STUDIO NUMERICO DELLA RISPOSTA DI UNA TENDOSTRUTTURA SOGGETTA A UN CARICO DA ESPLOSIONE

The numerical study of a tent structure subjected to an external blast load is presented. The thesis refers to temporary structures employed in petrochemical facilities that need to resist to vapor cloud explosions that can happen in the vicinity of the tent. A blast-resistant structure can undergo severe permanent deformations, but it must not collapse and the maximum displacements have to be limited in order not to harm the occupants. The blast load hits the tent and is transmitted to the supporting structure. Since the membrane has a much smaller period of vibration compared to the metallic skeleton, an interaction takes place, that substantially modifies the amount of load carried by the supporting structure, that depends also on the details of the design. In the thesis a simplified nonlinear dynamic analysis of the tent structure is performed according to the procedure proposed by API RP 756. A comparison will be presented between the response of the structure disregarding the dynamic behaviour of the external membrane, and the response calculated considering the interaction between the membrane and the metallic frame. It will be shown that although globally the response of the considered tent is similar in both cases, substantial differences can be found in the estimation of the local deformation. Secondarily, a simplified formulation of the FSI problem is presented, which provides a reduction of the blast impulse transmitted to a thin plate due to interaction with the air. Subsequently, a complete computational FSI analysis was performed, in order to evaluate the energy actually transmitted to the tent. Comparisons will be presented between the two models and considering the two limit cases of full pseudo-static loading as provided by ASCE and the reduced loading as calculated according to Wang et al., as well as comparisons between the response of the structure disregarding the interaction with the air and the FSI case where the compressibility of the air mass is considered. It will be shown that the displacements yielded by means of complete FSI are in accord with those of the simplified model, and that the compressibility of the air determines a substantial reduction of the displacements.

Viene presentato lo studio numerico di una tendostruttura soggetta a un carico da esplosione esterno. Lo studio si riferisce a strutture temporanee impiegate in impianti petrolchimici che devono resistere alle esplosioni di nubi di vapore che possono verificarsi in prossimità della tenda. Una struttura resistente alle esplosioni può subire deformazioni permanenti gravi, ma non deve crollare e gli spostamenti massimi devono essere limitati per non nuocere agli occupanti. Il carico dell'esplosione colpisce la tenda e viene trasmesso alla struttura portante. Poiché la membrana ha un periodo di vibrazione molto più piccolo rispetto allo scheletro metallico, si verifica un'interazione, che modifica sostanzialmente l'entità del carico sopportato dalla struttura portante, il quale dipende anche dai dettagli del progetto. Nella tesi viene eseguita un'analisi dinamica non lineare semplificata della struttura della tenda secondo la procedura proposta dall'API RP 756. Verrà presentato un confronto tra la risposta della struttura prescindendo dal comportamento dinamico della membrana esterna, e la risposta calcolata considerando l'interazione tra la membrana e il telaio metallico. Si dimostrerà che sebbene globalmente la risposta della tenda considerata sia simile in entrambi i casi, sostanziali differenze si riscontrano nella stima della deformazione locale. Secondariamente, viene presentata una formulazione semplificata del problema di interazione fluido-struttura (FSI), che prevede una riduzione dell'impulso trasmesso ad una lamina sottile per interazione con l'aria. Successivamente è stata eseguita un'analisi FSI computazionale completa, al fine di valutare l'energia effettivamente trasmessa alla tenda. Saranno presentati confronti tra i due modelli e considerando i due casi limite di pieno carico pseudo-statico come fornito da ASCE e il carico ridotto come calcolato secondo Wang et al., nonché confronti tra la risposta della struttura trascurando l'interazione con l'aria e il caso FSI dove si considera la compressibilità della massa d'aria. Si dimostrerà che gli spostamenti resi mediante FSI sono in accordo con quelli del modello semplificato, e che la compressibilità dell'aria determina una sostanziale riduzione degli spostamenti.