . В данной статье исследовано влияние размера оконных стекол на их характеристики разрушения. Предложен упрощенный метод, основанный на численном моделировании, для оценки P-I (давление-импульсной) кривой разрушения оконного стекла при взрывных нагрузках. Систематически исследовано влияние соотношения длины и ширины, площади и толщины P–I-кривых оконных стекол. Было обнаружено, что меньшее соотношение длины и ширины, меньшая площадь и более толстая панель могут повысить взрывостойкость оконных стекол. Установлены эмпирические формулы прогнозирования P–I-кривых оконных стекол различных геометрических размеров и проверена справедливость предложенной эмпирической формулы.

Оконное стекло широко используется в современных зданиях из-за его хорошей видимости и декоративной красоты. Однако стекло является хрупким материалом, и из него легко разлетаются осколки стекла, что приводит к человеческим жертвам. Кроме того, взрывная волна может проникнуть в помещение, непосредственно вызывая человеческие жертвы и материальный ущерб. За последнее десятилетие террористические атаки участились во всем мире и нанесли огромный ущерб строительным конструкциям и причинили вред людям. Например, 19 апреля 1995 года террористы атаковали федеральное здание в американском штате Оклахома. В результате взрыва погибли 168 человек и получили ранения 680. По данным расследования, на осколки стекла пришлось почти 75% травм. В последние годы также часто происходили случайные взрывы. 12 августа 2015 года в гавани Тяньцзиня произошел крупный пожар и взрыв, в результате которого 165 человек погибли и 798 получили ранения, основной причиной травм стали осколки стекла.

Было проведено большое количество экспериментальных исследований, теоретического анализа и численного моделирования динамических реакций и разрушений оконных стекол во время взрывов. Чандрасхараппа и др. [1] и Тенг и др. [2] использовали нелинейную теорию пластин и оболочек Фон Кармана и метод возмущений для решения динамических реакций упругих панелей с высоким прогибом при взрывной нагрузке, а также было предложено теоретическое решение динамического ответа обычных стеклянных панелей при взрывной нагрузке. Основываясь на теории большого отклонения, Бирман и др. [3] и Туркмен и др. [4] установили динамические уравнения методом Галеркина и решили их методом Рунге-Кутты для изучения динамического отклика пластин многослойного стекла во время взрывов.

Чен и др. В работах [5,6] теоретически получены асимптоты импульса и избыточного давления P–I-кривых флоат- и многослойного стекла при взрывной нагрузке путем объединения методов одной степени свободы и энергетического метода. Полевые взрывные испытания — необходимый и эффективный метод исследования динамических свойств оконного стекла при взрыве. Ге и др. [7,8] провели испытания на разрушение флоат-стекла под ударной нагрузкой и получили скорости разлета осколков стекла при различных эквивалентах взрывчатого вещества. Тем временем осколки стекла под различными взрывными нагрузками были собраны и подсчитаны для получения значений их распределения по расстоянию. Пан и др. [9,10] провели взрывные испытания флоат-стекла и проверили безопасные расстояния между рамными стеклами на основе импульсов и пикового избыточного давления.

Роберт и др. [11] провели полевые испытания флоат-стекла под длительными ударными нагрузками и изучили влияние толщины стекла, площади, соотношения сторон и условий граничной поддержки на их динамические реакции. Результаты показывают, что по сравнению с упругими граничными условиями жесткие граничные условия приводят к локальной концентрации напряжений, что приводит к более очевидным трещинам и более мелким фрагментам. Что касается многослойного стекла, Kanzer et al. [12], Хупер и др. [13], Чжан и др. [14] и Ле и др. [15] провели серию полевых испытаний на взрыв для изучения динамических характеристик многослойного стекла. Они пришли к выводу, что, увеличивая толщину стеклянной панели и количество слоев стекла, можно эффективно улучшить устойчивость многослойного стекла к взрыву.