مقاوم‌سازی قاب‌های ساختمانی بتنی تحت بار انفجار با FRP

مقاوم‌سازی قاب‌های  بتنی تحت بار انفجار با FRP

بسیاری از سازه‌های موجود در مقابل بارهای ناشی از موج انفجار آسیب‌پذیر بوده و لذا می‌بایست مقاومت آن‌ها در برابر چنین بارهایی افزایش یابد. انفجار عبارت از آزاد شدن بسیار سریع انرژی به‌صورت نور، گرما، صدا و یک موج ضربه‌ای است. موج ضربه‌ای متشکل از هوای بسیار فشرده‌ای است که‌موج را به‌صورت شعاعی و با سرعت فراصوتی، از سطح ماده منفجره به سمت محیط اطراف منتشر می‌کند. با انبساط موج ضربه‌ای، فشارهای ناشی از ضربه نیز کاهش می‌یابند. زمانی که‌موج در مسیر انفجار به یک سطح مانع می‌رسد، منعکس می‌گردد، در نتیجه فشار ناشی از انفجار چند برابر می‌شود. خرابی ناشی از موج ضربه‌ای می‌تواند به دو صورت اثرات مستقیم ناشی از انفجار و اثرات ناشی از خرابی پیش‌رونده باشد.

برای استفاده صحیح و ایمن از انواع سازه‌های بتنی نیاز به ترمیم و مقاوم‌سازی امری ضروری می‌باشد که یک روش مؤثر و درعین‌حال اقتصادی برای مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی استفاده از صفحات FRP برای تقویت اعضا می‌باشد. سیستم‌های FRP برای مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی به‌طورجدی از اواسط دهه 1891 مورداستفاده قرارگرفته‌اند. مصالح FRP، مصالحی کامپوزیت شامل الیاف با مقاومت بالایی است که در یک زمینه پلیمری قرارگرفته‌اند. مصالح کامپوزیت به علت داشتن ضریب انبساط حرارتی متفاوت در دو راستای هم‌جهت با الیاف و عمود بر الیاف، تحت بارگذاری حرارتی نیز به‌صورت اورتوتروپیک عمل می‌کنند و بنابراین در اثر کرنش‌های حرارتی دچار خرابی نمی‌گردند. همچنین استفاده از این مصالح می‌تواند با افزایش مقاومت سازه باعث افزایش قابل‌توجهی در توانایی سازه در مقابل با انفجار و کاهش اثرات ترکش گردد. یکی دیگر از خواص این الیاف مقاومت کششی بسیار بالای آن می‌باشد و رفتار تنش کرنش این الیاف به‌صورت خطی تغییر می‌یابد.

پارامترهای انفجار

تحلیل‌های انفجاری سابقه‌ای در حدود چندین قرن دارد. در سال 1818 قانون 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 که پایه بسیاری از روابط انفجار می‌باشد. در اثر انفجار، فشار محیط، طی زمان کوتاه ورود انفجار Ta افزایش‌یافته و به حد بیشینه‌ای می‌رسد این مقدار حداکثر اضافه فشار Pso نامیده می‌شود اضافه فشار به وجود آمده به‌تدریج کاهش‌یافته و درنهایت فشار محیط بازمان عبور موج انفجار T0 که در شکل نیز نمایش داده‌شده به فشار اولیه خود بازمی‌گردد. به دنبال کاهش فشار، حالت مکش یا فشار منفی در محیط به وجود آمده و سرانجام فشار مجدداً به حالت عادی خود بازمی‌گردد، این روند ادامه یافته و فشار تبدیل به یک فشار منفی (مکش) شده و لذا فشار هوا به حد زیر فشار اتمسفر افت می‌کند پارامترهای نشان داده‌شده در شکل تابعی از قدرت مواد انفجاری، فاصله نقطه انفجار تا محل اندازه‌گیری و زاویه برخورد می‌باشد که به‌صورت تحلیلی و یا آزمایشگاهی به دست می‌آید.

هرچقدر فاصله مکان انفجار نسبت به سازه کمتر باشد اثرات تخریبی آن بیشتر است. برای دستیابی به معیاری جهت تعیین شدت این تخریب از پارامتر مقیاس Zg (فاصله مقیاس دار) برای محاسبه اثر انفجار استفاده می‌شود.

مدل‌سازی

سازه‌های موردبررسی در این پژوهش دارای دو دهانه و همچنین دوطبقه و چهار طبقه می‌باشد. مقطع ستون‌ها و تیرها در دو مدل با ابعاد 40*40 سانتی‌متر، فاصله دهانه‌ها 400 سانتی‌متر و ارتفاع طبقات 340 سانتی‌متر می‌باشد. آرماتور به‌کاررفته در ستون‌ها در دو مدل 6 عدد آرماتور به قطر 16 میلی‌متر و در تیرها 4 عدد آرماتور به قطر 20 میلی‌متر و همچنین خاموت های به‌کاررفته آرماتور به قطر 10 میلی‌متر با فواصل 15 سانتی‌متر می‌باشند؛ و همچنین مشخصات سایر مصالح به‌کاررفته در این پژوهش به‌صورت جداول زیر می‌باشد:

ویژگی مصالح

FRP: ماده مرکب به کار گرفته‌شده در این پژوهش از نوع FRP می‌باشد که دارای ضخامتی معادل0.05 سانتی‌متر می‌باشد و سایر مشخصات به‌صورت جدول زیر می‌باشد:

بتن

مقاومت فشاری بتن در این پژوهش 35 مگا پاسکال در نظر گرفته‌شده است. برای مدل‌سازی بتن در ناحیه پلاستیک و بررسی تخریب آن از مدل پلاستیک آسیب‌دیده بتن استفاده‌شده که در این مدل با استفاده از مفاهیم الاستیک آسیب‌دیده ایزوتروپیک و پلاستیک کششی و فشاری، رفتار غیرخطی بتن بیان می‌شود.

بارگذاری

بارگذاری انفجاری به دو پارامتر زمان و مکان بستگی دارد. در این پژوهش برای ساده‌سازی و کاهش زمان عملیات شبیه‌سازی رایانه‌ای مدل‌ها از وابستگی مکانی بارگذاری صرف‌نظر شده و توزیع فشار ناشی از انفجار به‌صورت یک فشار یکنواخت می‌باشد، همچنین فشار اعمالی هم‌ارز با فشار ناشی از 20 کیلوگرم TNT در فاصله 10 متری گوشه چپ قاب بتنی در نظر گرفته‌شده و تابع زمان به‌صورت مثلثی مطابق آیین‌نامه TM-855-1 بر روی وجوه مختلف قاب بتنی  اعمال‌شده است. بار سرویس اعمال‌شده به تیرها در مدل‌سازی kg/??2) 0.6) در نظر گرفته‌شده است.

تحلیل

برای تحلیل مدل‌ها از تحلیلگر صریح (Dynamic,Explicit) نرم‌افزار Abaqus استفاده‌شده است. در مواردی که هدف تحلیل دینامیکی مدل در زمان بسیار اندک موردنظر باشد، استفاده می‌گردد. در طی تحلیل رفتار قاب‌های بتنی برای مدت 0.02446 ثانیه در نظر گرفته‌شده است. برای تقویت مدل در این پژوهش، ستون‌ها در چهار حالت مختلف موردبررسی قرارگرفته‌اند، همان‌طور که در نتایج پژوهش مشخص می‌باشد، با افزایش مقدار FRP در دورپیچ نمودن ستون‌ها، میزان جابجایی، تنش و نیروی برشی به‌طور قابل‌ملاحظه ای کاهش پیداکرده است.

مدل‌های انجام‌شده در نرم‌افزار به‌صورت اشکال زیر می‌باشد که تعدادی از آن‌ها در تصاویر زیر قابل‌مشاهده می‌باشند:

نتیجه‌گیری

از بررسی رفتار قاب‌های بتن مسلح تقویت‌شده با ورق‌های FRP در برابر انفجار به‌وسیله نرم‌افزار المان محدود ABAQUS نتایج زیر قابل‌بیان می‌باشد:

– مقاوم‌سازی با استفاده از ورق‌های FRP تأثیر قابل‌توجه ای بر عملکرد رفتار سازه در برابر بار انفجار داشته و حداکثر جابه‌جایی، تنش و نیروی برشی را به‌صورت قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.

– استفاده از چیدمان‌های مختلف در مقابل بار انفجار مؤثر بوده و در کاهش جابه‌جایی، تنش و نیروی برشی مؤثر می‌باشد استفاده از صحت سنجی نتایج آزمایشگاهی می‌تواند بر روند نتایج تأثیرگذار واقع شود. –

– فاصله کم‌وزیاد مواد منفجره و همچنین مقدارماده منفجره در قاب بتنی می‌تواند بر نتایج حاصله تأثیرگذار باشد.

– با افزایش درصد دورپیچ نمودن FRP در طول ستون می توان مقدار جابه‌جایی را تا اندازه قابل‌توجهی کاهش داد، در حالتی که کل ستون به‌وسیله FRP دورپیچ شده، مقدار جابه‌جایی تقریبا برابر صفر می‌باشد.