بخشی از مقاله
چکیده
در قرن حاضر که پیشرفت علم، باعث تولید سلاح های مخرب نیز شده است، اثر بار های دینامیکی ناشی از انفجار نیز مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. برای داشتن سازه مقاوم در برابر انفجار، بتن نسبت به فولاد این مزیت را دارد که در برابر آتش-سوزی و نفوذ ترکش مقاومت بالاتری نشان میدهد ولی ضعف بتن در تحمل بارهای کششی و شکلپذیری نسبتا پایین آن است که به خصوص در برابر بارهای دینامیکی و تنشهای موضعی ناشی از انفجار نمود پیدا میکند. به همین منظور در این مقاله به بررسی مقالات مختلف پرداخته شده است تا راهکارهای مناسب برای داشتن سازههای مقاوم در برابر انفجار در اختیار مهندسین قرار دهد.
در همین راستا تاثیر ابعاد مقطع و درصد آرماتور طولی مورد بررسی قرار گرفته تا میزان تاثیر آنها در شکلپذیری و در نتیجه افزایش عملکرد مناسب مقطع در برابر انفجار مشخص گردد. همچنین مقاطع مرکب بتنی و فولادی به منظور استفاده از این روش در مقاوم سازی سازهها در برابر انفجار مورد ارزیابی قرار گرفته است. نتایج به دست آمده حاکی از این است که استفاده از درصد آرماتور طولی کمتر و ابعاد مقطع بزرگتر در طراحی سازهها عملکرد آنها در برابر انفجار را بهبود میبخشد. همچنین به منظور مقاوم سازی سازهها استفاده از جکت بتنی و فولادی به ترتیب در سازههای فولادی و بتنی میتواند عملکرد آنان را به طور چشمگیری افزایش دهد.
-1 مقدمه
برای احداث سازه ها عوامل متعددی نقش ایفا می کنند، که میتوان به مواردی همچون کاربری، توجیه اقتصادی، عوامل محیطی موثر بر سازه و عوامل انسانی اشاره نمود . بدیهی است که سازه ها برای بارگذاری مشخصی طراحی می شوند و از این رو بارگذاری و شناخت بار امری اساسی و مهم می باشد. برخی بارها مانند بار مرده همواره بر سازه اعمال میشوند و سازه حداقل باید در برابر این بارها مقاومت کند. با توجه به کاربری سازه بار هایی با احتمال وقوع کمتر نیز به سازه اعمال می شود و سازه موظف به سرویس دهی تحت اثر آن بارها نیز می باشد که این بارها عموما بارهای دینامیکی می باشند، مانند بار زلزله و باد.
در قرن حاضر که پیشرفت علم، باعث تولید سلاح های مخرب نیز شده است، اثر بار های دینامیکی ناشی از انفجار نیز مورد توجه بیشتری قرار گرفته است. البته نتایج و اطلاعات این تحقیقات بیشتر در اختیار نیروهای نظامی کشور ها قرار دارد ولی پس از عملیات های تروریستی در دهه اخیر علاوه بر نیرو های نظامی موسسه ها و نهاد های غیرنظامی و امنیتی نیز به موضوع انفجار علاقه نشان داده و تحقیقات گسترده ای حول این موضوع شکل گرفته است.
کلیور1 در سال 2004 در مقاله خود حول موضوع نیاز به شکل پذیری در سازه های بتن مسلح تحقیقاتی را انجام داده و در تحقیق خود تیر بتن مسلحی را مورد بررسی قرار داد و تعریف مجددی برای معیار شکل پذیری در اعضای تیر بتن مسلح ارائه نمود.[1] مولن و تادپالی 2 پارامتر های حاکم بر رفتار قاب بتنی تحت اثر انفجار را مورد بررسی قرار دادند. آنها منحنی های فشار-تکانه را ایجاد و از مدل fiber hinge در تحقیق خود استفاده نمودند. آنها برای تشخیص میزان تاثیر پارامترهای موثر در بازپخش نیروها تحت اثر انفجار، از مدل های غیر خطی استاتیکی المان محدود استفاده کرده و برای تشخیص درجه خرابی ایجاد شده بعلت انفجار، منحنی های مربوطه مورد بررسی قرار دادند.[2]
مندیس و همکاران3 با ارائه مقاله ای به بارگذاری انفجاری و اثراتش در سازه - سازه بتنی - پرداختند. هدف آنها از ارائه این مقاله تبیین و آشنایی بیشتر با پدیده ی انفجار و اثراتش بر سازه بود.[3] از دیرباز معیار مقاومت بعنوان معیار طراحی سازه ها و اعضای سازه ای بوده و سازه در محدوده رفتار الاستیک و خطی در نظر گرفته میشد. اما همان طور که می دانیم رفتار مواد تشکیل دهنده سازه به رفتار خطی و در محدوده الاستیک محدود نمی شود. از این رو از محدوده الاستیک قدم فراتر گذاشته و به اعضاء سازه ای اجازه تجربه محدوده رفتار پلاستیک داده شده است و در این حالت معیار بررسی سازه و اعضای آن شکل پذیری می شود4]، .[5
معیار شکل پذیری با توجه به میزان جذب انرژی و تغییر شکل مشخص میگردد. مواد با توان جذب انرژی پایین را مواد ترد و مواد با توان جذب انرژی بالا را مواد شکل پذیر گویند. در مواد ترد گسیختگی نهایی اندکی بعد از گذر از مقاومت نهایی حادث می شود ولی در مواد شکل پذیر گسیختگی نهایی پس از جذب انرژی قابل ملاحضه ای صورت می گیرد.[4] نسبت شکل پذیری، به عنوان مقیاس اولیه پاسخ اعضا و چرخش مفصل، به عنوان ضابطه کنترل کننده در نظر گرفته می شود.[6]
ساخت سازه های امن برای کاهش خسارت جانی و مالی همواره یکی از اصول و روش های متداول در زمینه طراحی و اجرای سازه ها با درجه اهمیت بالا می باشد. از این رو علاوه بر توجه به اصول اولیه در طراحی یک سازه مانند معیار مقاومت اعضای باربر ثقلی و باربر جانبی مانند باد و زلزله، طراحی برای بارهای ناگهانی مانند انفجارهای داخلی و خارجی که ناشی از عملیات تروریستی یا عوامل دیگر میباشد نیز باید صورت گیرد .لذا معیار شکل پذیری از دیدگاه ایمنی و بعنوان عاملی برای آگاهی و اخطار در برابر آستانه فرو ریزش و تخریب اعضای سازه ای امری ضروری است و در طراحی سازه ها باید مورد توجه قرار گیرد.[7]
-2 انفجار و بارگذاری ناشی از آن
انفجار واکنشی است که در آن نرخ سوختن مواد با سرعتی به مراتب بیشتر از سرعت صوت انجام می شود که در نتیجه دما و فشار بسیار بالایی ایجاد و موج انفجار بلافاصله تولید و با سرعت بسیار زیادی منتشر می شود.[3] بر مبنای ماده منفجره موج های انفجار را به دو دسته موج ضربه و موج فشار تقسیم میکنند.[9 ,8] موج ضربه ناشی از انفجار مواد جامد میباشد، ولی موج فشار ناشی از انفجار مواد منفجره مایع یا گاز می باشد که شدت این انفجارها کم تر از انفجار با مواد منفجره جامد است، اغلب دارای یک فاز میباشند و فاز منفی در این نوع انفجار ها وجود ندارد.
مطابق شکل - - 1، موج ضربه ناشی از انفجار مواد منفجره جامد بوده و در آن فشار گاز های ناشی از انفجار، با انتشار از چشمه انفجار، گسترش و تا فشار مبنای Pso افزایش و سپس تا فشار محیطی کاهش می یابد که به این مرحله، فاز مثبت می گویند. شکل - 2 - نشاندهنده موج فشار ناشی از انفجار مواد در حالت گاز و مایع بوده و در آن میزان فشار به صورت تدریجی تا فشار مبنای Pso افزایش و سپس تا مقدار فشار محیطی Po کاهش می یابد و معمولا فاز منفی ندارد .[11 ,10]
در روابط فوق Z فاصله مقیاس شده می باشد که بصورت زیر تعریف می گردد: که در آن R فاصله تا مرکز انفجار و W وزن TNT معادل می باشد. موج انفجار پس از برخورد با مانعی صلب و یا با ماده ای که به طور متوسط چگالی بیشتری نسبت به محیط انتقال دهنده موج داشته باشد منعکس می گردد. بازتابش موج در اطراف مانع به مشخصات هندسی و اندازه مانع بستگی دارد. با فرضی محافظه کارانه فشار بازتاب Pr را می توان بر اساس برخورد موج انفجار به صورت عمودی به سازه مطابق رابطه زیر محاسبه نمود.[10]
در هنگام انتشار موج انفجار در هوا، هوای پشت جبهه موج انفجار با سرعت کمتری به طرف خارج منتشر می شود که اثر آن همانند جریان هوا یا باد می باشد که به آن فشار دینامیکی یا فشار هوا گویند و حداکثر آن از رابطه ی زیر محاسبه میگردد.[10] در این رابطه Pso فشار مبنای انفجار و Po فشار محیطی می باشد. در نمودار فشار-زمان دو فاز اصلی قابل رویت است که در آن ناحیه بالای فشار محیط را فاز مثبت و ناحیه ی زیر فشار محیط را فاز منفی نام گذاری می کنند. مدت زمان فاز منفی بلندتر از فاز مثبت است ولی شدت آن کمتر است. با افزایش فاصله از انفجار مدت زمان فاز مثبت نیز افزایش می یابد که در نتیجه آن، دامنه کوتاه و مدت شوک افزایش می یابد.
نزدیک بودن محل انفجار به سازه باعث می شود تکانه ی بزرگ تر و شدت بار فشاری بیشتری به قسمتی از سازه وارد شود. در طی فاز منفی سازه های ضعیف تر ممکن است به واسطه ی برخورد ترکش ها، آسیب ببینند. اگر دیوار های بیرونی سازه قادر به تحمل بار انفجاری باشند موج شوک از در و پنجره های آسیب دیده نفوذ کرده و باعث می شود به عناصر سازه ای مثل سقف دیوار های داخلی و حتی افراد درون ساختمان فشار ناگهانی وارد شود.[8] برای اهداف طراحی صورت ساده شدهی بارهای انفجاری به کار میرود. در شکل - - 3 با فرض انفجار در سطح زمین و اعمال فشار از چپ به راست، نیروهای فشاری و مکشی ناشی از انفجار نشان داده شدهاند. در این وضعیت دیوار روبروی جبهه موج فشار بازتاب Pr، دیوارهای جانبی و سقف اضافه فشار Pz و سطوح پشتی اضافه فشار منفی Pb را تحمل خواهند کرد.[7]
