BYGG

Hvordan lage bygg som tåler de mest ekstreme påkjenningene?

I en eksplosjon kan splinter og løsrevet materiale slynges ut i voldsom fart og ramme omgivelsene. Deretter kommer sjokkbølgen. Det er en skummel kombinasjon.

De siste tiårene har nye trusler dukket opp, og behovet for å beskytte sivile bygg og konstruksjoner i urbane områder har økt. Derfor må andre typer materialer testes og forskes på. Hvordan oppfører tynne stålplater seg når de utsettes for ekstreme påkjenninger? Her klargjør Benjamin Stavnar Elveli (t.h.) og veileder Vegard Aune en testrigg for detonasjon av høyeksplosiver i trange rom. Testene blir gjort på Forsvarsbygg testanlegg, i samarbeid med forsker Ole Vestrum (bak).
De siste tiårene har nye trusler dukket opp, og behovet for å beskytte sivile bygg og konstruksjoner i urbane områder har økt. Derfor må andre typer materialer testes og forskes på. Hvordan oppfører tynne stålplater seg når de utsettes for ekstreme påkjenninger? Her klargjør Benjamin Stavnar Elveli (t.h.) og veileder Vegard Aune en testrigg for detonasjon av høyeksplosiver i trange rom. Testene blir gjort på Forsvarsbygg testanlegg, i samarbeid med forsker Ole Vestrum (bak). Foto: SFI CASA

Det er også en stor utfordring for dem som konstruerer bygg som skal tåle ekstreme påkjenninger. Kombinasjonen av eksplosjonstrykk og støt i høy hastighet øker faren for at skadene blir større. Stipendiat Benjamin Stavnar Elveli beskriver det som den skumleste belastningen som finnes.

– Det virker på samme måte som splintbomber, sier han.

Fra massivt og militært til lett og sivilt

Tidligere har beskyttende konstruksjoner handlet om massive, militære byggverk i betong. De siste tiårene har nye trusler dukket opp, og behovet for å beskytte sivile bygg og konstruksjoner i urbane områder har økt. 

Dette har satt fart på interessen for lettere, tynn-veggede løsninger som kan tåle store deformasjoner uten å sprekke og kollapse. 

Regelverket har ikke fulgt den samme utviklingen. Det finnes ikke standarder som dekker denne typen belastninger i dag, og det finnes lite forskning på feltet.

Benjamin Stavnar Elveli.
– For å fange opp de lokale svakhetene som oppstår under eksplosjonen, må vi bestemme hvor nøyaktig beskrivelsene påvirkningen av fragmentene skal være, forklarer Benjamin Stavnar Elveli. Foto: SFI CASA

Stipendiat Elveli har undersøkt hvordan ulike typer tynne stålplater oppfører seg når de utsettes for slike ekstreme påkjenninger.  Arbeidet hans kan bidra til å få på plass retningslinjer for hvordan motstandsdyktige, lette konstruksjoner skal utformes.

Prosjektiler først gir størst skade

Enten de oppstår i ulykker eller med hensikt: Eksplosjoner kan gjøre massiv skade. Splinter og fragmenter kan rives løs fra bygningsdeler, biler, grus, eller steiner. Når det smeller, kan de oppføre seg som prosjektiler.

Elveli forteller at bygninger, biler eller annet i nærheten vil bli utsatt for en belastning som er mer alvorlig enn hvis begge lastene virker alene. Skaden antas å bli størst når fragmentene treffer først.

– Det er fordi konstruksjonen allerede vil være påført en defekt eller svakhet når den skal stå imot selve trykkbølgen, sier han. Oftest er det i de svake punktene at oppsprekking og ødeleggelse starter.

Sikrere konstruksjoner, tryggere samfunn

Elvelis doktorgrad, som er tatt ved SIMLab/Institutt for konstruksjonsteknikk på NTNU, bygger på mer enn 80 småskala eksplosjonstester på tre ulike ståltyper. Ved å kombinere fysiske forsøk med teori og matematisk modellering har han gjenskapt eksplosjonslastene i datasimuleringer. Målet er å få mest mulig kontroll på hvordan konstruksjoner reagerer på slike belastninger.

Jo mer forskerne forstår av selve fysikken i disse belastningene, jo mer nøyaktige, sikre og bærekraftige løsninger kan fremtidens konstruksjonsingeniører levere.

Les også

Fare for å overvurdere styrke

En trykkbølge kan vare i flere millisekunder og gi store ødeleggelser over et stort område. Et fragment beveger seg enda raskere og gir konsentrert skade. Å simulere denne kombinerte effekten betyr at man må beskrive to helt ulike fenomener i én og samme modell. Det er komplisert.

I en eksplosjon kan splinter og løsrevet materiale slynges ut i voldsom fart og ramme omgivelsene. Deretter kommer sjokkbølgen. Bildet viser løsrevne fragmenter, de hvite pilene viser utbredelsen av sjokkbølgen. Illustrasjon: Forsvarsbygg

– Man vil ofte ende opp med en slags avveining. For å fange opp de lokale svakhetene som oppstår under eksplosjonen, må vi bestemme hvor nøyaktig beskrivelsene av påvirkningen av fragmentene skal være. Får vi ikke full kontroll på dette, vil modellen kunne overvurdere styrken bygget har til å stå imot påkjenningen, sier Elveli.

Trenger løsninger til å stole på

Å overvurdere styrke kan få fatale følger. Løsningene som konstruksjonsingeniører leverer fra seg, må være til å stole på. En stor del av doktorgradsarbeidet har vært å undersøke hvor nøyaktige modellene må være for å sikre pålitelige bygg.

En vanlig tilnærming har vært å anta at fragmentene treffer før trykkbølgen kommer. Da må de fysiske eksperimentene deles opp i to ulike sekvenser som følger etter hverandre. Ofte bruker slike studier en forenklet tilnærming, der prøvestykker har hull frest ut med maskin, for å etterligne skader fra virkelige fragmenter.

Overvurderer motstandsevnen

Elveli har sammenlignet oppførselen til maskinerte plater med plater beskutt med ekte prosjektiler. Prosjektilene skapte små kronblad-lignende sprekker og deformasjon rundt treffpunktene, mens de maskinlagde hullene hadde helt jevne kanter.

Eksplosjonstestene viste at ødeleggelsene startet i sprekkene og forplantet seg utover. Med dette viser forskeren at den forenklede tilnærmingen har svakheter.

Bildesekvens av prosjektiler som skytes gjennom tre forskjellige stålplater. Bildene til høyre viser utgangshullene i de ulike platene.
Bildesekvens av prosjektiler som skytes gjennom tre forskjellige stålplater. Bildene til høyre viser utgangshullene i de ulike platene. Foto: SFI CASA/SIMLab

– Idealiserte defekter, som i de maskinerte platene, er lettere å teste og simulere. Men fordi de mangler deformasjonene og skadene som oppstår ved virkelige eksplosjoner, er det en risiko for å overdrive styrken til materialene i disse modellene, sier han.

Stort behov for datasimuleringer

Det er lett å forstå behovet for å utvikle nøyaktige datasimuleringer. De som jobber med styrkeberegninger, kan ikke sprenge bygninger i full størrelse for å teste hvor motstandsdyktige de er.  

Elveli har lagt ned mye arbeid i å designe kontrollerte og pålitelige små-skala eksplosjonstester. Han mener forskningen hans vil være nyttig for andre forskere, både i det militære og sivile. For industribruk er nøyaktige og pålitelige simuleringer foreløpig både dyrt og tidkrevende.

De mange testene har gitt store mengder data som kan interessere forsknings- og utviklingsavdelingene i store selskaper. Arbeidet hans gjør det mulig å simulere hvordan konstruksjoner oppfører seg når de bøyes, strekkes eller deformeres på annet vis.

Til sammen har han utført 110 tester, hvorav 82 eksplosjonsforsøk. Høyhastighetskameraer som filmer 37.000 bilder per sekund, har fanget detaljene når stålplatene maltrakteres. 

Artikkelen ble først publisert på Gemini.no

Les også

Kommentarer:
Du kan kommentere under fullt navn eller med kallenavn. Bruk BankID for automatisk oppretting av brukerkonto.