Experimentální výzkum ocelobetonových sloupů zatížených kontaktním výbuchem

Velmi důležitou vlastností sloupů budov, mostních pilířů a podobných diskrétních svislých nosných prvků je jejich odolnost proti výbuchu. Selhání takového konstrukčního prvku může mít za následek zřícení celé stavby nebo její části. Sloupy jsou navrženy především tak, aby odolávaly osovému tlakovému zatížení. Náhodné nebo úmyslné zatížení výbuchem nebo nárazem by mělo za následek dodatečné vodorovné boční zatížení, které by se kombinovalo s osovým stálým primárním zatížením. Vliv osového zatížení na odolnost sloupů proti výbuchu nebyl dosud řádně diskutován, ačkoli je tato interakce nevyhnutelná. Řada prací je zaměřena na experimenty a numerické výzkumy použití nových materiálů, jako jsou ultra vysokohodnotný beton vyztužený vlákny (UHPFRC) nebo kompozity vyztužené skleněnými vlákny (GFRC), při navrhování nových nebo modernizaci stávajících konstrukcí. Vědecké zaměření se obrací ke zkoumání nových kompozitních konstrukcí, které kompenzují slabiny běžných betonových konstrukcí, namísto podrobného studia standardních kompozitních konstrukcí.

Jako modelový příklad skutečné stavby byla vybrána čtyřpodlažní vládní budova. Jako reprezentativní konstrukční systém pro tento typ budovy byla použita rozteč sloupů 6 m a výška podlaží 3,5 až 4 m. Ve scénáři náhodného zatížení použitém pro tento článek je sloup umístěný ve vstupní hale vystaven kontaktnímu zatížení výbuchem. Sloup je trvale vystaven osovému zatížení od stálých i proměnných zatížení z vyšších podlaží a náhodnému bočnímu výbuchu.

Pro experimentální program byl vyvinut jedinečný testovací aparát. Přístroj musí umožnit, aby byl zkoušený sloup současně vystaven osovému tlakovému zatížení a zatížení výbuchem, aby bylo možné simulovat skutečné chování ocelového nebo ocelobetonového kompozitního sloupu v reálné konstrukci. Zkouší se pouze úsek sloupu mezi inflexními body, aby se zmenšila velikost vzorku i zkušebního zařízení. Okrajové podmínky pro vzorek jsou nastaveny jako neposuvné klouby. Vzorek je po celou dobu trvání experimentu osově zatěžován hydraulickým lisem.

Zkušební zařízení bylo navrženo jako uzavřený vertikální ocelový rám. Rám se skládá ze dvou 2,68 m dlouhých ocelových trubkových sloupů o průměru 245 mm a tloušťce stěny 35 mm rovnoběžných se vzorkem. Nahoře a dole jsou sloupy přivařeny k 2,3 m dlouhým vodorovným nosníkům HEA 400 vyztuženým ocelovými deskami, přivařenými k vnějším stranám přírub, a dalšími vloženými příčnými ztužujícími deskami. Prostorovou stabilitu aparatury zajišťuje vodorovná základna z 1,2 m dlouhých nosníků HEA 260. Na horní i spodní straně vzorku je sférické pouzdro pro ideální kloubové uložení. Spodní část sloupu je umístěna na ocelovém boxu, pod nímž je skrytý hydraulický lis, který vytváří požadované osové zatížení vzorku. Rám byl navržen tak, aby odolal plánovanému rozsahu osové síly shrnutému v tab. 1. Na konci každého experimentu lze zvedák spustit a vyměnit vzorek.

Každý sloup byl tvořen za tepla válcovaným ocelovým profilem HEA 220 (délka 2 m), vyrobeným z konstrukční oceli třídy S 355. Ocelový profil byl na obou koncích uzavřen 40mm plechy. Na každém konci byl umístěn ocelový kulový kloub (100 × 100 × 40 mm, opracovaný na poloměr 73 mm), který simuloval ideálně připevněné okrajové podmínky pro účely následného numerického modelování a také zajišťoval rovnoměrné rozložení napětí současného osového zatížení v celém průřezu vzorku. Další boční desky viditelné na obrázcích byly přidány pro usnadnění manipulace se vzorky bez konstrukčního účelu a byly umístěny tak, aby nepřekážely při experimentech. Svařované háky o průměru 8 mm z výztužné oceli zajišťovaly kompozitní působení betonové výplně. Betonová výplň byla odlita nejméně 28 dní před experimentem.

Před experimentem byl každý vzorek upevněn ve zkušebním zařízení a bylo na něj aplikováno předepsané osové tlakové zatížení. Výbuchové zatížení bylo generováno pomocí 800g nálože plastické trhaviny SEMTEX 1A umístěné na vnějším povrchu ocelové příruby ve střední výšce vzorku v podélném směru a v ose vzorku v příčném směru. Trhavina byla vytvarována do tvaru krychle o délce strany přibližně 80 mm.

Přístroj byl vybaven dalšími nekonstrukčními ochrannými stěnami, aby se zabránilo poškození samotného přístroje nebo přístrojového vybavení fragmentací, jakož i okolních konstrukcí. Ochranné zástěny byly navrženy tak, aby měly zanedbatelný vliv na výsledky experimentu a měření.

Odezva samotného vzorku na výbuch byla měřena pomocí elektrooptických laserových senzorů využívajících principy laserové interferometrie (Photonic Doppler Velocimetry – PDV). Podrobný vývoj posunutí v čase byl měřen na čtyřech potažmo pěti diskrétních místech na vzdálenějším líci vzorku naproti výbušné náloži. Během výbuchu a po něm byla měřena také deformace ve sloupech aparatury pro případ budoucí potřeby izolovat odezvu samotné aparatury na výbuch, i když aparatura byla záměrně navržena tak, aby byla výrazně tužší než vzorek a neovlivňovala experimentální měření.

Kontaktní výbuch vytváří vysoce koncentrované zatížení na povrchu přiléhajícím k náloži. Lokalizované zatížení má za následek místní poddajnost ocelového přírubu a pásnice. Rozsah poškození oceli a betonu se liší podle typu vzorku a osového zatížení (tab. níže) a následující obrázky. Navzdory symetrickému uspořádání experimentu nebyla odezva vzorku a jeho poškození ideálně symetrické, což bylo pravděpodobně způsobeno nedokonalostmi v umístění nálože a rozbušky. Všechny protilehlé příruby byly ve směru výbuchu příčně ohnuté.

Obecně došlo u ocelových vzorků k lokálnímu porušení příruby přiléhající k výbuchu, což mělo za následek částečnou fragmentaci. Úlomky byly vymrštěny směrem k protilehlému přírubě a narazily do ní, čímž došlo k jejímu sekundárnímu poškození. Globální průhyb se zvyšoval s rostoucím osovým zatížením.

U kompozitních vzorků došlo k výtrhu betonové výplně, způsobenému lokálním průhybem příruby a pásnice vyvolaným výbuchem. Drcení betonu a příčné pnutí vedlo k odtrhování betonu v okolí pásnice.

Chování sloupu při zatížení výbuchem bylo hodnoceno na základě pozorování průhybů během a po zatížení výbuchem (tab. 2). Průhyb po zatížení výbuchem (tzv. zbytkový posun) se vyhodnocuje na vzorku vyjmutém ze zkušebního zařízení. Vývoj posunutí během výbuchu byl získán z měření rychlosti pomocí laserové interferometrie numerickou integrací rychlostních grafů v čase.

U kompozitních vzorků se po počátečním zrychlení sloupu při cca 0,5 ms od detonace vzorek zpomaloval až do cca 0,7 ms. Poté začaly hodnoty rychlosti bez zjevného důvodu kolísat. V tomto okamžiku si autoři nejsou jisti, zda oscilaci přisuzovat globálním vibracím celého zkušebního zařízení vyvolaným výbuchem, nebo trvale běžícímu čerpadlu, které natlakovalo hydraulický okruh ovládající 150tunový hydraulický lis. Vyšetřování tohoto jevu pokračuje. Vzhledem k výše popsané nejistotě měření rychlosti bylo rozhodnuto omezit rozsah výsledků na konec zpomalení vzorku v době cca 0,7 ms po výbuchu. Tato hodnota je v tabulce 2 označena jako dynamický posun, resp. dynamický posun při 1 ms. Vzhledem k tomu, že vývoj rychlosti vzorku pouze z oceli neumožňuje ekvivalentní interpretaci, není tato hodnota pro vzorky pouze z oceli stanovena.

Maximální rychlosti se liší podle typu vzorku a osové síly a jsou uvedeny v tab. 2. Obecně platí, že u vzorků UHPFRC dochází k vyšším špičkovým rychlostem ve srovnání s ostatními typy vzorků. Na druhou stranu se vzorky UHPFRC chovají rovnoměrněji s menšími rozdíly v odečtech kanálů s výjimkou kanálu CH4.

Chování nekompozitních ocelových vzorků se liší od chování kompozitních vzorků. Neexistuje žádný výrazný počáteční vrchol rychlosti, rychlosti všech kanálů jsou přiměřeně menší, každý kanál vykazuje specifický vzorec chování. Protože pásnice a příruby nejsou vyztuženy kompozitním působením, dojde u výbuchu sousední příruby k terminálnímu poškození a její úlomky jsou vymrštěny ze své polohy, pohybují se rychlostí přesahující 220 m/​​s průřezem a pronikají protilehlou přírubou.

Na obrázku níže je uvedeno komplexní vyhodnocení celého rychlostně-časového profilu spolu s diskusí o vyskytujících se jevech. Od 0,45 ms (časový bod 01) do 0,71 ms (časový bod 02) po výbuchu se vzorek globálně vychýlí od počátečního přetlaku a zplodin výbuchu. Současně dochází k lokálnímu porušení příruby sousedící s výbuchem (S‑700 a S‑1300), úlomky jsou vymrštěny směrem k protilehlé pásnici (která je sledována PDV). Protější pásnice je zasažena vymrštěnými úlomky v časovém bodě 03 (CH2) a začne zrychlovat. V případě selhání protilehlé pásnice se odpovídajícím způsobem změní pohyb kanálu 4 (viz S‑1300, CH4).

Umístění nálože a detonace podléhají nevyhnutelným nedokonalostem. Drobná excentricita způsobuje torzní zatížení sloupu. To lze pozorovat na odečtech kanálu CH4 od vzorku S‑100 – sloup se otáčí proti odečtu kanálu CH4, čímž způsobuje zdánlivé zpomalení.

Poté, co vzorek utrpěl kritické poškození i na méně zatížené straně příruby, je fragment pásnice také vymrštěn směrem k opačné přírubě, zasáhne ji později, v 0,82 ms a přiměřeně ji zrychlí. Ani v tomto případě není proražena protilehlá příruba.

Záznam kanálů CH2 a CH3 dokumentuje chování sloupce v ose stojiny. Rozdíl mezi odečítacím kanálem CH2 (středový bod výbuchu) a kanálem CH3 jasně dokumentuje poruchu vyboulení stojiny (viz čas 0,7 až 0,85 ms).

Obecně je zřejmé, že nedostatek podpory pásnice přilehlé k výbuchu u pouze ocelových sloupů má za následek vysokou možnost kolapsu stojiny. Vymrštěné úlomky mohou narazit na protější stojinu a také ji poškodit. Ztráta integrity obou pásnic průřezu má za následek výrazné zeslabení sloupu, které může iniciovat porušení ve vzpěru. Popsané chování při porušení lze úspěšně zmírnit betonovou kompozitní výplní.

Účinek axiální síly lze pozorovat při měření rychlosti/​​posunu vzorku NSC a UHPFRC; viz obrázek o průběhu rychlosti a deformace kanálů pro zobrazení kanálů CH2 a CH4. Posun CH2 (osa stojiny) při 1 ms se zvětšuje spolu se zvyšující se osovou silou. Naopak posunutí CH4 (stojiny) se s rostoucí osovou silou zmenšovalo. Posuny v ose stojiny byly znatelně menší ve srovnání s kanály umístěnými excentricky vůči ose stojiny. Zdá se, že osová síla brání vychýlení pásnice. Naměřené hodnoty excentrických kanálů se přibližují naměřeným hodnotám na ose stojiny. NSC i UHPFRC vykazují obdobné chování.

Na základě experimentálního programu provedeného na speciálně zkonstruovaném zkušebním zařízení bylo zkoumáno chování ocelových a ocelobetonových kompozitních sloupů (NSC i UHPFRC) vystavených současnému osovému a výbuchovému zatížení.

Údaje PDV vzorků pouze z oceli jasně dokumentují lokalizované porušení a fragmentaci příruby blíže k náloži. Vymrštěné úlomky zasáhly protilehlý přírubový pás a rozšířily poškození na velkou část průřezu. Poté došlo k selhání oslabeného průřezu sloupu globálním vzpěrem.

U kompozitních vzorků došlo k odlupování betonové výplně sloupu způsobeného příčným napětím vyvolaným výbuchem v důsledku průhybu příruby/​​stojiny. Vzorky UHPFRC si vedly ve srovnání se vzorky NSC přiměřeně lépe. U žádného z kompozitních vzorků nedošlo ke globálnímu vybočení.

Na druhou stranu se zdálo, že osová síla stabilizuje průhyby podhledových pásů kompozitních sloupů NSC a UHPFRC. Posun v ose pásnice se zvyšoval s rostoucí osovou silou. Naopak posunutí příruby se s rostoucí osovou silou snižovalo. Posuny v ose pásnice byly ve srovnání s odečty na přírubě přiměřeně menší.

Experimentální zjištění jasně dokumentují příznivý vliv betonové kompozitní výplně tenkostěnných ocelových sloupů. Zatímco ocelový vzorek selhal v důsledku současně působícího osového zatížení, betonová výplň dokázala stabilizovat odezvu kompozitního vzorku na výbuch. Kvantifikace tohoto účinku je předmětem dalšího zkoumání.