Résistance balistique de panneaux en béton fibré à ultra-haute performance aux projectiles antiblindages

Abstract

La protection du personnel et des structures face aux explosions et projectiles, spécifiquement les menaces balistiques de calibre léger, est un enjeu critique pour les Forces armées canadiennes (FAC), mais aussi pour les autres agences gouvernementales et forces armées à l’international. L’utilisation de systèmes composés de panneaux protecteurs offre une approche modulaire efficace pour contrer ses menaces. Bien que ces panneaux puissent être fabriqués d’une variété de matériaux, le béton fibré à ultra-haute performance (BFUP) est un matériau récent bien adapté pour résister aux explosions et aux impacts. Le matériau présente une ductilité en flexion et est environ cinq fois plus performant en compression et jusqu'à dix fois plus performant en traction que le béton ordinaire. Les panneaux en BFUP peuvent être des composantes efficaces et efficients de systèmes conçus pour fournir une protection adéquate à une variété de dangers, y compris les menaces balistiques. L’objectif de cette étude était d’évaluer et d’analyser la résistance balistique des panneaux de BFUP aux tirs d’armes légères. Les essais ont été réalisés sur des panneaux de 350 mm par 350 mm d’épaisseur variable coulés à partir de BFUP disponible sur le marché. Les paramètres expérimentaux évalués dans cette étude comprenaient la teneur en fibres (3 et 4 %) et l’épaisseur des panneaux (40, 50 et 60 mm). Les panneaux ont été soumis à des munitions antiblindages de 7,62 mm X 51 mm. Les essais ont été effectués à deux vitesses de projectile différentes et à des distances de décharge équivalentes représentant des conditions rapprochées (10 m) et des conditions éloignées (300 m). Des essais expérimentaux ont été effectués sur un champ de tir intérieur et les procédures étaient conformes aux normes de l’Organisation du traité de l’Atlantique nord (OTAN) et des FAC. La distance de tir était limitée physiquement à 10 mètres et, afin de simuler des vitesses d’impact en conditions éloignées, la quantité de poudre propulsive dans la munition d’essai a été modifiée pour limiter la vitesse du projectile. Un radar Doppler et un écran photo-électrique ont été utilisés pour mesurer les vitesses du projectile avant l’impact. Une caméra à haute-vitesse placée à l’arrière du panneau a enregistré des vidéos qui ont été utilisées pour évaluer les débris générés et la vitesse résiduelle du projectile. Une carte de culbutage (yaw card) et une plaque témoin ont également été utilisées pour étudier le comportement du projectile après l’impact. La configuration expérimentale a permis de faire des comparaisons et des évaluations scientifiques des performances de résistance balistique des mélanges de BFUP spécifiques à cette étude et des épaisseurs de panneaux. Au total, 36 panneaux ont été mis à l’essai au cours de cette recherche, et chaque panneau était soumis à un seul projectile antiblindage de 7,62 mm X 51 mm. 18 panneaux ont été testés avec des vitesses d’impact d’environ 815 m/s, représentant des conditions rapprochées de 10 m. Une deuxième série de 18 panneaux a été testée avec des vitesses d’impact approximatives de 615 m/s correspondant aux conditions éloignées avec une distance équivalente de 300 m. Lorsqu’ils ont été soumis à des vitesses d’impact plus élevées en conditions rapprochées, tous les panneaux ont été perforés pendant les essais par les projectiles perforants. Toutefois, les panneaux présentaient un niveau élevé d’absorption d’énergie, avec une valeur moyenne de 2548 à 3013 J pour des épaisseurs de panneaux de 40 mm à 60 mm respectivement. De plus, la vitesse résiduelle des projectiles sortant des spécimens de 60mm a été considérablement réduite, passant de 816 à 483 m/s. Les spécimens soumis aux conditions éloignées ont également été perforés, à l’exception d’un panneau de 60 mm d’épaisseur en BFUP avec 4 % de fibre par volume. Ce panneau a freiné et retenu le noyau du projectile. Des déformations minimes ont été observées à l’arrière de ce panneau et une énergie d’absorption maximale de 2066 J a été mesurée. L’énergie absorbée moyenne des panneaux perforés se situait entre 1706 et 2034 J pour les panneaux de 40 à 60 mm respectivement. La vitesse résiduelle du projectile sortant a été considérablement réduite pour chaque essai, en particulier pour les panneaux de BFUP de 3% de fibre par volume de 60 mm, où la vitesse a été réduite, en moyenne, de 614 m/s à 18 m/s, sans perforation de la plaque témoin à l’arrière de la cible. Dans l’ensemble, pour les deux séries de panneaux représentant conditions rapprochées et éloignées, un minimum de débris a été observé (moins de 140 g) après l’impact, ce qui démontre la capacité des fibres du BFUP de limiter la quantité et le type de débris qui pourrait causer des blessures suivant un impact. Des modèles de prédiction de base et avancés ont été utilisés pour estimer l’énergie résistante des panneaux en fonction des caractéristiques du matériau telles que la teneur en fibres, l’épaisseur et les propriétés mécaniques. Un modèle de prédiction de Smooth Particle Hydrodynamics (SPH) a été développé à l’aide du logiciel commercial Autodyn afin de simuler la performance balistique des panneaux de BFUP soumis à des vitesses de projectiles antiblindages en conditions rapprochées. Le modèle a été étalonné à l’aide de données expérimentales obtenues au cours de l’étude. Les propriétés des matériaux incorporées dans le modèle proviennent de la littérature et des essais de caractérisation effectués dans le cadre de cette recherche sur les cylindres de BFUP. Le modèle permet d’évaluer et d’approximer le niveau de dommage tout au long de l’impact, de mesurer les dimensions du cratère avant et arrière et d’observer le comportement du projectile pendant et après le processus de perforation. De plus, la simulation facilite les mesures de l’énergie en cause et prédit la vitesse d’impact et la vitesse résiduelle du projectile. En plus du volume des débris pouvant être approximé, le modèle permet l’analyse du cheminement des fissures durant et après le processus de perforation du projectile.

Protection of personnel, equipment and structures against explosions and projectiles, specifically ballistic threats from small arms fire, is an essential responsibility not only of the Canadian Armed Forces (CAF) but also other government agencies and military forces worldwide. Protective panels as components of a larger system offer an effective modular approach to counter these threats. Although panels can be made from a variety of materials, ultra-high performance fibre reinforced concrete (UHPFRC), a recent development, is a material well-suited to resist blast and impact loads. The material exhibits ductility in bending and performs approximatively five times better than ordinary concrete in compression and up to ten times better in tension. Panels made of UHPFRC have the potential to be effective and efficient components of systems designed to provide adequate protection to a variety of hazards including ballistic threats. The aim of this study was to assess and analyze the ballistic resistance performance of UHPFRC panels to small arms fire. The tests were conducted on 350 mm by 350 mm panels of variable thickness cast from commercially available UHPFRC. Experimental panel parameters evaluated in this study included fibre content (3 and 4%) and the thickness of panels (40, 50, and 60 mm). The panels were subjected to 7.62 mm X 51 mm armoured-piercing rounds. Testing was conducted at two different projectile velocities and associated equivalent discharge distances representing Urban Operations (10 m) and Field Operations (300 m). Experimental testing was conducted on an indoor range and procedures were consistent with North Atlantic Treaty Organization (NATO) and CAF standards. The shooting distance was physically limited to 10 m and in order to simulate impact velocities consistent with field operations, the propulsive powder ratio in the test round was modified to limit the velocity of the projectile. A Doppler Radar and photo-electric screen system was used to monitor project velocities pre-impact. A high-speed video camera positioned in the back of the panel recorded images that were used to evaluate the residual velocity of the projectile and generated debris. A yaw card and witness panel were also used to study the projectile behaviour post-impact. The experimental setup allowed scientific comparisons and evaluations of the ballistic resistance performances of the specific UPHFRC mixes and panel thicknesses. A total of 36 panels were tested during this research where each panel was impacted by a single 7.62 mm X 51 mm armoured-piercing round. 18 panels were tested with projectile impact velocities of approximately 815 m/s, representing urban operational discharge distances of 10 m. A second serial of 18 panels was tested with approximate impact velocities of 615 m/s consistent with Field Operations with an equivalent representative discharge distance of 300 m. When subjected to the higher projectile velocities consistent with Urban Operations, all panels were perforated during the tests by the armor-piercing rounds. However, the panels demonstrated a high capacity of energy absorption, with an average value of 2548 to 3013 J for panel thicknesses of 40 mm to 60 mm respectively. In addition, the residual velocity of the projectiles exiting the 60 mm specimens were considerably reduced, from 816 to 483 m/s. Specimens shot under the field operational conditions were also perforated, with the exception of one 60 mm thick panel made of UHPFRC with 4% of fibre per volume which retained the penetrator. Minimal deformations were observed at the back face of this panel and a maximal absorption energy of 2066 J was measured. The average absorbed energy of the perforated panels was between 1706 and 2034 J for the 40 to 60 mm panels respectively. The residual velocity of the projectile exiting specimens was significantly reduced for every test, particularly for 60 mm panels made of UHPFRC with 3% of fibre per volume, where velocity was decreased, in average, from 614 m/s to 18 m/s with no perforation of the witness panel at the back of the target. Overall, for both panel series representing urban and field operational discharge distances, minimal debris (less than 140 g) was observed after impact, which demonstrates the capacity of fibres in UHPFRC to limit the type of debris that could cause post-impact injuries. Basic and advanced predictive models were used to estimate the resistant energy of the panels according to material characteristics such as fibre content, thickness, and mechanical properties. An advanced predictive Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) model was developed using the commercial software Autodyn in order to simulate the ballistic performance of UHPFRC panels subjected to armor piercing projectile velocities consistent with urban operational discharge distances. The model was calibrated with experimental data obtained during the study. Material properties incorporated in the model were sourced from literature and from characterization tests performed as part of this research on UHPFRC cylinders. The model enables the evaluation and the approximation of the damage level throughout the impact, the measurements of the front and rear crater dimensions, and the observation of the projectile behaviour during and after the perforation process. In addition, the simulation facilitates the measurements of energy involved, and predicts the impact and residual velocity of the projectile. In addition, the debris volume was approximated from the model and the behaviour of the crack pattern in the cross-section of the panel during and after the impact was simulated.