بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي رفتار ديناميکي سازه هاي صنعتي تحت بارگذاري انفجاري
چکيده
در مقاله حاضر تأثير بارگذاري انفجاري درون سازه اي و برون سازه اي بر عملکرد اتصالات تير به ستون در سازه هاي فلزي سوله ها مورد بررسي قرار مي گيرد. اين نوع اتصالات کاربرد گسترده اي در سازه هاي فولادي کشور دارند. براي انجام اين تحقيق روش المان محدود و نرم افزار ABAQUS که يکي از قوي ترين نرم افزارهاي اجزاي محدود موجود مي باشد، مورد استفاده قرار مـيگيـرد. تحليـل دينـاميکي غيرخطي با در نظر گرفتن اثرات نرخ کرنش بالاي ناشي از انفجار و مدل سازي ماده منفجره با استفاده مدل ConWep در نرم افزار انجام گرفته است . ماده منفجره بصورت وزن معادل TNTمدل سازي خواهد گرديـد. سـپس بـه بررسـي تـأثير پـارامتري مختلـف بـر رفتـار ديناميکي و عملکرد اين نوع اتصالات پرداخته خواهد شد. در نهايت با استفاده از نمودارهاي مناسبي تأثير پارامترهايي از قبيـل وزن و فاصله ماده منفجره بر رفتار غيرخطي، عملکرد و استحکام مورد مطالعه قرار خواهد گرفت .
کلمات کليدي: سوله صنعتي، مدل ConWep، ماده منفجره ، نرم افزار ABAQUS.
١. مقدمه
بررسي نيروهاي ناشي از انفجار به منظور تحليل و طراحي سازه هاي امن ، از مهم ترين مقوله هايي است که در چند سال اخير مورد توجه بسياري از محققين قرار گرفته است . سازه هاي معمولي در برابر اکثر انفجارها به شدت آسيب پـذير هسـتند. در سـال هـاي اخيـر نرم افزارهاي حل عددي به عنوان يک ابزار قوي براي تحليل غيرخطي سازه ها به خاطر سادگي و سهولت آن نسبت به روش ديناميکي مورد پذيرش قرار گرفته است . بنابراين ارائه روشي جهت تخمين رفتار سازه در برابر بارگذاري انفجـار بـا اسـتفاده از ايـن نـرم افزارهـا ميتواند در مقاصد عملي نظير طراحي سازه در برابر انفجار، بسيار سودمند و مؤثر واقع شود.
بررسـي اثـر انفجـار بـر اتصـالات سـازه هـاي فـولادي در سال هاي اخير مورد توجه محققــان قــرار گرفتــه اســت [١-٥]. بــا اينحال تعداد و نوع سازه ها و اتصالات بررسي شده ، به دليل هزينـه بالاي آزمايشات و نيز پيچيدگيهاي موجود در روش هـاي عـددي، بسيار محدود است .پژوهش هاي مختلف نشان داده اند که مصالح شکل پذير حتي با مقاومت کمتر عملکرد بسيار بهتريدر برابر بارهاي انفجاري دارند.صدرنژاد و ضيائي[٦] اثر بارگذاري انفجار بر عملکرد اتصالات تير به ستون سپري پيچي را مورد بررسي قرار داده اند. اين نوع اتصال به وفور در سازه هاي فولادي در کشور مورد استفاده قرار ميگيرد. براي اطمينان از نتايج مدل سازي اجزاي محدود، در ابتدا صحت سنجي مدل با استفاده از نتايج يک تحقيق آزمايشگاهي انجام شده اسـت . پـس از اطمينـان از دقـت روش اجـزاي محـدود در شبيه سازي رفتار اتصال ، تحليل ديناميکي غيرخطي انجام گرفته است . به دليل وجود تقارن تنها ١.٨ از اتاق مورد مطالعه مـدل سـازي شده است .وزن ماده منفجره معادل ١٥ کيلوگرم TNT در نظر گرفته شده است . نتايج حاصل از آزمايش نشان داد که وقوع انفجـار در داخل اتاق باعث بروز کمانش پيچشي در تير ميگردد. همچنين ملاحظه گرديد که اين نوع اتصال رفتار نسبتا شـکلپ ذيـري در برابـر بارگذاري انفجار دارد. Hao و همکاران [٧] با استفاده از روش هاي عددي به مطالعـه پاسـخ دينـاميکي سـتون هـاي فـولادي ناشـي از باگذاري انفجاري و با مدنظر قرار دادن رفتار الاستيک -پلاستيک ستون پرداخته انـد. Tai و همکـاران [٨] بـا اسـتفاده از روش المـان محدود به بررسي پاسخ ديناميکي ديـوار ناشـي از انفجـار در سـطح آزاد پرداختنـد. Macorini و Izzuddin [٩] بـا مـدنظر قـرار دادن ويژگيهاي مکانيکي و هندسي و اندرکنش بين اجزاء سازه به تحليل غيرخطي و پاسخ ديناميکي غيرخطي سازه هاي بزرگ تحت تأثير بارگذاري انفجار پرداخته اند. Zhou و Chen [١٠] با استفاده از روش هاي عددي بـه تحليـل رفتـار دال بـتن مسـلح تحـت اثـر انفجـار پرداختند.. آن ها جهت ارزيابي پاسخ هاي دال هاي بتني مسلح و دال هاي بتني با الياف فولادي بـا مقاومـت بـالا در معـرض بارگـذاري انفجار، يک مدل خرابي پلاستيک ديناميکي براي مصالح بتنيبه کار بردند. بار انفجار محاسبه شده با مقادير ٥٣٠٠-TM و نتايج عـددي دال بتني با نتايج تست هاي تجربي مورد مقايسه قرار گرفتند. Luccioni [١١] رفتار دال بتني تحت اثر انفجار را بررسـي کـرده اسـت .
وي ابتدا بصورت آزمايشگاهي دال بتني را تحت اثر بار انفجاري قرار داده است و سپس نتايج به دست آمده را با مدل سازي انجام شده در نرم افزار ABAQUS مقايسه نموده است . پس از صحه سنجي مدل سازي عددي ، رابطه اي بين قطر حفره ناشـي از انفجـار، وزن مـواد منفجره و محل انفجار را ارائه نموده است .
اگرچه مطالعات فوق نتايج فراواني را در اختيار ميگذارند، اما پاسخ ديناميکي سازه هاي فلـزي مخصوصـاً سـوله هـاي صـنعتي در معرض انفجار پيچيده و دشوار ميباشد و تا کنون مورد مطالعه قرار نگرفته است . در تحقيق حاضر به منظور در نظر گرفتن شرايط واقع بينانه تر با استفاده از روش المان محدود غيرخطي به بررسي پاسخ ديناميکي و آسيبدر سوله هاي صـنعتي در معـرض انفجـار سـطحي پرداخته ميشود. پس از تحليل ، نحوه و مقدار توزيع پارامترهايي نظير تغيير مکان ، تنش و تخريب در مدل ها محاسبه و مورد مقايسـه قرار ميگيرد. روش عددي ارائه شده را ميتوان براي سازه هاي بزرگ و پيچيده نيز بکار گرفت .
٢. مدل سازي المان محدود
براي مطالعه اثر انفجار بر روي رفتار سوله ها، ابتدا با استفاده از استانداردهاي موجود و مد نظر قرار دادن پارامترهاي طراحي سوله که در فصل قبل ارائه شد، به طراحي يک سوله صنعتي کاربردي پرداخته شد. با توجه به پيچيدگيها هندسي سازه ، پـس از اسـتخراج ابعاد هندسي، سازه در نرم افزار SolidWorke مدل سازي شده و سپس براي تحليل در برابـر بارگـذاري انفجـاري بـه محـيط نـرم افـزار
ABAQUS آورده شده است . مشخصات و ابعاد هندسي يک دهانه از اين صوله در شکل ١ نشان داده شده است .
شکل ١ مشخصات هندسي سوله تحت بررسي در تحقيق حاضر
در فعل و انفعال انفجاري ، مقادير زيادي انرژِي به صورت گرما و فشار به طور سريع و ناگهاني آزاد ميشود. افزايش فشار به صورت موج توسعه مييابد که به آن موج انفجار ميگويند. موج انفجار در هنگام گسترش ضربه شديدي ايجاد مينمايد که مي تواند باعث آثار تخريبي شديدگردد. انفجار، آزاد شدن بسيار سريع انرژي به صورت نور، گرما، صدا و موج ضـربه اي مـيباشد. موج ضربه اي شامل هواي بسيار متراکمي ميباشد که به صورت شـعاعي از منبـعانفجار به سمت خارج با سرعت مافوق صوت در حرکت است . با گسـترش مـوج ضربه يا، مقـدار فشار به سرعت کاهش مييابد (متناسب با توان سوم فاصله ) و پس از برخورد بـه يـک سطح ، منعکس شده و مقدار آن ممکن است تا سيزده برابر افزايش يابـد. در تحقيق حاضر جهت مدل سازي رفتار الاستيک - پلاستيک سازه مورد استفاده از مدل مادي جانسون - کوک که براي توصيف رفتار مواد ايزوتروپ در حالت هاي نرخ کرنش و دماي بالا مناسب است ، بهـره بـرده مـيشـود. مـدل پلاستيک JC تنش جريان را به صورت تابعي از عبارات کارسختي، سخت گرداني نرخ کرنش و نرم گرداني دمايي بيان مـيکنـد. تـنش جريان ديناميکي با استفاده از رابطه زير بيان ميشود:
که در آن تنش جريان ديناميکي، کرنش پلاستيک معادل ، نـرخ کـرنش پلاسـتيک معـادل ، نـرخ کرنش مرجع (که معمولاً نسبت به نرخ کرنش نرماليزه ميشود). و ثابـت هـاي مـاده ، تـنش تسـليم مـاده ميباشند. ثابت C مربوط به نرخ کرنش و ثابت m نشان دهنده وابستگي دمايي ميباشد. دماي بيُبعد ميباشد کـه بصـورت زيـر تعريف مي شود:
که در آن به ترتيب دماي مرجع و دماي ذوب ماده ميباشند. در جدول (١) ضرايب جانسون - کوک براي صفحات فولادي مورد استفاده در مقاوم سازي تحقيق حاضر آورده شده است .
درجات آزادي در پاي تمامي ستون هاي سازه مقيد شده اند. در مدل سازي بارگذاري انفجـاري از مـدل ConWep اسـتفاده شـده است . با توجه به اينکه تنها پارامتر مؤثر در فشار ايجاد شده توسط خرج انفجار تنها فاصله مقياس شده ميباشد، در اين تحقيق با انجام تحليل ديناميکي غيرخطي توسط نرم افزار اجزاء محدود QUQABA، سازه سوله فلزي صنعتي بررسي شده است . اين تحليـل هـا بـر اساس فشار انفجاري ناشي از وزن هاي مختلف ماده منفجره و در فواصل مختلـف نسـبت بـه سـازه انجـام گرفتـه اسـت . در جـدول ٢ مشخصات ماده انفجاري (وزن خرج و موقعيت انفجار) به همراه نامگذاري نمونه هاي تحت مطالعه ارائه شده است . به منظـور انتخـاب وزن خرج و موقعيت انفجار از آيين نامه بارگذاري انفجاري [١٣] استفاده شده است .
٣. بررسي و تحليل نتايج شبيه سازي عددي مدل سازي سوله در برابر انفجار
براي بررسي نتايج تحليل ها، توزيع تنش و کرنش در مدل ها، نيروي برش ايجاد شده در پايه ستون هـا و همچنـين منحنـي فشـار ايجاد شده ناشي از انفجار هر يک از نمونه ها در موقعيت هاي مشخص شده در نواحي اتصلات مورد مطالعه و بررسي قرار ميگيرند. بـه منظور بررسي نتايج در موقعيت اتصلات پيچ و مهره سازه ، موقعيت هاي A،B ،C ،D و E کـه در شـکل ٢ نشـان داده شـده انـد مـورد بررسي و مقايسه قرار ميگيرند. در ادامه نتايج بر حسب عناوين موقعيت هاي معرفي شده ارائه ميشوند و از بيان توضيحات بيشـتر در مورد اين موقعيت ها براي سادگي صرفنظر ميشود.
پس از شبيه سازي سوله معرفي شده در بخش قبل ، نتايج بدست آمده از تحليل المان محدود نمونه ها بـه صـورت منحنـيهـاي تنش و کرنش بر حسب زمان در ادامه مورد بررسي قرار داده مي شود. درفعل و انفعال انفجاري ، مقادير زيادي انرژِي به صورت گرمـا و فشار به طور سريع و ناگهاني آزاد ميشود. افزايش فشار به صورت موج توسعه مييابد که به آن موج انفجار ميگويند. مـوج انفجـار در هنگام گسترش ضربه شديدي ايجاد مينمايد که ميتواند باعث آثار تخريبي شديد گردد. به منظور بررسي تأثير مقدار خرج منفجـره و فاصله بر شدت فشار اعمالي ناشي از موج انفجار به سازه در شکل ٣ فشار ايجاد شده به ازاي فاصله هـاي مختلـف و وزن هـاي مختلـف ماده منفجره که با استفاده از مدل سازي انفجاري با استفاده از روش ConWep در نرم افزار ABAQUS به دست آمده است ، ارائـه شـده است .
