بخشی از مقاله
خلاصه
برای جلوگیری از تخریب سازهها در اثر انفجار، بررسی رفتار ستونها در اولویت قرار دارد زیرا با آسیب دیدن و از دست رفتن ظرفیت باربری ستون، خرابی به سایر بخشهای سازه گسترشیافته و باعث فروپاشی کل سازه میگردد. در این مقاله با استفاده از تئوری قابلیت اعتماد و با در نظر گرفتن عدم قطعیتهای مربوط به بارگذاری انفجار و خصوصیات مصالح، احتمال خرابی ستونهای فولادی تحت اثر انفجارهای مختلف محاسبهشده است. میزان خسارت بر اساس معیار ظرفیت محوری باقیمانده ستون پس از انفجار تعیینشده است. از روش شبیهسازی مونتکارلو با بهرهگیری از مدلسازی اجزاءمحدود در نرمافزار LS-DYNA برای به دست آوردن احتمال خرابی استفادهشده است.
کلمات کلیدی: بارگذاری انفجار، تحلیل قابلیت اعتماد، ستون فولادی، شبیهسازی مونتکارلو، نرمافزار LS -DYNA
1.مقدمه
تخریب در سازههایی که تحت بارگذاری انفجار قرار میگیرندمعمولاً به دلیل آسیب شدید به یک یا چند عضو و در پی آن گسترش خرابی در کل سازه رخ میدهد، به همین دلیل اغلب پژوهشهای انجامشده در این زمینه مربوط به پاسخ اعضای سازهای مانند تیر، ستون و دال تحت انفجار میباشد. در کتب و آییننامههای تدوینشده 1]و[2 جهت طراحی سازههای مقاوم در برابر انفجارمعمولاً از معیار پاسخ حداکثر بهدستآمده از روش سیستم یک درجه آزادی معادل بهعنوان معیار تعیین خسارت استفادهشده است و همچنین متغیرهای مانند بارگذاری انفجار و مشخصات مصالح بهصورت متغیر قطعی در نظر گرفتهشده است.
در پژوهشهای انجامشده در زمینه سازههای تحت بار انفجارمعمولاً به بررسی میزان خرابی اعضا بر اساس معیارهای حداکثر جابجایی و ظرفیت محوری باقیمانده پس از انفجار براساس نتایج بهدستآمده از آزمایشهای میدانی و مطالعات عددی پرداختهشده است. در این راستا نصر و همکارانش [3] تعدادی ستون فولادی با مقطع بالپهن را تحت انفجارهای مختلف قرار داده و جابجایی ستونها را ثبت کردهاند. هادیانفرد و فراهانی [4] با شبیهسازی ستونهای فولادی بهصورت اجزاءمحدود در نرمافزار LS-DYNA، تأثیر مشخصات مقطع را در پاسخ ستونها تحت اثر بارگذاری انفجار بررسی کردهاند.
همچنین تعدادی پژوهش درزمینهی کاربرد تئوری قابلیت اعتماد در تحلیل و طراحی سازههای بتنی تحت اثر بار انفجار از سال 2000 به بعد انجامشده است. لو و هااو [5] به تحلیل قابلیت اعتماد دالهای بتن مسلح تحت اثر بار انفجار پرداختند. هونگ هاو و همکارانش [6] تحلیل قابلیت اعتماد ستونهای بتن مسلح تحت اثر بار انفجار را ارائه دادند. این محققان نشان دادند که در نظر نگرفتن متغیرهایی همچون خصوصیات مقاومتی و ابعاد ستون بهصورت متغیر تصادفی تأثیر کمتری در پیشبینی احتمال خرابی خواهد داشت درحالیکه چشمپوشی از ماهیت تصادفی متغیرهای مربوط به بارگذاری انفجار منجر بهپیش بینی احتمال خرابی ستون بهصورت نادرست خواهد شد. ندرتون و استورت [7] به شناسایی متغیرهای تأثیرگذار جهت برآورد عدم قطعیت مربوط به بارگذاری انفجار پرداختند.
یوفانگ شی و استورت [8] احتمال خرابی ستونهای بتن مسلح با تعریف تابع شرایط حدی بر اساس ظرفیت باقیمانده از طریق مدلسازی در نرمافزار اجزای محدود LS-DYNA را ارائه کردهاند. در این مطالعه علاوه بر متغیرهای بارگذاری انفجار، متغیرهای مربوط به مقاومت مصالح و ابعاد و اندازهها نیز بهصورت متغیرهای تصادفی در نظر گرفتهشدهاند.در این مقاله ابتدا یک نمونه ستون فولادی با مقطع بالپهن بهصورت اجزاءمحدود در نرمافزار LS-DYNA مدلسازی شده است و برای صحت سنجی مدلسازی، نتایج با دادههای مربوط به یک نمونه آزمایشگاهی مقایسه شده است، سپس با در نظر گرفتن متغیرهای تصادفی مربوط به بارگذاری انفجار و مشخصات مصالح و با بهرهگیری از روش شبیهسازی مونتکارلو احتمال خرابی ستون بر اساس معیار ظرفیت محوری باقیمانده ستون پس از انفجار محاسبهشده است.
2.بارگذاری انفجار
هنگام رخداد پدیده انفجار، گازهای تولیدشده ناشی از واکنش سریع مواد منفجره با سرعت بسیار بالا به فضای اطراف گسترش مییابند. با برخورد این تودههوای فشرده به سازهها، بار دینامیکی شدیدی بر اعضای سازهای نزدیک به محل انفجار وارد میشود. تاریخچه بارگذاری مربوط به انفجار مطابق شکل 1 سادهسازی میشود. در این مقاله تاریخچه زمانی فشار ناشی از انفجار طبق رابطه فرایدلندر - رابطه - - - 1 تعریفشده است. متغیرهای Pr، to و ta به ترتیب مربوط به حداکثر فشار انعکاسی، مدتزمان فاز مثبت انفجار و زمان شروع بارگذاری میباشند. برای تعیین مقادیر Pr و to از فرمولها، نمودارها و نرمافزارهایی همچون ConWep وA.T.-Blast استفاده میشود.
یکی از متغیرهای اصلی برای مشخص کردن تاریخچه بارگذاری انفجار متغیر Z است که مطابق با رابطه - - 2 تعیین میشود. در این رابطه Z فاصله مقیاس شده، R فاصله ماده منفجره برحسب متر و W جرم ماده منفجره برحسب کیلوگرم TNT معادل است.لو و هااو [5] از مجموعه نتایج حاصل از نرمافزارها و روابط تجربی، نمودارهایی برای محاسبه میانگین Pr و to برحسب Z ارائه کردهاند - مطابق شکلهای 2 و . - 3 رابطه - 3 - نیز توسط همین محققان برای محاسبه Pr ارائهشده که در این مقاله برای تعیین تاریخچه بارگذاری انفجار از نتایج این محققان استفادهشده است.
3. مشخصات مدل و شبیهسازی اجزاء محدود
عضو سازهای انتخابشده در این مقاله، یک ستون فولادی با مقطع IPBv200 به ارتفاع 360سانتیمتر میباشد که تنش تسلیم فولاد 240مگاپاسکال، مدول الاستیسیته 210گیگاپاسکال و ضریب پواسون 0/3 در نظر گرفتهشده است. ازآنجاکه مصالح در نرخ کرنش بالا، مقاومتی بیش از مقاومت واقعی خود در حالت استاتیکی نشان میدهند درنتیجه برای در نظر گرفتن این افزایش مقاومت میبایست از ضریب افزایش دینامیکی در مسائل مربوط به بارگذاری انفجار استفاده شود.برای مدلسازی ستون فولادی از نرمافزار اجزاء محدود LS-DYNA استفادهشده است.
این نرمافزار قابلیت تحلیل دینامیکی با در نظر گرفتن رفتار غیرخطی مصالح در نرخ کرنش بالا را دارد. جهت شبیهسازی از المان پوستهای و مدل متریال MAT-PELASTIC-KINEMATIC استفادهشده است. در این مدل ماده رفتار فولاد بهصورت الاستوپلاستیک در نظر گرفتهشده و از رابطه - 4 - جهت محاسبه ضریب افزایش دینامیکی استفادهشده است که در آن،نرخ کرنش و ضرایب ثابت C و P به ترتیب 40 و 5 در نظر گرفتهشدهاند. جهت اعمال شرایط مرزی به ستون از دو ورق صلب در بالا و پایین ستون استفادهشده که شرایط مرزی مفصلی بهصورت یک خط تعریفشده که درجه آزادی انتقالی گرههای روی آن بستهشده و درجه آزادی دورانی آزاد میباشند - شکل . - - 4 -
