Containment structures not only are leak-tight barriers, but also may be subjected to impacts caused by tornado-generated projectiles, aircraft crashes or the fragments of missile warhead. This paper presents the results of an experimental study of the impact resistance of steel fiber-reinforced concrete against 45 g projectiles at velocity around 2500 m/s. An explosively formed projectile (EFP) was designed to generate an equivalent missile fragment. The formation and velocity of EFP are measured by flash x-ray. A switch made of double-layered thin copper sheets controlled the exposure time of each flash x-ray. The influence of the fiber volume fraction on the crater diameter of concrete slab and the residual velocity of the projectile were studied. The residual velocity of the projectile decreased as the fiber volume fractions increased. In this work, the residual velocity of the projectile was to 44% that of plain concrete when the fiber volume fraction exceeded 1.5%. Based on the present finding, steel fiber reinforced concrete with the fiber volume fraction exceeding 1.5% appear to be more efficient in protection against high velocity fragment impact.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.19
no.4
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pp.92-100
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2015
The aim of this study is to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites with 1.5 volume ratio of polyvinyl alcohol and steel fiber by high velocity impact of steel projectile. We used gunpowder impact facility to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites by collision of steel projectile, and the impact velocity was from about 150 to 1,000m/s. The results of evaluation on the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites were penetration grade, which is the kinetic energy more than three times of no-fiber reinforced specimen (Plain). In addition, ductile fiber reinforced cement based composites did not occurred critical damage other than the debris. In the case of mass loss, Plain specimen was proportional to kinetic energy of steel projectile, while ductile fiber reinforced cement based composites was not significantly affected by kinetic energy of steel projectile. In particular, this tendency had a close relationship with the fracture characteristics of back side of specimens, and the scabbing inhibiting efficiency of PVA specimen was higher than S specimen. In the results of verifying relationship between front and back side calculated by local damage, scabbing occurred at the region close to the back side in the ductile fiber reinforced cement based composites unlike Plain specimen. Thus, in this study, we examined principal fracture behaviors of ductile fiber reinforced cement based composites under collision of steel projectile, and verified that impact resistance performance was improved as compared to Plain specimen.
We designed a model composed of a ring type magnet, a yoke, and a sensing coil embedded in a projectile for simulating the muzzle velocity. The muzzle velocity was obtained from the master curve for the induced voltage at sensing coil and the velocity as the projectile pass through the magnetic field. The induced voltage and the projectile's velocity are fitted by the $2^{nd}$ order polynomial. The skin effect difference between projectiles which consist of aluminum-aluminum and aluminum-steel was small. The projectile will surely be burst at the pre-determined target area using the flight time and the projectile muzzle velocity calculated from the voltage induced at the sensing coil on the projectile.
Severe element distortion problem is observed in finite element mesh while performing numerical simulations of high velocity steel projectiles penetration/perforation of concrete targets using finite element method (FEM). This problem of element distortion in Lagrangian formulation of FEM can be resolved by using element erosion methodology. Element erosion approach is applied in the finite element program by defining failure parameters as a condition for element elimination. In this study strain parameters for both compression and tension at failure are used as failure criteria. Since no direct method exists to determine these values, a calibration approach is used to establish suitable failure strain values while performing numerical simulations of ogive-nose steel projectile penetration/perforation into concrete target. A range of erosion parameters is suggested and adopted in concrete penetration/perforation tests to validate the suggested values. Good agreement between the numerical and field data is observed.
Choi, Jeong-Il;Park, Se-Eon;Lee, Sang-Kyu;Kim, Gyu-Yong;Hwang, Jae-Seung;Lee, Bang Yeon
Advances in concrete construction
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v.12
no.5
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pp.391-398
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2021
This paper presents an experimental study exploring impact resistant properties of Kagome truss reinforced composite panels. Three types of panels with different materials and reinforcements, i.e., ultra-high-performance mortar, steel fiber, and Kagome truss, were designed and manufactured. High-velocity projectile impact tests were performed to investigate the impact response of panels with dimensions of 200 mm×200 mm×40 mm. The projectile used in the testing was a steel slug with a hemispherical front; the impact energy was 1 557 J. Test results showed that the Kagome truss reinforcement was effective at improving the impact resistance of panels in terms of failure patterns, damaged area, and mass loss. Synergy effects of a combination of Kagome truss and fiber reinforcements for the improvement of impact resistance capacity of ultra-high-performance mortar were also observed.
Investigations of the commercial aircraft impact effect on nuclear island infrastructures have been drawing extensive attention, and this paper aims to perform the safety assessment of Generation III nuclear power plant (NPP) buildings subjected to typical commercial aircrafts crash. At present Part III, the local damage of the rigid components of aircraft, e.g., engine and landing gear, impacting the steel concrete (SC) structures of NPP containment is mainly discussed. Two typical SC target panels with the thicknesses of 40 mm and 100 mm, as well as the steel cylindrical projectile with a mass of 2.15 kg and a diameter of 80 mm are fabricated. By using a large-caliber air gas gun, both the projectile penetration and perforation test are conducted, in which the striking velocities were ranged from 96 m/s to 157 m/s. The bulging velocity and the maximal deflection of rear steel plate, as well as penetration depth of projectile are derived, and the local deformation and failure modes of SC panels are assessed experimentally. Then, the commercial finite element program LS-DYNA is utilized to perform the numerical simulations, by comparisons with the experimental and simulated projectile impact process and SC panel damage, the numerical algorithm, constitutive models and the corresponding parameters are verified. The present work can provide helpful references for the evaluation of the local impact resistance of NPP buildings against the aircraft engine.
Moon, Guee-Won;Jeung, In-Seuck;Choi, Jeong-Yeol;Seiler, Friedrich;Patz, Gunther;Smeets, Gunter;Srulijes, Julio
한국연소학회:학술대회논문집
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2002.06a
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pp.123-132
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2002
A numerical study was conducted to investigate the combustion phenomena of normal start and unstart processes based on ISL's RAMAC 30 experiments with different diluent amounts and fill pressures in a ram accelerator. The initial projectile launching speed was 1.8 km/s which corresponded to the superdetonative speed of the stoichiometric $H_2/O_2$ mixture diluted with 5 $CO_2$ or 4 $CO_2$. Experiments with same condition except for projectile surface material demonstrated that ignition was successful with an aluminum projectile, but no combustion was observed in case of a steel projectile. In this study, it was found that neither shock nor viscous heating was sufficient to ignite the mixture at a low speed of 1.8 km/s, as was found in the experiments using a steel projectile. However, we could succeed in igniting the mixtures by imposing a minimal amount of additional heat to the combustor section and simulate the normal start and unstart processes found in the experiments with an aluminum projectile. For the numerical simulation of supersonic combustion, multi-species Navier-Stokes equations coupled with a Baldwin-Lomax turbulence model and detailed chemistry reaction equations of $H_2/O_2/CO_2$ suitable for high-pressure gaseous combustion were considered. The governing equations were discretized by a high order accurate upwind scheme and solved in a fully coupled manner with a fully implicit, time accurate integration method. The numerical results matched almost exactly to the experimental results. As a result, it was found that the normal start and unstart processes depended on the strength of gas mixture, development of shock-induced combustion wave stabilized by the first separation bubble, and its size and location.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2017.05a
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pp.254-255
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2017
The aim of this study is to investigate the impact resistant performance of steel short fiber-reinforced cement based composites (SFRCCs) containing 1.0, 1.5, 2.0 and 3.0% volume fraction of steel short fibers subjected to high velocity impact of steel projectile (the diameter of 19.05mm and the mass of 28.13g). The gunpowder impact facility was used for impact tests, and the impact velocity was from about 350 to 700m/s. The specimens were damaged in various failure modes, which are penetration, scabbing, and perforation. Comparing with Plain specimen, SFRCCs have superior capacity on the scabbing limit, and slightly bulged in the back side under the impact velocity of 700m/s. In addition, the impact resistant performance of SFRCCs improved with increase of steel short fiber volume ratio. The fibers play an important role in controlling the local damage of SFRCCs.
Proceedings of the Korean Institute of Building Construction Conference
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2014.11a
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pp.28-29
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2014
In this study, flexural strength by fiber reinforced for steel fiber and reinforced polyamide fiber concrete, and concrete fracture properties by improvement of flexural toughness and high-velocity projectile impact were evaluated. As a result, it was confirmed that flexural strength are improved by distribution of stress and suppress of cracks, and the back desquamation of concrete by high-velocity projectile impact is suppressed. In addition, It was observed that the spalling of rear is caused when tension stress is caused as shock wave by high-velocity projectile impact was transferred to the rear and tension stress is suppressed by fiber reinforcement.
Kim, Gyu-Yong;Hwang, Heon-Kyu;Nam, Jeong-Soo;Kim, Hong-Seop;Park, Jong-Ho;Kim, Jeong-Jin
Journal of the Korea Institute of Building Construction
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v.12
no.4
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pp.377-385
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2012
In this study, the Impact resistance of steel fiber and organic fiber reinforced concrete and mortar was evaluated and the improvement in toughness resulting from an increase in compressive strength and mixing fiber for impact resistance on performance was examined. The types of fiber were steel fiber, PP and PVA, and these were mixed in at 0.1, 0.5 and 1.0 vol.%, respectively. Impact resistance is evaluated with an apparatus for testing impact resistance performance by high-speed projectile crash by gas-pressure. For the experimental conditions, Specimen size was $100{\times}100{\times}20$, 30mm ($width{\times}height{\times}thickness$). Projectile diameter was 7 and 10 mm and impact speed is 350m/s. After impact test, destruction grade, penetration depth, spalling thickness and crater area were evaluated. Through this evaluation, it was found that as compressive strength is increased, penetration is suppressed. In addition, as the mixing ratio of fiber is increased, the spalling thickness and crater area are suppressed. Organic fibers have lower density than the steel fiber, and population number per unit area is bigger. As a result, the improvement of impact resistance is more significant thanks to dispersion and degraded attachment performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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