مقاله روش های حل عددی و ریاضی در بررسی اثرانفجارسطحی بر سازه های مدفون در خاک

بخشی از مقاله

خلاصه

پاسخ سازه های زیرزمینی که در سطح زمین متاثر از بارگذاری انفجار هستند، در پدافند غیرعامل مبحث با اهمیتی است. به دلیل محدودیت های موجود در دسترسی به اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی، در صنایع نظامی مدلسازی عددی این پدیده می تواند، جایگزین بسیار مناسبی برای بررسی اثرات تخریبی بارگذاری ناشی از انفجار باشد.

بررسی فرایند فیزیکی حاکم بر پاسخ سازههای زیرزمینی بسیار پیچیده و دشوار مینماید. بخشی از این دشواری شامل اندرکنش دینامیکی بین مواد منفجره، خاک و سازه مدفون است. سه فاز: مدلسازی پدیده انفجار، انتشار موج در محیط خاکی و اندر کنش خاک - سازه باید در مدلسازی سازه تحت انفجار لحاظ شوند.[3] هدف اصلی این تحقیق ارائه روش حل مناسب و واضح براساس مسائل ژئوتکنیک، در زمینه انفجار و بررسی آن بر سازه زیرزمینی می باشد.

کلمات کلیدی: روش حل، اجزامحدود، خاک، سازه

.1 مقدمه

پاسخ سازه های زیر زمینی که متأثر از بارگذاری انفجار هستند، در پدافند غیر عامل بسیار با اهمیت است. به دلیل محدودیتهای موجود دسترسی به اطلاعات تجربی و آزمایشگاهی در صنایع نظامی، مدلسازی عددی این پدیده میتواند جایگزین بسیار مناسبی برای بررسی اثرات تخریبی بارگذاری ناشی از انفجار باشد.[3] بررسی فرایند فیزیکی حاکم بر پاسخ سازه های زیرزمینی بسیار پیچیده و دشوار مینماید.

بخشی از این دشواری شامل اندرکنش دینامیکی بین مواد منفجره، خاک و سازه مدفون است. سه فازی که باید در مدلسازی سازه تحت انفجار لحاظ شوند عبارت اند از:

·    مدلسازی پدیده انفجار

·    انتشار موج در محیط خاکی

·    اندر کنش خاک - سازه و پاسخ سازه

اگر بتوان مدلی ارائه کرد که هر سه مرحله بالا را یکجا لحاظ کند، نتایجی که بدست می آید قابل قبول تر هستند. خصوصیات غیرخطی و تغییر شکلهای بزرگ خاک و سازه سبب میشوند تا کل فیزیک مورد بحث، وارد دوفاز غیر خطی مصالح و غیر خطی هندسی گردد، لذا ارائه روشی عددی که توانایی توصیف کلی فرایند مورد بحث را داشته باشد ضروری به نظر میرسد

یک روش برای بررسی پدیده انفجار این است، که تنش های ناشی از انفجار در سطح زمین محاسبه می گردند، سپس این تنش ها اصلاح گشته و به سازه مورد نظر اعمال می گردند لذا توصیه می شود، که از یک مدل توسعه یافته انفجار Bخاک Bسازه استفاده شود، تا نیازی به جداسازی مرحله محاسبه تنش ها در محل انفجار و برآورد مقدار آنها بر سازه نباشد .

.2 روش های حل متداول پاسخ سازههای مدفون در برابر انفجار در تحلیل پاسخ سازههای مدفون در برابر انفجار دو روش متداول وجود دارد :[1]

·    روش کوپل - کامل و جزئی -

·    روش غیر کوپل

در روش کوپل جزیی سه فاز فوقالذکر به دو فاز تقلیل پیدا میکنند، بدین گونه که دو فاز اول یا دو فاز دوم با هم ادغام میشوند. در روش کوپل کامل هر سه فاز ذکر شده به یک مدل تک تبدیل میشوند.[3] در روش غیر کوپل فرایند مسئله به چند فاز متوالی دسته بندی میشود. در این روش خروجی هر مرحله به عنوان ورودی مرحله بعد در نظر گرفته میشود.[3]

بر این اساس مسئله مورد نظر به سه فاز تقسیم می شود:

-1 انفجار مواد منفجره و تشکلیل حفره یا قیف مخروطی انفجار    -2 انتشار موج انفجار       -3 پاسخ سازه

در روش غیر کوپل اگر در سطح مشترک تشدید رخ دهد، سازه ممکن است غیر ایمن گردد. همچنین اثر اتصالات به خصوص زمانی که سازه در محیط ماسه متراکم است قابل توجه می باشد . به علاوه اثرات سطحی از جمله لغزش ، جداسازی و ریبوند از جمله فاکتور های مهمی هستند، که می توانند بر پاسخ سازه تاثیرگذار باشند.

در این بین روشهای غیر کوپل وکوپل جزیی بیشترین کاربرد را دارند.[3]در این روشها سؤالی اساسی پیرامون درستی بارهای تعریف شده بر روی سازه وجود دارد. در روش غیر کوپل تاریخچه تنش و سرعت در حوزه آزاد ابتدا محاسبه میگردد. سپس این تاریخچه های زمانی برای بررسی و آنالیز پاسخ سازه به عنوان شرایط مرزی به سازه اعمال میشوند.

به همین سبب اندرکنش بین خاک و سازه به درستی لحاظ نمیگردد.[3] در مدلسازی مصالح از مدل های رفتاری غیر خطی استفاده شده است . در مدلسازی خاک از آن جا که در بارگذاری انفجار فرصتی برای زهکشی نمونه وجود ندارد، از پارامتر های تنش کل استفاده می گردد .

.3 ارزیابی روش های مختلف عددی در طراحی و تحلیل دینامیکی پایداری فضاهای زیرزمینی

1-3 مقدمه

در دهه های اخیر روش های عددی جهت طراحی و تحلیل پایداری سازه ها مورد توجه قرار گرفته است. این روش ها به دلیل پیشرفت های سریع در علم کامپیوتر و دسترسی عمومیت یافته است.پیش از ظهور کامپیوتر عمدتاً بر مبنای روش های تجربی و سعی و خطا تحلیل ها صورت می گرفت، ولی امروزه از روش های حل عددی در برخورد با مسائل ژئوتکنیک استفاده می شود.

2-3 ویژگی هایی که در استفاده از روش های عددی باید مورد توجه قرار بگیرد

توجه به این نکته ضروری است که مدل، سازه ی برجا را بطور واقعی نمایش دهد. این مسئله شامل مدلسازی شکل هندسه، خواص ماده، شرایط مرزی، شرایط بارگذاری و اندرکنش سازه های فرعی درون سازه می باشد. شکل سازه و ابعاد سازه تکنیک مدلسازی دو بعدی یا سه بعدی مورد استفاده را مشخص می کند. در حالیکه خواص ماده مشخص می کند، که آیا باید از راحل های الاستیک یا الاستوپلاستیک با بکارگیری معیار شکست مناسب استفاده شود.

اطلاعات مورد نیاز برای ساختن مدل معمولاً شامل اطلاعات مربوط به ابعاد و شکل سازه، خواص مکانیکی خاک، حالت تنش و ترتیب علیات پیشروی است. این اطلاعات براساس مشاهدات صحرایی و آزمایش های آزمایشگاهی بدست می آید.ردر انتخاب روش حل مناسب باید دوجنبه فوق را با دقت در نظر گرفت و روشی را برگزید، که در برگیرنده تمامی جزئیات مسئله باشد. ن

تایج بدست آمده از مدلسازی در تحلیل آن، حاصل مشارکت جنبه های فوق الذکر در استفاده از روش های عددی هستند.در هر حال مهمترین نکته در بهبود استفاده از روش های عددی داشتن دانش خوب از اصول روش های عددی و فهم عمیق از اصول ژئوتکنیک در استفاده از روش های عددی، جهت طراحی و تحلیل پایداری سازه های زیرزمینی می باشد.

3-3 روش های حل

1-3-3 روش اجزا محدود

روش اجزا محدود اساساً یکی از روش هایی است که برای محیط های پیوسته کاربرد دارد. این روش در شرایطی که با اشکال هندسی پیچیده سرو کار داریم، استفاده می شود. در این روش، زونهای شکسته و سست ، در فضاهای عمیق می توانند با استفاده از یک معیار شکست مناسب مدل شوند. همچنین با استفاده از این روش ، مواد غیریکنواخت، رفتار غیر خطی و انواع بارگذاری می توانند مدل شوند.

اطلاعات ورودی برای تحلیل اجزای محدود، اندازه و شکل ناحیه تحت مطالعه، خواص مکانیکی هر المان در شبکه، ضریب پواسون و مدول یانگ می باشد. اطلاعات خروجی برنامه، معمولاً به شکل تنش ها ، تغییرمکان ها و المان های داخل شبکه می باشد. این نتایج می تواند برای تخمین زون های باالقوه ناپایدار
استفاده شده و یا با استفاده از تحلیل پارامتریک، اندازه و شکل مناسبی را برای فضای مورد نظر پیشنهاد کنند.

· مزایا :

شرایط بسیار پیچیده زیرزمینی و خصوصیات سازه را می توان تحلیل کرد. روش اجزا محدود، توانایی شبیه سازی جریان های مرکب پیچیده، غیرهمگن و خواص وابسته به زمان را دارد. به عنوان مثال، می توان مقاومت سنگ را وابسته به زمان دانست در صورتی که دیگر روش ها این امکان را ندارند.

· معایب :

حل مسائل کامپیوتری پیچیده، نیاز به پردازش کامپیوتری و ظرفیت ذخیره سازی زیاد دارد. گستردگی خروجی برنامه درک نتایج را مشکل می کند.

2-3-3 روش اجزا مجزا

روش اجزا مجزا براساس یک محیط ناپیوسته، برای توده سنگ درزه دار فرمول سازی شده است. در این روش اجزای توده سنگ به صورت تعدادی از بلکوک های مجزا که ممکن است، صلب یا تغییر شکل پذیر باشند، نمایش داده می شود. اگر بلوکی صلب فرض شود، هندسه آن نمی تواند به عنوان نتیجه مرزی بکار برده، تغییرکند.

بنابراین استفاده از بلوک های صلب تنها برای مسائلی که در آنها رفتار سیستم توسط ناپیوستگی ها کنترل می شود، قابل کاربرد بوده و درآن تغییر شکل و رفتار ماده سنگ نادیده گرفته می شود. چنین شرایطی در محیط های کم تنش و یا در جایی که ماده سنگ، مقاومت بالا و قابلیت تغییر شکل پذیری کمتری را دارد، به وجود می آید. لذا درزه ها مانند سطوح داخلی بین سطوح مجزا در نظر گرفته می شوند. به عبارت دیگر ناپیوستگی ها مانند شرایط مرزی رفتار می کنند.

3-3-3 روش تفاوت های محدود

در روش تفاوت های محدود، می توان خصوصیات ناهمگنی توده سنگ را مدل کرد. در این روش می توانیم کرنش های بزرگ را نیز مدل کنیم.