Impulse load response of lattice steel columns

Abstract

Many bridges that represent an important part of our nation’s infrastructure system are constructed from steel components including steel plates, beams, columns, and cables of different configurations. Because of their importance, they could be used as targets for terrorist attacks, in particular by means of explosives. It is therefore essential to assess the vulnerability of bridge steel components to the effects of explosions, and to develop effective mitigation measures that minimize their effects. The objective of this research is to study the response to an explosive load of a double laced steel column salvaged from a New York bridge. Two modern columns designed to have an equivalent capacity one with a wide-flange section and another with a perforated box shape were also studied. In order to investigate the effects of blast loads on the bridge columns, high-fidelity finite element models were developed using ABAQUS. The bridge columns were subjected to a time-pressure load as a result of a detonation. Three scenarios for the detonation were established based on a scaled range, z: Low-1, Medium-0.65 and High-0.35. These loads were applied to the two perpendicular sides of the three columns. Two boundary condition scenarios were also considered, fixed and hinged at both ends. The displacements, deformed shapes, von Mises stresses, and plastic strains were examined to evaluate the behavior of the three columns. The results of the numerical simulations show that the double laced column exhibits the best performance. The response predicted by the numerical models will assist in the design of future experimental tests.

Muchos puentes que representan una parte importante del sistema de infraestructura de nuestra nación se construyen de componentes de acero, incluyendo placas, vigas, columnas, y cables de diferentes configuraciones. Debido a su importancia, podrían ser utilizados como blanco de ataques terroristas, particularmente con explosivos. Por tanto, es esencial evaluar la vulnerabilidad de los componentes de acero de los puentes a los efectos de las explosiones, y desarrollar medidas efectivas de mitigación que minimicen esos efectos. El objetivo de esta investigación es estudiar la respuesta a una carga explosiva de una columna de acero con doble atado, rescatada de un puente en Nueva York. Dos columnas modernas diseñadas para tener una capacidad equivalente, una con sección W y la otra con sección de caja perforada, también fueron estudiadas. Con el fin de investigar los efectos de las cargas provenientes de los explosivos en las columnas del puente, modelos de alta fidelidad de elementos finitos fueron desarrollados utilizando ABAQUS. Las columnas del puente se sometieron a cargas de presión en función del tiempo, como resultado de una detonación. Tres escenarios para la detonación fueron establecidos basados en el rango de escala, z: Bajo-1, Medio-0.65 y Alto-0.35. Estas cargas fueron aplicadas a los dos lados perpendiculares de las tres columnas. También se consideraron dos escenarios de condiciones de borde, fija y articulada en ambos extremos. Los desplazamientos, deformadas, tensiones de von Mises, y deformaciones unitarias plásticas, fueron examinados para evaluar el comportamiento de las tres columnas. Los resultados de las simulaciones numéricas muestran que la columna con atado doble presenta el mejor desempeño. La respuesta predicha por los modelos numéricos ayudará en el diseño de futuras pruebas experimentales.