Warhead penetration in concrete protective structures

• Main Author: Hansson, Håkan
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Betongbyggnad 2011
• Subjects: Warhead penetration; FE analysis; experiment; material modelling; fortifications; Stridsdelspenetration; FE-analyser; materialmodellering; fortifikationer
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-48009

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. === QC 20111116