Diseño y análisis de estructuras resistentes a explosiones: una guía práctica de acero

Si se pregunta a la mayoría de las personas cómo es un edificio resistente a explosiones, describirán una fortaleza: muros gruesos, ventanas diminutas, nada que ceda. En la práctica, el diseño y análisis de voladuras. estructuras resistentes funciona casi al revés. Una estructura construida para resistir una explosión suele estar diseñada para doblarse, ceder y absorber energía en milisegundos, de modo que la estructura permanezca en pie y las personas que están dentro puedan salir.

A lo largo de tres décadas de fabricación de acero pesado para refinerías, centrales eléctricas, puertos y plantas industriales, hemos visto con qué frecuencia la fase de diseño y la fase de fabricación se separan en este tema. Un detalle dúctil acordado en un modelo puede convertirse silenciosamente en una soldadura rígida y quebradiza una vez que llega al taller. Este artículo cubre ambas mitades del tema: cómo se caracterizan las cargas explosivas, cómo se analizan y qué tiene que suceder en el detalle y la fabricación para que ese análisis tenga algún significado en el sitio.

Cómo se caracterizan las cargas explosivas

Una explosión entrega su energía en unos pocos milisegundos. La presión aumenta casi instantáneamente hasta un pico, luego desciende nuevamente hacia la temperatura ambiente, seguido a menudo por una fase negativa que empuja la estructura hacia el otro lado. Nada en esto se parece a las cargas de gravedad y viento para las que están diseñadas la mayoría de las estructuras, razón por la cual la ingeniería de voladuras comienza con la carga y no con el tamaño de los miembros.

Dos cantidades impulsan casi todos los cálculos: la presión máxima reflejada y el impulso. La presión reflejada es lo que realmente siente la fachada del edificio y, en condiciones normales de incidencia, puede ser varias veces la presión lateral de la ola. El impulso, el área bajo la curva presión-tiempo, determina cuánta energía cinética debe absorber la estructura. Una carga pequeña muy cerca de una columna y una carga mucho mayor más alejada pueden producir el mismo impulso a presiones muy diferentes, y la estructura no responderá de la misma manera a ambas.

El diseño normalmente comienza a partir de una definición de amenaza: un peso de carga y una distancia de separación, convertida en una distancia escalada utilizando la raíz cúbica del peso de la carga. Referencias como UFC 3-340-02, FEMA 427 y 428, ASCE/SEI 59 y Eurocódigo 1 Parte 1-7 proporcionan presiones, impulsos y criterios de respuesta. Las suposiciones detrás de esos números son las que más importan:

• Peso de la carga, su equivalencia de TNT y el punto de detonación supuesto
• Distancia de separación y distancia escalada derivada de ella
• Presión reflejada, hora de llegada, duración de la fase positiva e impulso.
• Ángulo de incidencia, limpieza de olas y protección de estructuras cercanas.
• Confinamiento, desahogo y si el evento ocurre dentro o fuera del sobre

Criterios de ductilidad y respuesta: el núcleo del diseño de voladuras

Por qué el diseño de voladuras se apoya tanto en la ductilidad es una simple aritmética. La duración de las explosiones es mucho más corta que el período natural de la mayoría de los componentes, por lo que una estructura no puede responder a la presión máxima total y, sin embargo, la energía aún tiene que ir a alguna parte. En un material quebradizo se fractura. En uno dúctil entra en deformación permanente y la estructura sobrevive.

El acero estructural se adapta excepcionalmente bien a este comportamiento. A las velocidades de deformación típicas de una explosión, aproximadamente de 100 a 10.000 por segundo, su límite elástico aparente aumenta, un efecto capturado a través de factores de aumento dinámico en los códigos de diseño. Más importante aún, el acero continúa endureciéndose por deformación mucho más allá del límite elástico, por lo que un miembro sigue soportando carga mientras se deforma. Las conexiones que giran sin fracturarse permiten que las vigas desarrollen una acción catenaria, y una losa de piso compuesto puede actuar como un diafragma de unión que mantiene unido el marco cuando se pierde una columna.

El rendimiento normalmente se juzga en función de niveles de daño definidos, desde superficiales hasta moderados y pesados ​​hasta peligrosos, y la respuesta se expresa como una rotación del soporte o una relación de ductilidad en lugar de una tensión. Las estructuras se diseñan habitualmente para soportar daños graves; Los edificios ocupados suelen estar sujetos a algo más estricto. Fijar ese objetivo tempranamente, junto con la definición de amenaza, es lo que evita que el análisis se convierta en un ejercicio abierto.

Selección de diseño, separación y sistema estructural

Antes de dimensionar un solo miembro, la mayor parte de la resistencia a la explosión ya ha sido decidida por la geometría. La distancia es la medida de protección más barata disponible y nunca es necesario soldarla. Cada metro adicional de separación reduce drásticamente tanto la presión máxima como el impulso, por lo que los retranqueos, bermas y barreras protectoras generalmente brindan más protección por costo unitario que el acero adicional.

Las decisiones que dan forma al resto de la estructura tienen que ver principalmente con la continuidad y la ruta de carga:

• Diseños de edificios que mantienen las funciones críticas y las áreas ocupadas alejadas de las fachadas más expuestas.
• Un sistema estructural, marcos de momento dúctiles o sistemas de muros de carga adecuadamente amarrados, seleccionados por redundancia y no solo por economía.
• Columnas de la planta baja reforzadas o detalladas para que puedan perder capacidad sin provocar un colapso.
• Sistemas de cubierta ligeros y bien sujetos, evitando revestimientos pesados que se convierten en un peligro en sí mismos.
• Sistemas de acristalamiento y fachada seleccionados y laminados para limitar los fragmentos voladores
• Evitar estructuras de transferencia y otros detalles que no ofrecen una ruta de carga alternativa.

Métodos de análisis: cálculos manuales, SDOF y modelos de elementos finitos

El análisis de explosiones no tiene por qué comenzar con un gran modelo de elementos finitos. Los enfoques equivalentes de un solo grado de libertad, una masa idealizada sobre un resorte idealizado, a menudo condensados ​​en diagramas de presión-impulso, siguen siendo valiosos para el dimensionamiento temprano, para identificar qué componentes son críticos y para verificar la cordura de algo más complejo. Son transparentes, rápidos de revisar y razonablemente conservadores en sus supuestos.

Lo que no pueden explicar es el comportamiento local. No le dirán si una cartela se rompe, si una conexión gira lo suficiente como para desarrollar una acción catenaria o cómo una losa redistribuye la carga después de que una columna se ve comprometida. Para ello, la herramienta habitual es el análisis dinámico no lineal de elementos finitos con un solucionador explícito. Si se hace correctamente, captura la deformación local, los efectos de la tasa de deformación y la interacción de los componentes. Hecho descuidadamente, con una malla tosca y un modelo de material elástico y sin validación, produce números confiables con poca conexión con la realidad.

Dónde se construyen realmente las estructuras resistentes a explosiones

El diseño resistente a explosiones no está reservado para embajadas y sitios militares. Aparece siempre que una explosión es un acontecimiento creíble, lo que abarca una buena parte de la industria pesada ordinaria.

Instalaciones petroquímicas y químicas

Los bastidores de tuberías, las estructuras de proceso y los edificios de control en refinerías y plantas químicas están diseñados para explosiones de nubes de vapor, y la propia galería de tuberías a menudo da forma a cómo una onda expansiva viaja a través de la planta. Los detalles de espaciado, refuerzo y conexión en estas estructuras dependen tanto del escenario de explosión como de las cargas de las tuberías que soportan.

Galería de tuberías petroquímicas Estructura de acero pesado Galería de tubos de acero pesado personalizados para refinerías y plantas petroquímicas, soporte de tuberías de proceso, bandejas de cables y líneas de servicios públicos en proyectos de energía. Ver producto →

Generación de energía e infraestructura crítica

Las centrales eléctricas y subestaciones combinan equipos de alto valor con la necesidad de permanecer operativas. Los requisitos de seguridad y explosiones influyen en el diseño de las salas de turbinas, transformadores y edificios de aparamenta, y la estructura de acero con frecuencia tiene que satisfacer criterios de capacidad de servicio normales, mientras que un caso de carga anormal se verifica por separado.

Solución personalizada de estructura de acero para plantas de energía Solución de estructura de acero personalizada para instalaciones de energía nuclear y eléctrica, con referencia del proyecto Shenhua Power Plant y opciones de consulta para propietarios de plantas. Ver producto →

Puertos, Obras Marinas y Offshore

Los puertos y las instalaciones costeras enfrentan una combinación diferente de peligros, incluidos impactos, exposición marina y, en algunos casos, explosiones. El acero pesado para grúas, equipos de muelles e instalaciones costa afuera exige las mismas cualidades que exige el diseño de voladuras: continuidad, dureza y conexiones que se comporten de manera predecible bajo cargas extremas.

CNOOC Estructura de acero pesado para infraestructura pública Estructura de acero pesado asociada con CNOOC y proyectos de infraestructura pública, ofrecida a través de una página de producto orientada a consultas para obtener más detalles específicos del proyecto. Ver producto →

Detallado y fabricación: dónde se gana o se pierde el diseño

Es común ver un análisis de voladura que pasa sobre el papel mientras los planos de fabricación lo deshacen silenciosamente. Una conexión detallada con refuerzos pesados ​​y soldaduras de penetración total puede terminar siendo más fuerte que el miembro que conecta, empujando la falla hacia el ala de una viga en lugar de una articulación dúctil. Un detalle que restringe la rotación elimina el mecanismo en el que se basó el análisis. Un miembro fabricado con una calidad con poca tenacidad a la entalla puede comportarse de manera muy diferente a baja temperatura de lo que supone el modelo.

Los remedios son más prácticos que exóticos. Especificar acero con tenacidad adecuada para la temperatura de servicio. Mantenga las soldaduras fuera de las regiones que se espera que se articulan o detallelas para que toleren la rotación. Utilice placas de continuidad y duplicadoras cuando el análisis las requiera, y corte las conexiones con una geometría clara y edificable. Controle la calidad de la soldadura mediante procedimientos calificados y pruebas no destructivas, y verifique que las tolerancias de fabricación no cierren los espacios de los que depende el diseño. Cuando una estructura debe sobrevivir a una explosión y al incendio que frecuentemente le sigue, el comportamiento térmico pertenece a la misma conversación; la temperatura a la que el acero estructural pierde resistencia es un punto de referencia útil para esa discusión.

Uniendo diseño, análisis y fabricación

El trabajo resistente a explosiones recompensa la coordinación temprana. La definición de amenaza, el enfrentamiento, el sistema estructural, el método de análisis, los detalles de conexión y la secuencia de fabricación se retroalimentan entre sí, y cambiar cualquiera de ellos tarde resulta caro. Los proyectos más fluidos son aquellos en los que el ingeniero, el detallista y el fabricante hablaron mucho antes de que se publicara el primer dibujo.

Ése es el papel que intentamos desempeñar como fabricante de acero pesado. Con cerca de treinta años en la industria, una base de producción de 50.000 metros cuadrados, siete líneas de producción, incluidas seis líneas de soldadura robótica y una línea de vigas en caja, y una capacidad anual de 40.000 a 50.000 toneladas, apoyamos proyectos desde el desarrollo del diseño hasta la fabricación, el tratamiento de superficies y la instalación en el sitio, y exportamos a mercados extranjeros. El trabajo resistente a explosiones es implacable, porque las suposiciones de un modelo son tan buenas como las soldaduras, las tolerancias y los certificados de materiales que llegan al sitio. Si desea ver cómo se desarrolla esto en la práctica, nuestra cartera de proyectos muestra la gama de estructuras pesadas que hemos entregado.