بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به افزایش روز افزون حملات تروریستی در سراسر دنیا، ضروررت بررسی پدیده انفجار، شناخت رفتار و آسیب پذیری سازه ها و طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار به خصوص در ساختمان های حساس و شریان های حیاتی در حوزه پدافند غیرعامل لازم به نظر می رسد. از مشخصههای اساسی یک انفجار که باعث وارد شدن نیرو بر سازه میشود، میتوان به اتفاقی بودن موقعیت انفجار، دینامیکی و گذرا بودن نیروها و زمان اثر کم - بین چند میلی ثانیه تا چند ثانیه - اشاره کرد.
قاب خمشی دارای مزیتهای بسیار بوده که مهمترین مزیت آن تنوع معماری آن میباشد. مزیت دیگر آن شکل پذیری بالای این قاب میباشد و ایمنی آن در برابر زلزله میباشد. سوال این است که آیا ساختمانهایی که برای زلزله طراحی شده اند، در برابر بار انفجاری مقاوم هستند.
برای این منظور با استفاده از نرم افزار ABAQUS دو قاب یک و سه طبقه خمشی فولادی به صورت تک دهانه تحت بار انفجاری تحلیل می گردد. قاب ها در فواصل مختلف با خرج های مختلف بار انفجاری مورد تحلیل دینامیکی غیرخطی قرار گرفته اند. در این مقاله با توجه به ضریب شکل پذیری و ضریب کاهش شکل پذیری برای بررسی شکل پذیری قابها مورد استفاده قرار گرفتهاند.
مقدمه
در سال های اخیر تسحیلات انفجاری مخصوصا خودروهای بمب گذاری شده، با توجه به دسترسی نسبتا به این تسحیلات و نیز به اطلاعات مربوط به کاربری آن ها به گزینه ای پرکاربرد برای انواع عملیات های تروریستی تبدیل شده است و بارگذاری انفجاری را به یکی از مخاطرات و ملاحظات اصلی و مهم در طراحی سازه تبدیل نموده اند. هنگامی که یک انفجار صورت می گیرد، انرژی به صورت ناگهانی آزاد می شود. اثر این آزاد شدن انرژی را می توان به دو بخش تشعشعات حرارتی و انتشار امواج در زمین و هوا تقسیم کرد.
امواجی از انفجار که در هوا منتشر میشوند، عامل اصلی تخریب سازه هستند. این امواج با سرعتی بیش از سرعت صوت حرکت کرده و به سازه برخورد می کند. در اثر بازتاب این امواج بر روی سطح سازه، فشار حاصل از آنها افزایش می یابد. همچنین بخشی از امواج هوایی از طریق درها، پنجره و بازشوها به داخل سازه نفوذ کرده و اعضای داخلی سازه را تحت تأثیر قرار میدهد.
در حین این جریان، انکسار امواج نیز در گوشههای سازه رخ میدهد که می تواند سبب کاهش یا افزایش فشار حاصل از موج گردد. این فرآیند تا زمانی ادامه پیدا می کند که همه محیط قابل دسترسی سازه تحت اثر فشار موج قرار گیرد. از طرف دیگر، امواجی که با زمین برخورد میکنند، در مسیر حرکت خود، مولکولهای هوا را فشرده کرده و یک فشار کلی محیطی - فشار اتفاقی - ایجاد مینماید.
انفجار و بار انفجاری
انفجار آزاد شدن بسیار سریع انرژی به صورت نور، گرما، صدا و موج ضربهای میباشد، که این فرایند حاصل تبدیل سریع ماده منفجره به گاز میباشد. این آزاد شدن گاز به نوبهی خود میتواند باعث پرتاب شدن قطعات و اشیا به اطراف و تبدیل آنها به ترکش شود.[2] امواج ناشی از انفجار توسط سه پارامتر شکل موج، حداکثر اضافه فشار Psoو زمان تناوب تعیین میشود.
بر حسب منشا انفجار، موجهای ناشی از آن به دو شکل موج ضربه و موج فشار تقسیم میگردد.[3] اثر یک بمب معمولی به وسیلهی دو پارامتر مهم، اندازه بمب یا مقدار آن W که برحسب کیلوگرم و فاصله بین انفجار و هدف R که برحسب متر تعریف میشود. موج ضربه ناشی از انفجار مواد منفجره جامد بوده و در آن فشار گازهای شکل گرفته از انفجار، با انتشار از چشمهی انفجار، گسترش و تا فشار مبنای Pso - مگاپاسکال - افزایش و سپس تا فشار محیطی کاهش مییابد. به این مرحله فاز مثبت میگویند. در نتیجهی انتشار موج، گازهای حاصل از انفجار سرد شده و فشار آنها به مقدار ناچیزی کمتر از فشار اتمسفر میرسد . به علت این اختلاف فشار جهت جریان معکوس شده و به سمت مرکز انفجار باز میگردد، نتیجهی این عمل کاهش فشار یا مکش خواهد بود.
در کل با گسترش موج ضربهای که شامل هوای بسیار متراکم است و به صورت شعاعی از منبع انفجار به سمت خارج حرکت میکنند، مقدار فشار به سرعت کاهش مییابد - متناسب با توان سوم فاصله - . در آخر پدیدهی انفجار، موج ضربهای منفی ایجاد میشود که این مورد به عنوان فاز منفی بارگذاری نامیده میشود.p_y اضافه فشار برای اولین موج انفجار برخوردکننده، Px فشار اتمسفر، tx زمانی که طول میکشد تا اولین موج ناشی از انفجار به مانع برخورد کند، که این زمان به سرعت موج انفجار و فاصله مانع بستگی دارد و td زمان استمرار فاز مثبت میباشد
موج انفجار در یک بازه زمانی بسیار کوتاه به صورت صدم ثانیه رخ میدهد. اندازه فشار P به طور نسبی به مقدار ماده منفجره W بستگی دارد.
که R فاصله از مرکز خرج انفجار معادل TNT و بر حسب Kg، toone، lb بیان میشود.
شکل :1 نمودار فشار-زمان
Brode برای به دست آوردن مقدار اضافه فشار در یک انفجار کروی، معادلات زیر را ارائه کرده است:
برای مدت زمان فاز مثبت روابط زیر توسط Kinney و Graham در مقیاس صدم ثانیه ارائه شده است.
وقتی موج انفجار در منطقه آزاد به یک سطح برخورد میکند، موج منعکس میشود. تاثیر انعکاس موج انفجار این است که سطح فشار خیلی بیشتری از مقدار اوج پیش فشار رخداد تجربه می کند، مقدار فشار موج منعکس P_rمعمولا توسط ضریبی ضربدر اضافه فشار P_soرخداد مشخص می شود.
برای ساده سازی روند طراحی، پروفیل های عمومی موج انفجار، به صورت ایده آل یا خطی شده، شکل - - 2، درنظر گرفته میشوند.
شکل :2 شکل ایده ال شده بار انفجاری
شیوه تحقیق و مدلسازی
با توجه به ابنکه سازه های فولادی به طور معمول براساس بارهای ثقلی و لرزه ای مورد طراحی قرار گرفته اند، نیاز است اثرات ناشی از بارهای انفجاری بر روی سازه ها مورد بررسی قرار گیرد. در این تحقیق به منظور بررسی رفتار سازه های فولادی دارای سیستم باربر جانبی قاب خمشی - - MRF تحت اثر بارهای ناشی از انفجار، مطالعاتی عددی بر روی مدل های سازه ای با تعداد طبقات 3 و 5 طبقه صورت گرفته است. بارگذاری ثقلی و لرزه ای مدل ها براساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان[8] و ویرایش سوم آیین نامه ساختمان ها در برابر زلزله - استاندارد [9] - 2800 صورت گرفته است. همچنین طراحی مدل ها در برنامه ETABS انجام گرفته است.
به منظور مدلسازی بار ناشی از موج انفجاری، فشار ایدهال سازی شده از خرجهای انفجاری با وزن معادل TNT با مقادیر 125، 250، 500، 750، 1000،...، 2500، 2750 کیلوگرم در فواصل 5، 10، 15 متر با توجه به پارامترهای تهدیدی که توسط نشریه FEMA453 توصیه شدهاند، محاسبه شده و مدلسازی شدهاند. به منظور مدلسازی نحوه توزیع بار انفجاری بر روی ساختمان با توجه به روابط براد بدست آمده است. فشار را در نقاط مختلف ارتفاعی قابها محاسبه و اقدام به استخراج منحنی توزیع بار در بر سازه شده است.
نرم افزار ABAQUS قابلیت تعریف بارگذاری توسط رابطه شکل توزیع بار را دارد. بدین منظور رابطه توزیع فشار مقابل ارتفاع در طبقات مختلف سازه تعریف شده است. از آنجا که فواصل نقاط هدف تا مرکز خرج انفجار متغییر میباشد، لذا مدت زمان تداوم انفجاری برای هر طبقه جداگانه محاسبه شده و بارگذاری هر طبقه را مشابه آنچه که به صورت واقعی در سناریوهای انفجاری رخ میدهد، مدلسازی شده است. برای تحلیل از تحلیلگر صریح - - EXPLICIT نرم افزار استفاده شده است.از این تحلیلگر در مواردی که هدف، تحلیل دینامیکی مدل در زمان بسیار اندک مورد نظر باشد، استفاده می گردد.
مشخصات مصالح
در این مطالعه از فولاد نرمه ساختمانی st37 با مدول الاستیسیته 2.1e10 کیلوگرم بر مترمربع و جرم حجمی 7850 کیلوگرم بر مترمکعب و ضریب پواسون 0,3 استفاده شده است.
