Análisis de estructuras aporticadas de acero sometidas a cargas explosivas

Abstract

El fenómeno de las explosiones (accidentales o intencionales), la interacción de estas con las estructuras y la respuesta estructural misma, se ha convertido en un tema de interés para investigadores independientes, grupos de investigadores de universidades e institutos y organizaciones gubernamentales y no gubernamentales a raíz de diferentes eventos ocurridos en distintos lugares del mundo. En Venezuela el tema adquiere particular importancia debido a los numerosos procesos que se realizan en la industria petrolera y petroquímica, donde existe un alto riesgo de formarse ambientes explosivos. Esto hace imprescindible garantizar un nivel razonable de protección para el personal y las instalaciones frente a potenciales explosiones que pueden originarse. La ocurrencia de una explosión en una de estas instalaciones causaría pérdidas humanas, ambientales y económicas incalculables. El tema de las explosiones en general es de por sí muy interesante. Abarca varias disciplinas con muchas posibilidades de líneas de investigación, siendo hasta ahora un campo relativamente poco explorado. Es además un tema tan interesante como complejo. La mayoría de los tópicos involucrados presentan una gran dificultad, en particular para ingenieros estructurales, cuya formación generalmente adolece del conocimiento relacionado con ellos. Asimismo, el hecho de que cada uno de los tópicos involucrados son abordados desde diferentes perspectivas de la ingeniería, potencia la dificultad de su estudio. El análisis y diseño de estructuras sometidas a cargas explosivas requiere de una gran comprensión del fenómeno de las explosiones y de la respuesta dinámica de los diferentes elementos estructurales. Es por ello que, inicialmente, este trabajo presenta una visión general, intentando explicar de forma sencilla y didáctica, el fenómeno de las explosiones y los efectos de estas sobre las estructuras. Una explicación de la naturaleza de las explosiones y el mecanismo de ondas de choque en el aire es dada, del mismo modo se muestran conceptos básicos de los diferentes métodos para estimar las cargas explosivas y la respuesta estructural. El presente estudio pretende ser un punto de partida para englobar y explicar de manera sencilla la bibliografía existente al respecto. Se presenta también la simulación del proceso de detonación y expansión inicial de un explosivo de alta potencia y la propagación de la onda de choque en el aire mediante la utilización del método de los elementos finitos. La formulación Lagrangiana-Euleríana Arbitraria es usada en la simulación. Se analizan y comparan los resultados obtenidos con los que surgen de la aplicación de fórmulas empíricas existentes. Sobre la base de estas comparaciones, se puede conc1uír que la simulación permite hacer estimaciones aceptables de la sobrepresión máxima para determinadas condiciones, simulando razonablemente el proceso de una explosión. Por último, un análisis por elementos finitos ha sido efectuado para examinar la respuesta de una estructura aporticada de acero sometidas a cargas explosivas generadas por explosiones externas en el aire. Los resultados obtenidos son comparados con los criterios de deformación (ó valores permisibles) establecidos en el manual TM 5-1300 (1990), referencia obligada en este tema. Este análisis permitirá determinar la influencia de la velocidad de deformación en la respuesta estructural. La comparación de los resultados numéricos muestra que el análisis reproduce en forma ajustada la respuesta esperada. El objetivo de esto es crear las bases para desarrollar un protocolo para evaluar y estudiar la respuesta de estructuras ante cargas de alta magnitud y muy corta duración como las generadas en explosiones. Las simulaciones numéricas constituyen una herramienta poderosa para predecir el comportamiento de un sistema del mundo real bajo una gran variedad de condiciones. Esta tesis busca introducir a los profesionales de la ingeniería estructural en la solución de este tipo de problemas a través de métodos numéricos, ahondando tópicos de manera específica. En particular, son abordados temas fundamentales en explosiones y sus efectos sobre las estructuras como la detonación y expansión inicial de un explosivo, la propagación en el aire de la onda explosiva generada y la respuesta estructural ante tal tipo de carga.