بخشی از مقاله
چکیده
زمانی که از تقویت سازه ها صحبت میشود دو منظور کلی، یکی بهسازی سازههای موجود و دیگری تعمیر سازههای آسیب دیده مد نظر می باشد. طیف وسیعی از سازههای بنایی هستند که ضوابط مربوط به آییننامههای زلزله را تأمین نمیکنندو یا بر اساس آیین نامه های قدیمیتر ساخته شدهاند. یکی از راههای تقویت چنین سازه هایی استفاده از صفحات پلیمری FRP است. در این تحقیق رفتار دیوار بنایی در ده حالت تقویت با صفحات پلیمری FRP در مقابل بارهای خارج از صفحه ناشی از انفجار مورد بررسی و تحلیل قرارگرفته است .
در مقایسه رفتار دیوار تقویت شده در حالت نوارهای افقی و قائم مشهود است که علیرغم افزایش ُُ درصدی سطح مصالح تقویت کننده در مدل تقویت شده با آرایش نوارهای قائم میزان کاهش حداکثر جابه جایی و خرابی و افزایش جذب انرژی کرنشی در حدود ًَ درصد بوده است این موضوع همچنین مشخص کرد که آرایش برای تقویتی مناسب میباشد که سطوح مستعد خرابی را بیشتر پوشش بده د که در دیوار بنایی این سطوح اتصالات ملات میباشد. بنابراین آرایش افقی در مقایسه با آرایش قائم عملکرد بهتری را نشان میدهد.
موضوع مهم دیگر مورد بحث در تقویت دیوار های بنایی بررسی رفتار آنها در تقویت سطح مجاور و پشت به بار انفجار می باشد، بر مبنای نتایج بدست آمده، نوارها و صفحات FRP اضافی در سطوح همجوار انفجار بسیار موثرتر از اضافه کردن صفحات پلیمری نسبت به طرف پشت دیوار است که این موضوع در اکثریت قریب به اتفاق مدلها به نسبتهای مختلف مشهود بود به طوری که تقویت در سطوح مجاور به میزان ًٍ درصد بهبود رفتار بیشتری بدست داده است. که از این موضع می شود نتیجه گرفت که تقویت دیوار در دو سطح نیز به همان میزان رفتار دیوار را بهبود نخواهد داد.
ٌ- مقدمه
پدیده انفجار کاربردهای مثبت زیادی در مهندسی عمران از جمله تونل، آماده سازی مصالح قلوه سنگ و تراکم دینامیکی خاک دارد . علیرغم کاربردهای مفید، انفجار میتواند پدیده مخرب باشد که مراقبت ساختمانها در برابر انفجارهای عمدی و غیر عمدی ضروری به نظر میرسد این نوع ساختمانها اساساٌ از نقطه نظر اقتصادی، سیاسی و استراتژیکی مهم هستند و جزو پیامدهای مهم در شرایط جنگ و صلح به شمار میآیند . در این حالت، طراحی و مقاوم سازی ا ین ساختمانها در برابر بار انفجار حیاتی است در مطالعه انفجار و اثرات آن در ساختمانهای پوشیده شده، ناشی از پیچیدگی معادلات و هندسه ساختمانها، کاربرد روش تحلیلی غیر ممکن است به همین دلیل، روشهای عددی از جمله روش اجزاء محدود در این موضوع شامل نرم افزار ABAQUS پیشرفتهای مهمی داشته است.
دیوارهای با مصالح بنایی میتوانند در معرض بارهای خارج از صفحه قرار گیرند پیش بینی پاسخ دیوارهای بنایی در برابر بارگذاری خارج از صفحه مانند موج انفجار، در طراحی بهینه آنها نقش مهمی دارد. دیوارهای بنایی ارتوتروپ بوده و دارای مقاوم ت بالا در فشار و مقاومت قابل اغماض در کشش هستند و به عنوان یک عضو ناهمگن از ملات و آجر تلقی می گردند در دیوارهای بنای تقویت شده با نوار-های پلیمری تقویت شده با الیاف مسلح شده پلیمری3، به دلیل افزایش شکل پذیری قابل توجه، شرایط عملکردی دیوار تغییر مییابد.
از جمله عواملی که در انفجار می تواند در دیوارهای بنایی موجب بروز خرابی و کاهش سختی بسیار گردد، بروز ترک خوردگی است معمولاً نمودارهای تاریخچه زمانی جابجایی نقاط مختلف دیوار، به عنوان معیاری برای بررسی رفتار سازه ها در برابر بارهای دینامیکی مورد توجه است. این تحقیق برآن است تا تغییر شکل و نحوه ترک خوردگی دیوارهای بنایی را در برابر بارگذاری انفجار مورد بررسی قرار داده و تأث ری وجود صفحات پلیمری بر رفتار دیوارها را مشخص نماید.
همچنین تاکنون اکثر مدلهای ارائه شده برای دیوارهای بنایی معطوف به مدلهای ماکرو و همگن بوده و از مدل سازی ناهمگن و میکروی این گونه سازهها به دلیل پیچیدگی پرهیز شده است . این تحقیق برآن است تا تفاوت های این دو نوع مدلسازی را مورد ارزیابی قرار دهد. در ادامه، به منظور بررسی تأثری چیدمان نوارهای تقویتی پلیمری بر مقاومت دیوار بنایی، چیدمان های مختلفی از نوارها در نرم افزار اجزای محدود آباکوس، مدلسازی شده و با نتایج آزمایشگاهی موجود مقایسه میگردد.
ضرورت و اهمیت تحقیق حملات تروریستی و حوادث اتفاقی انفجاری علاوه بر خسارات جانی و مالی که برجای گذاشته، بازنگری آیین نامه ها و روشها ی طراحی و ساخت را غیرقابل اجتناب ساخته است بررسی آمار مرگ و میر و انهدام ساختمانها موید این مطلب است که ساختمان های بنایی بیشترین صدمات ناشی از حوادث اتفاقی انفجاری را به خود دیده است. آسیبهای وارده به این ساختمانها عموماً ناشی از عدم توجه به ضوابط استانداردها در طراحی و سهل انگاری در اجرا بوده و لذا میبایست مقاومسازی این ساختمانها مورد توجه هرچه بیشتر قرار گیرد.
در ایران مقاومسازی لرزهای ساختمانهای بنای با توجه به تعداد زیاد و عملکرد نه چندان مناسب در هنگام اعمال بارهای اتفاقی دارای اهمیت زیادی است. بنابراین استفاده از روشهای مقاومسازی که سریع و مقرون به صرفه بوده و اجرای آن با توجه به شرایط موجود در کشور آسان باشد، شایان توجه است. دیوارها که از اصلیترین اعضای باربر و مقاوم ساختمان های بنایی غیرمسلح محسوب می گردند، به دلیل جرم زیاد، در پاسخ به نیروهای آنی انفجاری از اینرسی بالایی برخوردار می باشند ازدیگر خصوصیات این دیوارها رفتار شکننده با انعطاف پذیری کم است که در خلال انفجار دچار آسیبهای متعددی از قبیل ترکهای قابل رؤیت تا خردشدگی و فروپاشی کلی میگردد این خصوصیت، باعث کاهش شدید سختی و مقاومت در برابر بارهای انفجاری گردیده که موجب شکست تردد و نابهنگام میشود، عوامل مذکور از عمدهترین مسائل مخاطره آمیز در رویداد انفجار به شمار میآید که جهت مقابله با این اثرات، مقاوم سازی دیوارهای بنایی می تواند به بهبود مقاومت نهایی و انعطاف پذیری وکاهش چشمگیر آسیب پذیری کل سازه در برابر انفجار منجر گردد.
پیشینه تحقیق تحلیلهای انفجاری سابقهای در حدود چندین قرن دارد تحلیل های ابتدایی که با روشهای تقریبی انجام میگرفت به قرنهای ×ٌَو×ٌُ میلادی باز میگردد در سال×ٌٌُُ قانون مقیاس برای انفجارهای ساده توسط هاپکینسون ارائه شده که پایه ریاضی نداشت ولی از نظرکاربردی بسیار با اهمیت بود [1]، وی ادعا نمود که اگر دو ساختمان با شکل و مصالح مشابه ولی در اندازه ها ی مختلف ساخته شوند و سپس تحت اثر انفجار قرار گیرند، مقدار ماده منفجره مورد نیاز برای ایجاد تاثیرات مشابه با توان سوم ابعاد ساختمانها نسبت مستقیم دارد×این قانون بطور کامل و در سال×ٌٍُّ توسط گرنز ارائه شد .[2]
هوراس لمب ریاضیدان دانشگاه منچستر تحقیقات بسیاری را در مورد هیدرودینامیک و پدیده انتشار امواج انجام داد .[3] تیلور دانشمندی بود که مطالعاتش بر روی دینامیک موجهای انفجار ناشی از مواد منفجره نقش بسیار زیادی در پیشرفت مرکز تحقیقات وزارت دفاع بریتانیا در سالهای بین×ٌَُّ تا×ًٌُِ داشت مقالههای نخست وی در مورد انتشار و استهلاک موجهای انفجار ناشی از سلاحهای متعارف بود ولی در مطالعات بعدی وی بر روی رفتار موجهای انفجار ناشی از نخستین انفجار اتمی در نیو مکزیکو متمرکز شد .[4] پژوهشهای مختلف نشان دادهاند که مصالح شکل پذیر حتی با مقاومت کمتر عملکرد بسیار بهتری در برابر بارهای انفجاری دارند×؟
یکی از مطالعههایی که در این زمینه انجام شده است بررسی عملکرد عرشه پلها با مصالح مختلف در برابر بار ناشی از انفجار وسیله نقلیه میباشد .[5] جین سون و آستانه در این پژوهش عرشهی پلها را در دو حالت شامل قوطیهای فولادی و نیز بصورت کامپوزیت تحت بررسی قرار دادند در حالت قوطی فولادی رفتار سه نوع فولاد مختلف و در حالت کامپوزیت رفتار بتن معمولی و مقاومت بالا مورد بررسی قرار گرفت و جالب آنکه نتایج حاصله حاکیاز این است که مصالح فولاد و یا بتن با مقاومت پایین تر و انعطاف پذیری بیشتر عملکرد به مراتب بهتری دارند×؟پژوهش دیگری که توسط آستانه در این زمینه انجام شده است، مربوط به بررسی تأثری انفجار ناشی از وسیله نقلیه بر روی دیوار پیشنهادی ایشان که ترکیبی از دیوار برشی فولادی و بتنی میباشد .[6]
این دیوار از صفحهای فولادی که به اسکلت جوش داده میشود و سپس دالی از بتن مسلح بوسیله پیچ و مهره بر روی آنها نصب میشود، تشکیل شده است نقطه ضعف دیوارهای بتنی معمولی در این است که این دیوارها تحت اثر انفجار خرد شده و ذرات آن با سرعت بسیار بالایی در محیط حرکت میکنند که خود این ترکشها میتوانند باعث بوجود آمدن خسارات و تلفات شدیدی گردند اما در این نوع دیوار وجود صفحه فولادی در پشت دیوار مانع پرواز ذرات بتن شده و در واقع این خطر را از بین میبرد لوچیونی یکی دیگر از پژوهشگرانی است که در زمینه انفجار مطالعات بسیاری انجام داده است.
در یکی از این پژوهشها، رفتار دال بتنی تحت اثر بار انفجار بررسی شده است [2] وی ابتدا بصورت آزمایشگاهی دال بتنی را تحت اثر بار انفجاری قرار داده است و سپس نتایج بدست آمده را با مدلسازی توسط نرم افزارAbaqus و Ansys مقایسه نموده است و پس از نمایش صحت مدلسازی، کوشیده است رابطهای بین قطر حفره ناشی از انفجار، وزن مواد منفجره و محل انفجار ارائه نماید و در پایان مقایسه ای بین مدلها و نرم افزارهای استفاده شده انجام داده و در هر مورد نقاط ضعف و قوت آنها را تشریح نماید؟
فیوض و همکاران نیز رفتار سازههای فولادی و بتنی را با شکلها و شرایط مختلف تحت اثر بارگذاری انفجاری مورد بررسی قرار دادهاند و تأثری شکل و سایر ویژگیها را بر روی عملکرد سازه برای هر دو نوع فولادی و بتنی بوسیله نرم افزار المان محدود Abaqus شبیه سازی و مقایسه نمودهاند و عملکرد سازههای بتنی را در حالت کلی مناسبتر گزارش کردهاند [2] نگارندگان این پژوهش نیز مقاوم سازی دیوارهای بتنی با انواع ورقهایFRP در ضخامتهای متفاوت را در مقابل بار انفجار مورد بررسی قرار داده و تاثیرمقاوم سازی با استفاده از این ورقها را بر کاهش تغییرمکان بیشینه، نشانه خسارت و تنش در میلگردهای داخل بتن را در برابر بار انفجاری مناسب ارزیابی کرده که در این میان بکارگیری ورقهای کربنی در مقایسه با ورقهای شیشه و ارامید مناسبتر گزارش شده است .[7]
ٍ- روش تحقیق
اثر انفجار و بارهای خارج از صفحه برروی دیوارها بنایی ناشناخته است علیرغم بررسی های زیادی در زمینه رفتار لرزه ایی دیوارهای بنایی در برابر زلزله، مطالعات اندکی در زمینه اثر بارهای خارج از صفحه بر روی دیوارهای بنایی صورت گرفته است از طرفی بهسازی دیوارهای بنایی با استفاده از صفحات FRP در تحقیقات سال های اخیر در موضوع مقاوم سازی از اهمیت به سزایی برخوردار بوده است
بررسی درصد افزایش مقاومت دیوارهای بنایی در صورت استفاده از صفحات پلیمری FRP، بررسی تأثری ابعاد دیوار بر میزان افزایش مقاومت دیوارهای مقاوم سازی شده و تأثری اشکال متنوع استفاده از صفحات پلیمری بر مقاومت دیوار از جمله مواردی میباشند که بخصوص برای بارگذاری خارج از صفحه مانند انفجار، در این تحقیقات گذشته مورد بررسی قرار نگرفته اند و از جنبه های نوآوری تحقیق حاضر محسوب میشوند. بررسی درصد اتلاف انرژی صفحات FRP در مقابل انفجار و تلاش در افزایش سهم آن و بررسی زمان شروع عملکرد FRP از دیگر نوآوریهای تحقیق جاری است. بدین منظور پس از بررسی مباحث مقدماتی و گردآوری اطلاعات مورد نیاز برای انجام تحقیق، نرم افزار اجزای محدودی ABAQUS برای مدل سازی و انجام تحلیلهای غیر خطی با توجه به اهداف پایان نامه مورد استفاده قرار خواهد گرفت.
َ- یافته ها
پدیده انفجار و بارگذاری دینامیکی سازهها
به طور کلی، انفجار نتیجه آزادسازی سریع حجم بسیار زیادی از انرژی در یک فضای محدود میباشد. انفجارها را میتوان براساس طبیعتشان به سه گروه فیزیکی، شیمیایی و هستهای گروه بندی نمود در انفجار فیزیکی، انرژی ممکن است در اثر گسیختگی شدید یک سیلندر با گاز فشرده یا فوران آتشفشانی یا حتی ترکیب دو مایع با دمای متفاوت آزاد شود در انفجار هستهای، انرژی در اثر شکل گیری هسته اتمهای مختلف به واسطه باز توزیع پروتونها و نوترونها در داخل هسته مرکزی آزاد میشود در انفجار شیمیایی، اکسیده شدن سریع اجزای سوخت - اتمهای کربن و هیدروژن - ، منبع اصلی انرژی است.
انفجارها از نظر موقعیت به دو دسته انفجار خارجی - خارج از سازه - و انفجار داخلی - داخل سازه - تقسیم میشوند انفجار خارجی به سه دسته انفجار در هوا، انفجار در سطح زمین و انفجار در داخل زمین تقسیم میگردد در انفجار هوایی، امواج انفجار به طور مستقیم به سازه برخورد کرده ونحوه انتشار امواج در هوا به صورت کروی است اگر انفجار در سطح زمین واقع گردد، انتشار امواج ناشی از انفجار به صورت نیم کره میباشد و علاوه بر انتشار امواج در هوا، انتشار امواج در زمین - مثل زمین لرزه - نیز رخ خواهد داد،
لیکن اثر آن قابل توجه نیست در انفجار داخل زمین، انرژی انفجار به صورت موج فشاری و برشی در زمین منتقل شده و به علت انتشار امواج در زمین، شوکهای شدیدی را در زمین ایجاد مینما دی که میتواند اثرات تخریبی شدیدی بر روی سازههای زیرزمینی داشته باشد علاوه بر بارهای ناشی از انفجار، اثر ترکشهای ناشی از انفجار نیزبعضاً در نظر گرفته میشود در این پایان نامه، بحث محدود به انفجار هوایی یا انفجار در سطح زمین میشود لازم به یادآوری است که سازههای سطحی را نمیتوان در برابر برخورد مستقیم یک بمب اتمی محافظت نمود؛ با این وجود، این سازهها را میتوان جهت مقابله با فشارهای ناشی از انفجار، زمانی که دارای فاصلهای از محل انفجار هستند، طراحی نمود. آزاد شدن ناگهانی انرژی، یک موج فشاری را در محیط ایجاد میکند که بنام" موج ضربه ٌ " نامیده میشود و در شکل - ٌ -
