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Schlagworte
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It is important to protect critical buildings (shopping centres, government buildings and embassies), infrastructure and utilities, train and underground stations against being damaged, destroyed or disrupted by deliberate acts of terrorism, criminal activity and malicious behaviour. Normal regulations and building guidelines do not generally take into account these threats. The introduction of regulations or guidelines should support the resilience of the buildings and infrastructure against explosive incidents. In order to protect the infrastructure, methods are required to quantify the resistance of structural elements against explosive loading and to assess the hazards resulting from failure of an element. The applicable state-of-the-art techniques may be either experimental or numerical methods, or a combination of both. Therefore, the thematic group (TG) on the resistance of structures to explosion effects was formed in order to bring the required expertise together, make it commonly available and to find and define harmonised methods and solutions which can be provided to the decision-makers responsible for critical infrastructure protection. This first report of the TG gives a comprehensive summary of the existing methods which can be used to analyse and test the resistance of glazing and windows under blast-loading conditions. Within this context, the experimental methods of testing using high explosives and testing using blast simulators called shock tubes is presented and explained. In addition, the potential of numerical simulations is highlighted in terms of their applicability to the different glass materials. A short, comprehensive theoretical background is given for each method. Based on this, each method is described with its requirements, realisation and the related measurement techniques. Furthermore, an interpretation of the measurements is highlighted. For the numerical simulations, the basic discretisation and calculations schemes are presented in combination with the available constitutive material descriptions for the different significant materials. Finally the chances for verification and validation of the numerical results are presented. Hence the report builds the basis for an actual evaluation of the different test methods and their applicability to certain problems, and provides helpful information for critical infrastructure stakeholders, owners and operators considering the structural resistance of the infrastructure to the effects of explosion in a comprehensive document.
Aufgrund gestiegener Rechnerleistung finden heutzutage
numerische Strömungssimulationen aus dem
Bereich der CFD (Computational Fluid Dynamics)
immer mehr Eingang in die Sicherheitstechnik.
Bisherige Berechnungsverfahren zur Schwergasausbreitung
basieren zum Teil auf empirischen
Annahmen und sind in ihrem Anwendungsbereich
eingeschränkt. Die zugrunde liegenden Formeln
und Theorien erlauben außerdem meist nur
eindimensionale Aussagen bezüglich der Konzentrationsverteilung
in der Umgebung. Anhand von
Literaturdaten und eigenen Freifeldversuchen zur
Schwergasausbreitung soll die Leistungsfähigkeit
von CFD-Berechnungen hinsichtlich ihres Kosten/
Nutzen-Verhältnisses sowie im Vergleich zu herkömmlichen
Modellen bewertet werden. Während
die eigenen Freifeldversuche hauptsächlich zur
Validierung der numerischen Simulationen dienen,
können anhand der in der Literatur veröffentlichten
Daten Vergleiche mit z. B. der VDI-Richtlinie 3783,
Blatt 2 durchgeführt werden.
Die VDI Richtlinie 3783, Blatt 2 zeigt im Vergleich mit den experimentellen Daten aus den
eigene Versuchsreihen zur Schwergasausbreitung eine gute konservative Abschätzung der
Konzentrationsverteilung. Die Berechnungen für die Ausbreitung dichteneutraler Gase mit
Blatt 1 der Richtlinie lieferten jedoch zu niedrige Konzentrationswerte. Allgemein ist
festzuhalten, dass die Anforderungen an die Datenlage zu den Randbedingungen sehr
niedrig sind ebenso wie der Rechenaufwand.
AUSTAL2000 hat eine wesentlich bessere Übereinstimmung mit dem Messwerten für die
Ausbreitung dichteneutraler Gase gezeigt. Diese Feststellung sollte jedoch noch durch den
Vergleich mit weiteren Messreihen verifiziert werden. AUSTAL2000 hat in Zusammenhang
mit dem diagnostischen Windfeldmodell im Vergleich zu Blatt 1 der VDI Richtlinie 3783 den
Vorteil, dass Gebäude explizit berücksichtigt werden können. Als Partikelmodell ist es
außerdem in der Lage den Nahbereich der Quelle berechnen zu können. Der
Rechenaufwand hierbei ist jedoch deutlich höher als bei der VDI Richtlinie 3783, während
die Anforderungen an die Randbedingungen ähnlich niedrig sind.
CFX hat sich als flexibles Berechnungswerkzeug erwiesen. In allen betrachteten Fällen
konnte für die instationäre Berechnung eine gute Übereinstimmung mit den Messwerten
nachgewiesen werden. Hierbei ist es jedoch erforderlich, eine sehr detaillierte Kenntnis über
die zeitabhängige Entwicklung der Randbedingungen zu haben.
Der Vorteil von CFD-Modellen liegt in der universellen Einsetzbarkeit verglichen mit den
spezialisierten Modellen die auf einen sehr engen Anwendungsbereich beschränkt sind.
Weiterhin liefern CFD-Modelle detaillierte Informationen über die räumlichen Phänomene.
Spätestens bei der Untersuchung der Auswirkungen spezifischer Hindernisse z.B. eines
neuen Gebäudes in einer Industrieanlage auf die Gasausbreitung ist CFD sicherlich die
Methode der Wahl. Der Einsatz von CFD Methoden ist jedoch sehr Zeit- und
Rechenaufwändig.
Zero wear (Null Verschleiß)
(2013)
Before the development of computational science, heat conduction problems were mainly solved by analytical techniques. Analytical solutions are exact solutions of differential equations; the investigated physical phenomena, for instance the temperature, are solved locally for one single point independently of the rest of the investigated structure resulting in extremely short computational times. These analytical solutions are however only valid for some simple geometries and boundary conditions making their applications for complex industrial geometries directly not possible. Numerical techniques, such as the Finite Element Method, enable overcoming this problem. However, the numerical simulation of the structural heat effect of welding for complex and large assemblies requires high computational effort and time. Therefore, the wide application of welding simulation in industry is not established, yet. The aim of this study is to combine the advantages of analytical and numerical simulation methods to accelerate the calibration of the thermal model of structure welding simulation. This is done firstly by calibrating automatically the simulation model with a fast analytical temperature field solution and secondly by solving the welding simulation problem numerically with the analytically calibrated input parameters. In order to achieve this goal, the analytical solution of the heat conduction problem for a point source moving in an infinite solid was extended and validated against reference models until a solution for a volumetric heat source moving on a thin small sheet with several arbitrary curved welding paths was found. The potential of this analytical solution by means of computational time was subsequently demonstrated on a semi-industrial geometry with large dimensions and several curved welds. The combined method was then transferred to an industrial assembly welded with four parallel welds. For this joint geometry, it was possible to apply the extended analytical solution. The calibration of the simulation model was done automatically against experimental data by combining the extended fast analytical solution with a global optimisation algorithm. For this calibration, more than 3000 direct simulations were required which run in less computational time than one corresponding single numerical simulation. The results of the numerical simulation executed with the analytically calibrated input parameters matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The limit of the combined method is shown for an industrial assembly welded with eight overlap welds. For this joint geometry, a conventional numerical approach was applied, since no analytical solution was actually available. The final simulation results matched the experimental data within a scatter band of ± 10 %. The results of this work provide a comprehensive method to accelerate the calibration of the thermal model of the structure welding simulation of complex and large welded assemblies, even though within limitation. In the future, the implementation of this method in a welding simulation tool accessible to a typical industrial user still has to be done.