Finite element modelling of multilayer metallic foam cladding systems for retrofitting reinforced concrete walls to mitigate the effects of explosions

Abstract

In the last decade's blast loads caused by intentional explosions had acquired great importance. The analysis of structures subjected to this type of loads and its design to mitigate their effects have been and still is the subject of numerous investigations, especially in the United States and Europe. This research investigates the feasibility of applying a method to reduce the response of reinforced concrete (RC) walls exposed to dynamic loads generated by explosives. For its validation, a numerical model was created with the program Abaqus. The idea is to adhere several layers of metallic foam to the exposed side of the RC Wall. The system, which consists of metallic foams made of aluminum in a sandwich configuration with metal plates, is referred to as Metallic Foam Multilayer Protection System (MFMPS). Keeping a constant thickness and varying its density and yield properties to determine the most effective type. First, a linear dynamic analysis was carried out for a preliminary design. Next, a full nonlinear dynamic analysis is performed to evaluate its efficiency under realistic conditions. The dynamic pressures due to explosions with several intensities and standoff distances were computed with a subroutine inside Abaqus called CONWEP (Conventional Weapons Effects) developed by the US Army Corp of Engineers. Due to the computational time involved, only the case of a rectangular wall fixed in all borders was considered for the analyses. The results showed that the MFMPS is able to reduce the displacements and stresses on the wall.

Unas cargas extraordinarias que han adquirido importancia en las últimas décadas son aquellas producidas por explosiones intencionales. El análisis de estructuras bajo estas fuerzas y su diseño para mitigar sus efectos ha sido y sigue siendo objeto de muchas investigaciones, especialmente en Estados Unidos y Europa. En este trabajo se presenta un método novedoso para reducir la respuesta de paredes de hormigón sometidas a presiones dinámicas causadas por explosiones a distintas distancias. Para verificar el concepto se implementó una simulación mediante elementos finitos usando el programa Abaqus. La idea es adherir varias capas de un material conocido como gomaespuma metálica (“metallic foam” en inglés) a la superficie de la pared que está expuesta a la explosión. Para este trabajo se adoptaron capas de gomaespuma metálica de aluminio. Los espesores y densidades de las capas se seleccionan a base de la teoría de propagación de ondas en medios viscoelásticos estratificados. El diseño se hace mediante un análisis dinámico lineal. Posteriormente se comprueba la efectividad teniendo en cuenta el comportamiento no lineal. Las presiones debido a la explosión se generan usando el programa CONWEP (“Conventional Weapons effects”) del Cuerpo de Ingenieros de EE. UU. Debido al tiempo computacional que demanda este tipo de análisis, solo se ha considerado una pared de hormigón rectangular empotrada en sus cuatro lados. Los resultados muestran que el sistema propuesto es capaz de disminuir la respuesta (desplazamientos, tensiones) de la pared de hormigón. El siguiente curso de acción es verificar los resultados mediante experimentos físicos en el campo.