بخشی از مقاله
خلاصه
در دهه اخیر، مطالعه بر روي میرایی امواج ناشی از انفجار در مجاورت سازههاي زیرزمینی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در مهندسی پدافند مطلوب است که از سازههاي استراتژیک مانند برخی از تونلها در برابر بارهاي انفجاري، مورد حفاظت قرار گیرند. جهت نیل به این هدف، در کنار اصلاح پارامترهاي دینامیکی خاك و عمق سازه مورد بررسی، وجود یک ساختار پدافندي هوشمند در توده خاك میتواند بسیار مفید واقع شود. در این تحقیق با استفاده از روش عددي المان محدود، اثر دو ساختار پدافندي متفاوت که در بالاي تونل خط هفت مترو تهران قرار دارند، بر روي انعکاس، انکسار و کاهندگی امواج ناشی از انفجار سطحی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان میدهد که با حضور ساختارهاي پدافندي، تنش ایجاد شده ناشی از انفجار سطحی در تاج و کف تونل میتواند به ترتیب به اندازه 48.2 و 55.4 درصد نسبت به حالتی که ساختار پدافندي وجود ندارد، کاهش یابد.
کلمات کلیدي: بارگذاري انفجار، ساختار پدافندي هوشمند، تحلیل المان محدود، تونل خط هفت مترو تهران
.1 مقدمه
سازههاي زیرزمینی به عنوان سازههاي امن میتوانند به طور کامل در زمین مدفون و یا به صورت نیمه مدفون ساخته شوند. اینگونه سازهها مانند لولهها، شالودههاي سطحی، شمعها و تونلها با توجه به نوع کاربري، بودجه منظور شده، دوام مورد نیاز و شرایط محیطی میتوانند از مصالح مختلفی مانند فولاد پرمقاومت، چوب و الوار، بتن مسلح و الیاف شیشه و غیره ساخته شوند .[1,2] به طور عمده جهت حفاظت از پناهگاهها و سازههاي مهم در برابر بارهاي انفجاري، اینگونه سازهها در زیر زمین ساخته میشوند .[3]در این بین، برخی از تونلها به عنوان سازههاي زیرزمینی و شریانهاي اصلی پرکاربرد و حیاتی بسیار مورد استفاده و توجه قرار گرفتهاند.مطلوب است که اینگونه سازهها در برابر پدیدههاي غیر طبیعی مانند برخورد پرتابهها و یا انفجارهاي سطحی ایمن نگاه داشته شوند. طی تحقیقات پیشین توسط جیمز در سال 2008، سازههاي بتن مسلح تحت اثر فشار 138 کیلو پاسکال ناشی از موج انفجار، به طور کامل تخریب میشوند .[4]
لذا بایستی تدابیري اتخاذ گردد که در حد امکان فشار ناشی از انفجار تضعیف شود تا از خسارت چشمگیر و تخریب سازههاي مهم و استراتزیک جلوگیري به عمل آید. جهت انجام این مهم، روشهاي مختلفی جهت بررسی رفتار سازهها در برابر انفجار وجود دارد که میتوان به روشهاي آزمایشگاهی و فیزیکی، آزمایشات صحرایی و روشهاي عددي اشاره نمود. براي مطالعه سازههاي زیرزمینی که تحت اثر بارهاي ناشی از انفجار جنگ افزارهاي متعارف قرار دارند، تحلیل عددي المان محدود، بسیار مورد استفاده قرار گرفته است .[5] اینگونه مطالعات معمولا بر روي میرایی امواج انفجار در مجاورت پناهگاهاي زیرزمینی جهت کاهش خسارت به سازهها انجام میپذیرد، از اینرو افزایش میرایی امواج، موضوع اصلی در ارتباط با ارزیابی ایمنی سازههاي پدافندي زیرزمینی تحت اثر بارگذاري انفجار محسوب میگردد .[12-6]
بررسی انتشار و انکسار انفجار سطحی در زمین که بر روي ارزیابی ایمن نگاه داشتن سازهها تاثیر گذار میباشد، در طراحی ابنیه زیرزمینی در برابر بارگذاري انفجار از اهمیت بسیار زیادي برخوردار است 14]، .[13 انکسار موج به انتشار آن در راستاي شکست به علت برخورد با موانعی همچون گودالها، شکافها و غیره که در مسیر عبورشان قرار دارد، اشاره میکند که در این شرایط شدت موج تنشی با برخورد به آن موانع و پس از عبور ازآنها به طور چشمگیر کاهش مییابد، به طوري که ممکن است شدت آن پس از عبور از این موانع به صفر برسد. این کاهش در موج تنشی معمولا با استفاده از روابط کاهندگی بیان میشود 11]،13، .[15
راه حل سنتی و معمول حفاظت از سازه هاي زیرزمینی افزایش ضخامت لایه هاي خاکی محافظ می باشد 6]، [16؛ اما این راه حل محدودیتهاي زیادي دارد. از اینرو در سالهاي اخیر مطالعاتی در ارتباط با مزایاي سازه هاي پدافند هوشمند بر روي میرایی، پراکندگی، تجزیه کردن و تضعیف امواج انفجار جهت بهبود ظرفیت آنها در برابر انواع مختلفی از گلوله ها، بمب ها، پرتابه ها و موشک ها که موضوع اصلی در مهندسی پدافند میباشد، صورت گرفته است .[16-19]در این راستا استفاده از پناهگاههاي پدافندي جهت کاهش خسارت ناشی از شوك انفجار به سازههاي زیرزمینی به طور گسترده توسعه یافته است .[20] محققین بسیاري، ساختارهاي مختلف پدافندي هوشمند را پیشنهاد نمودهاند که عموما شامل سه لایه پوششی خاك، لایه محافظ و لایه اساس میباشد21]، .[22 لایه محافظ خود نیز در برگیرنده دو لایه تحت عنوان لایه مقاوم در برابر برخورد پرتابه و لایه توزیع تنش است. وظیفه اصلی لایه مقاوم در برابر برخورد پرتابه، جلوگیري از نفوذ پرتابه به داخل توده سنگی یا خاکی میباشد که انواع مختلفی از این لایه توسط محققین پیشین پیشنهاد شده است .[23-22]
لایه توزیع تنش نیز براي باز توزیع بارگذاري انفجار در یک مساحت بزرگتر و درنتیجه کاهش فشار ناشی از انفجار استفاده میشود .[18] وانگ و همکاران [16] از ژئوفوم در لایه توزیع تنش براي کاهش فشار ناشی از انفجار استفاده کردهاند و نتایج آن نشان میدهد که ژئوفوم به طور موثر انرژي امواج ناشی از انفجار را تضعیف و شدت موج را کاهش دهد. لی و همکاران نیز در سال [22] 2004 تاثیر ساختار پدافندي بتنی همراه با حفرات مربعی شکل را بر روي میرایی موجهاي تنشی بررسی کردهاند. نتایج تحقیقات آنها نشان میدهد که وجود ساختار پدافندي بتنی، موقعیت و ابعاد حفرات مصنوعی مربعی شکل تاثیر چشمگیري بر روي میرایی امواج دارند.در این مقاله، سعی شده است یک ساختار پدافندي هوشمند در توده خاك که شامل یک ورق فولادي به همراه حفرات مصنوعی است، جهت میرایی امواج ناشی از انفجار سطحی ارئه گردد. لایه پدافندي هوشمند در بالاي تونل خط هفت مترو تهران قرار نهفته شده و با استفاده از نرم افزار المان محدود پلکسیس مقدار تنش وارد شده بر تاج و کف تونل در حضور و غیاب آن لایه پدافندي که معیار خسارت میباشد، به دست آمده است.
.2 معرفی پروژه
در این مطالعه موردي، تونل خط هفت مترو تهران مورد بررسی قرار گرفته است. خط هفت مترو تهران از شهرك امیرالمومنین در شرق تهران شروع شده و پس از عبور از بزرگراه بسیج و امتداد یافتن در طول بزرگراه شهید محلاتی، مسیر آن در امتداد شمالی-جنوبی در طول بزرگراه نواب تغییر کرده و در نهایت تا میدان کاج ادامه مییابد. در این مطالعه خط هفت مترو تهران حد فاصل ایستگاه Q7 و R7 در مسیر شمالی-جنوبی بزرگراه نواب مورد تحلیل دینامیکی در برابر بارگذاري انفجار قرار گرفته است. مشخصات پوشش بتنی تونل - لاینینگ تونل - در جدول 1 و مشخصات توده خاك منطقه در شرایط استاتیکی طی انجام آزمایشهاي ژئوتکنیکی تعیین و مطابق جدول 2 میباشد. از آنجایی که هدف این تحقیق، بررسی پاسخ دینامیکی تونل در برابر بارگذاري انفجاري است، پس استفاده از پارامترهاي دینامیکی خاك ضرورت بیشتري مییابد. از اینرو جهت به دست آوردن پارامترهاي دینامیکی خاك از روابط تجربی استفاده شده است .[24] خاك محدوده مورد نظر تا عمق 50 متري از چهار لایه خاك دانهاي مختلف تشکیل شده است که در این تحقیق تنها تغییر پارامترهاي دو لایه فوقانی مورد توجه قرار گرفته است. شایان ذکر است که تونل خط 7 مترو تهران در لایه دوم توده خاك قرار دارد.
.3 مدلسازي عددي
قبل از انجام مدلسازي مسئله اصلی، صحت سنجی نرم افزار صورت گرفته است. در این مطالعه جهت صحت سنجی نرم افزار پلکسیس از حل تحلیلی مسئله لمب استفاده شده است. لمب در سال 1904 بر روي انتشار موج در یک محیط الاستیک نیمه بی نهایت که تحت اثر یک نیروي ضربهاي درسطح زمین قرار دارد، مطالعه نموده است و حل تحلیلی آن توسط محققین زیادي صورت گرفته است .[25]در این بخش نتایج حل تحلیلی مسئله لمب با نتایج عددي نرم افزار پلکسیس مورد مقایسه قرار گرفته است. ابعاد کلی مدل در نرم افزار پلکسیس به طول 100 متر و به عمق 30 متر می باشد.
خاك به صورت الاستیک خطی با مدول یانگ 50000 کیلو پاسکال، نسبت پواسون 0.25، وزن مخصوص 20 کیلو نیوتن بر متر مکعب و ضرایب میرایی رایلی که متناسب با ماتریس جرم و سختی هستند به ترتیب برابر با 001.0 و 0.002فرض شده است. در نظر گرفته شده است. سطح خاك تحت اثر یک بار نقطهاي به صورت یک پالس مثلثی با دامنه 50 کیلو نیوتن و مدت زمان تداوم25 میلی ثانیه قرار دارد، بطوري که محرك ورودي پس از گذشت 50 میلی ثانیه به حداکثر مقدار خود که 50 کیلو نیوتن است، میرسد.جهت بررسی پاسخ، جا به جایی قائم نقطه اي در سطح فوقانی خاك که در فاصله 50 متري از محل بارگذاري قرار دارد، مورد بررسی قرار گرفته است.
مقایسه حل تحلیلی و حل عددي این مسئله در تحقیقات پیشین انجام پذیرفته و نتایج آن بیانگر تطابق بسیار خوب بین دو روش تحلیلی و عددي میباشد .[24]گام دوم براي مدلسازي عددي، محاسبه بار ناشی از انفجار و معرفی آن به نرم افزار میباشد. در این مطالعه از انفجار محصور نشده در سطح زمین جهت محاسبه بارگذاري انفجار و بررسی پاسخ تونل استفاده گشته و پالس مثلثی ایجاد شده ناشی از انفجار مطابق روابط نیمه تجربی ارائه شده در آیین نامه UFC 3-340-02 محاسبه شده است .[26] وزن محاسباتی ماده منفجره در این تحقیق 510 پوند 230 - کیلوگرم - از نوع TNT در نظر گرفته شده و فرض گردیده انفجار در سطح زمین رخ داده است. با به کارگیري روابط پیشنهاد شده در آیین نامه UFC مدت زمان تداوم انفجار 1.58میلی ثانیه قابل محاسبه میباشد.
این مدت زمان تداوم، بسیار کوتاه بوده و از آنجایی که اکثر نرم افزارهاي عددي توانایی مدلسازي سیگنالی با مدت زمان تداوم بسیار کوتاه را ندارند، لذا خطاهاي قابل تشخیص و غیر متعارف در روند تحلیل و پاسخ تونل ایجاد میگردد. جهت حل این مشکل برخی از محققین پیشنهاد نمودهاند که مناسب است مدت زمان تداوم سیگنال ناشی از انفجار در بررسیهاي عددي کمتر از 20 میلی ثانیه در نظر گرفته نشود.[27] با توجه به موارد بیان شده، میتوان پالس مثلثی فشار-زمان ناشی از انفجار 510 پوند TNT را مطابق شکل -1الف معرفی نمود. همچنین مطابق روابط ارائه شده در آیین نامه UFC شتاب نگاشت ناشی از انفجار شامل دو پیک شوك از هوا و شوك از زمین میباشد که ابتدا شوك از هوا رخ داده
