بخشی از مقاله
چکیده
تجربه و آزمایش یکی از مهمترین روشهای تحلیل موضوعات علمی است که بر پایه استدلال استنتاجی بنا شده است. مطالعات آزمایشگاهی در زمینه مهندسی سازه نیز همچون حوزههای دیگر ازجمله کارآمدترین روشهای بررسی موضوعات علمی به شمار میآیند. سیر انجام مطالعات تجربی در مهندسی سازه به این صورت است که سازه یا قسمتی از آن در مقیاسی کوچکتر از اندازه واقعی ساخته شده و عوامل بیرونی همانند آنچه در واقعیت اتفاق میافتد بر نمونه ساخته شده اثر داده میشود.
روش آزمون آزمایشگاهی علیرغم مزایای ذاتی خود دارای معایبی نیز میباشد که ازجمله آن میتوان به زمانبر و پرهزینه بودن آزمایشات اشاره کرد. در سالیان اخیر تلاشهای زیادی بهمنظور مرتفع نمودن مشکلات مذکور صورت گرفته که حاصل آن معرفی روشهای تحلیل عددی با دقت بالا و شبیهسازی نزدیک به واقعیت بوده است، روش اجزا محدود بهعنوان یکی از روشهای تحلیل عددی با وجود شبیهسازی دقیق آزمونهای آزمایشگاهی، بسیار کمهزینه و تا حدودی سریعتر از روشهای آزمایشگاهی است.
مدلسازی سازه بتن مسلح و اعمال بارهای دینامیکی بر آن، به علت وجود پارامترهای تأثیرگذار متعدد و پیچیدگیهای فراوان همواره مورد بحث بوده است لذا در این مطالعه اثر بار انفجار بهعنوان یک بارگذاری دینامیکی نامتعارف بر اعضاء بتن مسلح به علت نیازی که به شبیهسازی آزمایشات پرهزینه انفجاری برای تحلیل علمی این پدیده وجود دارد، صورت گرفته است.
نتیجه شبیهسازیهای عددی و مقایسه آنها با نتایج آزمایشگاهی نشان داد که چنانچه پارامترهای مؤثر در شبیهسازی مصالح بتن مسلح بهصورت صحیح و بر اساس تئوریهای معتبر در نظر گرفته شوند؛ تطابق قابل قبولی بین این نتایج مشاهده میشود که با توجه به این موضوع میتوان تحلیلهای عددی مذکور را جایگزین مناسبی برای تستهای آزمایشگاهی انفجار دانست.
.1 مقدمه
با پیشرفت روزافزون روشهای اجزا محدود در تحلیل مسائل علمی و برطرف شدن عدم قطعیتهای موجود در این روشها، مطالعات بسیار زیادی در زمینه مهندسی سازه با تکیهبر اصول تحلیل عددی و با استفاده از نرمافزارهای اجزا محدود صورت گرفته است. قابلاتکا بودن نتایج حاصل از تحلیلهای عددی نیازمند اعتبارسنجی این تحلیلهاست لذا بهمنظور حصول اطمینان از صحت نتایج این مطالعات نیاز است تا تستهای آزمایشگاهی صورت گرفته در زمینه مطالعاتی موردنظر در این نرمافزارها شبیهسازی شده و نتایج این دو با یکدیگر مقایسه شوند.
همانظور که گفته شد در این مطالعه سعی شده است تا شبیهسازی اثر بار انفجار بر سازه بتن مسلح مورد اعتبارسنجی قرار گیرد لذا در ابتدا تاریخچهای از چند پژوهش انفجاری مرور شده و سپس چند مورد از نمونههای آزمایشگاهی مورد مطالعه در تحقیقات معتبر اعتبارسنجی شده است. درنهایت با توجه به اینکه نتایج تحلیلهای عددی قرابت قابل قبولی با نتایج تستهای واقعی داشتهاند؛ موارد و نکات مهمی که شبیهسازی دقیق اثر انفجار بر سازه بتن مسلح را ممکن ساخته در بخش نتایج تشریح شده است.
.2 مطالعات پیشین
هاو1 و همکارانش در سال 2010 در دانشگاه وسترن استرالیا تحقیقات خود را به دو بخش تقسیم کردند. -1 شبیهسازی عددی برای پاسخ دینامیکی پل کابلی با دهانه بلند که تحت اثر انفجار بر روی عرشه قرارگرفته بود،-2 پیشبینی خسارت و تقویت به کمک مصالح .FRP محل انفجار در 1 متر بالاتر از عرشه و 0,5 متری از پایلون فرض شد تا شبیهسازی به انفجار یک خودرو نزدیک شود. همچنین سازه پل را به 4 عنصر اصلی عرشه کامپوزیتی در دهانه وسط، برج، ستونها، عرشه بتن پیشتنیده دهانههای کناری تقسیم کردند . آنها در قسمت اول کار خود به مدلسازی پل کابلی در نرمافزار LS-DYNA پرداختند
پل تحت انفجار 1000 کیلوگرمی TNT قرارگرفته بود، که مکانیزمهای خرابی و شدت آسیب به برج، ستونها و عرشه پل مورد بررسی قرار گرفت. با انفجار 1000 کیلوگرم TNT در کنار ستونها در فاصله 0,5 متری از آنها و در تراز سطح زمین مشاهده شد که سطح جلویی ستونها آسیب موضعی دیده است و سطح پشتی آسیب بیشتری دیده که علت آن کم بودن مقاومت کششی بتن است
سان2و همکارانش در مقالهای با عنوان »عملکرد پایلونهای پل کابلی تحت بار انفجاری« دو نوع پایلون را شبیهسازی عددی کردند: -1 باکس فولادی -2 کامپوزیت بتن پر. ازآنجاییکه انفجار خودرو بر روی عرشه محتملتر از حملات تروریستی است محققان در این مقاله فرضیات خود را بر این اساس بنا نهادند. الگوهای آسیب را استخراج و عملکرد این 2 نوع پایلون را بررسی کردند. بررسیها نشان داد که اثر P-delta در باکس به دلیل تغییر شکل زیاد این نوع پایلون خیلی مهم و چشمگیر است و موجب شکست آن میشود
بینگ3 و همکارانش به بررسی موردی آسیب پل خرپایی مینپو4 که تحت اثر انفجار قرار گرفته بود، پرداختند. به کمک نتایج آزمایشگاهی و مقایسه نتایج تحلیلی سعی کردند اندازه مش مناسبی برای توزیع فشار انفجار پیدا کنند، که درنهایت مشهای بهاندازه 5 سانتیمتر را پیشنهاد دادند. محققین با نصب گیجهای اندازهگیری شتاب و سرعت در چهار نقطه پی بردند که گیجها به دلیل ضربه انفجار بهیکباره جهشهایی را در سرعت و شتاب تجربه کردهاند. با دور شدن از محل انفجار سرعت و شتاب جهشی نشان داده شده توسط گیجها کاهشیافته و همچنین زمان پایدار شدن کاهش مییابد
ویلیامسون5 و همکارانش به بررسی شکل مقطع ستونهای پل که تحت اثر انفجار قرار گرفته است پرداختند، با استفاده از نتایج تحلیلهای عددی و آزمایشگاهی توانستند اثر شکل مقطع ستون در ضربه خالص حاصله از انفجار را بررسی کنند و ضرایب شکل ستون را برای کاهش اثر ضربه وارده در معادلات توسعه داده و ارائه دهند. ترکیب این معادلات با پاسخهای سیستم یک درجه آزادی منجر به پدید آمدن روش سادهای برای پیشبینی پاسخ ستونها شد
آستانه اصل6 وهمکارانش به بررسی اثر انفجار بر عرشه فولادی اورتوتروپیک پرداختند. اهداف اصلی آنها مطالعه پاسخ این عرشه به بار انفجاری و توسعه تکنولوژی و سیستمهایی، جهت جلوگیری از فروریزش پل. در این تحقیق محققین با تغییر بار منفجره و نیروی محوری وارد بر عرشه سعی در کشف رفتار واقعی عرشه پل نمودند. مودهای شکست سازه شناسایی شد. همچنین برای مانیتور کردن خرابی موضعی، یک نقطه بر روی عرشه بهعنوان نماینده انتخاب شد و تغییرات سرعت و شتاب در آنجا مانیتور شد
دراگوس به تلاش در سادهسازی اثر انفجار در محیطهای محصور پرداخت تا طی آن بتواند پاسخ سازه به این حالت بارگذاری انفجاری را بدست آورد - انفجار در تونل، مترو، انبار مهمات و ... - . نتیجه آن شد که هرچه بار انفجار محصور ساده شده نزدیک به مرکز بار انفجار محصور واقعی باشد ضربه وارده به مقدار واقعی خود نزدیک میشود و همچنین پاسخ سازه به مقدار واقعی خود بیشتر نزدیک میشود. همچنین هرچه زمان پاسخ سازه به بار انفجاری بیشتر باشد این روش دقت بالاتری دارد لذا میتوان گفت برای سازههای شکلپذیر نتایج دقت بالایی دارند
در مطالعه آزمایشگاهی صورت گرفته توسط Jun Li و همکارانش یک دال بتنی با ابعاد 2*1 متر ساخته شده و سپس برای حالات مختلفی ازلحاظ نسبت فولاد و فاصله ایجاد انفجار مورد آزمایش قرار گرفته است. در فاز دوم این مطالعه، نمونههای ساخته شده در آزمایشگاه در نرمافزار اجزاء محدود شبیهسازی و تحلیل شده و درنهایت نتایج تحلیل مذکور با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج چند نمونه از دالهای این مطالعه در پژوهش حاضر مورد صحت سنجی قرارگرفتهاند
.3 تحلیل نرمافزاری دالهای بتن مسلح با عملکرد فوقالعاده بالا تحت اثر با انفجار
در این قسمت چند نمونه تست آزمایشگاهی در نرمافزار شبیهسازی شده و نتایج بهدستآمده بهمنظور کسب اطمینان از دقت تحلیل نرمافزاری، با نتایج آزمون آزمایشگاهی مقایسه میشوند. مصالح بتن مورد استفاده در این نمونهها از بتن با مقاومت بالا - UHPC - و بتن با مقاومت معمولی - NSC - هستند. 5 نمونه دال مورد آزمایش شامل 4 نمونه دال ساخته شده از بتن با مقاومت بالا و درصد فولاد متفاوت و یک نمونه دال با بتن NSC و با نسبت فولاد نرمال است
شدت انفجار ایجادشده برحسب وزن TNT معادل مورداستفاده، در بازه 1 تا 14 کیلوگرم میباشد، همچنین فاصله انفجار با نسبت آن به وزن TNT مورداستفاده برحسب - M/KG1/3 - در بازه 0,41 تا 3,05 بیان میشود.
در این قسمت یک مورد از آزمایشات مذکور به کمک نرمافزار تحلیل شده و نتایج آن با نتایج نمونه واقعی مقایسه شده است. تصویر نمونه واقعی، نمونه شبیهسازی شده و نتایج حاصله در اشکال زیر نشان دادهشده است.
شکل -1 آزمایش بار انفجار بر روی دال بتنی
