بخشی از مقاله
خلاصه
به دلیل خطر روزافزون و خسارتهاي سنگین وقایع تروریستی ، شناخت پدیده انفجار و بررسی رفتار سازه ها و راههاي تامین پایداري آنها در برابر انفجار، از ضروریات امروز جهان می باشد . در این مقاله به بررسی رفتار غیرخطی هندسی دیوارهاي برشی کامپوزیت پرداخته شده است که به عنوان یکی از اجزاي مقاوم در سازه ها کاربرد وسیعی داشته و می تواند در تحمل بار ناشی از انفجار مفید باشد.
با توجه به شدت بارگذاریها ، رفتار این سازه ها می تواند وارد محدوده غیرخطی شود. این رفتار می تواند غیرخطی مادي ، هندسی و یا توام باشد. در این مقاله رفتار غیرخطی هندسی یک دیوار برشی تحت بارگذاري انفجاري با شدتهاي مختلف بررسی شده است.
نتایج نشان می دهند که براي شدت بارهاي لحاظ شده در این تحلیل احتساب رفتار غیرخطی هندسی باعث کاهش تاسقف 14 درصد ، در تغییرمکان اوج و افزایش 3/5 درصدي تنش و کرنش اصلی در مرکز دیوار خواهد گردید. انتظار می رود ترکیب رفتار غیرخطی هندسی با رفتار غیرخطی مادي این سازه ها منجر به درك رفتار بهتري از سازه گردد.
1. مقدمه
انفجار، یک واکنش شیمیایی است که طی آن مقدار زیادي انرژي با سرعت بسیار بالا به صورت گرما آزاد شده و پیامد آن تغییرات شدید در شرایط محیط پیرامون است. شدت و سرعت بالاي وقوع انفجار ، موجب تغییر رفتار و مشخصات مصالح می گردد. به عنوان مثال علاوه بر لزوم در نظر گرفتن رفتارهاي غیرخطی مادي مصالح ، با تغییر شکلهاي بزرگ و رفتارهاي غیر خطی هندسی نیز مواجه خواهیم بود.
به دلیل پیچیدگی حاکم بر این پدیده آیین نامه هاي بارگذاري انفجاري عمدتاً بر مبناي مطالعات گسترده تجربی و مستندسازي نتایج آنها به صورت دیاگرامها و جداول طراحی ، براي حالات خاص شکل گرفته اند. امروزه روشهاي نوین حل عددي همچون روش اجزاء محدود به کمک محققان آمده و با تکیه بر توسعه چشمگیر علوم مرتبط با رایانه ، امکان مدلسازي انفجار در هر محیط و شرایطی فراهم گردیده است .
اولین آیین نامه مطرح در بارگذاري انفجاري با نام TM 5-855-1 در سال 1986 توسط دپارتمان تحقیقات نظامی ارتش آمریکا براي سازه هاي مقاوم در برابر انفجارهاي غیراتمی تهیه شد. پس از آن آیین نامه TR-87-57 در سال 1989 توسط بخش مهندسی نیروي هوایی آمریکا و آیین نامه TM 5-1300 در سال 1990 تهیه شد که جامعیت بیشتري داشته و بسیاري از تحقیقات تئوري بعدي بر مبناي آن بوده است. در ادامه ، آیین نامه هاي دیگري همچون DOE/TIC-11268 توسط دپارتمان انرژي آمریکا در سال 1992 وگزارش ارائه شده در ASCE1995 وآیین نامه هاي DAHSCWE1998 و FEMA428 تهیه شده اند.
مطالعات تئوري اولیه به منظور تعیین روابط بارگذاري انفجاري بر مبناي داده هاي حاصل از آزمایشات صورت گرفته که از آن جمله می توان به روابط Brode در سال 1955 ، Newmark و Hansen در سال 1961 ، Mills در سال 1987 اشاره کرد.
تحقیقات بعدي با تکیه بر توسعه روشهاي عددي نوین و افزایش قابلیت رایانه ها ، علاوه بر آزمایش ، بر مدلسازي نیز استوار بوده است . در فرمولهاي ارائه شده بعدي ، تأثیر عوامل بیشتري لحاظ شده است . از آن جمله می توان به آزمایشات انجام شده توسط Ishikawa و Eppu - منتشر شده در سال - 2007 در مورد تأثیر وجود دیوار نگهبان در مسیر انتشار موج اشاره کرد.[2] پس از آن مدلسازي رایانه اي انجام گرفته توسط Zhou و Hao در سال 2008 منجر به ارائه فرمولهاي ارزشمندي در محاسبه اثر دیوار نگهبان در مسیر موج انفجار گردیده است.
از دیگر تلاشهاي ارزشمند ، می توان به مطالعه اثر زاویه برخورد موج توسط Rose و دیگران در سال 2006 اشاره کرد.[4] تحقیق در مورد پاسخ اجزاي سازه ، در سالیان اخیر در گوشه و کنار جهان توسعه یافته و از آن جمله می توان به بررسی پاسخ سازه هاي کامپوزیت به بار انفجارتوسط Batra و Hassan در سال 2008 - بدون در نظر گرفتن رفتارهاي غیر خطی - [5]و بررسی انجام شده توسط Pandey و دیگران - سال - 2006 در خصوص رفتار غیر خطی مادي پوسته هاي بتن مسلح [6] و یا تحقیق اثر نرخ کرنش بر پاسخ سازه بتن مسلح توسط Yang و دیگران در سال 2007 اشاره کرد .
در خصوص تحقیقات قبلی ، می توان گفت که عمدتاً بر یک جنبه از رفتارهاي سازه اي تمرکز داشته اند و در این میان ، اثر رفتارهاي غیرخطی هندسی کمتر به بحث گذاشته شده است .
در این مقاله به بررسی اثر بارگذاري حاصل از موج انفجار بر دیوارهاي برشی کامپوزیت که در سازه ها عمدتاً به صورت ترکیب بتن و فولاد وجود دارند ، پرداخته شده است . بدین منظور از نرم افزار المان محدود ANSYS استفاده گردیده و طی مدلسازي هاي انجام شده ، اثر رفتارهاي غیرخطی هندسی بر پاسخ این دیوارها مورد بررسی قرار گرفته است .
2. مواد منفجره و طبقه بندي انفجارها
مواد منفجره بر اساس حالت مادي به انواع جامد ، مایع و گاز طبقه بندي می شوند که معمولاً نوع جامد در بمبها کاربرد بیشتري داشته و موج قوي تري تولید می کند . از نظر تحریک پذیري و شروع واکنش به دو نوع اولیه و ثانویه تقسیم می شوند که نوع اولیه به سرعت و در اثر کوچکترین عامل محرك مثل جرقه یا ضربه واکنش می دهد . این نوع بیشتر در چاشنی بمب و براي شروع واکنش مورد استفاده قرار می گیرد . نوع ثانویه تحریک پذیري کمتري داشته و موج شدیدتر با اثر تخریبی بیشتر تولید می کند که معمولاً قسمت اصلی بمب را تشکیل می دهد.
مواد منفجره مختلف ، انرژي جرمی خاص خود را دارند که با واحد کیلوژول بر کیلوگرم سنجیده می شود . براي راحتی مقایسه ، به صورت قراردادي ، TNT به عنوان ماده منفجره پایه انتخاب شده و سایر مواد به کمک ضریبی با آن معادل سازي می شوند . این ضریب از تقسیم انرژي مخصوص جرمی ماده مورد نظر بر انرژي مخصوص جرمی TNT بدست می آید . جدول - 1 - ، فهرستی از مواد منفجره با ضرایب معادل TNT هریک را نشان می دهد.
جدول -1 انرژي مخصوص و ضریب معادل TNT مواد منفجره مختلف
انفجارها بر اساس موقعیت وقوع نسبت به هدف به سه نوع انفجارهاي سطحی ، هوایی و فضاي باز تقسیم می شوند.
در انفجار فضاي باز ، موج بدون بازتاب از موانع اطراف و به طور مستقیم به هدف برخورد می کند . در انفجارات سطحی بمب روي سطح زمین قرار داشته و همزمان با وقوع انفجار ، موج از سطح زمین منعکس شده ، با موج اصلی همراه گردیده و آنرا تقویت می کند . انفجار هوایی حالت بینابینی انفجارهاي سطحی و فضاي باز می باشد و در آن بمب نه چنان از زمین دور است که اثر بازتاب آن نادیده انگاشته شود و نه بر سطح آن قرار دارد که موج اصلی و موج بازتابیده بر هم منطبق شوند .
بنابراین حالتی ترکیبی ایجاد می شود که در آن سه توده موج اصلی مجزا ، بازتابیده مجزا و تقویت شده - حاصل انطباق بخشی از موج اصلی و بازتابیده بر هم - مشاهده می شود .در این الگوي گسترش ترکیبی به محدوده انطباق موج اصلی و بازتابیده دیواره ماخ گفته می شود و محل تلاقی سه نوع موج ، نقطه سه گانه نامیده می شود . در این مطالعات به بررسی اثر انفجارهاي سطحی پرداخته شده است . در شکل - 1 - ، الگوهاي انتشار و و انعکاس مورد بحث نشان داده شده است .
شکل – 1 الگوهاي مختلف انتشار موج بر اساس موقعیت انفجار
3. اصول اولیه و تئوري بارگذاري انفجاري
پس از وقوع انفجار ، حرارت و فشار هوا در مرکز آن به شدت افزایش یافته و موجب انبساط و انتشار گازهاي داغ به اطراف می گردد . این پدیده موج انفجار را به وجود می آورد . این موج به صورت کروي در فضا منتشر می شود . پوسته بیرونی حجم کروي درحال گسترش ، جبهه موج نامیده دارد.
با برخورد جبهه موج به هدف ، ناگهان اضافه فشار مثبت به بزرگی به سطح جسم اعمال شده و به سرعت در مدت زمان مستهلک شده و به فشار اتمسفر باز می گردد . پس ازآن افت فشار تا مقدار پایین تر از فشار اتمسفر ادامه ادامه یافته و در مدت زمان مجدداً به فشار اتمسفر می رسد . طی آزمایشهاي متعدد و بررسی نتایج آنها ، الگوي این تغییرات به صورت دیاگرام فشار زمان شکل - 2 - پیشنهاد شده و مورد استفاده قرار می گیرد.
شکل – 2 دیاگرام فشار - زمان بارگذاري موج انفجار
