بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه حدود 90 درصد تجارت جهانی از طریق اقیانوسها انجام میگیرد. از این رو بنادر نقش مهمی در تبادلات تجاری ایفا میکنند. با توجه به شرایط اقتصادی، سیاسی و نظامی حاکم بر خلیج فارس، تنگه هرمز و دریای عمان، نیاز برای مقاومسازی سازههای دریایی در برابر انفجار سلاحهای متعارف جنگی، انفجار کشتیهای تجاری و نفتکش، امری الزامیست. اسکلههای جنوبی ایران به دلیل ژئومورفولوژی خاص آن منطقه اکثراً از نوع اسکله های شمع و عرشه میباشند. هدف از بررسی تأثیر انفجار بر روی اسکله های شمع وعرشه، مشخص کردن نقاط آسیبپذیر سازه تحت بار انفجار میباشد. برای تحلیل اندرکنش سیال سازه باید از روش تعاملی کامل استفاده شود. تحلیل شبکهبندی 100 و 200 میلیمتر نشان داد که شبکهبندی 200 میلیمتر برای تشخیص نواحی آسیبپذیر سازه مناسب است. نتایج تحلیلهای عددی نشان می دهد که بیشینه انرژی انفجار جذب شده توسط سازه در سطح آب و بیشینه آسیب وارده بر سازه بالای سطح آب رخ می دهد.
1. مقدمه
سازههای دریایی در برابر خورندگی آب دریا، بارهای دینامیکی گذرا مانند ضربه کشتی، درجه حرارتهای کم و زیاد و ... طراحی شدهاند. اماغالباً برای بارهای انفجاری طراحی نمیشوند. سه روش برای مدلسازی بار انفجار وجود دارد. اعمال بار به صورت تاریخچه زمانی به سازه، مدلسازی انفجار به صورت دو بعدی تا نزدیکی سازه و سپس نگاشت1آن به حالت سه بعدی و در انتها مدلسازی کامل سازه، ماده منفجره و محیط اطراف آن و بررسی کامل اندرکنش سیال سازه. دقت روش سوم از دو روش دیگر بیشتر است. از اینرو در این تحقیق از روش سوم استفاده شده است. به طوری که تحلیل آسیبپذیری اسکله ها مورد توجه نبود و بسیاری از تحقیقات پیشین به بررسی تأثیر انفجار بر روی ساختمانها، پل ها، سدهای وزنی و صفحات کامپوزیت پرداختهاند. هدف اصلی از این تحقیقات شناخت نقاط آسیبپذیر سازه است تا در گام بعدی اقدامات لازم جهت کاهش آسیب و مقاومسازی سازه انجام شود. ونگ و همکاران [1] پاسخ دینامیکی سد بتنی وزنی تحت بار انفجار در آب و هوا را با یکدیگر توسط نرم افزار [2] AUTODYN مقایسه کردند. تحقیق در زمینهی حساسیت مش تنها در حیطهی آسیبپذیری سازه مورد بررسی قرار گرفت. در تحقیق فوقصرفاً پاسخ و آسیب سازه تحت بار موج شوک2منتشر شده - مستقیم - مورد بررسی قرار گرفته است. ژانگ و همکاران [3] مودهای خرابی سد بتنی وزنی تحت بار دینامیکی انفجار در آب را با شبیه سازی عددی در نرم افزار LS_DYNA مورد بررسی قرار داد.
در پژوهش حاضر تأثیر ابعاد شبکهبندی سازه در حالی که شبکهبندی محیط اویلری ثابت است، بررسی میشود. همچنین تأثیر انفجار بر روی بستر، وسط و سطح آب با یکدیگر مقایسه میشود. مشخصات مصالح با دقت فراوان انتخاب شدهاند تا نتایج بدست آمده تا حد امکان به نتایج واقعی نزدیک شود. پاسخ سازه به فاصله، عمق و مقدار ماده منفجره وابسته است. در تحقیق پیشرو فاصله افقی و مقدار ماده منفجره ثابت در نظرگرفته میشود و صرفا عمق انفجار مورد بررسی قرار میگیرد. پارامترهای دیگری نظیر ابعاد و اندازه سازه و شبیهسازی دقیقتر سازه نیز قابل بررسی هستند که نشان از وسعت زمینه تحقیق در این حیطه دارد.
1,1. خلاصه پدیده های انفجار در آب
پس از انفجار در ماده منفجره، موج شوک به سرعت در ماده منفجره و مایع اطراف آن منتشر میشود، در حالی که حباب گاز1ناشی از انفجار با سرعت بسیار کمتری در حال گسترش است. فاز انتشار موج شوک در مقیاس میلیثانیه است، اما فاز حباب گاز در حدود ثانیه است. با فاصله گرفتن موج شوک به میزان دو تا سه برابر شعاع ماده منفجره از محل انفجار، سرعت انتشار آن برابر با سرعت انتشار صوت در محیط میشود. پدیده مورد بحث بعدی، کاویتاسیون عمومی2است. کاویتاسیون عمومی زمانی رخ میدهد که موج شوک فشاری به سطح برخورد میکند و به صورت موج کششی به داخل آب بازتابیده میشود. از آنجایی که آب قادر به تحمل مقدار زیاد کشش نیست، از یک مایع همگن یکنواخت تبدیل به یک مایع غیر همگن و غیریکنواخت میشود. در نتیجه ناحیه کاویتاسیون قادر به انتقال تغییرات ناشی از شوک نیست.
در شکل 1 مراحل مختلف حباب گاز و تاریخچه فشار- زمان نشان داده شده است.کاویتاسیون از آن لحاظ مهم است که بر اثر برخورد دو سیال ناشی از گرانش و فشار جو از بالا و جریان ناشی از حباب گاز در حال انبساط از پایین، ضربه چکش مانندی به وجود میآید که موج شوک دوم فشاری را تشکیل میدهد. ضربه فشاری ناشی از کاویتاسیون عمومی میتواند باعث ایجاد بارگذاری قابل توجهی بر سازه شود. پس از تکمیل پدیده انفجار، فشار ایجاد شده - که در حدود چند هزار اتمسفر است - به آب اعمال میشود و باعث ایجاد موج ضربه ای3در آب و حرکت آب در تمامی جهات به سمت مخالف محل انفجار میشود. فشار زیاد اولیه ناشی از انفجار پس از انتشار موج ضربهای بهصورت قابل ملاحظهای کاهش مییابد، اما این فشار هنوز خیلی بالاتر از فشار هیدرواستاتیک محل وقوع انفجار است؛ همین فشار بالا به آب سرعتی در جهت خلاف محل انفجار میدهد. در اثر این حرکت آب، شعاع کره گازی - حباب - به سرعت افزایش مییابد. انبساط حباب و افزایش شعاع آن تا زماننسبتاً زیادی - نسبت به مقیاس زمانی حرکت موج شوک - ادامه مییابد و فشار داخلی حباب در اثر افزایش حجم کاهش مییابد. انبساط حباب حتی بعد از زمانی که فشار داخل آن به فشار هیدرواستاتیک آب و فشار اتمسفر میرسد به دلیل اینرسی ادامه مییابد و در نتیجه فشار داخل حباب از فشار تعادل اطراف آن کمتر میشود. در اثر این کاهش فشار داخل حباب، حرکت سیال اطراف حباب عکس شده و حجم حباب شروع به کاهش میکند و در نتیجه فشار درون آن افزایش مییابد. حباب تا حداقل شعاع فشرده میشود و سپس فشار بالای درون حباب، موجب انفجار و انبساط مجدد آن میگردد و موج شوک دوم منتشر میشود. موج حاصل از شوک دوم، ضربه حباب نامیده میشود.
2. مواد و روش کار
در این بخش به تشریح ابعاد و اندازههای مدل سه بعدی، مواد و مصالح اختصاص یافته به مدل سهبعدی و روش آنالیز پرداخته میشود. به دلیل اندازهی بزرگ مدل اصلی اسکله، چند شمع مجاور ماده منفجره به صورت سه بعدی مدلسازی شد. برای تعریف مصالح از سه منبع استفاده شد: کتابخانه نرم افزار AUTODYN ، مشخصاتی که در تحقیقات گذشته در زمینه انفجار انجام شده است و آیین نامه های معتبر. متداولترین روش تحلیل در زمینه اندرکنش سیال- سازه، روش تعاملی کامل 4می باشد که در این مطالعه نیز از این روش استفاده شده است.
2,1. مدلسازی
سازه مورد بررسی، اسکله 35000 تنی طرح توسعه نگین بوشهر در خلیج فارس است که به صورت شمع و عرشه میباشد. مدل سه بعدی هندسه سکو در نرم افزار Dynamics Explicit از برنامه های جانبی ANSYS Workbench ساخته شد، سپس مدل سهبعدی به نرم افزار AUTODYN منتقل شد و محیط اویلری که شامل خاک، آب، هوا و ماده منفجره است به مدل اضافه گردید. سپس مصالح به اجزا اختصاص یافت. در این تحقیق، محیط لاگرانژی از میان محیط اویلری عبور میکند و مواد اویلری، قابلیت انتقال نیروها - فشار، در ناحیه ی مرزی - به مواد لاگرانژی را دارند و موجب جابجایی در سازه میگردند؛ مواد لاگرانژی قابلیت ایجاد محدودیت های هندسی - شرایط مرزی سرعت - به محیط اویلری را دارند و مواد اویلری قادر به عبور از المان های لاگرانژی نیستند.
از آنجایی که اسکله بسیار بزرگ است، بخش کوچکی از جلوی اسکله مدل شده است. نمای کلی سازه مدل شده اسکله در شکل 2 نشان داده شده است. چهار شمع فولادی به طول 31 متر و قطر 1/552 متر و ضخامت12/7 میلی متر و عرشه بتنی به طول 12متر در جهت y و عرض 10 متر در جهت x و ضخامت 1/2 متر در نظر گرفته شدهاند. شمع ها به مقدار 0/2 متر در عرشه فرو رفتهاند؛ داخل شمع ها نیز تا 11 متر از زیر عرشه با بتن پر شده است. دو شبکهبندی میلگرد در پایین و بالای عرشه قرار گرفته است که فاصله بین میلگردها 0/2 متر است. ضخامت پوشش میلگردها 5 سانتیمتر می باشد. شبکهبندی بتن داخل شمعها نیز مانند شبکهبندی عرشه میباشد با این تفاوت که به جای مسطح بودن، استوانهای است. شبکهبندی محیط سیال به طول و عرض 12/8 متر و ارتفاع 43 متر در نظر گرفته شده است. عمق خاک 15 متر، عمق آب 13 متر و هوا نیز تا 15 متری از سطح آب مدل شده است. ماده منفجره، TNT فرض شد و مقدار آن 834/56 کیلوگرم در نظر گرفته شد. ماده منفجره در فاصله 2 متری اسکله مدل شد. صفحه ی XZ به عنوان صفحه تقارن در نظر گرفته شد. انتهای شمعها گیردار شد و در 4 وجه از 6 وجه محیط سیال که وجه مشترک با ماده منفجره ندارند امکان خروج مصالح فراهم شد تا موجتابیده شده از ماده منفجره مجدداً به محیط باز نگردد. چهار حالت کلی برای مدلسازی در نظر گرفته شد: شبکهبندی 100 و 200 میلیمتر سازه وقتی که ماده منفجره در وسط آب قرار دارد و شبکهبندی 200 میلیمتر سازه وقتی ماده منفجره در سطح آب و روی خاک قرار میگیرد. فاصله محور تا محور شمع ها در راستای x، 6 متر و در راستای y، 5/5 متر میباشد. فاصله ماده منفجره تا عرشه 2 متر و فاصله محور شمع های جلویی تا لبه عرشه 1/75 متر است. برپایه تجربیات مهندسی و تحقیقاتی چون عسگریان و همکاران [4] طول گیرداری شمع در خلیج فارس حدود 9 تا 12 برابر قطرشمع است. در این مطالعه، عمق گیرداری 10 برابر قطر شمع در نظر گرفته شد.
2,2. مدل مصالح
رفتار دینامیکی بتن تحت بار انفجار، غیر خطی و پیچیده است و به شدت به سرعت بارگذاری وابسته است.در این تحقیق از روش RHT یا مدل آسیب دینامیکی که توسط ریدل و همکاران [5] توسعه یافته، استفاده شده است. این مدل می تواند رفتار بتن در نرخ کرنش بالا و رفتار دینامیکی مواد شکننده مانند بتن و سنگ را تحت بارگذاری دینامیکی سریع به درستی شبیهسازی کند. مشخصات بتن از کتابخانه مواد نرمافزار AUTODYN و از نوع CONC-35MPA انتخاب شد.
