CIR-seminarium 2019, 2019-05-22

Hagastaden ur ett konstruktionsperspektiv

Morgan Johansson

Indata vid explosionsbelastning

• Last

• Tryck

• Varaktighet

• Impuls

• Struktur

• Massa

• Styvhet

• Lastkapacitet

• Deformationsförmåga

u

R

R

Wi

utot uel

utot = uel + upl

k

P

t t0 t1

i

Vad inverkar på lasten?

• Explosionens energiinnehåll

• Energimängd

• Förbränningshastighet

• Omgivningen

• Avstånd och läge till utsatt punkt

• Utbredningsmöjligheter

r

reflekterad

stötvåg

r

oreflekterad

stötvåg

laddning

Plan

spegling 1 m

Vy stötvågsfront

Byggnad Byggnad

Byggnad Byggnad

Flerfaldig reflexion

• Omgivningen påverkar resulterande last

Tid

Tryck

P0

Tid

P0

Tryck

Innesluten explosion

• Uppstår en kombination av olika laster

• Kortvarigt tryck – flera reflexioner

• Långvarigt tryck – spränggaser som inte ventileras bort

‒ Påverkas av förhållandet volym /ventilationsarea

Tryck

Tid

P0

= kortvarigt

tryck

= långvarigt

tryck

Explosion i tunnel

• Trafikverkets explosionslast i tunnel

Längdsektion Tvärsektion

Last 1 (kortvarig)

Last 2 (långvarig)

t

P

t1

P1

i1

Nr Beskrivning P1 t1 i1 Lastyta

[kPa] [ms] [Pas]

1 Lokalt tryck 5 000 2 5 000 4 x 4 m2

2 Fördelat tryck 100 50 2 500 alla ytor

Hur skyddar man sig?

• Primärt

• Avstånd

• Skyddande massa

• Sekundärt

• Energiupptagande konstruktion

• God redundans (alternativ lastupptagning möjlig)

Princip kring energibalans

• Impulslast ger upphov till ett yttre arbet Wy

• Storlek på Wy beror på impulslast, massa och mothållskraft

• Yttre arbete balanseras av inre arbete Wi

• Storlek på Wi beror på mothållskraft och erhållen deformation

• Energibalans ska uppnås

• Maximal deformation (noll rörelse)nås när Wy = Wi

u

F, R

utot

F(u)

R(u)

Wy

Wi

Kritiska parametrar hos struktur

• Massa (yttre arbete)

• Strukturegenskaper (inre arbete)

• Styvhet

• Hållfasthet

• Deformationsförmåga

R

u u1 u2

R1

Wi,1

R2

Wi,2

Wi,2 > Wi,1

Energiupptagningsförmåga, Wi

m

IWy

2

2

=

=u

i duuRW0

)(

Kritiska parametrar hos struktur

• Massa (yttre arbete)

• Strukturegenskaper (inre arbete)

• Styvhet

• Hållfasthet

• Deformationsförmåga

R

u u1 u2

R1

Wi,1

R2

Wi,2

Wi,2 > Wi,1

Energiupptagningsförmåga, Wi

m

IWy

2

2

=

=u

i duuRW0

)(

• Statisk last:hög styvhet/kapacitet önskvärt

• Impulslast:inte nödvändigtvis bra egenskaper

Hagastaden, överdäckning (I)

Hagastaden, överdäckning (II)

• Lastsituation

•Normal explosionslast i tunnel utgår från W = 30 kg TNT

19 m

6,3 m

3,0 m

2,0 m

W = 1000 kg TNT

Hur görs beräkning?

• Last

•Beräkningsmetod

• Enkla fall / övergripande bild – Empiriska samband

• Komplexa fall – FE-program anpassat för explosionsberäkning

• Strukturrespons

•Dynamisk beräkning med olinjär strukturrespons

•Beräkningsmetod

• Enkla modeller (SDOF, 2DOF)

• 2D eller 3D FE-analyser

F(t)

R(u)

m u

Hur görs beräkning?

• Last

•Beräkningsmetod

• Enkla fall / övergripande bild – Empiriska samband

• Komplexa fall – FE-program anpassat för explosionsberäkning

• Strukturrespons

•Dynamisk beräkning med olinjär strukturrespons

•Beräkningsmetod

• Enkla modeller (SDOF, 2DOF)

• 2D eller 3D FE-analyser

F(t)

R(u)

m u

Överdäckning, Hagastaden

Detaljerad information: www.msb.se/skyddsrum

Lastvärden (I)

• Initial last på närmaste vägg

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 1 2 3 4 5

Imp

uls

täth

et, i

[kP

as]

Öv

ertr

yck

, P

[MP

a]

Tid, t [ms]

Belastning

P2 P4

P5 i2

i4 i5

19 m

6,3 m W = 1000 kg TNT

1

2

3

4

5

1

3

5

1 3 5 7 9 11 13 15 17

1

2

3

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14

17

16

15

Lastvärden (II)

• Långvarig last på närmaste vägg

19 m

6,3 m W = 1000 kg TNT

1

2

3

4

5

1

3

5

1 3 5 7 9 11 13 15 17

1

2

3

4

5

6 7 8 9 10 11 12 13 14

17

16

15

0

4 000

8 000

12 000

16 000

20 000

24 000

28 000

32 000

36 000

40 000

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1 000

0 20 40 60 80 100

Imp

uls

täth

et, i

[Pa

s]

Öv

ertr

yck

, P

[kP

a]

Tid, t [ms]

Belastning - Jämförelse av approximerat värde

P2

P_approx

P2

i_approx

Lastvärden (II)

• Lastens medelvärde över närmaste vägg

0

5

10

15

20

25

30

35

0

5

10

15

20

25

30

35

0 2 4 6 8 10

Imp

uls

täth

et, i

[kP

as]

Öv

ertr

yck

, P

[MP

a]

Avstånd längs tunneln, l [m]

Belastning mot vägg - Medelvärden

Tryck

i_tot

i_in,2

i_in,1

Standard-

last i tunnel

Effekt av explosionslast (I)

• Effekt inne i tunneln

•Samtliga närvarande inne i tunneln omkommer

• Önskan

• Skydda närliggande byggnad från explosionens effekt

• Förhindra skador på personer i byggnad

• Möjliga skyddskoncept

• Tillåt lokalt brott men utforma omgivande byggnader att motstå den last som ”läcker” ut

• Förhindra uppkomst av brottzon, inneslut explosion inne i tunnel och isolera dess effekter

Effekt av explosionslast (II)

• Lokalt brott tillåts

•Komplext att bestämma storlek på utläckande last – svårt att bedöma lasteffekt på närliggande byggnad

•Medför ökade krav på utformning av närliggande byggnad

•Kan medföra krav på hur delar av närliggande byggnad får användas – oönskade begränsningar fås

Effekt av explosionslast (III)

• Förhindrad brottzon

•Ställer stora krav på konstruktionens utformning(h = 1,2 m; ρs = 1,0%)

•Betydande deformationer skulle fortfarande uppstå (uvägg = 0,2 m; utak = 0,4 m)

•Stora deformationer kan medföra problem för närliggande byggnad – lasten riskerar att föras vidare

Särskilda åtgärder krävs för att förhindra detta

Koncept för åtgärder

• Syfte

•Förhindra lastöverföring från överdäckning till byggnad

• Förutsättning

•Stöd mot vägg i överdäckning bedöms vara opåverkad om vägg klarar explosionslast

• Åtgärd

•Säkerställ att erforderlig deformationszon finns mellan byggnad och överdäckning

Åtgärd vid vägg och tak (I)

• Erforderlig deformationszon

•Bärande konstruktionsdelar ska inte påverkas av deformerad vägg eller tak i överdäckning

3,0 m

0,6 m

tunneltak

deformerat tunneltak

6,3 m

3,0 m

2,0 m

W = 1000 kg TNT

tunnelvägg

0,3 m

deformerad

tunnelvägg

Åtgärd vid vägg och tak (II)

• Exempel på utförande vid tak

tunneltak

byggnad

marknivå (”gata”)

primär-

balk

hålrum ej hålrum

hålrum

sekundär-

balk

primär-

balk

stödmur

stödmur

ej hålrum

A A

B

B

sekundärbalk

A-A

C

C

tunneltak

stöd-

mur

sekundär-

balk

bjälklag i

byggnad

hål-

rum

D-D

tunneltak

marknivå

stöd-

mur

sekundär-

balk

hål-

rum

B-B

tunneltak

stöd-

mur

sekundär-

balk

hål-

rum

C-C

vägg i

byggnad

tunneltak

stöd-

mur

sekundär-

balk

bjälklag i

byggnad

hål-

rum

D-D

tunneltak

marknivå

stöd-

mur

sekundär-

balk

hål-

rum

B-B

tunneltak

stöd-

mur

sekundär-

balk

hål-

rum

C-C

vägg i

byggnad

Tack för uppmärksamheten!

Frågor?