رفتار دال‌های بتن‌آرمه مقاوم‌سازی شده با FRPتحت بارگذاری انفجاری

 

تحلیل‌های انفجاری سابقه‌ای در حدود چندین قرن دارد. تحلیل‌های ابتدایی که با روش‌های تقریبی انجام می‌گرفت به قرن‌های 13و 14میلادی بازمی‌گردد. در سال 1919قانون مقیاس برای انفجارهای ساده توسط هاپکینسون ارائه‌شده که پایه ریاضی نداشت ولی ازنظر کاربردی بسیار بااهمیت بود.
هوراس لمب ریاضیدان دانشگاه منچستر تحقیقات بسیاری را در مورد هیدرودینامیک و پدیده انتشار امواج انجام داد. تیلور دانشمندی بود که مطالعاتش بر روی دینامیک موج‌های انفجار ناشی از مواد منفجره نقش بسیار زیادی در پیشرفت مرکز تحقیقات وزارت دفاع بریتانیا در سال هایبین 1936تا 1950 داشت. اولین آئین‌نامه طرح‌شده در بارگذاری انفجاری بانام TM5-855-1در سال 1986توسط دپارتمان تحقیقات نظامی ارتش آمریکا برای سازه‌های مقاوم در برابر انفجارهای غیر اتمی تهیه شد. پس‌ازآن آئین‌نامه TR-87-57در سال 1989توسط بخش مهندسی نیروی هوایی آمریکا و آئین‌نامه -TM51300در سال 1990تهیه‌شده که جامعیت بیشتری داشته است. باترا و حسن به بررسی عددی پاسخ دال‌های بتن مسلح تحت بارهای انفجاری پرداختند. نتایج حاصل از مدل‌سازی نشان داد استفاده از ورق‌های کامپوزیتی مرکب با کائوچو باعث بهبود عملکرد دال و کاهش تغییر شکل‌ها و همچنین کاهش بروز ترک در دال می‌گردد. لاو و هائو قابلیت اطمینان دال‌های بتن مسلح در برابر بارهای انفجاری را با استفاده از مدل‌سازی عددی بررسی نمودند و نشان دادند که تأثیر انفجار بر روی عضو سازه‌ای پهنه وسیعی از شرایط را در برمی‌گیرد و قابلیت پیش‌بینی چندانی ندارد. بااین‌وجود در محدوده‌های خاصی از بار انفجار می‌توان وضعیت رفتار دال را پیش‌بینی نمود. مسلم نتایج مطالعات خود بر روی دال‌های بتن مسلح تقویت‌شده تحت اثر بار انفجار را گزارش کردند. با استفاده از مدل اجزا محدود پارامترهای مسئله ارزیابی‌شده و رفتار دال‌های بتن مسلح معمولی و دال‌های تقویت‌شده توسط صفحات CFRPموردبررسی قرار گرفت که کاهش 85درصدی فرکانس ارتعاش در دال‌های بتنی معمولی براثر بارگذاری انفجاری، در دال‌های تقویت‌شده تنها تا حد 50درصد می‌باشد. لوسیونی و لوئگ به بررسی رفتار دال‌های روسازی بتنی تحت بارهای انفجار پرداختند. هدف از انجام آزمایش سنجش میزان خرابی و ترک‌های احتمالی در روسازی‌های بتنی براثر بار شوک ناشی از انفجار در بالای آن بود. ژو و همکاران به ارزیابی پاسخ دال‌های بتنی در برابر بار انفجار پرداختند. در این بررسی پاسخ دال‌های بتنی با استفاده از مدل خرابی پلاستیک دینامیکی به دست آمد و صحت نتایج با مقایسه با مقادیر توصیه‌شده توسط استاندارد TM5-1300ارزیابی شد. وو و همکاران به بررسی آزمایشگاهی تأثیر بار انفجار بر روی دال بتنی تقویت‌شده توسط چند نمونه از الیاف صنعتی شامل NRC, FRP, UHPFCپرداختند. نتایج به‌دست‌آمده نشان داد که مقادیر به‌دست‌آمده در مرکز دال و لبه‌ها دارای تفاوت چشمگیری با روابط پیشنهادشده در استاندارد TM5-1300دارد. کیا و یانگ در تحقیقی تأثیر سرعت انهدام را در بهبود مقاومت دال‌های بتنی یک‌طرفه در برابر بار انفجار واقعی موردبررسی تجربی قراردادند. نتایج نشان داد مقاومت دال‌هایی که در یک‌طرف خود تقویت گردیده‌اند چندان تغییری نکرده ولی در دال‌هایی که در دو طرف خود تقویت گردیده بودند افزایش چشمگیری در مقاومت دال مشاهده شد.پاندی و همکاران خرابی محتمل صفحات نازک بتنی را در برابر بار انفجار را موردبررسی قراردادند. در این تحقیق اثر به زوال رسیدن مصالح منظور گردید و همچنین حالت خرابی جدیدی پیشنهاد شد و توسط نتایج حاصل از مدل‌های عددی به تائید رسید. ویرهیجم و همکاران به بررسی پاسخ دینامیکی دال‌های بتنی تحت بارهای جانبی و خرابی‌های محتمل آن پرداختند. در تحقیق یادشده روشی جهت پیش‌بینی اثرات مخرب بارهای انفجاری بر روی اعضای بتنی به دست آمد. نام و همکاران به ارزیابی رفتار دال‌های بتنی مقاوم‌سازی شده توسط GFRPدر برابر بارهای انفجاری پرداختند.
با استفاده از روش اجزاء محدود، مدل مصالح دارای نرخ کرنش بالا، رفتار دینامیکی دالمورد ارزیابی قرار گرفت. و نتایج با نتایج حاصل از تست‌های آزمایشگاهی پیشین مقایسه و تطابق مطلوبی مشاهده شد. همچنین تحقیقات متعدد دیگری بر روی رفتار دال‌های مسلح تحت بارگذاری انفجاری انجام‌شده است. تقویت و مرمت سازه‌ها از دیرباز یکی از زمینه‌های پویا در کارهای ساختمانی محسوب می¬شده است. ضرورت انجام تقویت از دو جنبه‌ی اساسی موردتوجه قرار می‌گیرد:

• افزایش ظرفیت باربری و یا بهبود شرایط بهره‌برداری بدون تغییر در آیین‌نامه‌ها
• تغییرات در آیین‌نامه‌ها و استانداردهای ساختمانی. یکی از مصالحی که در سال‌های اخیر جهت بهسازی و تقویت سازه‌های مختلف مورداستفاده‌ی فراوان قرارگرفته است.
• کامپوزیت‌های ( FRPپلاستیک-های مسلح به الیاف) می‌باشند. مزایای گوناگون این نوع کامپوزیت نظیر مقاومت بالا، وزن کم، سهولت نصب، مقاومت در مقابل خوردگی و ایجاد تغییرات جزئی در هندسه و شکل سازه‌های تقویت‌شده، باعث شده که این نوع الیاف در تقویت و مرمت انواع سازه‌ها به‌خصوص سازه‌های بتن‌آرمه به کار گرفته شوند. ازجمله مسائلی که در نصب کامپوزیت‌ها موردتوجه قرار می‌گیرد، فراهم نمودن بستری مناسب جهت اتصال کامپوزیت و سطح موردنظر می‌باشد. آماده‌سازی سطح بتن که خود شامل مراحل مختلفی است، باعث پیوستگی بیشتر در اتصال شده و گسیختگی را به تعویق می‌اندازد. استفاده از ورق‌های FRPبه‌صورت گسترده‌ای در مقاوم‌سازی اعضای بتن‌آرمه تحت بارهای انفجاری استفاده‌شده است. تحلیل پاسخ دینامیکی دال‌های بتن‌آرمه تحت اثر انفجار پیچیده می‌باشد. روش‌های اجزا محدود برای مدل‌سازی چنین رفتار قابل کاربرد است. اما دستیابی به‌دقت قابل‌قبول نیازمند صرف هزینه و زمان زیاد است. با توجه به تحقیقات صورت گرفته درباره نحوه تأثیر انفجار بر پاسخ دال بتنی به‌طورکلی در تحقیقات انجام‌شده همگی بر مبنای پاسخ کلی دال بحث کرده اندو در مورد چگونگی پاسخ قسمت‌های مشخص‌شده از دال و ایجاد تمرکز در نحوه پاسخ آن‌ها کمتر بحث نموده‌اند و هنوز خلاء تحقیقات وجود دارد که در این تحقیق سعی شده است که با استفاده از روابط موجود و با بررسی پارامترهای خاص بتوان عملکرد و پاسخ قسمت‌های مشخص‌شده و تعیین‌شده از سازه دال بتن مسلح تا در برابر بارهای انفجاری را موردمطالعه قرارداد.
  در این مقاله رفتار دال‌های بتن مسلح به‌صورت های دال‌های یک‌طرفه و دوطرفه که در ساخت‌وسازها کاربرد وسیع‌تری دارند، در برابر بارهای انفجاری بررسی می‌شوند. برای این منظور با استفاده از نرم‌افزار تخصصی ،ANSYS AUTODYNدال بتن مسلحی با یک دهانه به‌صورت یک‌طرفه و دوطرفه را تحت بارگذاری انفجاری، مورد تحلیل قرارداد و اثرات الگوهای انتشار امواج فشار انفجار را بر روی دال با ایجاد تغییرات در ضخامت دال، فاصله مواد منفجره و شماره میلگردهای مورداستفاده و همچنین مقاوم‌سازی در دال بررسی می‌گردد.
  .2مدل‌سازی
  برای مدل‌سازی از نرم‌افزار ANSYS AUTODYNاستفاده‌شده است. AUTODYNاز یک روش کوپل برای رسیدن به تحلیل بهینه بهره می‌برد. ازاین‌رو ، می‌توان با استفاده از این دیدگاه ، محیط‌های مختلف درگیر در مسئله مانند، سازه‌ها ، سیالات ، گازها و غیره را با استفاده از روش‌های مختلف عددی متناسب با هر دامنه مسئله مدل کرد . نرم‌افزار این دامنه‌های حل را باهم کوپل کرده و سپس همه را در یک دامنه زمانی حل می‌کند . این عامل باعث کارآمدی ویژه AUTODYNدر تحلیل مسائل برهم‌کنش و تماس می‌شود. کاربردهای ویژه این نرم‌افزار باعث شده تا در صنایع مختلف همچون صنایع دفاعی و نظامی ، صنایع هوا و فضا، فناوری هسته‌ای، حمل‌ونقل و … مورداستفاده گسترده قرار گیرد. ازجمله کاربری‌های این نرم‌افزار به‌غیراز کاربردهای گسترده در صنایع یادشده ، در طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و برخورد می‌باشد. این نوع سازه‌ها در نیروگاه‌ها، پالایشگاه‌ها ، صنایع شکل‌دهی پیشرفته و … به چشم می‌خورند. تاکنون هیدرو کدهای مختلف با کاربری‌های متفاوت به بازار ارائه‌شده‌اند. نرم‌افزار AUTODYNبه دلیل قدرت زیاد در حل مسائل با نرخ بالا و بسیار بالا و همچنین به خاطر گستردگی و در دسترس بودن، شاید بیشتر موردتوجه باشد. با توجه به این‌که این نرم‌افزار ابتدا صورت مستقل ارائه شد و سپس با گسترده‌تر شدن قابلیت‌های نرم‌افزار ANSYS Workbenchبه‌صورت یکی از نرم‌افزارهای عمل‌کننده تحت این برنامه درآمده است . نرم‌افزار فوق همچنین دارای حل گرهای متعددی است.
  نوع المان مورداستفاده برای بتن مسلح از نمونه المان 8گره‌ای، 6وجهی جامد که بانام اختصاری SOLID 65معرفی گردیده، مورداستفاده قرار می‌گیرد (شکل 1) این نوع المان دارای 8گره و در هر گره 3درجه آزادی در راستاهای X,Y,Zموجود می‌باشد. از این نوع المان جهت مدل‌سازی سه‌بعدی بتن مسلح مورداستفاده قرار می‌گیرد که جنبه مهم استفاده از این نوع المان در بهبود خواص بتن در حالت غیرخطی می‌باشد که قادر به بررسی حالات مختلف مواد بتن در تغییر شکل‌های پلاستیک و در تنش‌های کشش و فشار است.

 

جهت ایجاد رفتار دینامیکی غیرخطی بتن مدل‌های الاستو- پلاستیک زیادی وجود دارد، از قبیل مدل‌های ویلیام وارنکه، دراکر پراگر ، اما در اینجا از مدل مقاومتی بتن RHTبرای مدل‌سازی شکست فشاری و کششی در مدل‌سازی استفاده گردیده است. معیار گسیختگی در این مدل بر اساس مدل ویلیام وارنکه می‌باشد که یک مدل پلاستیسیته بسیار شکننده می‌باشد. در این روش منحنی تسلیم یک منحنی بسته، هموار و محدبی می‌باشد و شکل منحنی تسلیم برای مقادیر اولیه تنش‌های فشاری و نیز برای تنش‌های کششی مثلثی بوده و با افزایش تنش‌های فشاری به شکل دایره نزدیک‌تر می‌شوند (شکل 2)با انتخاب این مدل در ابتدای مدل‌سازی کل روند ایجاد رفتار آن به‌صورت دینامیکی می‌گردد. نوع مصالح مصرفی از نوع مدل مصالح استاندارد برای بتن با مقاومت فشاری 35مگا پاسکال از کتابخانه مصالح نرم‌افزار AUTODYNبرای توصیف رفتار بتن استفاده گردیده است

 

جهت ایجاد رفتار دینامیکی غیرخطی فولاد معیار گسیختگی در این مدل بر اساس مدل ون مایسز می‌باشد که بر این مبنا نرم‌افزار کلیه تنش‌های ایجادشده در رویه را از طریق تبدیل تنش به محورهای اصلی منتقل کرده و بر اساس رسم معیار ون مایسز تنش‌های خرابی در سیستم معین می‌گردد. نوع فضای تشکیل‌دهنده فضای اویلری در این تحقیق از نمونه هوا می‌باشد که معادله حالت تشکیل‌دهنده آن به‌صورت یک گاز کامل می‌باشد که از کتابخانه مصالح نرم‌افزار AUTODYNبرای توصیف رفتار گاز کامل استفاده گردیده است. همچنین نوع خرج انفجاری مصرفی از نوع مدل مصالح استاندارد برای TNTمی‌باشد. که با استفاده از فضای حالت جونز ویلکینز لی مدل‌سازی گردیده که به JWLنام‌گذاری گردیده است و از کتابخانه مصالح نرم‌افزار AUTODYNبرای توصیف رفتار این مدل استفاده گردیده است.

فیبرهای پلیمری تقویت‌شده(FRP ) از دو بخش الیاف و رزین تشکیل‌شده‌اند الیاف عضو بار پذیر سازه هستند و رزین‌ها به‌عنوان محیط منتقل‌کننده بار بین الیاف عمل می‌کنند. محصولات پلیمری مورداستفاده در سازه‌ها به شکل ورق‌های پلیمری ، میلگردهای پلیمری، مش‌های پلیمری و پروفیل‌های پلیمری وجود دارد. از این محصولات برای ساخت و تقویت سازه‌ها استفاده می‌شود. به‌طورکلی 4نوع الیاف بافته‌شده پلیمری وجود دارد که شامل الیاف کربن، شیشه، آرامید و بازالت می‌باشد.

 

صحت سنجی
به‌منظور اطمینان از صحت مدل‌سازی و تحلیل‌ها و با توجه به کمبود اطلاعات مربوط به آزمایش‌ها انفجار بر روی سازه، نتایج حاصل از یک‌چهارم مدل آزمایشگاهی اثر انفجار بر روی یک دال بتن مسلح بتنی با پوشش FRP موردبررسی قرارگرفته شده است . مشخصات هندسی مدل در شکل زیر مشاهده می‌شود.

 

درنهایت نتایج موجود در مقاله نسبت به نتایج به‌دست‌آمده در مدل‌سازی نرم‌افزار مورد مقایسه قرارگرفته است. با توجه به مشخصه پارامترهای مورداستفاده در مدل‌سازی، بررسی نتیجه حاصل از مقاله موردنظر بر مبنای تابع خرابی ناشی از اثر انفجار خرج TNTبر روی دال بتن مسلح می‌باشد. که بر همین مبنا معیار کلی جهت مقایسه صحت مدل‌سازی با نتیجه حاصل از مقاله موردنظر می‌باشد. (شکل 4) نتیجه تست آزمایشگاهی را نشان می‌دهد
که در (شکل 5) با آن مقایسه شده است. (شکل 6) نیز خیز دال را در دو حالت تست و مدل‌سازی مقایسه می‌کند. نتایج بیانگر تطابق خوب تست و مدل عددی می‌باشد.

 

مدل‌های عددی
در این تحقیق بر روی یک دال بتن مسلح به‌صورت یک‌طرفه و دوطرفه، هشت نوع مطالعه عددی صورت گرفته است. (جدول 3) مشخصات این نمونه‌ها را نشان می‌دهد. برای کلیه نمونه‌ها مقدار ماده منفجره به اوزان 11کیلوگرم و 165کیلوگرم که بر مبنای وزن 200پوندی و 3300پوندی بمب‌های FABروسیه می‌باشد در نظر گرفته خواهد شد و آنالیز انجام‌شده است. برای این هشت مدل هم دال بدون FRPو هم دال با FRPشبیه‌سازی انجام‌گرفته است. به‌عنوان‌مثال، مقایسه نتایج مدل چهارم در (شکل 7)با خرج انفجاری 11کیلوگرم قابل‌مشاهده است. همان‌طور که از (شکل 8) پیداست، ورق FRPنقش بسزایی در کاهش خیز ماکزیمم دال داشته است. همچنین برای بررسی اثر ضخامت FRPچندین مدل باضخامت‌های مختلف آنالیز شده است. به‌عنوان‌مثال در (شکل 9)مقایسه‌ای بین نتایج مدل با FRPباضخامت 1و 5میلی‌متر انجام‌شده است.
.5نتیجه‌گیری

تأثیر پارامترهای مقدار خرج انفجاری و همچنین فاصله خرج انفجاری تا سطح دال تأثیر بسیار زیادی در نحوه ایجاد تنش‌ها بر روی سطح دال خواهد

گذاشت به‌گونه‌ای که در مقایسه فواصل 0/5متری در دال‌های یک‌طرفه و یک متری در دال دوطرفه، دال‌های یک‌طرفه ظرفیت فشاری بیشتری را نسبت به دال‌های دوطرفه تحمل کرده و درنتیجه قابلیت باربری بیشتری درزمینهٔ پایداری در برابر فشار ضربه انفجار دارا می‌باشند. همچنین با توجه به ضرایب کنترل‌کننده آنالیز ازجمله تعداد سیکل‌های دینامیکی و یا ضریب انرژی در سیستم، ضرایب خرابی تعریف‌شده در مدل‌های موردمطالعه، در مدل دال‌های دوطرفه بیشتر قابل‌مشاهده‌تر می‌بودند به دلیل اینکه بیشتر قطع آنالیزها در این زمان از خرابی اتفاق می‌افتاد بدون اینکه سیکل خرابی به انتها برسد. تأثیر وجود صفحات پلیمری بر روی سطوح دال یک‌طرفه و دوطرفه چه به‌صورت یک‌لایه و چه به‌صورت دولایه خیلی زیاد می‌باشد به‌گونه‌ای که وجود صفحات پلیمری از یک‌لایه به دولایه در دال یک‌طرفه باعث افزایش مقاومت تنش در دال در حدود 7برابر می‌گردد که همچنین این تغییر لایه‌های پلیمری در دال‌های دوطرفه باعث افزایش مقاومت تنش در حدود 2برابر می‌گردد که به‌طورکلی وجود این صفحات پلیمری باعث کاهش میزان جابجایی در دال‌های بتن مسلح می‌گردد. همچنین برای بررسی اثر ضخامت FRPچندین مدل باضخامت‌های مختلف آنالیز شده است.
نتایج نشان می‌دهد افزایش ضخامت FRPدر کاهش میزان خرابی، افزایش مقاومت خمشی، افزایش سختی و درنتیجه کاهش خیز دال بسیار مؤثر است. اما نکته مهم این است که بررسی‌های انجام‌شده نشان می‌دهد افزایش ضخامت FRPتا حد معینی این آثار را به دنبال دارد و پس‌ازآن حد، افزایش ضخامت FRPهیچ تأثیری ندارد.

 

این مقاله به همت ایمان منصوری و امیر یونسی تهیه شده است