بخشی از مقاله
چکیده
تونلها، مخصوصاً تونلهای مترو از جمله سازههایی هستند که به دلیل موقعیت مکانی و نوع کاربرد، آنالیز انفجار-مقاومت در طراحی آنها برای به حداقل رساندن اثرات بارگذاری های انفجار بسیار مهم است. در این تحقیق تونل مترو دارای هفت لایه که به ترتیب خاک، شاتکریت، مش بندی، IPE-18، مش بندی، شاتکریت و بتن پوششی می باشد. مقطع تونل به صورت نیم دایره و سیستم نگهداری سازه ای آن شامل قاب های فلزی و دیوار سازی می باشد. آیین نامه ها و استانداردهای حاکم بر ساخت و یا شیوه های طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار بسیار نادر می باشند.
از آنجا که مهندسان غیر نظامی دسترسی به آزمایشات صحرایی انفجار و آیین نامه های حاکم بر آن ندارند، به وسیله راه حل های دستی و در سطح بالاتر با نرم افزارهای شبیه ساز را تنها راه برای درک پاسخ سازه می دانند. در این مطالعه اثر انفجار ماده منفجره TNT با جرم مختلف در سطح زمین بر روی تونل مترو در عمق 6 متری مورد آنالیز قرار گرفتند. در این عمق، مقاومت مناسبی در برابر بارگذاری بین بازه 500 تا 10000 کیلوگرم TNT ملاحظه شد و از بازه 10000 تا 15000 کیلوگرم TNT تخریب کامل تونل در محل زیر مرکز انفجار ملاحظه شده است.
-1 مقدمه
اخیرا، حملات تروریستی در سراسر جهان گسترده تر شده است. بمب های کارگذاشته شده در خودروها یکی از راه های اصلی برای فعالیت های تروریستی می باشد زیرا قدرت تخریب بالایی دارند. از حوادث انفجارهای تروریستی اخیر مانند انفجار در مرکز تجارت جهانی نیویورک در سال 2001 و همچنین بمب گذاری در چچن در سال 2002 و در لندن در سال 2005، نشان داد که این حملات علاوه بر آسیب سازه ها، زیان های بزرگی جان و مالی را نیز ایجاد می کنند.
جهت بررسی نحوه انتشار امواج حاصل از انفجار در خاک و نحوه تاثیر آن روی سازه، تاکنون تحقیقات زیادی صورت گرفته است. یانگ لو1 و ونگ 2 در سال 2005 مدلی برای تحلیل دینامیکی غیرخطی انفجار در خاک و توزیع فشار حاصل از انفجار در خاک ارائه کردند 1@ و .[2 آنها با استفاده از نرم افزار تحلیل غیرخطی اتوداین و با کمک معادله حالت و مدل رفتاری مناسب مصالح، خاک، ماده منفجره و سازه را در یک محیط مدل کرده و نسبت به تحلیل آن اقدام کردند. مزیت مدل ارائه شده کاهش خطا و صرفه جویی در زمان تحلیل می باشد. یانگ لو در سال 2006 به بررسی اثر انفجار هوایی بر روی سازه سطحی با در نظر گرفتن شوک زمین پرداخت
وی نیز در این تحقیق از نرم افزار المان محدود اتوداین استفاده کرد و خاک را به کمک معادله سه فازی مدل نمود. در سال 2007 لئونگ و همکارانش 3 به بررسی توزیع فشار در انواع خاک با توجه به فاصله مقیاس شده از مرکز انفجار پرداختند
برای این کار، نتایج حاصل از تحلیل عددی در نرم افزار با روابط تجربی موجود در TM5-855-1 مقایسه و به بررسی نتایج حاصل پرداخته شده است. در سال 2010 نقی و همکارانش 4 مدل سازی عددی اثر انفجار سطحی بر روی سازه مدفون را انجام دادند .آنها نیز از مدلی مشابه مدل ارائه شده توسط لو و ونگ برای مدل سازی هندسه مسئله استفاده کردند. در این تحقیق نیز برای بررسی صحت مدل، نتایج توزیع فشار حاصل از انفجار با نتایج تجربی موجود در دستورالعمل TM5-855-1 مقایسه شده است
لو و همکارانش در سال 2005 و گوی 5 و چین 6 در سال 2006 به بررسی مقاومت در برابر انفجار یک تونل در خاک نرم تحت بارگذاری انفجار داخلی با استفاده از روش المان محدود پرداختند.
چوی و همکارانش 7 در سال 2006 برای مطالعه فشار ناشی از انفجار و نتایج تغییر شکل ها در پوشش بتن تونل های مختص حمل و نقل از یک روش المان محدود سه بعدی استفاده کردند. آنها از طریق تحلیل برهم کنش کوپل مایع - جامد دریافتند که فشار ناشی از انفجار بر روی پوشش تونل همانند فشار منعکس شده معمولی CONWEP نبوده است. موضوعات این دو مطالعه سازه های زیرزمینی در توده سنگ بودند، که دربرابر بارگذاری انفجار داخلی مقاوم تر از سازه های مترو در خاک هستند.
-2 توزیع موج انفجار در خاک
انتشار امواج ناشی از انفجار در خاک، به دو صور ت امواج حجمی - فشاری یا عرضی - و موج سطحی - رایلی - می باشد، که مخرب ترین آن برای سازه مدفون نزدیک به محل انفجار، موج حجمی فشاری است. حداکثر سرعت ذرات و حداکثر اضافه فشار ناشی از انفجار در محیط های پیوسته و آزاد از روابط زیر قابل محاسبه خواهد بود
که در روابط بالا، ضریب اتصال بین زمین و ماده منفجره - میزان پیوستگی ماده منفجره با زمین - ، W وزن ماده منفجره به کیلوگرم، R فاصله از محل انفجار به متر، C سرعت انتشار موج انفجار برحسب متر بر ثانیه، Pg حداکثر اضافه فشار ناشی از انفجار در خاک بر حسب کیلوگرم بر متر مربع، چگالی خاک و n پارامتر تضعیف موج مربوط به خاک می باشد که از جدول های موجود در مبحث مقررات ملی 21 ساختمان قابل محاسبه است.
توزیع بیشینه فشار انفجار در محیط آزاد خاک به فاصله مقیاس شده انفجار - Z - بستگی دارد که این پارامتر از تقسیم فاصله تا مرکز انفجار به ریشه سوم وزن ماده منفجره به دست می آید. این توزیع در چند نمونه خاک بر حسب فاصله مقیاس شده در شکل - 1 - ارائه شده است.
شکل: 1 مقادیر بیشینه فشاربرحسب فاصله مقیاس شده برای انواع مختلف خاک
-3 مدلسازی مواد
.1-3 خاک
همان طور که می دانید خاک ماده ای با تخلخل بالا است. این خلل و فرج درون ماده توسط هوا و یا آب و یا ناخالصی های جامد و مایع مختلف پر شده است. به همین دلیل چگالی خاک با بارگذاری های مختلف متغیر است. به عبارتی تنش هیدرواستاتیک وارده بر المان مکعبی شکل بی نهایت کوچک خاک، باعث تغییر چگالی آن می شود. وجود آب، خاصیت تراکم پذیری را به طور محسوسی بالا می برد. به همین دلیل تعریف معادله حالت برای چنین ماده ای ضروری است. در معادله حالت، رابطه تنش هیدرواستاتیک و چگالی ماده و یا سایر پارامترهای ماده مشخص می شود. برای مدل کردن خاک، معادله حالت فشاری مواد متخلخل مطابق رابطه - 4 - مورد استفاده قرار می گیرد. این معادله شکل خاصی از معادله حالت مای _ گرانیسن می باشد که قسمت دوم آن حذف شده است.
در معادله فوق P فشار - مجموع فشارمنفذی و مؤثر - در اسکلت خاک، چگالی فعلی خاک، پارامتر گاما گرانیسن، e چگالی انرژی داخلی و زیرنویس H استفاده شده به معنای مرجع شوک هوگونیوت سطح، یک کمیت قابل محاسبه و مبنی بر معادله هایی است که فرآیند شوک را با استفاده از خواص ترمودینامیکی نشان می دهد و جزئیات محاسبه آن در مرجع ارائه شده است .[9] معادله حالت تراکم برای ماسه، بر اساس رابطه تکه ای چندخطی بین فشار و چگالی در شکل - 2 - نشان داده شده است
لازم به ذکر است از آنجا که فرض می شود در خاک فشار به انرژی داخلی بستگی ندارد [9]، این رابطه معادل است با معادله حالت استاندارد مای-گرانیسون، که در آن پارامتر Γ = - - برابر با صفر در نظر گرفته می شود و این بدین معنی است که این مدل پاسخ قابل اعتمادتری را زمانی که انرژی جذب شده بسیار بالا نباشد یا تخلخل اولیه مواد کم باشد و یا زمانی که بزرگی پارامتر گاما نزدیک صفر باشد، نتیجه می دهد.
