Geri Dön

Performance of laminated glass subjected to blast and impact loading

Patlama ve darbe yüklemesine maruz kalan lamine camın yapısal performansı

PDF İndir

  1. Tez No: 863735
  2. Yazar: MOHELDEEN HEJAZI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ALİ SARI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, İnşaat Mühendisliği, Mechanical Engineering, Defense and Defense Technologies, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 172

Özet

Bugüne kadar, lamine cam için patlamaya dayanıklı tasarım metodolojilerinde malzeme özellikleri ve patlama parametrelerinde önemli belirsizliklerle karşılaşılmıştır. Bu belirsizlikleri ve analiz tasarım sürecinde güvenliği tehlikeye atan kompromiseler oluşturmasına yol açtığı görülmüştür. Bu durum, yeni bir gelişmeye acil ihtiyaç olduğunu göstermektedir. Sunulan çalışma bu kritik boşluğu doldurmak amacıyla dönüştürücü bir yolculuğa çıkmış ve belirsizlikleri titizlikle araştırarak ve nicelendirerek güvenilir patlamaya dayanıklı lamine cam tasarımı için kapsamlı bir çerçeve oluşturmuştur. Sunulan tez, patlamaya dayanıklı lamine camın analizi ve tasarımı ile ilgili belirsizliklerin ve güven düzeylerinin detaylı olarak incelenmesini amaçlamıştır. Araştırma içeriği, yedi bölümden oluşan bu tezde her bir bölüm, kendi alanına özgü olarak yeni bir katkı ve gelişme sunarak patlamaya dayanıklı lamine camın patlama senaryolarında anlaşılmasına ve pratik uygulanmasına önemli ölçüde katkıda bulunması hedeflenmiştir. Bu araştırma, çalışmanın bağlamını ve motivasyonunu oluşturarak patlayıcı olaylara karşı koruyucu yapıların tasarımında güçlü metodolojilere olan kritik ihtiyacı vurgulayarak başlamıştır. Temel amaç, askeri, sivil sektörler ve genel mühendislik uygulamalarında güvenlik standartlarını artırmaktır. Müteakip bölümde, lamine camın bileşen malzemelerindeki olası değişkenlikleri verilmiştir. Bu kapsamda çeşitli malzeme özelliklerini ve cam malzeme parametre seçimi için ilişkilendirilmiş güven düzeylerini kapsamlı bir şekilde değerlendirilmiştir. İkinci bölüm, bu görev için ayrılmış olup, lamine cam özelliklerinin detaylı bir şekilde incelenmesini içerip kapsamlı bir test programı sunulmuştur. Hem tavlanmış hem de temperli soda-lime cam detaylı bir şekilde incelenmiş; bu inceleme sırasında kimyasal bileşim, yoğunluk, mekanik ve termal özellikler analiz edilmiştir. Elde edilen veriler, lamine cam ünitelerindeki bileşen malzemelerindeki belirsizlikleri tanımlamak için kullanılmıştır. Sonraki bölümde, 11 katmanlı lamine cam ünitelerinin patlama testine yönelik arenada/sahada yapılan test sonuçları sunulmuş ve çelik plakalarla yapılan pilot testleri içeren bir yenilikçi darbe düzeneğinin geliştirilmesi ve uygulanması ile ince lamine cam ünitelerinin kalibrasyonunu gerçekleştirilmiştir. Bu düzenek, çeşitli teknikler kullanılarak sayısal bilgisayar ortamındaki malzeme modellemesini kalibre etmek amacıyla pilot testlerle denenen bir darbe düzenek olup, bu sayede malzeme modelleme işlemlerinde güvenilir sonuçlar elde edilmiştir. Sonraki bölümde patlama olayındaki içsel belirsizlikleri ve güven düzeylerini belirlenmiş, özellikle patlamanın olumlu fazının karakteristiklerine odaklanarak, patlama aşırı basıncını; süreyi ve darbe değişkenliklerini içermektedir. Üçüncü bölüm, belirsizlikleri ve patlama parametrelerinin içsel belirsizliğini inceleyerek, Elliden fazla patlayıcı madde içeren geniş bir veri tabanı ve yirmi beşten fazla patlama azaltma modelini kullanarak bir temel oluşturmaktadır. Bu bölümde, belirli bir güven düzeyinde patlama parametrelerini nicel olarak tahmin etmek için patlayıcı maddeler laboratuvarı çerçevesi (EXLAB) esas alınarak, sonraki analizler de kullanılmıştır. Bir sonraki bölümde, lamine kompozitlerin ve sandviç panellerin modellenmesi için mevcut sayısal modelleme tekniklerini ayrıntılı olarak sunulmuştur. 4. bölümde, mevcut sayısal modelleme tekniklerinin temsilci bir alt kümesinin doğruluk ve hesaplama maliyeti arasındaki kritik bir dengeyi eleştirel bir şekilde inceleyen kapsamlı bir sayısal modelleme optimizasyonu ortaya çıkarılmıştır. Bu teknikler, konvansiyonel sonlu elemanlar yöntemi (FEM), konvansiyonel meshless teknikler olan smoothed particles hydrodynamics (SPH), ve hibrit yaklaşımların, özellikle sonlu elemanlarla eleman silme/erozyon (FEM-ED) ve elemanların smoothed particles hydrodynamics'a dönüştürülmesi tekniğinin performansını içermektedir. Bu teknikler, lamine camın modellenmesinde performanslar açısından değerlendirilmiştir. Değerlendirmeler, hizmet deplasman tepkisi, zirve tepki, kırılma deplasman tepkisi, cam çatlama deseninin yakalanma doğruluğu ve performans seviye sınıflandırması gibi faktörleri içermektedir. Hesaplama talebi, bu kapsamlı değerlendirmede önemli bir parametre olmuştur. Malzeme özellikleri ve kullanılan modelleme varsayımları, ikinci bölümde toplanan deneysel verilerle doğrulanmıştır; bu, özellikle, bir darbe ve patlama deneyi yapılarak gerçekleştirilmiştir. FEM-SPH dönüşümü olarak tanımlanan optimal modelleme tekniği, 5. bölümde yer almakta olup geniş bir sayısal sonuç veri tabanı oluşturmak için kullanılmıştır. Bu veri seti, üç ila on bir katmanlı çeşitli konfigürasyonlarda ve çeşitli malzemelerde modelleme yapılmış lamine camın tepkisini 1200 simülasyon çalışmasıyla kapsamaktadır. Ayrıca, patlama senaryoları, istenen tasarım güven düzeyi ve malzeme özelliklerinde geniş bir patlayıcı yük kütüphanesi ile birlikte sunulmuştur. Bu kapsamlı veri seti, özellikle geliştirilmiş ve kodlanmış bir makine öğrenimi modeli eğitim ve optimizasyon laboratuvar çerçevesine (MLLAB) tanıtılmıştır. MLLAB, her bir model uygulamasıyla gerçekte eğitilen, ayarlanan ve gelişen bir eğitim modeli sunan bir adaptif model tahmini sağlamıştır. 6. bölüm, belirsizlik ve güven seviyelerinin temel prensiplerine dayanarak ve bu çalışma ile diğerlerinin bulgularına dayanarak kapsamlı bir değerlendirme içermektedir. Bu çalışma, bu çerçevelerin altını çizen ve 6. bölümde sunulan sağlam çerçeveler oluşturur. Yazılım ve program çerçeveleri, Python programlama dili kullanılarak en iyi uygulama ve standartlara uyumluluğu ile birlikte state-of-the-art kütüphaneler ve algoritmalar kullanılarak özenle geliştirilmiştir. Geliştirilen çerçeveler arasında, patlayıcı maddelerin modelleme laboratuvarı (EXLAB), pencere ve cam bileşimi laboratuvarı (WINDLAB), makine öğrenimi eğitim test ve optimizasyon laboratuvar çerçevesi (MLLAB) bulunmaktadır. Bu çerçeveler, Python programlaması aracılığıyla makine öğrenimi ve sinir ağlarının gücünden faydalanarak ve çeşitli eğitim, veri işleme ve normalleştirme tekniklerini özenle değerlendirerek doğruluk ve güvenilirlik sağlanmıştır. Böylece, herhangi bir tasarım belirleme düzeyinde çeşitli malzeme özellikleri ve patlama senaryo parametrelerinin tahmini kolaylaştırılmıştır. Bu araştırmada en çok amaçlanan husus, lamine camın patlama senaryolarına tepkisi için kapsamlı bir güven düzeyine dayalı analiz modelinin geliştirilmesidir. Patlamaya dayanıklı pencere tasarım çerçevesi (EXWIND), Python kullanılarak tasarlanmış kullanıcı dostu bir grafik arayüz sunmaktadır. Sunulan çalışma, patlama yükü altında lamine cam analizi ve tasarımının anlaşılması ve pratik uygulamasına önemli katkılarda bulunmaktadır. Sivil ve askeri uygulamalarda koruyucu yapılarla ilgilenen endüstriler, otomotiv, havacılık ve güvenlik sistemleri, aynı zamanda geniş mühendislik ve araştırma topluluğu için değerli bir kaynak sunmaktadır. Bu tez çalışması boyunca geliştirilen kapsamlı metodolojiler, lamine cam yapılarını patlama yükü altında tasarlama konusunda sağlam bir temel oluşturarak, gerçek dünya senaryolarında risk azaltma, artan güvenlik ve optimize edilmiş tepkiler sağlamıştır. Bu çerçeveler ve modeller, çeşitli endüstrilerde koruyucu yapı tasarımının ilerlemesine somut ve pratik bir etki sunan mühendisler ve tasarımcılar için temel araçlar olarak hizmet etmiştir. Bu projenin başarısı, dinamik bir ekosistem içindeki iş birliğine bağlanmıştır. Türkiye'deki endüstri liderleri ve yenilikçi cam üreticileri ile yapılan iş ortaklığı, araştırma yönlendirmesini belirlemede kritik olmuş ve uygulamadaki başarısını sağlamıştır. Akademi ile endüstri arasındaki bu iş birliği, Türkiye ve dünya genelinde patlamaya dayanıklı tasarımın geleceğine dair ortak bir vizyonun vurgulamıştır. Yazar, bu çalışmanın Türk güvenlik cam endüstrisinde ilerlemenin güçlü bir katalizörü olmasını beklemektedir. Burada geliştirilen metodolojiler ve çerçeveler, yerel üreticilere ürünlerini geliştirmeleri için sağlam bir temel sunarak, esnek ve güvenli yapıların değişen talepler karşısında karşılanmasına olanak tanımaktadır. Bu ise, Türkiye'yi yüksek performanslı cam çözümleri global pazarında önde gelen bir paydaş olarak güçlendirme potansiyeline sahiptir. Ayrıca, bu araştırma ulusal sınırları aşarak, patlamaya dayanıklı tasarım konusundaki uluslararası tartışmaya değerli katkılar sağlamaktadır. Elde edilen bilgi, küresel standartları ve en iyi uygulamaları etkileme ve geliştirme potansiyeline sahip olup, bu da dünya genelinde daha güvenli ve sağlam yapılar için yol gösterici olabilecektir. Belirsizliklerin ve güven seviyelerinin anlayışındaki boşlukları doldurarak, bu araştırma, mühendislere kararlı bir güvenle tasarım yapma, riski azaltma ve nihayetinde hayat kurtarma olanağı tanımaktadır. Bu çalışmanın etkisi, sadece doğrudan katkılarıyla sınırlı kalmayıp, gelecek nesilleri patlamaya dayanıklı tasarımın sınırlarını zorlamaya ve tüm insanlık için daha güvenli bir dünya inşa etmeye ilham verme kapsamında yaygın etkisinin sürmesi beklenmektedir.

Özet (Çeviri)

Hitherto, blast-resistant design methodologies for laminated glass often face significant uncertainties in both material properties and blast parameters. This lack of robust confidence levels in analysis and design leads to over-engineered structures or compromised safety, highlighting the crucial need for novel advancement. This doctoral thesis aims to fill this gap by investigating and quantifying uncertainties while establishing a comprehensive framework for confident blast-resistant laminated glass design. This doctoral thesis is intended to provide a rigorous examination of uncertainties and confidence levels associated with the analysis and design of laminated glass subjected to blast loading. The research journey unfolds across seven chapters, each contributing significantly to the understanding and practical application of laminated glass in blast scenarios. In designing this study chapters were designed and organized so that each chapter, by its merits, would present a novel contribution and advancement to its respective field as well as contribute to the overall understanding of the laminated glazing response to blast loading. This investigation commences by establishing the context and motivation for the study, emphasizing the critical need for robust methodologies in designing protective structures against blast events. The overarching goal is to enhance safety standards in the military, civil sectors, and broader engineering applications. The study then embarks on investigating potential variabilities in the laminated glass' constituent materials, comprehensively assessing the various material properties of soda-lime and borosilicate glass and their associated levels of confidence. Chapter 2 is devoted to this task where it initiates the investigation with a detailed exploration of soda-lime glass properties through a comprehensive testing program. In this program, both annealed and tempered soda-lime glass were examined for chemical composition, density, mechanical, and thermal properties. The acquired data serves to identify uncertainties in constituent materials within laminated glazing units. Subsequently, the chapter presents the outcomes of arena/field blast testing on thick 11-layer laminated glass units, complemented by the development and implementation of a novel impact setup. This setup, pilot-tested with steel plates, is further applied in testing thin laminated glass units with varying thicknesses, facilitating the calibration of material modeling in the numerical computer environment using multiple techniques. Subsequently, this study explores the inherent uncertainties and confidence levels within the blast phenomenon, with a particular focus on the characteristics of the positive phase, including the blast overpressure; duration; and impulse variabilities. Chapter 3 expands the investigation into uncertainty inherent in the sources and blast parameters, leveraging a vast database comprising over 50 explosive substances and an extensive collection of 25+ blast attenuation models. The chapter establishes a solid foundation for the explosive substances laboratory framework (EXLAB) for quantitatively estimating blast parameters with a specified confidence level, providing a robust foundation for subsequent analyses. Furthermore, this research proceeds with a detailed exploration of the numerical modeling techniques available for modeling laminated composites and sandwich panels. Thereafter, in chapter 4, an extensive numerical modeling optimization unfolds to critically examine the accuracy and computational cost tradeoff of a representative subset of available numerical modeling techniques. These include the conventional finite elements method (FEM), the meshless smoothed particles hydrodynamics (SPH), and hybrid approaches with finite element with element deletion/erosion (FEM-ED) and finite element conversion to smoothed particles hydrodynamics (FEM-SPH). These techniques are evaluated for their performance in modeling laminated glass. The assessments extend to service displacement response, peak response, breakage displacement response, accuracy in capturing glass cracking patterns, and performance level classification. Computational demand is also a key consideration in this comprehensive evaluation. The material properties and the employed modeling assumptions are rigorously verified through the experimental data collected in Chapter 2, namely, the impact testing results conducted with a novel and versatile impact testing setup, complemented by blast experimentation conducted by blast and shock-tube testing. The optimal modeling technique, identified as FEM-SPH conversion, is subsequently employed in Chapter 5 to generate an extensive database of numerical results. The dataset encompasses 1200 simulation runs, modeling laminated glazing units with varying configurations, materials, and number of layers (3 to 7 layers), as well as varying blast scenarios, and desired design level of confidence. This exhaustive dataset is introduced to an especially developed and coded machine learning model training and optimization laboratory framework (MLLAB), The MLLAB offers an adaptive model prediction with continuously evolving and advancing predictions in real-time with each model implementation. Drawing upon the foundational principles of uncertainties and confidence levels and guided by an extensive review of empirical models and experimental testing results in this study and findings by others. This study establishes robust frameworks which are presented in chapter 6. The software and programming frameworks were meticulously developed using the Python programming language with compatibility with the best conventions and practices as well as state-of-the-art libraries and algorithms. The frameworks developed include the explosive substances modeling laboratory (EXLAB), windows and glazing composition laboratory (WINDLAB), and machine learning training testing and optimization laboratory framework (MLLAB). These frameworks harness the power of machine learning and neural networks, are implemented through Python programming, and are meticulously evaluated for various training, data processing, and normalization techniques to ensure precision and reliability. Thus, facilitating for any given design-set level of confidence an estimation of the diverse material properties, and blast scenario parameters. The culmination of this endeavor is the development of a comprehensive confidence level-based analysis model for laminated glass response to blast scenarios. The explosion-resistant windows design framework (EXWIND) offers a user-friendly graphical interface crafted using Python. The developed frameworks are accompanied by in-depth user manuals. With this software, this thesis contributes significantly to the understanding and practical application of laminated glass analysis and design under blast loading. It offers a valuable resource for the industries concerned with protective structures in civil and military applications, automotive, aviation, and safety systems, as well as the broad engineering and research community. The comprehensive methodologies developed throughout the thesis provide a robust foundation for designing laminated glass structures under blast loading, ensuring risk mitigation, enhanced safety, and optimized responses in real-world scenarios. The frameworks and models established herein serve as essential tools for engineers and designers, offering a tangible and practical impact on the advancement of protective structure design in various industries. This project's success is attributed to the collaboration within a dynamic ecosystem. The partnership with industry leaders and innovative glass manufacturers in Turkey was crucial in determining the research direction and ensuring its practical application. This cooperation between academia and industry highlights a shared vision for the future of blast-resistant design, both in Turkey and worldwide. The author hopes that this thesis will act as a powerful catalyst for progress in the Turkish safety glazing industry. The methodologies and frameworks developed here provide a strong foundation for local manufacturers to improve their products, meeting the ever-changing demands for resilient and secure structures. This has the potential to strengthen Turkey's position as a leading player in the global market for high-performance glazing solutions. In addition, this research extends beyond national borders, providing valuable contributions to the international discussion on blast-resistant design. The knowledge gained has the potential to influence and enhance global standards and best practices, leading to safer and more robust structures worldwide. By filling the gaps in our understanding of uncertainties and confidence levels, this research enables engineers to design with unwavering confidence, reduce risk, and ultimately save lives. The impact of this work extends beyond its immediate contributions, inspiring future generations to push the boundaries of blast-resistant design and build a safer world for everyone.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    496466

    Dayanım ve dayanıklılık açısından yüksek performanslı çimento esaslı tabakalı kompozitlerin geliştirilmesi

    Development of high performance cementitious laminated composites in terms of high strength and high durabilty

    ESMA GİZEM DAŞKIRAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU

  2. Tez No

    617716

    Bazı cam ve plastik esaslı şeffaf malzemelerin katı parçacık erozyon performansların incelenmesi

    Investigation on the solid particle erosion performance of some glass and polymeric transparetn materials

    MOHD HUSSAIN DANESH

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖMER NECATİ CORA

  3. Tez No

    596857

    Ahşap lamine kirişlerin çarpma yükleri etkisindeki davranışının deneysel olarak incelenmesi

    Experimental investigation of behavior of beam laminated beams on the effect of shocking loads

    HİDAYET UYAR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    İnşaat MühendisliğiGazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖZGÜR ANIL

  4. Tez No

    332395

    Sarıçam ağaç malzeme ve farklı fiber kumaşları (FRP) ile elde edilen lamine ağaç malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi

    Pine wood fiber materials and different fabrics (FRP) obtained by determining the mechanical properties of laminated wood material

    OSMAN MISTAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Ağaç İşleriKarabük Üniversitesi

    Mobilya ve Dekorasyon Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BURHANETTİN UYSAL

  5. Tez No

    469032

    Tabakalı biyokompozitlerin kırılma performanslarının stokastik yöntemler kullanarak optimize edilmesi

    Failure performance optimization of laminated biocomposites by using stochastic methods

    AYNUR AYVALIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Makine Mühendisliğiİzmir Katip Çelebi Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. LEVENT AYDIN

Geri Dön