Numeriska simuleringar av tvärkraftsarmerade betongbalkar utsatta för explosionslaster

Historical accidents and experimental investigations have made apparent that blast loaded concrete members are prone to fail in brittle shear rather than a ductile flexure mode. Air blasts from accidental detonations or explosives may cause severe damage to buildings and infrastructure and it is of great importance that load carrying members can withstand the impulse that arise to avoid progressive collapses. The aims of this thesis are, through explanation of blast loads as dynamic loads acting on structures and measuring of the effects of blast loads on reinforced concrete beams with shear reinforcement, to understand the mechanisms governing shear failure. Two hypotheses are therefore tested: That for a reinforced concrete beam with shear reinforcement, the mechanism governing dynamic shear failure is similar to that of static shear failure and that blast induced shear failure in reinforced concrete beams can be prevented through a sufficient amount of shear reinforcement. To meet the stated aims and test the hypotheses, a literature study was conducted together with numerical simulations using explicit non-linear finite element analysis software LS-Dyna.Previous experimental investigations on blast loaded reinforced concrete beams have displayed a possible shift in failure mode from a ductile flexural failure at static loading to a brittle shear failure at dynamic loading. The shifting may be a property of higher exciting frequencies of blast loads, inducing modes of vibration with larger portions of shear energy. The results obtained from the numerical analyses indicated that an increased ratio of shear reinforcement reduces the risks of a brittle shear failure as well as decrease beam deflections and concrete strains, while increasing strains in the tensile reinforcement.Analysis of the shear capacity and shear reinforcement design through methods given in Eurocode 2 and FKR 2011 were considered as supplementary to the FE analysis. FKR 2011 provided accurate estimations of the maximum dynamic support reactions. Eurocode 2 uses a more conservative approach resulting in lower values of the design shear strength.The conclusions are that for the given beam and blast load, brittle shear failures may be prevented through reduction of the spacing and increase of the bar diameter of the shear reinforcement. The increased plastic strain of the tensile reinforcement as well as measurements of shear crack widths, support reactions and strains in the concrete suggests that the beams with large ratio of shear reinforcement exhibit more ductile behaviour without reaching failure.Historiska händelser och experimentella undersökningar har gjort gällande att betongelement utsatta för luftstötvåg är benägna att gå till spröda skjuvbrott snarare än sega böjbrott. Luftstötvågor från oavsiktliga detonationer eller explosivt gods kan orsaka svåra skador på byggnader och anläggningar och det är därför viktigt att bärande strukturer kan motstå impulsen som uppstår för att fortskridande ras ska undvikas. Målen med detta examensarbete är att, genom att förklara det dynamiska beteendet hos luftstötvågor som belastar konstruktioner och mätning av de effekter som uppstår av luftstötvågor på armerad betong med tvärkraftsarmering, förstå de mekanismer som ligger till grund för skjuvbrott. Som påföljd testas två hypoteser: Att mekanismerna som ligger till grund för dynamiska skjuvbrott hos armerade betongbalkar med tvärkraftsarmering är liknande som för de som styr statiska skjuvbrott, och att skjuvbrott till följd av luftstötvågor kan förhindras genom att förse balken med tillräcklig tvärkraftsarmeringsinnehåll. För att nå målen och testa hypoteserna så genomfördes en litteraturstudie tillsammans med numeriska simuleringar med explicit icke-linjär finita elementanalys i kommersiella programvaran LS-Dyna. Tidigare experimentella undersökningar av armerade betongbalkar utsatta för luftstötvåg har visar på en förflyttning i brottmod, från sega böjbrott vid statisk belastning till spröda skjuvbrott vid dynamisk belastning. Förflyttningen kan härstamma från luftstötvågens frekvensinnehåll som framkallar högre vibrationsmoder med större andel skjuvenergi.De erhållna resultaten från de numeriska analyserna indikerar att ett ökat tvärkraftsarmeringsinnehåll minskar risken för spröda skjuvbrott, minskar utböjning och töjningar I balken samtidigt som töjningar i dragarmeringen ökar.Analyser av tvärkraftskapaciteten och dimensionering av tvärkraftsarmering genom metoder givna i Eurocode 2 och FKR 2011 användes som komplement till finita elementanalysen. FKR 2011 gav träffsäkra uppskattningar av de dynamiska störreaktionerna grundade i dynamisk jämvikt. Emellertid var Eurocode 2 det mer konservativa tillvägagångssättet, vilket resulterade i lägre dimensionerande tvärkraftskapacitet. Slutsatserna som drogs var att, för den givna balken och luftstötvågen så kunde spröda skjuvbrott motverkas genom minskning av avstånden mellan tvärkraftsarmeringen och ökning av stångdiametern. De ökade plastiska töjningarna i dragarmeringen tillsammans med mätningar av skjuvsprickornas bredd, stödreaktionerna och töjningarna i betongen föreslår att balkarna med högt tvärkraftsarmeringsinnehåll visar på ett segare beteende utan att gå till brott