您如何建造能够承受最极端应力载荷的建筑物

复合弹道冲击对建造必须承受极端压力的结构的工程师构成了重大挑战。爆炸压力和高速冲击的结合增加了更大损坏的机会。博士候选人BenjaminStavnarElveli将其描述为最可怕的压力。

“这些综合影响的工作方式与弹片炸弹相同，”他说。

基础设施从大规模和军用转向轻型和民用

过去，巨大的混凝土军事建筑构成了为抵御爆炸而建造的建筑的主体。近几十年来，出现了新的威胁，保护城市地区民用建筑和构筑物的需求也在增加。

这激发了人们对更轻的薄壁解决方案的兴趣，这些解决方案可以承受大量变形而不会开裂和坍塌。

法规尚未反映这些变化的需求。目前还没有针对此类负载的标准，该领域的研究也非常有限。

Elveli研究了不同类型的薄钢板在承受极端应力载荷时的表现。他的工作有助于为如何设计坚固、轻便的结构制定指导方针。

Elveli说，附近的任何建筑物、汽车或其他物体都会承受比单独发生应力载荷时更严重的载荷。当碎片先击中时，破坏被认为是最大的。

“那是因为结构已经存在弹丸的缺陷或弱点，然后必须承受冲击波本身，”他说。“大多数情况下，开裂和破坏都是从薄弱环节开始的。”

更安全的结构，更安全的社会

Elveli博士基于对三种不同类型的钢材进行的80多次小规模爆炸试验。通过将物理实验与理论和数学建模相结合，他在计算机模拟中重建了爆炸载荷。目的是尽可能多地控制结构对此类载荷的反应。

科学家对这些载荷的实际物理特性了解得越多，未来的建筑工程师就能提供更准确、安全和可持续的解决方案。

高估力量的危险

冲击波可以持续几毫秒，并在大范围内造成巨大破坏。碎片移动得更快并产生集中伤害。模拟这种组合效应意味着您必须在同一个模型中描述两种完全不同的现象。情况很复杂。

“通常你会以某种权衡告终。为了捕捉爆炸期间发生的局部弱点，我们需要确定对碎片影响的描述应该有多准确。如果我们不这样做如果要完全控制这一点，模型可能会高估建筑物承受压力的强度，”Elveli说。

高估力量会带来致命的后果。建筑工程师提供的解决方案必须可靠。Elveli的大部分博士工作是研究模型需要多精确才能确保建筑物可靠。

一种常见的方法是假设碎片在冲击波发生之前撞击。然后物理实验必须分成两个不同的顺序，彼此相继。此类研究通常使用一种简化的方法，其中测试件具有由机器铣出的孔，以模拟真实碎片造成的损坏。

高估弹性

Elveli将机加工板的行为与用真实射弹击中的板进行了比较。真正的弹丸会在撞击点周围产生花瓣状的小裂纹和变形，而预成型的缺陷则具有完美均匀的边缘。

爆炸试验表明，破坏从裂缝开始并向外扩散。因此，研究人员表明简化方法存在弱点。

“理想化的缺陷，比如机加工板，更容易测试和模拟。但由于它们缺乏真实爆炸中发生的变形和损坏，因此存在夸大这些模型中材料强度的风险，”他说。

对计算机模拟的巨大需求

了解开发准确的计算机模拟的必要性很容易。进行强度计算的研究人员无法炸毁实际建筑物来测试其弹性。

Elveli在设计可控且可靠的小规模爆炸试验方面投入了大量工作。他相信他的研究将对中的其他军事和文职研究人员有用。目前，用于工业用途的精确可靠的模拟既昂贵又耗时。

多次试验产生的大量数据可能引起大公司研发部门的兴趣。Elveli的工作使模拟结构在弯曲、拉伸或其他变形时的行为成为可能。

他总共进行了110次试验，其中82次是爆炸试验。每秒拍摄37,000帧的高速摄像机捕捉到了钢板损坏的细节。该研究发表在《工程故障分析》杂志上。

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