Development of strength-based design process of shelter blast doors

Abstract

Blast doors are utilized in civil defence shelters and in military and industrial facilities to protect people and equipment from blast pressure. This thesis was made for a case company to develop the strength-based design process of shelter blast doors.

The strength analysis of blast doors must be performed accurately yet efficiently in the pre-design phase, before preparing a sales proposal for a customer. The objective of the thesis was to identify contemporary analytical approaches suitable for safe yet cost-effective design of blast doors and to validate the analytical results using the finite element method. The study also aimed to evaluate whether the analytical results would align with the technical specifications of Finnish civil defence decrees. The blast door leaf plate, its dynamic response, the bolted connections in rebound, and the hinge welds were analyzed with the chosen analytical and numerical methods and an analytical approach to evaluate the door’s fragment penetration resistance was presented.

All the analytical results demonstrated conservative capacities compared with the numerical results. The study also concluded that the rebound coefficients based on the Finnish civil defence decree can underestimate the peak negative loads caused by the dynamic response, depending on the ratio of the duration of the blast load and the natural period of vibration of the blast door.

Suojaovia käytetään väestönsuojissa sekä sotilas- ja teollisuuskohteissa ihmisten ja laitteiden suojaamiseen räjähdyspaineelta. Tämä diplomityö tehtiin toimeksiantajayritykselle suojien suojaovien lujuusperusteisen suunnitteluprosessin kehittämistä varten.

Suojaovien lujuusanalyysi on pystyttävä tekemään tehokkaasti ja nopeasti esisuunnitteluvaiheessa ennen myyntitarjouksen laatimista asiakkaalle. Diplomityön tavoitteena oli käyttää nykyaikaisia analyyttisia menetelmiä, jotka tarjoavat turvallisia ja kustannustehokkaita ratkaisuja suojaovien suunnitteluun, sekä validoida analyyttiset tulokset elementtimenetelmällä. Lisäksi tutkimus pyrki arvioimaan, poikkeavatko analyyttiset tulokset Suomen väestönsuoja-asetusten teknisistä vaatimuksista. Diplomityössä tutkittiin valituilla analyyttisillä ja numeerisilla menetelmillä suojaoven ovilehteä, sen dynaamista käyttäytymistä, pulttiliitoksia takaisinponnahduksessa sekä saranoiden hitsejä, ja esitettiin analyyttinen lähestymistapa oven sirpalesuojauskyvyn arvioimiseksi.

Kaikki tutkimuksesta saadut analyyttiset tulokset osoittivat numeerisiin tuloksiin verrattuna konservatiivisia lujuusarvoja. Tutkimus totesi myös, että Suomen väestönsuoja-asetuksen mukaiset takaisinponnahduskertoimet voivat aliarvioida dynaamisesta reaktiosta koituvaa negatiivista maksimikuormaa, riippuen räjähdyksen keston ja oven ominaisvärähtelyajan välisestä suhteesta.