Experimentación y simulación del comportamiento de vigas de hormigón armado frente a explosiones cercanas

• Autores: Ángel Prado Moreno
• Directores de la Tesis: Alejandro Alañón Juárez (dir. tes.) , Ricardo Castedo Ruiz (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Salamanca ( España ) en 2025
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: José Joaquín Ortega Parreño (presid.) , Alberto Villarino Otero (secret.) , Santiago Martínez Almajano (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TESEO
• Resumen
  • español

    La protección contra explosiones tanto de estructuras como de personas siempre ha supuesto un reto, en ocasiones complicado de tratar y estudiar. En las últimas décadas se ha registrado un aumento en la frecuencia de ataques terroristas y explosiones accidentales, que han incentivado el estudio para la defensa contra estos eventos. La forma más habitual para su estudio consiste en la calibración de modelos numéricos mediante ensayos de campo, para posteriormente poder extrapolar los modelos y explorar mejoras en las estructuras. Estos ensayos tienen un alto coste asociado, especialmente si se pretenden realizar a escala real.

    En esta tesis se analiza la respuesta estructural de vigas de hormigón armado frente a explosiones cercanas. Para ello, se toman los datos de ensayos de campo del proyecto SEGTRANS. Los ensayos de detonación sobre las vigas se sitúan en unas distancias escaladas entre 0,20 y 0,80 m/kg1/3 . Los resultados de estos ensayos se utilizan para validar los modelos numéricos creados, que son simulados en el software computacional LS-DYNA.

    En todos los modelos se ha recreado el hormigón de la viga mediante elementos finitos, siguiendo una formulación puramente Lagrangiana. Con respecto a la carga explosiva, se han estudiado dos enfoques diferentes para la modelización: Load Blast Enhanced (LBE) y Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). En el primer caso, se han estudiado distintos tamaños de malla para los elementos finitos (10, 15 y 20 mm), y cuatro modelos de material para el hormigón (CSCM, K&C, RHT y Winfrith). Los resultados arrojan cómo el daño sufrido por la viga depende del tamaño de malla, siendo este mayor a medida que los elementos se vuelven más pequeños. En cuanto a los modelos de material, se han encontrado grandes diferencias de comportamiento, tanto en valores absolutos como en los mecanismos de fallo principales para cada modelo.

    En los modelos que incorporan SPH en la modelización del explosivo, se exploran los mismos mallados de elementos finitos que en LBE, además de tres modelos de material para el hormigón (CSCM, K&C y RHT) y tres números de partículas SPH distintos (800.000, 1.600.000 y 3.200.000). Los resultados muestran la misma relación con el mallado del sólido que en las simulaciones con LBE. Sin embargo, la relación entre el número de partículas SPH que conforma el explosivo y el tamaño de malla demuestra ser de mayor importancia. Al igual que con LBE, se han encontrado diferencias de comportamiento significativas entre los distintos modelos de material. Con el objetivo de guiar a futuros autores que pretendan usar esta metodología, se ha creado un parámetro (Modelling Optimal Parameter, MOP) que relaciona estas dos variables junto con la masa del explosivo, y que permite a los autores obtener el número de partículas SPH recomendado para sus simulaciones.

    Los modelos numéricos desarrollados han demostrado una alta fiabilidad para reproducir los resultados experimentales. Sin embargo, la complejidad de los fenómenos explosivos y su interacción con las estructuras requiere una investigación continua para mejorar la precisión y aplicabilidad de estas simulaciones.

  • English

    The protection against explosions, both for structures and individuals, has always posed a challenge, often complex to address and study. In recent decades, the frequency of terrorist attacks and accidental explosions has increased, driving research into protection against such events. The most common approach to studying these phenomena involves the calibration of numerical models through field tests, which are subsequently used to extrapolate results and explore structural improvements. These tests are associated with high costs, particularly when conducted at full scale.

    This thesis analyses the structural response of reinforced concrete beams subjected to near-field explosions. For this purpose, data from field tests conducted within the SEGTRANS project have been used. The detonation tests on the beams were performed at scaled distances ranging from 0.20 to 0.80 m/kg1/3. The results of these tests were employed to validate numerical models, which were simulated using the computational software LS-DYNA.

    In all models, the concrete in the beam was recreated using finite elements, following a purely Lagrangian formulation. Regarding the explosive load, two different modelling approaches were studied: Load Blast Enhanced (LBE) and Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH). In the first case, different mesh sizes for the finite elements (10, 15, and 20 mm) were analysed, along with four material models for concrete (CSCM, K&C, RHT, and Winfrith). The results indicate that the damage sustained by the beam depends on the mesh size, with greater damage observed as the elements become smaller.

    Concerning the material models, significant behavioural differences were found, both in absolute values and in the primary failure mechanisms for each model.

    For models incorporating SPH in the explosive modelling, the same finite element meshes as in the LBE approach were explored, along with three material models for concrete (CSCM, K&C, and RHT) and three different numbers of SPH particles (800,000, 1,600,000, and 3,200,000). The results exhibit the same relationship with solid meshing as observed in LBE simulations. However, the relationship between the number of SPH particles representing the explosive and the mesh size proves to be of greater importance.

    As with LBE, significant behavioural differences were found among the various material models. To assist future researchers using this methodology, a parameter (Modelling Optimal Parameter, MOP) has been developed, which correlates these two variables along with the explosive mass, enabling researchers to determine the recommended number of SPH particles for their simulations.

    The developed numerical models have demonstrated high reliability in reproducing experimental results. However, the complexity of explosive phenomena and their interaction with structures necessitates ongoing research to enhance the accuracy and applicability of these simulations.