The analysis of penetration of warheads in concrete protective structures is an important part of the study of weapon effects on protective structures. This type of analysis requires that the design load in the form of a warhead is determined, and its characteristic and performance within a protective structure is known. Constitutive equations for concrete subjected to weapon effects have been a major area of interest for a long time, and several material models for concrete behaviour are developed. However, it is not until recent years that it has been possible to use finite element (FE) analyses to simulate the behaviour of concrete targets during projectile penetration with acceptable results. The reason for this is a combination of several factors, e.g. development of suitable material models for concrete, enhancement of numerical methodology and affordable high capacity computer systems. Furthermore, warhead penetration has primary been of interest for the armed forces and military industry, with a large part of the conducted research being classified during considerable time. The theoretical bases for concrete material behaviour and modelling with respect to FE analyses of projectile penetration are treated in the thesis.

The development of weapons and fortifications are briefly discussed in the thesis. Warheads may be delivered onto a protective structure by several means, e.g. artillery, missiles or aerial bombing, and two typical warhead types were used within the study. These warhead types were artillery shells and unitary penetration bombs for the use against hardened targets, with penetration data for the later warhead type almost non-existing in the literature. The penetration of warheads in concrete protective structures was therefore studied through a combination of experimental work, empirical penetration modelling and FE analyses to enhance the understanding of the penetration phenomenon. The experimental data was used for evaluation of empirical equations for concrete penetration and FE analyses of concrete penetration, and the use of these methods to predict warhead penetration in protective structures are discussed within the thesis.

The use of high performance concrete increased the penetration resistance of concrete targets, and the formation of front and back face craters were prevented with the use of heavily reinforced normal strength concrete (NSC) for the targets. In addition, the penetration depths were reduced in the heavily reinforced NSC. The evaluated existing empirical penetration models did not predict the behaviour of the model scaled hardened buried target penetrators in concrete structures with acceptable accuracy. One of the empirical penetration models was modified to better describe the performance of these penetrators in concrete protective structures. The FE analyses of NSC gave reasonable results for all simulation cases, with the best results obtained for normal impact conditions of the penetrators.

Analyser avseende stridsdelars penetration i skyddskonstruktioner av betong viktigt för studier av vapenverkan mot skyddskonstruktioner. Dessa analyser förutsätter att dimensionerande last i form av stridsdel bestäms, samt att dess karakteristik och verkan mot skyddskonstruktioner är kända. Konstitutiva modeller för betong utsatta för vapenverkan har varit av stort intresse under en lång tid och ett flertal materialmodeller har utvecklats. Det är emellertid först på senare år som det varit möjligt att använda finita element (FE) analyser for att simulera beteendet för betongmål vid projektilpenetration med acceptabla resultat. Anledningen till detta kan tillskrivas kombinationen av ett flertal faktorer, t ex utvecklingen av lämpliga materialmodeller, förbättringar av numerisk metodik och utvecklingen av kostnadseffektiva beräkningsdatorer. Penetration av stridsdelar har dessutom i huvudsak varit av intresse för militären och försvarsindustrin, vilket har resulterat i att en stor del av den bedrivna forskningen har varit hemligstämplad under lång tid. Grunderna avseende betongs materialbeteende och beskrivning av detta med avseende på FE-analyser av projektilpenetration behandlas i denna licentiatuppsats.

Den fortifikatoriska utvecklingen och utvecklingen av vapen diskuteras kortfattad i uppsatsen. Ett flertal olika typer av stridsdelar är av intresse avseende verkan mot skyddskonstruktioner, t ex artillerigranater, missiler eller flygbomber. I denna studie beaktades två typiska stridsdelar, artillerigranater och penetrerande bomber. De senare är specifikt konstruerade för användande mot skyddskonstruktioner och företrädesvis mot betongkonstruktioner. Det visade sig dessutom att data avseende penetration i betong för denna typ av penetrerande stridsdelar i stort sett inte var publicerade. Penetration av stridsdelar i betong studerades därför med en kombination av experimentella metoder, empiriska penetrationsmodeller och FE-analyser för att öka förståelsen för problemställningen. De experimentella modellresultaten användes för att utvärdera både de empiriska penetrationsmodellerna och FE-analyserna avseende betongpenetration, med båda metodernas användande diskuterat i uppsatsen.

Användandet av högpresterande betong ökade penetrationsmotståndet för betongmålen i jämförelse med standardbetongmålen. Det var även möjligt att förhindra kraterbildningen på fram- och baksidan av de kraftigt armerande standardbetongmålen, detta medförde även en reducerad penetration för projektilerna i målen. De existerande empiriska penetrationsmodellerna kunde inte förutsäga penetrationen av modellprojektilerna i betongmålen med godtagbara resultat. Istället vidareutvecklades en av dessa modeller för att bättre beskriva denna typ av penetrerande stridsdelar i skyddskonstruktioner av betong. Finita elementanalyserna av standardbetongmålen visade sig ge ett rimligt beteende för alla analyserade modeller, med de bästa resultaten erhållna för vinkelrätt anslag för de modellprojektilerna av de penetrerande stridsdelarna.

Concrete structural elements subjected to severe dynamic loads such as explosions at close range may cause shear failures. In the Oklahoma City bombing in 1995 two concrete columns on the ground level were reported to have failed in shear. Such shear failures have also been reported to occur in several experimental investigations when concrete beams and slabs were subjected to blast or impact loads. The dynamic shear mechanisms are not yet fully understood and it is therefore of research significance to further investigate these mechanisms. The main objective of the research presented in this thesis is to experimentally and theoretically analyse shear failures of reinforced concrete elements subjected to uniformly distributed dynamic loads.

The experimental work consisted of concrete beams of varying concrete grades and reinforcement configurations subjected to blast loads. One series involved testing of steel fibre reinforced concrete (SFRC) beams and the other series involved tests with concrete beams reinforced with steel bars. The former investigation showed that SFRC beams can resist certain blast loads. In the latter investigation, certain beams subjected to blast loads were observed to fail in flexural shear while the same beams exhibited flexural failures in the static tests. Such shear failures specifically occurred in beams with relatively high reinforcement contents. With these experiments as reference, numerical simulations with Ansys Autodyn were performed that demonstrated the ability to predict flexural shear failures.

A direct shear failure mode has also been observed in experiments involving concrete roofs subjected to intense distributed blast loads. In several cases, the roof slabs were completely severed from their supporting walls along vertical or near-vertical failure planes soon after the load had been applied. Theoretical analyses of the initial structural response of beams subjected to distributed loads were conducted with the use of Euler-Bernoulli beam theory and numerical simulations in Abaqus/Explicit. These analyses show that the initial structural response consists of shear stresses and bending moments developing at the supports. The remaining parts of the beam will be subjected to a rigid body motion. Further simulations with Abaqus shows that that dynamic direct shear failure appears to be due to a deep beam response with crushing of the compressive struts at the supports, and therefore differs from a static direct shear mode. The results also showed that parameters such as element depth, amount of reinforcement, load level and load duration played a role in developing a dynamic direct shear failure.

Byggnadselement i betong utsatta för stora dynamiska laster som explosioner på nära håll kan förorsaka skjuvbrott. I bombådet i Oklahoma City 1995 rapporterades att två betongpelare i marknivå gick till skjuvbrott. Sådana skjuvbrott har observerats i flera experimentella undersökningar med betongbalkar eller plattor som utsattes för explosionslaster eller anslag från fallande föremål. Mekanismerna bakom dynamisk skjuvning är ännu inte helt klarlagda och det är därför av intresse att utforska dessa mekanismer. Huvudsyftet med forskningen i föreliggande avhandling är att experimentellt och teoretiskt analysera skjuvbrott i armerade betongelement utsatta för jämnt utbredd dynamisk last.

Den experimentella delen av forskningen bestod av betongbalkar med varierande betonghållfasthet and armeringsutformning utsatta för explosionslaster. En försöksserie omfattades av stålfiberarmerade balkar och den andra av betongbalkar med armeringsstänger. Den förra undersökningen visade att de fiberarmerade balkarna kan bära en viss explosionslast. I den senare undersökningen observerades att de balkar som utsattes för explosionslast och gick till böjskjuvbrott medans samma balkar gick till böjbrott i de statiska försöken. Skjuvbrotten uppstod i balkar med relativt höga armeringsinnehåll. Dessa balkar användes senare som referensbalkar för numeriska simuleringar med Ansys Autodyn där simuleringarna visade på möjligheten att förutsäga böjskjuvbrott.

Även direkt skjuvning har observerats i experiment med betongtak utsatta för höga explosionslaster. I flera fall separerades taken från de stöttande väggarna längs vertikala eller nära vertikala brottytor kor tid efter pålastningen. Teoretiska analyser av den tidiga strukturresponsen för balkar utsatta för utbredda laster genomfördes med Euler-Bernoulli balkteori och numeriska simuleringar med Abaqus/Explicit. Dessa analyser visar att den initiala strukturresponsen består av skjuvspänningar och böjande moment som uppstår vid stöden. Områdena på balken från nära stöd mot balkmitt rör sig i form av en stelkropp. Vid ytterligare simuleringar med Abaqus förefaller ett dynamiskt direkt skjuvbrott vara resultatet av en respons likt en hög balk med krossning av de tryckta strävorna vid stöden, och därmed skiljer sig från statisk direkt skjuvning. Resultaten visar även att balkhöjd, armeringsinnehåll, lastnivå och lastens varaktighet är parametrar som påverkade utvecklingen av ett dynamiskt direkt skjuvbrott.