Resumen de Metodología para la evaluación de vulnerabilidad de centros e infraestructuras públicas frente a explosiones
INTRODUCCIÓN Cuando ocurre una explosión, bien sea accidental o deliberada, las estructuras de los edificios se ven sometidas a sobrepresiones que pueden dañarla, fragmentarla o hacerla colapsar parcial o totalmente. También sus ocupantes se ven expuestos a los efectos directos o indirectos de la explosión como las sobrepresiones de la onda explosiva fragmentos o el colapso de la estructura, que pueden causarles heridas o incluso la muerte. Por medio de técnicas de simulación nos propusimos estudiar este tipo de amenazas y responder preguntas como:
- ¿Cuál es el perímetro de seguridad? - ¿Cuál es la zona de riesgo? - ¿Cuál es la probabilidad de heridas serias o incluso la muerte? - ¿De qué magnitud es el daño sufrido por el edificio? - ¿Puede colapsar la estructura? Además de estudiar el comportamiento de las estructuras frente a estos eventos, es importante conocer la dinámica de evacuación de las estructuras, para así desarrollar planes de evacuación que minimicen las bajas frente a eventos explosivos, como las debidas al colapso de la estructura que suele ser el causante del 80% de las mismas.
CONTENIDO DE LA INVESTIGACIÓN Durante nuestra investigación hemos desarrollado una nueva metodología y una serie de procedimientos y herramientas para evaluar la vulnerabilidad de estructuras frente a amenazas de artefactos explosivos. La metodología reúne procedimientos de seguridad de agencias internacionales para la evaluación del riesgo y peligrosidad, herramientas comerciales punteras en sus respectivos campos y subrutinas, modelos y programas desarrollados por nosotros.
Utilizamos el Applied Element Method para el trazado detallado de estructuras y el análisis de edificaciones frente a cargas dinámicas como explosiones, permitiendo observar la propagación de fracturas, colapso progresivo, daño estructural, dispersión de fragmentos etc.
Empleando una versión modificada por nosotros del software Autodyn, simulamos la detonación de materiales explosivos, interacción de la onda de choque con estructura, modelización del comportamiento de materiales a cargas dinámicas, perfiles detallados de las presiones. A partir de la información obtenida con Autodyn como el campo escalar de presiones y mediante la programación de subrutinas calculamos nuevas variables como son las sobrepresiones el impulso y el umbral de daño pulmonar, etc., y así determinamos el riesgo de muerte y heridas en los ocupantes.
Utilizando la información sobre la tipología de los edificios y sus ocupantes, caracterizamos el tipo de agentes presentes en el edificio, sus estaturas, edades, velocidades, aceleraciones, etc. y realizamos un estudio de evacuación en las estructuras, mediante simulación basada en agentes.
Por último se integró la información procedente de las diferentes herramientas en un visualizador interactivo programado a partir de Ensight usando el lenguaje de programación Python.
La nueva metodología se probó con una serie de 23 estructuras organizadas en 4 escenarios diferentes: un puerto marítimo, un aeropuerto medio, edificaciones públicas (centro comercial y hospital) y por último estructuras subterráneas, como estaciones de metro y tuberías.
CONCLUSIONES En esta tesis hemos desarrollado una nueva metodología para la evaluación del riesgo y la vulnerabilidad, mediante técnicas computacionales, de estructuras que pueden estar expuestas a explosiones accidentales o deliberadas.
La nueva metodología agrupa diversas técnicas computacionales en una única herramienta de manera que permite obtener una visión más detallada de la estructura y de su comportamiento frente a eventos dinámicos, especialmente explosiones, pero puede ser fácilmente extrapolada a otro tipo de situaciones agresivas como terremotos, impactos, vientos etc.
- Hemos implementado un procedimiento para aumentar la velocidad de la simulación de eventos explosivos en grandes escenarios, utilizando hidrocódigos. El procedimiento está basado en la programación de subrutinas más eficientes para la simulación de detonaciones y el comportamiento de materiales, técnicas de mallado específicas, procesamiento en paralelo y en técnicas de remapeo, en las que además hemos desarrollado un criterio de evaluación rápido para garantizar la integridad de los datos del campo escalar de presión transferidos de un modelo a otro.
- Hemos propuesto una serie de ecuaciones para la evaluación analítica de elementos estructurales expuestos a explosiones, basadas en el factor de escalamiento Z. También para el análisis de tubos multicapa cuando son sometidos a esfuerzos estáticos o dinámicos como en el caso de explosiones en superficie. Las ecuaciones propuestas han demostrado una alta correlación con los resultados de las simulaciones en ambos casos. Estas ecuaciones pueden ser empleadas para el diseño y optimización de tubos multicapas, bien sea para uso habitual o para zonas vulnerables a explosiones.
- Adicionalmente, desarrollamos una nueva técnica que nos permitió convertir imágenes georeferenciadas como imágenes satelitales o curvas de nivel en sólidos, lo que abre la posibilidad a crear modelos más complejos que incluyan desniveles de terrenos. La técnica también puede ser utilizada para la reconstrucción de imágenes tomográficas en sólidos, así como para la simulación de propiedades mecánicas, térmicas, acústicas etc., de estructuras complejas como son los materiales celulares.
BIBLIOGRAFÍA [1] Charles L. Mader, Numerical modeling of explosives and propellants, Taylor & Francis Group, 2008.
[2] M.Y.H. Bangash¿T.Bangash, Explosion-Resistant Buildings Design, Analysis, and Case Studies, Elsevier, 2006.
[3] Donald O. Dusenberry, Handbook for Blast Resistant Design of Buildings, John Wiley & Sons, 2010.
[4] The DoD Unified Facilities Criteria (UFC), DoD Minimum Antiterrorism Standards For Buildings, UFC 4-010-01, 2012.
[5] FEMA 426 - Reference Manual to Mitigate Potential Terrorist Attacks Against Buildings, 2003.
[6] FEMA - Primer for Design of Commercial Buildings to Mitigate Terrorist Attacks, 2003.
[7] Nabil M. Elsayed, James L. Atkins, Explosion and Blast-Related Injuries. Effects of Explosion and Blast from Military Operations and Acts of Terrorism, Academic Press, 2008 [8] B.M. Luccioni, R.D. Ambrosini, R.F. Danesi, Analysis of building collapse under blast loads. Engineering Structures 26 pp 63¿71, 2004.
[9] Huang, F., Wu, H., Jin, Q. and Zhang, Q., A numerical simulation on the perforation of reinforced concrete targets, International Journal of Impact Engineering, Vol.32, pp.173-187, 2005.
[10] Yong Lu, Zhongqi Wang, Karen Chong. A comparative study of buried structure in soil subjected to blast load using 2D and 3D numerical simulations. Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Volume 25, Issue 4, pp 275-288, 2005.
[11] Alex M. Remennikov, Timothy A. Rose. Modelling blast loads on buildings in complex city geometries. Computers & Structures, Volume 83, Issue 27, pp 2197-2205, 2005.
[12] G.R. Liu, Meshfree Methods: Moving Beyond the Finite Element Method, Second Edition, CRC Press 2010.
[13] Kimiro Meguro and Hatem Tagel-Din: Applied Element Simulation of RC Structures under Cyclic Loading, ASCE, Vol. 127, Issue 11, pp. 1295-1305, 2001.
[14] Kimiro Meguro and Hatem Tagel-Din: Applied Element Method Used for Large Displacement Structure Analysis, Journal of Natural Disaster Science, Vol. 24, No. 2, pp. 65-82, 2002.
[15] Griffin J. W. (2008) ¿Experimental and analytical investigation of progressive collapse through demolition scenarios and computer modeling¿, M. Sc., Civil engineering, North Carolina.
[16]. Hoon Park, Chul-Gi-Suk, Seung-Kon Kim: Collapse Modeling of Model RC Structure using the Applied Element Method, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, TUNNEL & UNDERGROUND SPACE, Vol. 19, No. 1, pp. 43-51, 2009.
[17] M.A. Meyers, Dynamic Behavior of Materials, John Wiley & Sons 1994.
[18] Ansys Autodyn V. 13 User Manual [19] Extreme Loading for Structures, Theoretical Manual.
[20] Pedro Jiménez Montoya, Hormigón Armado, 14ª Edición, España 2007.
[21] A.M. Neville, Properties of Concrete, Longman Scientific & Technical, 1994.
[22] C. Lian, Y. Zhuge, S. Beecham, The relationship between porosity and strength for porous concrete, Construction and Building Materials, 25 pp 4294¿4298. 2011.
[23] P. Rossi, F. Toutlemonde, Effect of loading rate on the tensile behaviour of concrete: description of the physical mechanisms, Materials and Structures, Vol. 29, pp 116-118, 1996.
[24] W. Herrmann, Constitutive equation for the dynamic compaction of ductile porous materials. J Appl Phys 40(6), pp 2490¿9, 1969.
[25] W. Riedel, K. Thoma, S. Hiermaier and E. Schmolinske, Penetration of reinforced concrete by BETA-B-500, numerical analysis using a new macroscopic concrete model for hydrocodes, In: SKA (ed), Proceedings of the 9th International Symposiumon Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Berlin, pp. 315-322, 1999.
[26] SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, National Fire Protection Association, 2002.
[27] Shen R. Wu, Lei Gu, Introduction to the Explicit Finite Element Method for Nonlinear Transient Dynamics, John Wiley & Sons, 2012.
[28]. Olek C Zienkiewicz, Robert L Taylor, J.Z. Zhu, The Finite Element Method: Its Basis and Fundamentals, Butterworth-Heinemann, 2011.
[29] Donald O. Dusenberry, Handbook for Blast Resistant Design of Buildings, John Wiley & Sons, 2010.
[30] S. P. Timoshenko, D. H. Young, Teoria de las Estructuras, URMO S.A. de Ediciones 1981.
[31] https://maps.google.es/ [32]. http://www.faa.gov/airports/engineering/design_standards/ [33] http://www.pfri.uniri.hr/~bopri/documents/14-ME-tal_001.pdf [34] Código técnico de edificación de España.
[35] González Ferradás E, Díaz Alonso F, Doval Miñarro M, Miñana Aznar A, Ruiz Gimeno J, Sánchez Pérez J (2008) Consequence analysis by means of characteristic curves to determine the damage to humans from bursting spherical vessels. Process Safety and Environmental Protection, Volume 86, Issue 2, Pages 121¿129, 2008 [36] M. Larcher, F. Casadei, G. Solomos: Risk analysis of explosions in trains by fluid¿structure calculations, Journal of Transportation Security, Volume 3, Issue 1, pp 57-71, 2010.
[37]. Qatu, Mohamad S. Theories and Analysis of Thin and Moderately Thick Laminated Composite Curve Beams, International Journal of Solids Structures, Vol 30, No 20, pp. 2743-2756, 1993.
[38] Tubos de materiales termoplásticos. Determinación de la rigidez anular (ISO 9969:2007) [39]. Vison, Jack R. The Behavior of Structures Composed of Composite Materials, Second Edition (2004), Kluwer Academic Publishers.
[40]. L.J. Gibson and M.F. Ahsby, Cellular Solids, Structure and Properties, Second Edition (1997), Cambridge University Press.
[41]. American Concrete Institute. 2005. Building Code Provisions for Structural Concrete and Commentary (ACI 318-05). Farmington Hills, MI: American Concrete Institute.
[42]. American Institute of Steel Construction. 2005. Speci¿cations for Structural Steel Buildings. Chicago, IL: American Institute of Steel Construction, Inc.
[43]. American Society of Civil Engineers. 1999. Structural Design for Physical Security: State of the Practice. Reston, VA: American Society of Civil Engineers.
[44]. Center for Chemical Process Safety. 1996. Guidelines for Evaluating Process Plant Buildings for External Explosions and Fires. New York, NY: American Institute of Chemical Engineers Center for Chemical Process Safety.
[45]. Federal Emergency Management Agency. 1996. The Oklahoma City Bombing: Improving Building Performance Through Multi-Hazard Mitigation (FEMA 227).
[46]. General Services Administration. 2003. Facilities Standards for Public Buildings Service (P100). Washington, DC: General Services Administration.
[47]. Hinman E. E. and D. J. Hammond. 1997. Lessons from the Oklahoma City Bombing: Defensive Design Techniques. Reston, VA: American Society of Civil Engineers Press.
[48]. Mays G. C. and P. D. Smith. 1995. Blast Effects on Buildings. London: Thomas Telford Publications.
[49]. National Research Council. 1995. Protecting Buildings from Bomb Damage: Transfer of Blast-Effects Mitigation Technologies from Military to Civilian Applications. Washington, DC: National Research Council, National Academy Press.
[50]. Smith P. D. and J. G. Hetherington. 1994. Blast and Ballistic Loading of Structures.Oxford: Butterworth Heinemann
