بخشی از مقاله
تأثیر عمق نفوذ و عرض مانع در جداسازی ارتعاشات سازه های مدفون در خاک بهوسیله ژئوفوم در برابر بارگذاری انفجار
چکیده
هنگام وقوع انفجار در صورت جداسازی مناسب سازههای زیرزمینی و شالوده سازههای مهم و حساس، آسیبهای ناشی از انفجار به اینگونه سازهها به شدت کاهش پیدا میکند. این پژوهش به منظور تخمین میزان کارایی ژئوفوم بهعنوان مانع جداساز در کاهش بار ناشی از انفجار بهوسیله نرمافزار اجزاء محدود LS-Dyna انجام شده است. برای بررسی میزان کاهش ارتعاش، شتاب سازه مورد محافظت و سازه محافظت نشده مطالعه شده است. در نهایت مشاهده شد که ژئوفوم با جرم مخصوص کمتر، عمق، طول و عرض بیشتر، دارای تأثیر بیشتری در کاهش ارتعاش دارد. البته برای هر یک از پارامترهای فوق میزان بهینهای وجود دارد.
کلمات کلیدی: جداسازی، LS-Dyna، ژئوفوم، انفجار، شتاب
.1 مقدمه
امروزه در ایران با توجه به تهدیدات نظامی از یک سو و عملیات گسترده عمرانی از سوی دیگر، امکان انفجارهای خواسته یا ناخواسته بسیار زیاد است. بار ناشی از انفجار همانند زلزله، قدرت تخریب زیادی دارد؛ اما بر خلاف زلزله، مدت زمان کمتر و شدت بار بیشتر است. پس مشکلات و ویرانیهای ناشی از زلزله در مورد انفجار نیز (با شدت کمتر یا بیشتر) وجود خواهد داشت؛ از جمله این ویرانیها میتوان به روانگرایی، تخریب سازهها، تغییر شکلهای بزرگ و دیگر مشکلات گاه مرگبار اشاره کرد.
برای جلوگیری از اثرات ویرانگر ناشی از بارهای دینامیکی مانند زلزله و انفجار در مهندسی سازه پژوهشهای مناسبی انجام شده است، یکی از روشهای مؤثر استفاده از روش جداسازی است. درصورت جداسازی سازههای مهمی مانند انبار مهمات، پایگاههای نظامی، بیمارستانها، مراکز آتشنشانی و سازههای دیگری از این دست، بار وارده ناشی از زلزله و انفجار به اینگونه سازهها کاهش داده میشود که این مسأله سهم زیادی در جلوگیری از تخریب این سازهها خواهد داشت. از سوی دیگر، در صورت نیاز به انفجار خودخواسته (حفاری یا آزمایش سلاح)، در صورتی که محل انفجار از نقاط دیگر بهشکل مناسبی جدا شود، خطری سازههای پیرامون را تهدید نخواهد کرد.
1
تاکنون روشهای مختلفی جهت کنترل ارتعاشات شالودهها مورد استفاده قرار گرفته است. این روشها را میتوان به دو گروه اصلی طبقهبندی کرد: جداسازی مکانیکی و کاهش ارتعاشات.
این پژوهش به منظور تخمین میزان کارایی ژئوفوم در کاهش موج ناشی از انفجار صورت خواهد گرفت. به این صورت که مدل متقارنی در نرم افزار ایجاد میشود که هر سوی آن یک سازه (سازه حفاظت شده و سازه حفاظت نشده) وجود دارد. یکی از این سازهها با لایهای از ژئوفوم مورد حفاظت قرار می گیرد. پس از اتمام فرآیند انفجار میزان بیشینه شتاب برآیند، در سازهها با هم مقایسه میشود تا میزان تأثیر مانع ژئوفوم مورد بررسی قرار گیرد. از مجهولات مهم این روش در جلوگیری از آسیب ناشی از انفجار، می توان به ابعاد مانع، نوع جداسازی، عمق سازه هدف و شکل مانع اشاره کرد . در این پژوهش سعی شده است که تأثیر طول، عرض و عمق نفوذ مانع ژئوفوم و همچنین روش جداسازی و عمق سازه مورد بررسی قرارگیرد. البته مقایسه ای نیز بین دانسیته مانع در حالات مختلف صورت میگیرد. همچنین دو نوع جداسازی (جداسازی فعال1 و جداسازی غیرفعال(2 در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته شده است.
.2 تئوری و پیشینه تحقیق
ژئوفوم نوعی ماده پلیمری به شکل فوم است که به شکل ورقه یا بلوک ساخته میشود و عمده استفاده آن بهدلیل وزن سبک این محصول و گاهی خواص عایقبندی آن است .[1] این ماده پلیمری در گروه ژئوسنتتیکها3 قرار میگیرد. ژئوفوم کاراییهایی دارد که ژئوسنتتیکهای سنتی فاقد آن هستند، علاوه بر آن ژئوفوم ها میتوانند بهعنوان مکمل یا ارتقا دهنده کارایی دیگر ژئوسنتتیکها مورد استفاده قرار گیرند .[2] ژئوفومها در پروژههای عمرانی کاربردهای وسیعی دارند که از آن جمله میتوان به عایق حرارتی4، پرکننده سبک5، عایق فشردگیپذیر6، زهکشی7، میرایی8، کاربردهای سازهای9 و کاربردهای دینامیکی10 اشاره کرد 3]، 2، [4 که در این مقاله بهصورت اختصاری به کاربردهای دینامیکی آن اشاره ای میشود. کاربرد ژئوفوم به عنوان میراگر به دلیل وزن مخصوص کم و سختی زیاد آن است، اما در ارتعاشهای با دامنه زیاد مانند زلزله علاوه بر مسأله میرایی، فشردگیپذیر بودن ژئوفوم نیز عامل مثبت محسوب میشود. تجربیات در ژاپن نشان داد که پروژههایی که با ژئوفوم اجرا شده بود، در مقابل بارهای لرزهای نیز مقاومت خوبی دارند. هوتا و همکاران [7]، پنج زلزله بین سالهای 1993 1993 تا 1995 را که بزرگی بین 6/6 تا 8/1 داشتند بررسی کردند که پروژههایی که در آن از ژئوفوم استفاده شده بود، کمترین آسیب را دیدند.
انفجار بهعنوان فرآیند آزادسازی انرژی بهصورت زیاد، سریع و ناگهانی تعریف میشود .[8] انفجارها میتوانند تهدید کننده زندگی مردم باشند. همچنین میتوانند خانهها، صنعت، امنیت ارتباطات، حمل و نقل و خدمات را تهدید کنند. این پدیده را میتوان از انفجارهای هستهای تا شلیک تفنگ و یا از انفجار ابر بخار تا ترکیدن لاستیک دستهبندی کرد. انفجارها میتوانند بهعنوان جنگ افزاری کشنده و یا ابزاری برای اهداف صلحآمیز استفاده شوند .[9] وقوع انفجارهای ناخواسته نیز در دنیای امروز اجتنابناپذیر مینماید. با نگاهی به نقاط مختلف جهان مشاهده میشود که هر روز تعداد زیادی از اینگونه
2
انفجارها بهوقوع میپیوندد. انفجارهای ناشی از پرتاب بمب، انفجارهای ناشی از تحرکات تروریستی و عملیات انتحاری، انفجار مینها، انفجار گازهای مستعد در مراکز مختلف و حتی انفجار غبار سیلوهای غلات از اینگونهاند .[9] با وقوع انفجار بر بر روی زمین، زیر سطح زمین و بالای سطح زمین (نزدیک بهسطح)، علاوه بر سازههای موجود بر روی سطح زمین، سازههای مدفون کم عمق نیز ممکن است تحت تأثیر انفجار قرار گیرند. انرژی که از انفجار به زمین میرسد، منبع اصلی لرزش زمین است. بخشی از این موج بهصورت مستقیم به سمت زمین حرکت میکند و بخش دیگر توسط هوا به زمین منتقل میشود. بخش دوم زمانی منتقل میشود که موج هوا، فشاری به سطح زمین وارد میکند که این فشار باعث ایجاد تنش در لایههای زیرین میشود. این فشار در سطح بیشتر است و با افزایش عمق کم میشود 9]، 10، .[11 خاک بهعنوان محیط سهفازه شامل دانههای خاک، هوا و آب، رفتاری دارد که پیشبینی آن مخصوصاً تحت کرنش های با سرعت زیاد بسیار پیچیده است. در پی وقوع انفجار، دو مکانیسم تغییر شکل برای این محیط سهفازه در نظر گرفته میشود. مکانیسم اول تغییر شکل اسکلت جامد خاک و مکانیسم دوم تغییر شکل کل توده خاک (بهعنوان محیط سهفازه) است .[12] لحظهای پس از انفجار، خاک نزدیک به محل انفجار بهشدت فشرده میشود و این امر بهدلیل موج فشاری ناشی از انفجار است. با افزایش فاصله از محل انفجار، موج فشاری بهسرعت ضعیف میشود و فشردگی خاک نیز ضعیفتر میشود. بنابراین در مسائلی که خاک نزدیک به محل انفجار است، مکانیسم دوم تغییر شکل حکمفرما است که با افزایش فاصله از محل انفجار، مکانیسم اول مهم و مهمتر میشود تا بالاخره این مکانیسم چیره میشود. .[12] لازم بهذکر است که سرعت بارگذاری انفجار بهقدری زیاد است که فرصت کافی برای خروج آب و هوا از بین دانههای خاک وجود ندارد. امواج ضربه ای تولید شده توسط انفجار شامل تنشهای هیدرواستاتیک و تنشهای انحرافی هستند و از اطراف محیط جامد عبور میکنند .[12]
یکی از روش های موجود برای کاهش اثر موج بر سازههای زیرزمینی استفاده از موانعی برای قطع مسیر موج انفجار است. موانعی که از مصالح نرم (نرمتر از خاک) ساخته شده باشند تأثیر بیشتری در کاهش اثر انفجار دارند .[13] نتایج کار وودز[14] 1 نشان میدهد که تا 75 درصد کاهش اثر موج قابل دسترسی است. البته وجود موانع سختتر از خاک هم بیتأثیر نیستند. بار ناشی از انفجار در سازههای زیرزمینی دارای دو فاز مجزاست که فاز اول آن ناشی از موج فشاری حاصل از انفجار است و فاز دوم آن از بارگذاری درونی دانههای خاک نتیجه میگیرد. هر چه مانع نرمتر باشد تأثیرگذاری آن در فاز اول بیشتر است و موانع سختتر در فاز دوم تأثیر بیشتری دارند.[15] جداسازی بهدو صورت عمده قابل انجام است، جداسازی فعال یا جداسازی غیرفعال. وقتی مانع موج در محلی نزدیک به منبع ارتعاش قرار گیرد، بهآن جداسازی فعال گویند و وقتی مانع موج دورتر از منبع اما نزدیک به سازه مورد حفاظت قرار گیرد به آن جداسازی غیرفعال گویند[15] (البته با توجه به نتایج پژوهشهای مختلف از چلبی2 و همکاران [13]، جداسازی فعال مؤثرتر است). وقتی موج به مانعی مانند حفرهها و درزها برخورد میکند، از مسیر خود منحرف شده و انکسار پیدا می کند. همزمان شدت تنش در پشت این موانع می تواند بهشدت کاهش میباید (حتی تا صفر). این کاهش معمولاً تضعیف3 یا عایقبندی4 موج تنش نامیده میشود .[16] طیف گستردهای از انواع موانع وجود دارد، بتن خیلی سخت، ردیفی از شمعها، تشکهای گاز بسیار منعطف و موانع موجی که در مورد آخر عملکرد بر اساس قطع کردن فرکانس لایه خاک بالای سنگ بستر است .[14] تحقیقات زیادی بر روی روش جداسازی بارهای لرزه ای صورت گرفته است. وودز [14] یک سری آزمایشهایی انجام داد که در آن از ترانشههای خالی بهعنوان مانع استفاده شده بود که این موانع بسیار به منبع ارتعاش نزدیک بودند (جداسازی فعال). هوپت[16] 5 آزمایشهایی کوچک مقیاسی انجام داد که در آن از موانع مختلفی استفاده کرده بود. موانع شامل موانع جامد (دیواره بتنی) و موانع سبک مانند
3
ردیفی از شمعها و ترانشه خالی بود. بیکر[17] 1 نیز در مورد موانعی مانند بنتونیت (مانع نرم) و بتن (ماده سخت) در هر دو حالت جداسازی فعال و غیرفعال تحقیق کرد و نتایج کارهای خود را با کارهای تجربی الحسینی2 و احمد[18] 3 مقایسه کرد. در تحقیق دیگری هوپت [16] از روش اجزاءمحدود برای بررسی اثر ترانشه پر شده از مواد سفت (بتن) از نظر هندسه و مشخصات ماده برای جداسازی ارتعاشات هارمونیک استفاده کرد. نتایج تحقیقات ونگ4 و همکاران [15] نیز نشان میدهد که ترانشههای توخالی و ترانشه پر شده با ژئوفوم تأثیر مناسبی در کاهش ارتعاش دارند؛ برعکس ترانشههای پر شده با آب و بتن. از بین ترانشه های خالی و ترانشههای پر شده بهوسیله ژئوفوم؛ ترانشه پر شده بهوسیله ژئوفوم از نظر اجرایی در توده خاک مناسب تر است، زیرا ترانشه خالی بهفروپاشی موضعی حساس بوده و در دراز مدت متحمل هزینه تعمیر و نگهداری میشود. البته برای جلوگیری از ریزش ترانشه میتوان آن را با دوغاب5 پر کرد؛ اما این روش نیز به دلیل سفت شدن دوغاب عملی نیست. ونگ و همکاران [15] بر روی جداسازی بهوسیله ژئوفوم (مانع نرم متخلخل) در مقابل بار ناشی از انفجار بر روی سازههای مدفون تحقیقاتی انجام دادند. نتایج کار آنان نشان داد ژئوفوم در کاهش موج دو عملکرد دارد؛ اول، جرم کمتر باعث کمتر شدن نیروی داخلی در مقابل بار انفجار می شود (گرادیان بالای سرعت بین دو سمت مانع موجب این امر میشود). دوم، میرایی زیاد ژئوفوم باعث جذب6 نیروی انفجار میشود. اخیراً نیز موریلو7 و همکاران [19] آزمایشهای سانتریفیوژ برای بررسی این موضوع انجام دادند. نتایج کار آنها نشان داد که تأثیر مانع بیشتر وابسته بهعمق مانع و جایگیری آن نسبت بهمحل ارتعاش است و این که ژئوفوم تا 68 درصد یا بیشتر در کاهش ارتعاش مؤثر است. همچنین نتایج نتایج کار تمامی محققین نشان دهنده تأثیر دانسیته ژئوفوم در میزان کاهش ارتعاش است (دانسیته کمتر، کاهش بیشتر) .[13]
.3مواد و روشها
هندسه ایجاد شده در نرمافزار LS-Dyna دارای ابعاد 8×10×10 متر است، که مدلی کوچک شده با نسبت 1 به 5 به نسبت ابعاد مسأله مورد مطالعه است. همانگونه که در شکل 1 میبینید مدلهای ایجاد شده به دو گروه اصلی فعال و غیرفعال تقسیمبندی میشوند که در مدل فعال فاصله افقی مانع تا مرکز محل انفجار 1 متر(در طرح با مقیاس اصلی 5متر) و تا محل سازه مورد محافظت 4متر است و در مدل غیر فعال فاصله افقی مانع تا مرکز محل انفجار 4متر و تا محل سازه مورد محافظت 1متراست.
برای بارگذاری انفجار با موجی به فرکانس 100Hz مواجه هستیم که سرعت این موج در محیط خاک 100 الی 150 متر بر ثانیه است. پس طول موج برابر است با 1 الی 1/5 متر .[15] هوپت [20] نشان داد اندازه المانها باید کوچکتر از نصف طول موج رایلی باشد، بنابراین بزرگترین بعد المانهای شبکه مدل اجزا محدود 0/25 متر است.
جابجایی قائم کف این مدل محدود شده و دیوارههای دیگر آزاد هستند. دلیل این امر آن است که در صورت محدود بودن دیوارهها در مدت زمان مطالعه انفجار 0/1) ثانیه) اثر انعکاس امواج از دیوارهها مشاهده خواهد شد.
