طراحی سازه‌های مقاوم در برابر بار انفجار
بارهای انفجاری، مانند آن‌هایی که از انفجارهای تصادفی یا حملات عمدی ناشی می‌شوند، تهدیدی جدی برای ایمنی سازه‌ها و ساکنان آن‌ها به شمار می‌روند. این بارها می‌توانند به صورت امواج فشاری با شدت بالا ظاهر شوند که نیاز به طراحی‌های مهندسی خاص برای کاهش خسارات و حفاظت از جان و اموال دارند. این مقاله به بررسی اصول طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار، انواع سازه‌های مقاوم، مواد مورد استفاده، استراتژی‌های طراحی، و روش‌های جلوگیری از فروپاشی پیشرونده می‌پردازد.
فهرست مطالب
ویژگی‌های بار انفجاری
بار انفجاری معمولاً به صورت یک موج فشاری با سرعت بالا تعریف می‌شود که در مدت زمان بسیار کوتاهی (چند میلی‌ثانیه) به سازه وارد می‌شود. این بارها شامل:
- فشار بیشینه: فشار اولیه ناشی از موج انفجار که به شدت به فاصله از منبع انفجار بستگی دارد.
- فشار منعکس‌شده: فشاری که هنگام برخورد موج انفجار به سطح سازه ایجاد می‌شود و می‌تواند چندین برابر فشار اولیه باشد.
- مدت زمان بارگذاری: زمان کوتاه اما بحرانی که موج انفجار به سازه اثر می‌کند.
این ویژگی‌ها ایجاب می‌کند که سازه‌ها با مواد مقاوم و طراحی‌های خاص ساخته شوند تا از خرابی موضعی و فروپاشی پیشرونده جلوگیری شود.
انواع سازه‌های مقاوم در برابر انفجار
سازه‌هایی که برای مقاومت در برابر انفجار طراحی می‌شوند، معمولاً در محیط‌های پرخطر مانند مناطق نظامی، صنعتی، یا دولتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. انواع اصلی این سازه‌ها عبارتند از:
- پناهگاه‌ها و ساختمان‌های نظامی: این سازه‌ها با دیوارهای بتنی تقویت‌شده و حداقل پنجره‌ها طراحی می‌شوند تا در برابر انفجارهای مستقیم مقاومت کنند. مثال‌هایی شامل پناهگاه‌های زیرزمینی و پایگاه‌های نظامی است.
- ساختمان‌های صنعتی در مناطق پرخطر: مانند تأسیسات پتروشیمی و پالایشگاه‌ها که با دیوارهای فولادی ضخیم و طراحی ماژولار ساخته می‌شوند.
- ساختمان‌های دولتی حساس: مانند سفارتخانه‌ها که با استانداردهای سختگیرانه برای محافظت در برابر حملات تروریستی طراحی می‌شوند.
- سازه‌های زیرزمینی یا با دیوارهای خاکی: این سازه‌ها از خاک برای جذب انرژی انفجار استفاده می‌کنند و مقاومت بالایی دارند.
مواد مورد استفاده در طراحی مقاوم در برابر انفجار
مواد با مقاومت بالا و توانایی جذب انرژی کلیدی برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار هستند. مواد رایج شامل:
- بتن مسلح: با قدرت فشاری بالا و تقویت متقارن، برای دیوارها و ستون‌ها استفاده می‌شود.
- بتن با عملکرد بالا (UHPC): با مقاومت فشاری تا 200 مگاپاسکال و جذب انرژی بالا، برای پنل‌های پیش‌ساخته و دیوارهای حساس مناسب است.
- فولاد: برای ستون‌های پرشده و قاب‌ها به دلیل انعطاف‌پذیری بالا استفاده می‌شود.
- مواد پیشرفته مانند DUCON: بتن تقویت‌شده با میکروفیبر که ضخامت کم و مقاومت بالایی در برابر انفجار دارد.
سامانه هاي سازه اي مناسب براي مقاومت در مقابل انفجار
بار ضربه اي انفجار به علت تاثير بسيار كوتاه مدت آن بر سازه، برخلاف نيروهاي زلزله، قادر به تحريك تمام جرم سازه نيست. بدين رو، در سازه هاي مقاوم در مقابل انفجار، افزايش جرم، تاثير مثبت بر مقاومت سازه دارد. به همين علت، سازه هاي بتن مسلح بر سازه هاي سبك (مثل فولاد و چوب) ارجح هستند.
سازه بتنی
روش هاي ساده شده طراحي انفجاري سازه هاي بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشي بوده و مشروط به حذف مودهاي شكست ترد شكن مي باشند. براي رسيدن به پاسخ شكل پذير، جزئيات بندي مناسبي از ميلگردها ضروري است. با افزايش تنش و كرنش در مقطعي از عضو، ميلگردها به تسليم مي رسند و اجازه شكل گيري مفصل پلاستيك مي دهند. بتن در اين نواحي در سطح كششي دچار ترك شده و متعاقباً به حد كرنش فشرده شدن در سطح فشاري مي رسد. اگر دوران مفصل اين نقطه افزايش يابد، بتن فشاري خرد و مقاومت خمشي آن از بين مي رود.
ظرفيت دوران اضافي براي اعضاي بتن مسلح را مي توان با ميلگردگذاري دو طرفه و خاموت بندي با فاصله كم ايجاد نمود. در اين حالت در نواحي مفصل پلاستيك، لنگر مقاوم مقطع توسط زوج نيروي ايجادشده در ميلگردهاي مسلح كننده تامين مي شود. استفاده از مقاطعي كه به صورت يكطرفه، ميلگردگذاري مي شوند در طراحي انفجاري توصيه نمي شود.
جلوگيري از ايجاد مودهاي شكست ترد با محدود كردن تنش هاي برشي بتن يا افزايش مقاومت بتن و يا افزايش ضخامت مقطع يا تنگ هاي محصور كننده برشي حاصل مي شود.
مقدار ميلگردهاي خمشي نيز در يك عضو بايد محدود شود تا عضو دچار گسيختگي ترد نشود. استفاده از تنگ با فاصله بندي مناسب جهت افزايش مقاومت و محصور كردن ميلگرد خمشي و جلوگيري از كمانش ميلگردها قابل توصيه است.
میلگردهای S500 و كمتر داراي شكل پذيري كافي براي بارگذاري ديناميكي مي باشند. ميلگردهاي خاص با مقاومت تسليم بالاتر ممكن است شكل پذيري مورد نياز براي خم كاري را نداشته باشند.
وصله هاي جوشي و اتصالات بوشني (مكانيكي) در صورت انطباق با مشخصات فني مي توانند به جاي وصله هاي پوششي مورد استفاده قرار گيرند.
ديوارهاي بتن مسلح، به عنوان ديوارهاي محيطي و نما از اجزاي مقاوم در برابر بارهاي انفجاري شناخته مي شوند.
سازه فولادی
مصالح فولادي تحت اثر بارهاي استاتيكي و ديناميكي با نرخ كرنش بالا، قادرند پس از عبور از مرحله تسليم، بدون اعمال تنش اضافي، تا رسيدن به مرحله سخت شدگي مجدد، حدود پانزده برابر كرنش حدتسليم را تحمل كنند. اين خاصيت براي مقابله با بارگذاري انفجاري بسيار مفيد مي باشد. يكي از مهم ترين مسائل در سازه هاي فولادي مقاوم در برابر انفجار، اتصالات آن ها مي باشد كه بايد تا حدامكان به صورت شكل پذير طراحي شوند. شكل پذيري اتصالات در سازه هاي فولادي معمولاً به صورت قابليت چرخش اتصال تحت بارهاي وارده تعريف م يشود. سازه ها يا اتصالات شكل پذير مي توانند با مقاومت استاتيكي نسبي كمتر، نيروي بيشتري را در هنگام اعمال بارهاي ديناميكي و ضربه انفجار جذب نمايند.
هم چنين سازه هاي در معرض انفجار، واكنش هاي تكيه گاهي قابل توجهي دارند و اين واكنش ها منجر به لزوم طراحي صفحه ستون به همراه ميل مهارهاي با ظرفيت بالا مي شو د. هنگامي كه مهارها به طور كامل و براساس اصول محاسباتي در بتن مهار شوند، سازوكار شكست آ ن ها از نوع شكست شكل پذير و كششي است. ناكافي بودن فاصله از لبه هاي صفحات يا فاصله ناكافي بين پيچ ها باعث ايجاد ظرفيت كمتر لنگر خمشي و وقوع شكست ترد خواهد شد.
در روند تحليل و طراحي انفجاري، اجازه تشكيل مفاصل پلاستيك در سراسر طول عضو داده مي شود، بنابراين مقاطع بايد به گونه اي باشند كه در حين تشكيل اين مفاصل، دچار كمانش موضعي نشوند و شرايط مقاطع فشرده لرز هاي را مطابق مبحث 10 برآورده سازند.
موضوع مهمي كه در طرح ديناميكي سازه هاي فولادي تحت اثر بارهاي انفجاري مطرح مي شود، احتمال معكوس شدن جهت تنش ها است. سازه هاي فولادي تحت اثر انفجار، در معرض تنش هاي معكوس نسبتاً بزرگي قرار مي گيرند. تامين مهاربندي جانبي براي بال هاي مقاطع فشاري مهار نشده كه قبل از معكوس شدن تنش ها در كشش بوده اند، از اهم موارد قابل توجه است كه اين مساله براي اعضايي كه بارهاي مرده سبكي را تحمل مي كنند و يا اعضايي كه در معرض فشارهاي انفجاري كوتاه مدت قرار دارند، بحراني تر است.
استراتژی‌های طراحی برای مقاومت در برابر انفجار
برای افزایش مقاومت سازه‌ها در برابر انفجار، استراتژی‌های زیر توصیه می‌شود:
- افزایش فاصله ایمنی: افزایش فاصله بین منبع انفجار و سازه با استفاده از موانع بتنی یا خاکی.
- جلوگیری از فروپاشی پیشرونده: طراحی سیستم‌های دوطرفه و تقویت اعضای کلیدی برای جلوگیری از خرابی زنجیره‌ای.
- شکل و چیدمان بهینه: استفاده از اشکال دایره‌ای یا محدب برای کاهش فشار منعکس‌شده و اجتناب از گوشه‌های تیز که امواج انفجار را تقویت می‌کنند.
- تقویت اجزای کلیدی: مانند ستون‌ها و تیرها با استفاده از بتن پرشده با فولاد یا تقویت‌کننده‌های کششی (0.5٪ تا 2٪ سطح مقطع).
- شیشه‌های مقاوم: استفاده از شیشه لمینت‌شده با لایه PVB 60 میلی‌متری برای کاهش خطر پرتاب قطعات.
مستهلك كننده هاي انرژي
استفاده مناسب از وسايل مكانيكي مانند ميراگرها و جداسازها كه باعث افزايش استهلاك انرژي و جداسازي سازه از پايه مي شوند، براي سامانه هاي سازه اي مقاوم در مقابل انفجار ، قابل توصيه است.
جداسازها و ميراگرها باعث بهبود رفتار كلي سامانه هاي سازه اي مي شوند، ليكن تاثير چنداني در جلوگيري از خرابي هاي موضعي كه مي توانند باعث گسيختگيهاي پيش رونده شوند، ندارند. بنابراين، اين وسايل كاربرد مناسبي در بهبود رفتار سامانه هاي سازه اي در مقابل انفجارهاي حوزه دور دارند زيرا در اين انفجارها بخش هاي وسيعي از سازه تحت تاثير بارهاي انفجاري قرار مي گيرند و بار وارده باعث تحريك كل سازه مي شود.
چالش اصلي در استفاده از جداسازها، امكان بروز تغييرشكل هاي بزرگ در پايه سازه (در هنگام بروز انفجارهاي شديد) مي باشد. اين پديده مي تواند باعث خرابي جداسازها و همچنين برخورد ساختمان به ديوار يا سازه هاي هم جوار شده و ضربه ايجاد شده، مي تواند باعث بروز خرابي هاي بيشتر شود .
بدين رو، بايد دقت كافي در تامين ظرفيت تغييرشكل جداسازها صورت گيرد . در صورت فراهم نبودن فاصله لازم براي تامين ظرفيت تغييرشكل، مي توان از تجهيزات كنترلي فعال و غيرفعال (كنش گر و واكنش گر) مناسب (علاوه بر جداسازها) استفاده نمود.
فروپاشی پیشرونده و روش‌های جلوگیری
فروپاشی پیشرونده به خرابی زنجیره‌ای یک سازه گفته می‌شود که با خرابی موضعی یک عضو کلیدی (مثل ستون یا تیر) شروع شده و به فروپاشی کل سازه یا بخش بزرگی از آن منجر می‌شود. این پدیده معمولاً به دلیل بارهای غیرعادی مانند انفجار یا ضربه رخ می‌دهد. برای جلوگیری از آن:
- ظرفیت اضافی (Redundancy): طراحی مسیرهای بار جایگزین برای انتقال بار در صورت خرابی یک عضو.
- اتصالات قوی: استفاده از اتصالات انعطاف‌پذیر و مقاوم برای حفظ یکپارچگی سازه.
- تقویت موضعی: افزایش مقاومت ستون‌ها و تیرها برای تحمل بارهای غیرمنتظره.
مثال واقعی فروپاشی پیشرونده، فرو ریختن برج‌های دوقلوی مرکز تجارت جهانی در سال 2001 است که خرابی موضعی ناشی از برخورد هواپیما و آتش‌سوزی به فروپاشی کل سازه منجر شد.
نقش شکل سازه در مقاومت در برابر انفجار
شکل و هندسه سازه نقش مهمی در کاهش اثرات انفجار دارد. اشکال دایره‌ای یا محدب به دلیل انحنای خود، امواج انفجار را منحرف می‌کنند و فشار منعکس‌شده را کاهش می‌دهند. در مقابل، گوشه‌های تیز یا پیش‌آمدگی‌ها می‌توانند امواج انفجار را متمرکز کرده و فشار موضعی را افزایش دهند. استانداردهایی مانند UFC 3-340-02 توصیه می‌کنند که از هندسه‌های ساده و سطوح صاف برای کاهش تمرکز فشار استفاده شود.
نتیجه‌گیری
طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار نیازمند ترکیبی از مواد قوی، استراتژی‌های طراحی هوشمندانه، و توجه به هندسه سازه است. استفاده از بتن مسلح، UHPC، و فولاد، همراه با طراحی‌هایی که از فروپاشی پیشرونده جلوگیری می‌کنند، می‌تواند ایمنی سازه‌ها را به طور قابل توجهی افزایش دهد. همچنین، شکل‌های دایره‌ای یا محدب و اجتناب از گوشه‌های تیز نقش کلیدی در کاهش فشار انفجار دارند. مهندسان باید از استانداردهایی مانند UFC 3-340-02 و ASCE برای طراحی بهینه استفاده کنند. در مبحث 21 مقررات ملی نیز که با عنوان «پدافند غیرعامل» می باشد توصیه های بسیار خوبی برای مقاومت بهتر سازه و تاسیسات در برابر بارهای انفجار ارائه شده است.
