بخشی از مقاله
چکیده
انفجار، پدیده ای با ماهیت تصادفی است که علاوه بر ایجاد اثراتی همچون شوک ناگهانی، امواج فشاری و کششی در محیط ایجاد نموده و سازه ها و موانع موجود در مسیر خود را تحت تاثیر قرار می دهد. در این راستا تلاش های بسیاری توسط محققین مختلف برای تعریف و ارائه پارامترهای مختلف مرتبط با انفجار مانند منحنی توزیع فشار، ابعاد گودال انفجار، انتشار و میرایی این امواج در محیط های سنگی و خاکی و همچنین اثرات آن سازه های مدفون در قالب مطالعات آزمایشگاهی و میدانی و همچنین توسعه روش های عددی و تجربی صورت گرفته است.
از سوی دیگر، یکی از روش های بهسازی خاک استفاده از ریزشمع ها می باشد که به منظور افزایش ظرفیت باربری خاک، پایداری شیبها، کنترل نشست پی ها و ... مورد استفاده قرار می گیرد. در نتیجه، شناخت تاثیر بارهای انفجاری بر روی المان های تقویت کننده خاک از جمله ریزشمع ها در طراحی دقیق آن ها به منظور افزایش کارآیی این المان ها، امری ضروری می باشد.
در این تحقیق به بررسی تاثیر بار انفجار بر فواصل و تغییرات قطر ریزشمع ها پرداخته شده است. این تحلیل به روش عددی تفاضل محدود در یک محیط دو بعدی انجام میشود که روند انتشار امواج ناشی از انفجار مدلسازی شده و تاثیر این بار بر روی ریزشمع ها مورد بررسی قرار گرفته شده است.
نتیجه کلی حاصل از این مقاله به این صورت می باشد که با تغییر در آرایش ریزشمعها و با افزایش فاصلهداری ریزشمعها، میزان لنگر خمشی ایجادشده در ریزشمعها بهطور متوسط %6 افزایشیافته است و همچنین میزان بارمحوری %12 افزایش داشته است. همچنین با افزایش قطر ریزشمعها، با توجه به آرایش موجود در این مقاله، باعث افزایش بارمحوری و ممان خمشی بهطور متوسط به میزان %10 میشود.
-1 مقدمه:
بهمنظور بهسازی خاکهای مسئلهدار نظیر خاکهای با باربری کم، نشستپذیری زیاد، خاکهای با قابلیت روانگرایی، خاکهای دستی و ...، دو روش کلی متداول پیش روی مهندسین قرار دارد. اولین روش بهسازی و اصلاح خاک، بهسازی و اصلاح خواص فیزیکی- مکانیکی توده خاک - با استفاده از روشهایی نظیر تراکم دینامیکی و ... - و روش دیگر استفاده از المانهای باربر در خاک میباشد. هریک از راهحلهای مذکور دارای روشها و مشخصات مربوط به خود میباشند که طی سالیان متمادی توسعه فراوانی یافتهاند.
برخی از تکنیکهای ابداعی نیز ماهیت ترکیبی از دودسته فوق داشته و مزایای هر دو دسته را تا حدودی بهمراه دارند. از آن دسته میتوان به استفاده از ریزشمعها بهمراه تزریق دوغاب سیمان اشاره نمود. ریزشمعها، شمعهای حفاری شده و تزریق شده با قطر کوچک هستند که جهت تقویت و مقاومسازی پیها بکار میرود. ریزشمعها غالبا مسلح بوده و معمولا دارای قطرهایی کمتر از 300mmهستند.[3] با وجود اینکه استفاده از ریزشمعها افزایش یافته است، لیکن عملکرد انفجاری ریزشمعها بطور کامل مشخص نشده است که بدلیل محدودیت تعداد آزمایشات با مقیاس واقعی و نیز مدلهای آزمایشگاهی و همچنین محدودیتها در مطالعات مدل عددی ریزشمع است.
از سوی دیگر، در سه دههی اخیر، بسیاری از کشورهای خاورمیانه با افزایش حملات بمبهای تروریستی مواجه بودهاند. هدف اصلی این بمبها، انفجار در داخل و یا خارج ساختمانهای مهم و نابود کردن آنها میباشد. انفجار در مرکز تجاری جهان در نیویورک در 26 فوریهی سال 1993، یکی از شناختهترین مواردی است که در آن انفجار بمب قدرتمندی که در ساختمان مجاور قرار داشت، انجام گرفت.
همچنین در سالهای اخیر قرار دادن بمبها در وسایل نقلیهی نزدیک به ساختمان موردنظر، افزایش یافته است. این بمبها معمولا با وزن معادی 5 تا 10 تن TNT در داخل وسیلهی نقلیه در نزدیکی سازهی موردنظر قرار میگیرند. حادثه بمبگذاری ساختمان اتحادیه در شهر اوکلاهوما در 19 اپریل سال 1995، یکی از بزرگترین حملات تروریستی میباشد که از طریق جاگذاری بمب در داخل کامیون خارج از ساختمان انجام گرفت.[6] افزایش حملات تروریستی باعث شده است که محققان به بررسی آسیبپذیری سازهها تحت بارهای پیشبینی نشده و اتفاقی مانند بار ضربه و بار انفجار بپردازند.
سرزمین ایران نیز به دلیل موقعیت ممتاز استراتژیکی و برخورداری از منابع طبیعی خدادادی سرشار، همواره در معرض تهدیدهای خارجی قرار داشته است. با توجه به اهمیت استراتژیک ایران در منطقه خاورمیانه و وقوع جنگهای متعدد در این منطقه، لزوم توجه کشور به توسعه سیستمهای پدافند غیرعامل بموازات سیستمهای پدافند عامل بیش از پیش مشخص میگردد.
با نگاهی به ادبیات فنی موجود در زمینه مباحث مرتبط با انفجار مشخص میشود که تاکنون عمده فعالیت های صورت گرفته در این زمینه در سه بخش آزمایشات تمام مقیاس میدانی، مدلسازی های کوچک مقیاس آزمایشگاهی با استفاده از روش سانتریفیوژ و توسعه روشهای تحلیلی و عددی متمرکز شده است. با توجه به توسعه قابل توجه روشهای عددی در دهههای اخیر امکان بررسی اثرات انفجار بر سازههای رو و زیرزمینی با دقت بالا فراهم آمده است.
شناخت تاثیر بارهای انفجاری بر روی المانهای تقویتکننده خاک از جمله ریزشمعها در طراحی دقیق و آرایش مناسب آنها بهمنظور افزایش کارآیی این المانها، امری ضروری میباشد که باعث صرفهجویی در هزینه و زمان که بهمنظور مقاومسازی دوباره خاک و پی در برابر این بارها صورت میپذیرد، میشود.
FLAC نرمافزار بر مبنای روش تفاضل محدود است که میتواند برای شبیهسازی رفتار سازههای خاکی، سنگی و یا مواد دیگری که در زمان تسلیم ممکن است به حالت پلاستیک برسند، مورد استفاده قرار گیرد. محیط و مصالح مورد نظر بوسیله المانهایی که با هم یک شبکه را تشکیل میدهند، ایجاد و شبیهسازی میشود.
از آنجایی که تحلیل در این نرمافزار بر مبنای روش آنالیز لاگرانژی1 انجام میشود شرایط پلاستیک و ناپایداری می تواند با دقت زیادی مدل شود. نرمافزار FLAC قادر به محاسبه پاسخ دینامیکی غیرخطی سیستم به محرکهای داخلی مانند لرزش یا انفجار و یا محرکهای خارجی مانند زلزله میباشد، لذا در این مطالعه با کمک نرمافزار FLAC 2D به بررسی بار انفجار برروی ریزشمعها پرداخته میشود.
-2 پدیده انفجار
انفجار پدیده ای با ماهیت تصادفی است که علاوه بر ایجاد اثراتی همچون شوک ناگهانی، امواج فشاری و کششی در محیط ایجاد نموده و سازه ها و موانع موجود در مسیر خود را تحت تاثیر قرار می دهد. بعبارت دیگر، انفجار واکنشی است که در آن نرخ سوختن مواد با سرعتی به مراتب بیشتر از سرعت صوت انجام می شود که درنتیجه دما و فشار بسیار بالایی ایجاد و موج انفجار بلافاصله تولید و با سرعت بسیار زیادی منتشر می-شود. موج ضربه ناشی از انفجار مواد منفجره جامد بوده و در آن فشار گازهای شکل گرفته از انفجار، با انتشار از چشمه ی انفجار، گسترش و تا فشار مبنای pso افزایش و سپس تا فشار محیطی کاهش می یابد که به این مرحله فاز مثبت می گویند.
در نتیجه انتشار موج، گازهای حاصل از انفجار سرد شده و فشار آن ها به مقدار ناچیزی کمتر از فشار اتمسفر می رسد. بعلت این اختلاف فشار، جهت جریان معکوس شده و به سمت مرکز انفجار بازمی گردد. نتیجه این عمل، کاهش فشار یا مکش خواهد بود که به آن فاز منفی می گویند - شکل. - 1 فشار فاز منفی نسبتا کوچک و تدریجی بوده بطوریکه در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار در اکثر موارد از آن ها صرفنظر می گردد ولی در مورد ملحقات ساختمان می تواند باعث پیامدهای جدی شود .
شکل - 1 - تصویر شماتیک تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار
در بررسی بار انفجار بر سازه عواملی از جمله بزرگی انفجار در مقیاس کیلوگرم TNT، فاصله مرکز انفجار تا سازه، هندسه و سیستم سازه-ای المان مورد نظر در اولویت توجه قرار دارند. در انفجار، همه پارامترهای مربوطه وابسته به دو پارامتر مستقل هستند، یکی میزان انرژی آزاد شده در هنگام انفجار و دیگری فاصله بین مرکز انفجار تا محل اثر موج انفجار می باشد
-3 مدلسازی عددی
-1-3 هندسه مدل و خصوصیات مصالح
هندسهی کلی بصورت دوبعدی و با درنظر گرفتن رفتار موهر- کلمب برای خاک انجام گرفته شده است. خاک مورد استفاده با خصوصیات ذکر شده در جدول 1 و نیز هندسهی کلی مدل نیز بصورت شکل 2 میباشد. همچنین خصوصیات ریزشمعها را در جدول 2 مشاهده میکنید. در این تحقیق پی مسطحی در سطح زمین به طول 4m و ضخامت 1m شبیهسازیشده است.
برای مدلسازی شالوده نواری از المان تیر استفادهشده است. مدول الاستیسیته بتن مورداستفاده در این شالوده نواری برابر با Pa 2/5×1010 و ضریب پواسون آن 0/2 در نظر گرفتهشده است. بار حاصل از انفجار TNT 50Kg، تنش دینامیکیای را ایجاد میکند که بر چاله حاصلشده از طریق نفوذ بمب اعمال میگردد. فاصله مرکز چاله ایجادشده از مرکز پی 10m میباشد.
بار استاتیکی به مقدار 2300Kpa بر روی پی اعمال میشود و همزمان با این کار بار دینامیکی ناشی از انفجار TNT 50 Kg نیز بر روی مرزهای چاله ایجادشده وارد میشود. بار دینامیکی باعث شروع و گسترش ناحیه شکست از محل چاله ایجادشده میشود و به طرفین آن پخش میشود.
با انجام انفجار و رسیدن امواج حاصل از آن در بعضی قسمتها خاک به شکست میرسد و باعث جابجایی خاک میشود. برای ریزشمع رفتار الاستیک درنظر گرفته شده است. با توجه به مدلسازیهای ریزشمع بصورت کرنش صفحهای توسط سیواکومار و همکاران و براساس پژوهشهای انان داراجاح و همکاران که نشان میدهد مدلسازی عددی دو بعدی مسائل اندرکنش خاک و سازه - SSI - همخوانی خوبی با نتایج آزمایش سانتریفیوژ دارد
