بخشی از مقاله
خلاصه
در این تحقیق رفتار دینامیکی دال هاي بتن مسلح یک طرفه و دو طرفه تحت اثر بارهاي ناشی از انفجار به کمک مدلسازي در نرم افزار ANSYS AUTODYN بررسی می شود. سپس پاسخ دینامیکی دال ها تحت اثرات الگوهاي انتشار امواج فشار انفجار با ایجاد تغییرات در شبیه سازي شامل ضخامت دال، فاصله مواد منفجره از سطح دال، مقدار خرج انفجاري و اثرات مقاوم سازي دالها با استفاده از صفحات پلیمري FRP مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج نشان می دهد افزایش ضخامت FRP در کاهش میزان خرابی، افزایش مقاومت خمشی، افزایش سختی و در نتیجه کاهش خیز دال بسیار موثر است. اما نکته مهم این است که افزایش ضخامت FRP تا حد معینی این آثار را به دنبال دارد و پس از آن حد، افزایش ضخامت FRP هیچ تاثیري ندارد.
1. مقدمه
تحلیلهاي انفجاري سابقه اي در حدود چندین قرن دارد. تحلیل هاي ابتدایی که با روش هاي تقریبی انجام می گرفت به قرن هاي 13 و 14 میلادي باز می گردد. در سال 1919 قانون مقیاس براي انفجارهاي ساده توسط هاپکینسون ارائه شده که پایه ریاضی نداشت ولی از نظرکاربردي بسیار با اهمیت بود. هوراس لمب ریاضیدان دانشگاه منچستر تحقیقات بسیاري را در مورد هیدرودینامیک و پدیده انتشار امواج انجام داد. تیلور دانشمندي بود که مطالعاتش بر روي دینامیک موج هاي انفجار ناشی از مواد منفجره نقش بسیار زیادي در پیشرفت مرکز تحقیقات وزارت دفاع بریتانیا در سال هایبین 1936 تا 1950 داشت.
اولین آئین نامه طرح شده در بارگذاري انفجاري با نام TM5-855-1 در سال 1986 توسط دپارتمان تحقیقات نظامی ارتش آمریکا براي سازه هاي مقاوم در برابر انفجارهاي غیر اتمی تهیه شد. پس از آن آئین نامه TR-87-57در سال 1989 توسط بخش مهندسی نیروي هوایی آمریکا و آئین نامه TM5-1300 در سال 1990 تهیه شده که جامعیت بیشتري داشته است .[1] باترا و حسن [2] به بررسی عددي پاسخ دال هاي بتن مسلح تحت بار هاي انفجاري پرداختند. نتایج حاصل از مدلسازي نشان داد استفاده از ورق هاي کامپوزیتی مرکب با کائئوچو باعث بهبود عملکرد دال و کاهش تغییر شکل ها و همچنین کاهش بروز ترك در دال می گردد.
لاو و هائو [3] قابلیت اطمینان دال هاي بتن مسلح در برابر بارهاي انفجاري را با استفاده از مدل سازي عددي بررسی نمودند و نشان دادند که تاثیر انفجار بر روي عضو سازه اي پهنه وسیعی ازشرایط را در بر می گیرد و قابلیت پیش بینی چندانی ندارد. با این وجود در محدوده هاي خاصی از بار انفجار می توان وضعیت رفتار دال را پیش بینی نمود. مسلم [4] نتایج مطالعات خود بر روي دال هاي بتن مسلح تقویت شده تحت اثر بار انفجار را گزارش کردند.
با استفاده از مدل اجزا محدود پارامترهاي مسئله ارزیابی شده و رفتار دال هاي بتن مسلح معمولی و دال هاي تقویت شده توسط صفحات CFRP مورد بررسی قرار گرفت که کاهش 85 درصدي فرکانس ارتعاش در دال هاي بتنی معمولی بر اثر بارگذاري انفجاري، در دال هاي تقویت شده تنها تا حد 50 درصد می باشد. لوسیونی و لوئگ [5] به بررسی رفتار دال هاي روسازي بتنی تحت بارهاي انفجار پرداختند. هدف از انجام آزمایش سنجش میزان خرابی و ترك هاي احتمالی در روسازي هاي بتنی بر اثر بار شوك ناشی از انفجار در بالاي آن بود.
ژو و همکاران [6] به ارزیابی پاسخ دال هاي بتنی در برابر بار انفجار پرداختند. در این بررسی پاسخ دال هاي بتنی با استفاده از مدل خرابی پلاستیک دینامیکی بدست آمد و صحت نتایج با مقایسه با مقادیر توصیه شده توسط استاندارد TM5-1300 ارزیابی شد. وو و همکاران [7] به بررسی آزمایشگاهی تاثیر بار انفجار بر روي دال بتنی تقویت شده توسط چند نمونه از الیاف صنعتی شامل NRC, FRP, UHPFC پرداختند. نتایج به دست آمده نشان داد که مقادیر بدست آمده در مرکز دال و لبه ها داراي تفاوت چشمگیري با روابط پیشنهاد شده در استاندارد TM5-1300 دارد.
کیا و یانگ [8] در تحقیقی تاثیر سرعت انهدام را در بهبود مقاومت دال هاي بتنی یک طرفه در برابر بار انفجار واقعی مورد بررسی تجربی قرار دادند. نتایج نشان داد مقاومت دال هایی که در یک طرف خود تقویت گردیده اند چندان تغییري نکرده ولی در دال هایی که در دو طرف خود تقویت گردیده بودند افزایش چشمگیري در مقاومت دال مشاهده شد. پاندي و همکاران [9] خرابی محتمل صفحات نازك بتنی را در برابر بار انفجار را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق اثر به زوال رسیدن مصالح منظور گردید و همچنین حالت خرابی جدیدي پیشنهاد شد و توسط نتایج حاصل از مدل هاي عددي به تایید رسید. ویرهیجم و همکاران [10] به بررسی پاسخ دینامیکی دال هاي بتنی تحت بارهاي جانبی و خرابی هاي محتمل آن پرداختند.
در تحقیق یاد شده روشی جهت پیش بینی اثرات مخرب بارهاي انفجاري بر روي اعضاي بتنی بدست آمد. نام و همکاران [11] به ارزیابی رفتار دال هاي بتنی مقاوم سازي شده توسط GFRP در برابر بارهاي انفجاري پرداختند. با استفاده از روش اجزاء محدود، مدل مصالح داراي نرخ کرنش بالا، رفتار دینامیکی دالمورد ارزیابی قرار گرفت. و نتایج با نتایج حاصل از تست هاي آزمایشگاهی پیشین مقایسه و تطابق مطلوبی مشاهده شد. همچنین تحقیقات متعدد دیگري بر روي رفتار دال هاي مسلح تحت بارگذاري انفجاري انجام شده است .[15-12]
تقویت و مرمت سازه ها از دیرباز یکی از زمینه هاي پویا در کارهاي ساختمانی محسوب می ¬شده است. ضرورت انجام تقویت از دو جنبه ي اساسی مورد توجه قرار می¬گیرد: - 1 افزایش ظرفیت باربري و یا بهبود شرایط بهره برداري بدون تغییر در آیین نامه ¬ها و - 2 تغییرات در آیین نامه ¬ها و استانداردهاي ساختمانی. یکی از مصالحی که در سال¬هاي اخیر جهت بهسازي و تقویت سازه¬هاي مختلف مورد استفاده¬ي فراوان قرار گرفته است، کامپوزیت¬هاي FRP - پلاستیک-هاي مسلح به الیاف - می ¬باشند.
مزایاي گوناگون این نوع کامپوزیت نظیر مقاومت بالا، وزن کم، سهولت نصب، مقاومت در مقابل خوردگی و ایجاد تغییرات جزئی در هندسه و شکل سازه¬هاي تقویت شده، باعث شده که این نوع الیاف در تقویت و مرمت انواع سازه¬ها به خصوص سازه¬هاي بتن آرمه به کار گرفته شوند. از جمله مسائلی که در نصب کامپوزیت¬ها مورد توجه قرار می¬گیرد، فراهم نمودن بستري مناسب جهت اتصال کامپوزیت و سطح مورد نظر می¬باشد. آماده سازي سطح بتن که خود شامل مراحل مختلفی است، باعث پیوستگی بیشتر در اتصال شده و گسیختگی را به تعویق می¬اندازد. استفاده از ورق هاي FRP بصورت گسترده اي در مقاوم سازي اعضاي بتن آرمه تحت بارهاي انفجاري استفاده شده است .[20-16]
تحلیل پاسخ دینامیکی دال هاي بتن آرمه تحت اثر انفجار پیچیده می باشد. روش هاي اجزا محدود براي مدل سازي چنین رفتار قابل کاربرد است. اما دستیابی به دقت قابل قبول نیازمند صرف هزینه و زمان زیاد است. با توجه به تحقیقات صورت گرفته درباره نحوه تاثیر انفجار بر پاسخ دال بتنی به طور کلی در تحقیقات انجام شده همگی بر مبناي پاسخ کلی دال بحث کرده اندو در مورد چگونگی پاسخ قسمت هاي مشخص شده از دال و ایجاد تمرکز در نحوه پاسخ آنها کمتر بحث نموده اند و هنوز خلاء تحقیقات وجود دارد که در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از روابط موجود و با بررسی پارامترهاي خاص بتوان عملکرد و پاسخ قسمت هاي مشخص شده و تعیین شده از سازه دال بتن مسلح دا در برابر بارهاي انفجاري را مورد مطالعه قرار داد.
در این مقاله رفتار دال هاي بتن مسلح به صورت هاي دال هاي یک طرفه و دو طرفه که در ساخت و سازها کاربرد وسیع تري دارند، در برابر بارهاي انفجاري بررسی می شوند. براي این منظور با استفاده از نرم افزار تخصصیANSYS AUTODYN، دال بتن مسلحی با یک دهانه به صورت یک طرفه و دو طرفه را تحت بارگذاري انفجاري، مورد تحلیل قرار داده و اثرات الگوهاي انتشار امواج فشار انفجار را بر روي دال با ایجاد تغییرات در ضخامت دال، فاصله مواد منفجره و شماره میلگرد هاي مورد استفاده و همچنین مقاوم سازي در دال بررسی می گردد.
2. مدل سازي
براي مدل سازي از نرم افزار ANSYS AUTODYN استفاده شده است. AUTODYN از یک روش کوپل براي رسیدن به تحلیل بهینه بهره می برد. از این رو ، می توان با استفاده از این دیدگاه ، محیط هاي مختلف درگیر در مسئله مانند، سازه ها ، سیالات ، گازها و غیره را با استفاده از روش هاي مختلف عددي متناسب با هر دامنه مسئله مدل کرد . نرم افزار این دامنه هاي حل را با هم کوپل کرده و سپس همه را در یک دامنه زمانی حل می کند . این عامل باعث کارآمدي ویژه AUTODYN در تحلیل مسائل برهم کنش و تماس می شود. کاربردهاي ویژه این نرم افزار باعث شده تا در صنایع مختلف همچون صنایع دفاعی و نظامی ، صنایع هوا وفضا، فناوري هسته اي، حمل و نقل و ... مورد استفاده گسترده قرار گیرد.
از جمله کاربري هاي این نرم افزار به غیر از کاربردهاي گسترده در صنایع یاد شده ، در طراحی سازه هاي مقاوم در برابر انفجار و برخورد می باشد. این نوع سازه ها در نیروگاه ها، پالایشگاه ها ، صنایع شکل دهی پیشرفته و ... به چشم می خورند. تا کنون هیدروکدهاي مختلف با کاربري هاي متفاوت به بازار ارائه شده اند. نرم افزار AUTODYN به دلیل قدرت زیاد در حل مسائل با نرخ بالا و بسیار بالا و همچنین به خاطر گستردگی و در دسترس بودن، شاید بیشتر مورد توجه باشد. با توجه به این که این نرم افزار ابتدا صورت مستقل ارائه شد و سپس با گسترده تر شدن قابلیتهاي نرم افزار ANSYS Workbench به صورت یکی از نرم افزارهاي عمل کننده تحت این برنامه درآمده است . نرم افزار فوق همچنین داراي حلگرهاي متعددي است.
نوع المان مورد استفاده براي بتن مسلح از نمونه المان 8 گره اي، 6 وجهی جامد که با نام اختصاري SOLID 65 معرفی گردیده، مورد استفاده قرار می گیرد - شکل . - 1 این نوع المان داراي 8 گره و در هر گره 3 درجه آزادي در راستاهاي X,Y,Z موجود می باشد. از این نوع المان جهت مدل سازي سه بعدي بتن مسلح مورد استفاده قرار می گیرد که جنبه مهم استفاده از این نوع المان در بهبود خواص بتن در حالت غیر خطی می باشد که قادر به بررسی حالات مختلف مواد بتن در تغییر شکل هاي پلاستیک و در تنش هاي کشش و فشار است.
جهت ایجاد رفتار دینامیکی غیر خطی بتن مدل هاي الاستو- پلاستیک زیادي وجود دارد، از قبیل مدل هاي ویلیام وارنکه، دراکر پراگر ، اما در اینجا از مدل مقاومتی بتن RHT براي مدلسازي شکست فشاري و کششی در مدل سازي استفاده گردیده است. معیار گسیختگی در این مدل بر اساس مدل ویلیام وارنکه می باشدکه یک مدل پلاستیسیته بسیار شکننده می باشد. در این روش منحنی تسلیم یک منحنی بسته، هموار و محدبی می باشد و شکل منحنی تسلیم براي مقادیر اولیه تنش هاي فشاري و نیز براي تنش هاي کششی مثلثی بوده و با افزایش تنش هاي فشاري به شکل دایره نزدیکتر می شوند - شکل . - 2 با انتخاب این مدل در ابتداي مدل سازي کل روند ایجاد رفتار آن به صورت دینامیکی می گردد. نوع مصالح مصرفی از نوع مدل مصالح استاندارد براي بتن با مقاومت فشاري 35 مگاپاسکال از کتابخانه مصالح نرم افزار AUTODYN براي توصیف رفتار بتن استفاده گردیده است.
