بخشی از مقاله
خلاصه
افزایش روزافزون خطر بروز انفجار در نواحی شهری موجب شده است که صاحبان ساختمانها، دولتها و همچنین پژوهشگران به دنبال درک بهتر پاسخ سیستمهای ساختمانی موجود تحت بارگذاری انفجار باشند. در ساختمانهای بتن مسلح تحت انفجار خارج از ساختمان، ستونهای خارجی آسیبپذیرترین و بحرانیترین اعضای سازهای محسوب میگردد. در اینجا، به مطالعهی اثرات انفجار نزدیک بر ستونهای بتن مسلح معمولی، که در برابر بارهای ثقلی طراحی شدهاند، پرداخته شده است. به این منظور از قابلیتهای نرم افزار اجزای محدود OpenSees در تحلیل دینامیکی غیرخطی سازهها بهره گرفته شده است.
یک روش ساده برای وارد کردن اثرات نرخ کرنش در تحلیل تحت بارگذاری انفجار پیشنهاد شده است. نتایج حاصل از مدلسازی با این نرمافزار، با استفاده از نتایج ثبت شده در آزمایشهای انفجار با مقیاس واقعی، اعتبارسنجی شده است. مطابق با مهمترین نتایج حاصل، مدلسازی اجزای محدود ضمنی با استفاده از OpenSees مقدار تغییرشکل جانبی ستون بتن مسلح را با دقت قابل قبولی محاسبه میکند. طبق نتایج تحلیلهای انجام گرفته، میزان ضربهی حاصل از انفجار بر ستون به اندازهی فشار وارد بر وجه ستون، اهمیت دارد و باید بار محوری موجود در ستون را در مدلسازی و تحلیل آن تحت انفجار جانبی در نظرگرفته شود.
کلمات کلیدی: بارگذاری انفجار، ستون بتن مسلح، نرمافزار OpenSees ، تغییرشکل جانبی، بار محوری.
.1 مقدمه
افزایش روزافزون خطر بروز انفجار در نواحی شهری موجب شده است که صاحبان ساختمانها، دولتها و همچنین پژوهشگران به دنبال درک بهتر پاسخ سیستمهای ساختمانی موجود تحت بارگذاری انفجار باشند. چنین ساختمانهایی در برابر بارگذاریهای دینامیکی شدید همانند ضربه، برخورد و انفجار طراحی نشدهاند. بنابراین، بررسی و مطالعهی رفتار آنها تحت این نوع بارها میتواند در ارزیابی آسیبپذیری و انتخاب روش مناسب جهت مقاومسازی آنها بسیار مفید باشد.ستونها المانهای باربر کلیدی در سازههای ساختمانی محسوب میشوند. در انفجارهای خارجی که به علل مختلف میتواند در مجاورت ساختمانها روی دهد، اغلب ستونهای خارجی آسیبپذیرترین اعضای سازهای میباشند .[1]
از طرف دیگر، خرابی ستون یکی از مهمترین علتهای تخریب پیشرونده1 در سازههای قابی است. در اثر شرایط بارگذاری شدید، همانند انفجار، با خرابی یک یا چند ستون و نبود مسیرهای کافی برای بازتوزیع نیروهای ثقلی موجود در ستون حذف شده، در المانهای اطراف ستون مذکور خرابی ایجاد میگردد که به تدریج به سایر بخشهای سازهای منتقل می-گردد. این پدیده به تخریب پیشرونده موسوم بوده و از علل اصلی تلفات جانی پس از بروز حوادثی چون انفجار محسوب میشود. مواردی معروف از این نوع خرابی سیستمهای سازهای شامل ساختمان رونان پوینت2 و ساختمان فدرال آلفرد مورا3 است 2]، .[3
پژوهشهای فراوانی، با تمرکز بر مطالعه پاسخ اعضای سازهای مختلف در ساختمانها تحت انفجار، انجام یافتهاست. به علت هزینههای بسیار بالا، سختی کار و محدودیتها و موانع قانونی موجود در انجام آزمایشهای عملی انفجار، استفاده از مدلسازی عددی برای این نوع مطالعات راهکار مناسبی محسوب میشود. بسیاری از مدلسازیهای عددی انجام یافته جهت مطالعهی رفتار ستونهای بتن مسلح تحت انفجار، توسط نرمافزارهای اجزای محدود صریح4، که براساس فیزیک محاسباتی نوشته شدهاند، صورت گرفته است.در مراجع 4]، 5، [6 به استفاده از پوششهای پلیمری به منظور افزایش مقاومت ستونهای بتن مسلح، با استفاده از نرمافزار AUTODYN ، پرداخته شده است.
در 7]، 8، [9 جهت تحلیل ستون تحت انفجار نزدیک از نرمافزار ABAQUS/Explicit استفاده شده است. در مراجع 1]، 10، [11 مطالعاتی به روی پارامترهای مؤثر بر رفتار ستونهای بتن مسلح تحت انفجار با استفاده از هیدروکد LS-DYNA صورت گرفته است. در [12] نیز مدلسازی مشابهی با هیدروکد DYNA3D انجام شده است.هیدروکدها، نوعی از نرمافزارهای اجزای محدود صریح هستند که براساس اصول بقای جرم، اندازهحرکت و انرژی استواربوده و مخصوص مدلسازی پدیدههای دینامیکی شدید همانند ضربه ، برخورد و انفجار طراحی شدهاند. استفادهی صحیح از نرمافزارهای اجزای محدود صریح و هیدروکدها برای بارگذاری و تحلیل انفجاری سازهها، نیازمند دانش، مهارت و تجربهی فراوانی است.
بارهای انفجاری که ماهیت دینامیکی گذرا دارند میتوانند موجب بروز رفتار غیرخطی شدید در سازه شوند. در میان بستههای نرمافزاری اجزای محدود ضمنی5، که کاربردهای سادهتر و فراگیرتری دارند، نرمافزار OpenSees6 می-تواندگزینهی مناسبی برای مدلسازی و تحلیل سازههای ساختمانی تحت انفجار باشد. نرم افزار OpenSees یک نرم افزار کدباز است که با استفاده از روش اجزا محدود به تحلیل انواع سازه ها می پردازد. از مزایای این نرمافزار سرعت بالا، باز بودن کدها، عرضهی رایگان، خروجی متنی و کمحجم، امکان برنامهنویسی انعطافپذیر و قدرت بالا در تحلیل دینامیکی سازهها است .[13]
با توجه به این ویژگیها، به نظر میرسد بتوان از این نرمافزار جهت تخمین پاسخ اعضای سازهای تحت بارهای انفجاری بهره گرفت.در اینجا به مطالعهی اثرات انفجار نزدیک، بر ستونهای بتن مسلح معمولی - فاقد مقاومسازی - ، با مقطع مستطیلی، با استفاده از نرمافزار OpenSees پرداخته شده است. یک روش ساده برای وارد کردن اثرات نرخ کرنش در این نرمافزار ارائه شده است. نتایج حاصل از مدلسازی اجزای محدود با استفاده از نرمافزار OpenSees ، جهت اعتبارسنجی با نتایج آزمایش واقعی انفجار مقایسه شدهاست. در ادامه، با استفاده از مدلهای عددی ایجاد شده، اثر پارامترهای مختلف طراحی بر رفتار و پاسخ ستون بتن مسلح تحت انفجار مورد بررسی قرارگرفته است.
.2 بارگذاری انفجار
در لحظهی رسیدن موج انفجار به سازه، فشار محیط با افزایش ناگهانی تا مقدار حداکثر اضافه فشار مبنا - Pso - 1 افزایش مییابد. در صورتی که هر گونه سطح بازتابنده در نقطه موردنظر وجود داشته باشد، مقدار پرش فشاری در لحظهی رسیدن موج انفجار، برابر با حداکثر فشار بازتابی - Pro - خواهدبود. زمان تداوم فاز مثبت انفجار و یا زمانی که اضافهفشار بیشتر از فشار اتمسفر - P0 - است، با td+ نشان داده شده و زمان تداوم فاز منفی یعنی زمانی که فشار کمتر از فشار اتمسفر است - مکش - ، با td− نمایش داده میشود. سطح زیر منحنی فشار- زمان نشاندهندهی ضربه حاصل از موج انفجار است که می-تواند به صورت ضربهی ویژه مبنا - Iso - و یا ضربهی ویژه بازتابی - Ir - باشد.
ضربهی حاصل از انفجار، نشاندهندهی مقدار انرژی پتانسیل منتقلشده به سازه در طی بارگذاری انفجار است .[14] در کاربردهای عملی، میتوان یک منحنی فشار-زمان ایدهآل همانند شکل 1 برای فشار حاصل از انفجار تعریف کرد .[15]انتشار امواج انفجار - امواج مبنا - در تمامی جهات در اطراف ماده منفجره بوده و در صورت برخورد به هر مادهای که - چگالی آن بیشتر از چگالی محیط واسط باشد، بازتاب پیدا میکند. فشار موج بازتاب شده - موج بازتابی - همواره بیشتر از فشار موج مبنا است و میتواند تا 12 برابر بزرگتر باشد .[14]
زمانی که طول میکشد تا موج مبنا از مرکز انفجار به نقطه موردنظر برسد، زمان رسیدن موج انفجار - ta - نام دارد.در زمان عبور موج انفجار از یک نقطه مشخص، در این نقطه علاوهبر اضافه فشار - بازتابی یا مبنا - ، یک فشار دینامیکی qs نیز ایجاد میشود. فشار دینامیکی، حاصل از جریان - سرعت - هوای ایجادشده در پشت پیشانی موج انفجار است و با عنوان فشار درگ2 نیز نامیده میشود .[16] در ستونهای بتن مسلح، اغلب پاسخ جانبی حداکثر تحت فاز مثبت انفجار رخ داده و در نتیجه در بیشتر تحلیلها از فاز منفی صرفنظر میگردد .[17] در این مقاله نیز، طبق توصیه مراجع مختلف
