Studio sull'influenza delle dimensioni del vetro delle finestre sull'esplosione

Data: 4 agosto 2023

Autori: Xiufen Wang, Bo Zhong, Jie Tang, Chen Gao e Mei Li

Fonte: Sostenibilità 2023, 15(12), 9325; MDPI

DOI:https://doi.org/10.3390/su15129325

(Questo articolo fa parte del Numero Speciale Resilienza ai disastri e Sostenibilità delle strutture e delle infrastrutture)

Essendo il componente di protezione esterna più comunemente utilizzato per gli edifici, il vetro delle finestre, a causa delle sue tipiche caratteristiche fragili, è più incline a rompersi sotto l'azione di carichi esplosivi e a produrre frammenti volanti ad alta velocità, che possono rappresentare una grande minaccia per la sicurezza personale. . Questo articolo studia l'influenza della dimensione dei vetri delle finestre sulle loro caratteristiche di cedimento. Viene proposto un metodo semplificato basato sulla simulazione numerica per valutare la curva P–I (pressione-impulsiva) del cedimento del vetro della finestra sotto carichi di esplosione. Le influenze del rapporto lunghezza-larghezza, dell'area e dello spessore delle curve P-I dei vetri delle finestre vengono studiate sistematicamente. Si è scoperto che un rapporto lunghezza-larghezza inferiore, un'area più piccola e un pannello più spesso potrebbero aumentare la resistenza all'esplosione dei vetri delle finestre. Vengono stabilite le formule di previsione empirica per le curve P–I di vetri per finestre con diverse dimensioni geometriche e viene verificata la validità della formula empirica proposta.

Il vetro delle finestre è ampiamente utilizzato negli edifici moderni per la sua buona visibilità e bellezza decorativa. Tuttavia, il vetro è un materiale fragile e produce facilmente frammenti di vetro volanti, provocando vittime. Inoltre, un'onda d'urto può entrare in una stanza, causando direttamente vittime e danni materiali. Nell’ultimo decennio gli attacchi terroristici sono aumentati in tutto il mondo e hanno causato ingenti danni alle strutture edilizie e ferire le persone. Il 19 aprile 1995, ad esempio, i terroristi hanno attaccato un edificio federale nello stato americano dell'Oklahoma. L'esplosione uccise 168 persone e ne ferì 680. Secondo il rapporto dell'inchiesta, i frammenti di vetro volanti rappresentavano quasi il 75% dei feriti. Anche le esplosioni accidentali si sono verificate frequentemente negli ultimi anni. Il 12 agosto 2015, nel porto di Tianjin si è verificato un grave incendio ed esplosione che ha causato la morte di 165 persone e il ferimento di 798, di cui i frammenti di vetro sono stati la principale causa di lesioni.

Sono stati condotti numerosi studi sperimentali, analisi teoriche e simulazioni numeriche sulle risposte dinamiche e sui cedimenti dei vetri delle finestre durante le esplosioni. Chandraskharappa et al. [1] e Teng et al. [2] hanno utilizzato la teoria non lineare delle piastre e dei gusci di Von Karman e il metodo delle perturbazioni per risolvere le risposte dinamiche dei pannelli elastici con elevata deflessione sotto carico d'esplosione, ed è stata fornita una soluzione teorica della risposta dinamica dei normali pannelli di vetro sotto carico d'esplosione. Basandosi sulla teoria della grande deflessione, Birman et al. [3] e turkmeno et al. [4] stabilirono equazioni dinamiche con il metodo Galerkin e le risolsero con il metodo Runge-Kutta per studiare la risposta dinamica delle lastre di vetro laminato durante le esplosioni.

Chen et al. [5,6] hanno teoricamente derivato gli asintoti di impulso e sovrapressione delle curve P-I del vetro float e laminato sotto un carico di esplosione combinando i metodi del singolo grado di libertà e dell'energia. I test di esplosione sul campo sono un metodo necessario ed efficace per studiare le proprietà dinamiche del vetro delle finestre durante le esplosioni. Ge et al. [7,8] hanno condotto test sulla rottura del vetro float sotto carico d'esplosione e hanno ottenuto le velocità di proiezione di frammenti di vetro sotto diversi equivalenti esplosivi. Nel frattempo, i frammenti di vetro sottoposti a diversi carichi esplosivi sono stati raccolti e contati per ottenere i loro valori di distribuzione della distanza. Pan et al. [9,10] hanno eseguito test di esplosione sul vetro float e verificato le distanze di sicurezza del vetro supportato dal telaio in base agli impulsi e ai picchi di sovrapressione.

Robert et al. [11] hanno condotto test sul campo su vetro float sottoposto a carichi di esplosione di lunga durata e hanno studiato gli effetti dello spessore del vetro, dell'area, delle proporzioni e delle condizioni di supporto al contorno sulle loro risposte dinamiche. I risultati mostrano che, rispetto alle condizioni al contorno elastiche, le condizioni al contorno rigide portano ad una concentrazione locale delle tensioni, con conseguente crepe più evidenti e frammenti più piccoli. Per il vetro stratificato, Kanzer et al. [12], Hooper et al. [13], Zhang et al. [14] e Le et al. [15] hanno condotto una serie di test di esplosione sul campo per studiare le risposte dinamiche del vetro laminato. Hanno concluso che, aumentando lo spessore di un pannello di vetro e il numero di strati di vetro, la resistenza del vetro stratificato allo scoppio potrebbe essere effettivamente migliorata.