توضیحات
طراحی سازه در برابر انفجار
طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار
به منظور کاهش آسیب پذیری ساختمانهای خاص در برابر تهدیدات نظامی مجموعه ای از اقدامات و تدابیر موسوم به پدافند غیرعامل در دستورکار قرار میگیرد. حفظ ایستایی و به حداقل رساندن خسارات و تلفات جانی ساختمانهای خاص و با اهمیت بالا در ساختمانهای کنترل فرماندهی و مراکز ارتباطات در واحدهای نظامی، مراکز صنعتی، مدیریت بحران و … از جمله اهداف پدافند غیرعامل تلقی میگردد. به عنوان نمونه ساختمانهای کنترل و برق در واحدهای صنعتی که خرابی آنها منجر به وقفه طولانی مدت و تحمیل خسارات جانی و مالی عمده میشود، از جمله ساختمانهای خاص، که باید در برابر انفجار مقاوم باشند، محسوب میگردند.
بالا بردن احتمال حفظ ایمنی جانی و بقای سازه ها و تاسیسات خاص، که ممکن است تحت حملات تسلیحاتی و نظامی قرار گیرند، از دو طریق (1) قرارگیری در محلهای دور از نقاط هدف احتمالی حملات و (2) در نظر گرفتن تمهیدات مهندسی و تقویت سازه ها و تاسیسات محقق میگردد. راه حل دوم، یعنی طراحی و ساخت سازه های مقاوم در برابر انفجار با اصابت مستقیم و یا در فاصله نزدیک، موضوع مورد بحث در این بخش را تشکیل میدهد.
هر انفجار، بسته به مشخصات بمب یا مواد منفجره، عوارض و پیامدهایی را در پی دارد. به عنوان مثال انفجار یک بمب هسته ای آثاری مانند: تشعشعات حرارتی و هسته ای، پالس الکترومغناطیسی، موج انفجار، لرزش زمین، ترکش و پراکنده شدن گرد و غبار را به دنبال خواهد داشت. موج انفجار و آثار ناشی از انتشار موج در فضا پارامتر اصلی در محاسبات طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار محسوب میگردد. توجه به این نکته ضروری است که معمولا انفجار صنعتی یا تصادفی و غیر نظامی ماهیتی متفاوت از انفجارهای نظامی دارد. لذا جزییات طراحی برای این دو حالت متفاوت است.
آثار ناشی از رخداد یک انفجار تابع پارامترهایی چون فاصله از محل انفجار، قدرت انفجار (تابعی از میزان مواد منفجره و بر مبنای واحد پوند TNT) و ارتفاع انفجار است. یک تفاوت اساسی در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار، ماهیت ضربه ای نیروهای وارده به سازه است. در واقع در این حالت سازه باید نیروهای بسیار بزرگ را در زمان های بسیار کوتاه منتقل یا مستهلک نماید. این موضوع تاثیر بسزایی در تغییر رفتار ارتجاعی و غیرارتجاعی مصالح و المانها به همراه خواهد داشت.
بطور خلاصه روند طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار مراحل زیر را دربر میگیرد.
(1) تعیین آثار پایه ای ناشی از انفجار شامل منحنی تاریخچه زمانی فشار انفجار و فشار دینامیکی انفجار، لرزش زمین و …؛
(2) بارگذاری انفجار سازه شامل بارهای مستقیم موج انفجار بروی سازه های روی زمین و بارهای غیرمستقیم ناشی از موج انفجار بروی سازه های مدفون؛
(3) تعیین مشخصات مصالح سازه ای و رفتار المانهای سازه ای تحت بار انفجار؛
(4) انتخاب سیستم باربر سازه ای و انجام محاسبات طراحی؛
(5) تحلیل دینامیکی سازه تحت بار انفجار (تحلیل تاریخچه-زمانی غیرخطی).
طراحی انفجاری سازه ها مستلزم آگـاهی از ویژگـی هـای دینـامیکی مـصالح اسـت. مصالح پاسخ های متفاوتی در مقابل بارهـای دینـامیکی نـسبت بـه بارهـای اسـتاتیکی از خـود نـشان می دهند. تحت بارگذاری دینامیکی مصالح به افزایش مقاومتی می رسند، که به طـور قابـل ملاحظـه ای مقاومت سازه ای را ارتقاء می دهد.
در طراحی انفجاری ، سازه های در معرض این بارها جهت جذب انرژی، وارد محدوده تغییـر شکل های فرا ارتجاعی مـی شـوند. در نتیجـه مـصالح تـشکیل دهنـده سـازه بایـد دارای رفتـار فـرا ارتجـاعی و شکل پذیری مناسب باشند.
در بارهای انفجاری، اعمال بار و افزایش تنش در اعضاء بسیار سریع اتفاق مـی افتـد. ایـن بار به صورت آنی و گذراست و زمان تناوب آن در اکثـر مـوارد بـسیار کوتـاه تـر از زمـان تنـاوب سـازه می باشد.
در طراحی انفجاری ، پذیرش تسلیم اعضا از جنبـه اقتـصادی ضـروری اسـت. همچنان کـه عضو وارد محدوده فرا ارتجاعی می شود، جذب انرژی انفجار با ایجاد تعادل بین انرژی انفجار در مقابـل انرژی کرنشی عضو ادامه می یابد.
مقدار انرژی کرنشی قابل جذب توسط سازه، تابعی از ویژگی هـای اسـتاتیکی و دینـامیکی مصالح، ویژگی های مقاطع و مقدار تغییر شکل های خمیری مجاز می باشد. مقدار کل انرژی انفجار که باید جذب شود تابعی از بار حداکثر و مدت زمان تداوم انفجار می باشد.
پاسخ مصالح تحت بارگذاری دینامیکی به طور محسوسی متفاوت از بارگذاری اسـتاتیکی است. در بارگذاری سریع، مصالح نمی توانند با نرخ مشابه بار وارده، تغییر شـکل دهنـد. ایـن خاصـیت باعث ایجاد افزایش در سطح تنش تسلیم و همچنین تنش نهایی قبل از گسیختگی می شود. بـه طـورکلی، هرچه مصالح سریع تر تغییر شکل دهند (افزایش سریع نـرخ کـرنش)، مقاومـت مـصالح افـزایش می یابد.
افزایش مقاومت ایجاد شده به علت بارگذاری سریع به عضو اجازه مـی دهـد تـا مقاومـت سازه نسبت به حالت استاتیکی افزایش یابد. این تـاثیرات در طراحـی انفجـاری بـا اسـتفاده از ضـریب افزایش دینامیکی در نظر گرفته می شود.
مصالح مناسب برای سازه در طراحی انفجاری
مصالح بتن مسلح در طراحی انفجاری
به دلیل مقاومت و جرم قابل توجه بتن مسلح، ایـن مـصالح بـه طـور ویـژه ای در برابـر بارهای انفجاری، مناسب هستند. همچنین بتن، مقاومت موثری در برابر آتش و نفوذ ترکش دارد. روش های ساده شده جهت طراحی انفجاری بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشی بـوده و مشروط به حذف مودهای شکست ترد می باشند. جلوگیری از ایجاد مودهای شکست تـرد بـا محـدود کـردن تـنش هـای برشـی بـتن و استفاده از تنگ های محصورکننده برشی ویژه حاصل می شود. میلگردهـای S400 و کمتر دارای شکل پذیری کافی برای بارهای دینامیکی می باشند. سازه های بتن آرمه مورد استفاده در سازه هـای مقـاوم در مقابـل انفجـار بایـد ضـوابط شکل پذیری بخش مبحث نهم مقررات ملّی ساختمان را برآورده نمایند.
مصالح بنایی مسلح در طراحی انفجاری
به دلیل جرم زیاد ساختمان های با مصالح بنایی مسلح، ایـن سـاختمان هـا مـی تواننـد برای بارهای انفجاری کم مورد استفاده قرار گیرند. مصالح بنایی به بارهای دینامیکی مانند بتن مسلح شـده پاسـخ مـی دهنـد، یعنـی بـا افزایش نرخ کرنش مقاومت دینامیکی افزایش می یابد.
در مصالح بنایی مسلح، محدودیت جایگذاری میلگردها و مقاومت برشـی کـم درزهـای ملات، معایب مهم در مقایسه با بتن مـسلح هـستند. اگرچـه سـازه هـای بنـایی غیرمـسلح در بناهـای قدیمی تر رایج هستند، اما آنها شکل پذیری کافی برای مقاومت در برابـر بارهـای انفجـاری را ندارنـد و ممکن است به طورکلی نامناسب باشند. در این مورد رعایت مبحث هشتم مقررات ملی ساختمان ایران لازم می باشد. میلگردهای مسلح کننده باید از رده S400 و پایین تر باشند.
مصالح سنگدانه ای در طراحی انفجاری
مصالح سنگدانه ای ریز و خاک به علت قابلیت استهلاک انرژی مناسبی که در مقابل بارهـای انفجـاری دارند، در حالت کیسه ای می توانند برای ساخت پناهگاه های سطحی موقت مورد استفاده قرار گیرد.
مصالح نما در طراحی انفجاری
اجرای انواع اندودهای نماسازی نقش مؤثری در پایداری دیوار خارجی داشـته و آسـیب پـذیری آنهـا را نسبت به دیوارهای خارجی بدون اندود نما به مراتب کاهش می دهد. آن دسـته از دیوارهـای خـارجی ساختمان که نمای اندود سیمان دارند در برابر نیروی انفجاری مقـاوم تـر از نمـای آجـری مـی باشـند . نماهای پیش ساخته بتن مسلح نیز در برابر انفجار بسیار مناسب می باشند.
فولاد ساختمانی در طراحی انفجاری
فولادهای ساختمانی در رده st37 و st52 از شکل پذیری کافی جهت طراحی انفجاری برخوردار هستند. فولاد با مقاومت بالا می تواند در موقعیت های مشخص، نظیر درهای انفجـاری و پـیچ هـا استفاده شود. به طور کلی سازه های فولادی مورد استفاده مقاوم در برابر انفجار باید بر حسب اهمیت ساختمان، باید ضوابط لرزه ای مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران را نیز برآورده نمایند.
ویژگی های دینامیکی مواد
در این بخش به تشریح ویژگی های دینامیکی مصالح مورد استفاده در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار می پردازیم :
ضریب افزایش مقاومت SIF
ضریب افزایش مقاومت مصالح سازه ای با استفاده از مبحث 9 و 10 مقررات ملی ساختمان ایران تعیین شده است که در هر صورت نباید از مقادیر موجود در جدول 1 بیشتر شود.
ضریب افزایش دینامیکی DIF
برای در نظر گرفتن تاثیر افزایش مقاومت مصالح با نرخ کرنش سریع، ضـریب افـزایش دینامیکی به مقادیر مقاومت استاتیکی اعمال می شود. این ضریب به ماهیت تنش (مثلاً خمشی، بـرش مستقیم) بستگی دارد. جدول 2 مقادیر ضریب افزایش دینامیکی را برای بتن مـسلح و مـصالح بنایی و جدول 3 مقادیر مربوطه را برای فولاد سازه ای بیان می نماید.
تنش تسلیم طراحی در سازه های مقاوم در برابر انفجار
مقاومت تسلیم دینامیکی طرح Fdy، و مقاومت نهایی دینامیکی طرح Fdu، که در طراحی های انفجاری به کار می روند با اعمال ضریب افزایش مقاومت و ضریب افزایش دینامیکی به مقاومت تسلیم Fy و مقاومت نهایی Fu به دست می آیند.
رابطه 1
در رابطه فوق نیز fdc مقاومت فشاری مشخصه دینامیکی بتن و fc مقاومت فشاری مشخصه بتن می باشد.
سیستم های سازه ای مقاوم در برابر انفجار
نیروهای ناشی از انفجار به صورت فشارهای شدید به ناحیه محدودی که در مقابل انفجار قرار دارد وارد می شود و به اعضای دورتر فشار کمتری اعمال می گردد. در نتیجه روال طراحی سازه در مقابل انفجار، طراحی در مقابل شکست موضعی عناصر موجود در جبهه اول شامل عناصر نما و تیرها و ستون های پیرامونی ساختمان می باشد.
سیستم های رایج برای ساختمان
ساختمان های معمولی ممکن است مقداری مقاومت انفجاری داشته باشند، اما مشخصه های خاصی از ساختمان های معمولی، مانند پنجره های بزرگ، دیوارهای بنایی غیرمسلح و اتصالات ضعیف، می تواند این ساختمان ها را حتی در برابر تاثیرات انفجار ضعیف نیز آسیب پذیر کند و مقاومت انفجاری آن را به میزان قابل توجهی کاهش دهد. در ادامه این بخش به معرفی چند سیستم رایج ساختمانی در زمینه مقاومت انفجاری پرداخته می شود :
دیوار بنایی مسلح
دیوارهای بنایی مسلح در طراحی انفجاری می توانند به عنوان عناصر نما و باربر جانبی مقاوم در برابر فشار انفجار مورد استفاده قرار گیرند و نیز می توانند به صورت دوگانه همراه با قاب فولادی یا بتنی برای تحمل بارهای قائم و جانبی استفاده شوند. دیوارهای خارجی از مصالح بنایی مسلح به صورت دو طرفه برای هر دو دهانه افقی و قائم طراحی و مسلح می شوند. دیوار بنایی مسلح که موازی با جهت اعمال نیروی انفجار قرار دارند، می توانند به عنوان دیوارهای برشی برای انتقال نیرو های جانبی به پی مورد استفاده قرار گیرند. در دیوارهای بلوکی مسلح، بلوک های بیست سانتی متری که آرماتورهای در امتداد قائم در مرکز آنها و آرماتورهای افقی در هر لایه آنها کار گذاشته شده و کاملاً با ملات پر شده اند، باید استفاده شوند. اتصالات به سازه باید طوری طراحی شوند که ظرفیت نهایی جانبی دیوار را داشته باشند.
دیوار بتنی پیش ساخته
حداقل ضخامت دیوار بتنی پیش ساخته 120 میلی متر بدون در نظر گرفتن نازک کاری می باشد. برای اجرای دیوار بتنی پیش ساخته در قاب فولادی، پس از اجرای قاب فولادی، دیوار بتنی پیش ساخته درون چهار چوب فولادی تعبیه می شود. وضعیت قرارگیری دیوار پیش ساخته باید به گونه ای باشد که از هر طرف حداقل به اندازه طول مهاری آرماتور انتظار دیوار و یا 50 سانتیمتر (هرکدام که بزرگ تر بود) با ستون فولادی فاصله داشته باشد. میلگردهایی مشابه آرماتورهای انتظار دیوار به ستون فولادی در راستای آرماتورهای انتظار دیوار جوش شده و سپس حد فاصل بین دیوار و ستون قالب بندی شده و بتن ریزی صورت می گیرد. در خصوص سایر روش های اتصال دیوار پیش ساخته به اسکلت به تشخیص طراح عمل شود.
دیوار بتنی درجا
ساختمان با دیوار بتنی درجا در طراحی انفجاری برای فشارهای انفجاری متوسط و زیاد مورد استفاده قرار می گیرد. ضخامت بتن دیوارها، اندازه و جایگذاری میلگردها باید طوری انتخاب شوند که مقاومت انفجاری متوسط و زیاد باشد. حداقل ضخامت دیوارهای بتن مسلح درجا 200 میلی متر می باشد.
قاب قوسی و شیب دار (با سقف سبک)
چنین سازه هایی با سقف سبک و پوشش سبک مقاومت انفجاری مناسبی ندارند. با تشخیص طراح می توان از پوشش و نمای بتن مسلح برای استحکام بخشیدن به این سازه ها بهره جست.
سیستم های سازه ای رایج برای سازه های پناهگاهی
پناهگاه ها سازه هایی می باشند که از آنها انتظار می رود در مقابل فشارهای زیاد ناشی از انفجار متوسط و زیاد مقاوم باشند. سازه های پناهگاهی را معمولاً می توان به سه روش نیمه مدفون، مدفون و تونل اجرا نمود. در روش اجرای مدفون و نیمه مدفون، ضخامت خاک روی پناهگاه باید حداقل به اندازه نصف کوچکترین بعد پناهگاه یا 2 متر (هر کدام که بزرگترند) باشد. به هر حال مجموع ضخامت خاک و بتن باید بزرگتر از عمق نفوذ بمب های نفوذگر باشد. استفاده از خاک تراکم پذیر نسبت به خاک های با دانه بندی یکنواخت ارجحیت دارد. همچنین استفاده از ماسه بادی مجاز نیست و بهتر است از شن شکسته با دانه بندی درشت استفاده شود.
سازه پناهگاهی مدفون و نیمه مدفون درجا
با توجه به مقاومت موجود در زمین، می توان پناهگاه های زیرزمینی با مقاومت انفجاری بالا احداث نمود. سازه های مدفون و نیمه مدفون باید به گونه ای طراحی گردند که برای انسان و تأسیسات مناسب باشند.
سازه های مدفون در برابر انفجارهایی غیر از انفجارهای در داخل زمین، بسیار مقاوم و قابل اطمینان می باشند. قسمت های باربر سازه های مدفون (سقف، دیوارها و کف) باید از بتن مسلح درجا ساخته شوند. استفاده از سازه های پیش تنیده، همچنین سازه هایی با مصالح آجری و سایر مصالحی که قابلیت تغییرپذیری و شکل پذیری کمتری دارند، برای ساخت پناهگاه ممنوع است.
این نوع سازه ها را می توان به صورت نیمه مدفون نیز استفاده نمود. مثلاً بخشی از سازه بالای سطح زمین و بخشی دیگر مدفون می باشد و یا نیمی از عرض یا ارتفاع آن در داخل زمین قرار می گیرد ولی در کل با افزایش عمق دفن این سازه ها، مقاومت آنها در برابر انفجار افزایش می یابد. پناهگاه های عمومی و اختصاصی باید به ترتیب قابلیت تحمل بارهای ناشی از انفجارهای قوی و ضعیف را داشته باشند.
سازه های پناهگاهی مدفون و نیمه مدفون پیش ساخته
جعبه های بتنی پیش ساخته را می توان به عنوان نوعی پناهگاه پیش ساخته مورد استفاده قرار داد. این قطعات در کارگاه ساخته شده و توسط کامیون به محل نصب حمل می شوند. پس از استقرار در محل آماده شده و پس از چفت و بست کردن آنها و عایق بندی رطوبتی، بر رویشان خاک ریخته می شود. این سازه ها به طور اقتصادی مقاومت انفجاری متوسطی دارند.
گنبدها و قوس های پیش ساخته نیز می توانند برای احراز شرایط سطوح بالای مقاومت در برابر انفجار به کار برده شوند. مزیت اول آنها کاهش بار است که ناشی از سطوح منحنی در معرض موج انفجار می باشد. مزیت دوم آنها اثر بخشی بالا در مقاومت که به خاطر شکل چنین سازه هایی است می باشد. مشکل این نوع سازه ها بخاطر محدود شدن فضای داخل ساختمان و افزایش قیمت ساخت و ساز است.
موج انفجار و آثار ناشی از انتشار موج در فضا پارامتر اصلی در محاسبات طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار محسوب میگردد.
طراحی انفجاری سازه ها مستلزم آگـاهی از ویژگـی هـای دینـامیکی مـصالح اسـت. مصالح پاسخ های متفاوتی در مقابل بارهـای دینـامیکی نـسبت بـه اسـتاتیکی دارند.
نقد و بررسی‌ها
هیچ دیدگاهی برای این محصول نوشته نشده است.