استفاده از GFRP در مقاوم سازی سازه های مترو در برابر بارهای انفجاری

مقاوم سازی سازه های مترو

با توجه به آسیب‌هایی که از طرق مختلف به سازه‌های بتن آرمه وارد می‌شوند، روش‌های مختلف مقاوم‌سازی این سازه‌ها روز به روز گسترش می‌یابد. از جمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از غلاف‌ها یا ژاکت‌های بتن آرمه، غلاف‌های فولادی، ورق‌های فولادی و ورق‌های FRP اشاره نمود.

استفاده از ورق‌های Fiber reinforced polymer) FRP) روشی نوین است که به دلیل خواصی چون نسبت بالای مقاومت به وزن، مقاومت مناسب در برابر خوردگی و حملات شیمیایی، سهولت حمل و نصب به دلیل انعطاف‌پذیری فوق‌العاده آن‌ها و عدم افزایش ابعاد المان‌ها، گسترش یافته است.

در گذشته جهت تقویت یا بهسازی سازه‌های موجود به منظور تحمل بار بیشتر یا برطرف کردن ضعف سازه و یا افزایش شکل‌پذیری عموماً از مصالح سنتی استفاده می‌گردیده است که با معرفی مواد مرکب در مهندسی عمران این مصالح با داشتن ویژگی‌های مکانیکی مناسب، گزینه مناسبی برای بهسازی شدند .مواد مرکبی که در مهندسی عمران بکار می‌روند به صورت پلیمرهای مصلح با الیاف FRP می‌باشند. FRP ها مصالحی سبک، با دوام و مقاوم هستند که امروزه به راحتی در دسترس قرارگرفته‌اند .ضخامت نسبتاً نازک ورق‌های FRP کاربرد آنها را بسیار ساده نموده و قابلیت اعمال بر روی اکثر سطوح را امکان‌پذیر می‌نماید.  لازم به ذکر است که مانند هر مصالحی FRP ها دارای نقاط ضعفی نظیر حساسیت در مقابل آتش و ضعف در تحمل تنش‌های فشاری می‌باشد.

استفاده از سیستم‌های FRP برای بهسازی و تقویت سازه‌های بتنی از اواسط دهه 80 میلادی در اروپا و ژاپن آغاز شد .در این 25 سال کاربرد این روش تنها به سازه‌های بتنی محدود نمانده و برای انواع سازه‌های بنایی، چوبی و فولادی بکار رفته است .

تاکنون پژوهش‌های نظری و آزمایشگاهی بسیاری بر روی مصالح و بارهای انفجاری انجام شده است. امروزه با گسترش تأسف‌بار حملات تروریستی، تحلیل و طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار نیز توسعه یافته است و آئین‌نامه‌های متعددی توسط مراجع مختلف برای تحلیل و طراحی انفجاری ارائه شده است .از طرفی با پیدایش مصالح نوین، گسترش کاربرد آن‌ها در مهندسی عمران و کاربری مناسب آن‌ها در بهسازی سازه‌های موجود، چشم‌انداز جدیدی در جهت مقابله با این وقایع فراهم شده است.

به‌کارگیری روش چیدمان‌های نواری در مقابل پوشش کامل دیوار بر عملکرد رفتار سازه در برابر بار انفجار مؤثر بوده موجب کاهش در میزان تغییر مکان بیشینه و نشانه خسارت می‌شود .تحلیل‌های انفجاری سابقه‌ای در حدود چندین قرن دارد .تحلیل‌های ابتدایی که با روش‌های تقریبی انجام می‌گرفت به قرن‌های 13 و 14 میلادی باز می‌گردد.

در یکی از این پژوهش‌ها، رفتار دال بتنی تحت اثر بار انفجار بررسی شده است. ابتدا به صورت آزمایشگاهی دال بتنی تحت اثر بار انفجاری قرار داده شد و سپس نتایج بدست آمده با مدلسازی توسط نرم‌افزار Ansys و Abaqus مقایسه و پس نمایش صحت مدلسازی کوشیدند رابطه‌ای بین قطر حفره ناشی از انفجار، وزن مواد منفجره و محل انفجار ارائه نمایند و در پایان مقایسه‌ای بین مدل‌ها و نرم‌افزارهای استفاده ‌شده انجام داده و در هر مورد نقاط ضعف و قوت آن‌ها را تشریح نمودند. فیوض و همکاران نیز رفتار سازه‌های فولادی و بتنی را با شکل‌ها و شرایط مختلف تحت اثر بارگذاری انفجاری مورد بررسی قرار داده‌اند و تأثیر شکل و سایر ویژگی‌ها را بر روی عملکرد سازه برای هر دو نوع فولادی و بتنی به وسیله نرم‌افزار المان محدود Abaqus شبیه‌سازی و مقایسه نموده‌اند و عملکرد سازه‌های بتنی را در حالت کلی مناسب‌تر گزارش کرده‌اند.

نگارندگان این پژوهش نیز مقاوم‌سازی دیوارهای بتنی با انواع ورق‌های FRP در ضخامت‌های متفاوت را در مقابل بار انفجار مورد بررسی قرار داده و تأثیر مقاوم‌سازی با استفاده از این ورق‌ها را بر کاهش تغییر مکان بیشینه، نشانه خسارت و تنش در میلگردهای داخل بتن را در برابر بار انفجاری مناسب ارزیابی کرده که در این میان به کارگیری ورق‌های کربنی در مقایسه با ورق‌های شیشه و آرامید مناسب‌تر گزارش شده است.

این پژوهش به بررسی کارایی استفاده از مصالح مرکب بر عملکرد دیوارهای بتنی در برابر انفجار پرداخته است. بدین صورت که دیوار بتنی مقاوم‌سازی شده با پلیمرهای مسلح با الیاف شیشه‌ای (GFRP) تحت اثر بار انفجاری قرار گرفته است.

با توجه به مطالب بیان شده، جهت بررسی اثر GFRP ها بر سازه‌های مترو با استفاده از نرم‌افزار اجزاء محدود Abaqus، تأثیر این ورق‌ها مورد بررسی قرار گرفته است.

مدل عددی

در این مدل عددی با استفاده از نر‌م‌افزار اجزاء محدود سه‌بعدی Abaqus، یک مدل تونل مترو بتنی با مقطع مستطیلی در نظر گرفته شده است. این مدل با ورق GFRP پوشانیده شده است و در داخل زمین و در حجمی از خاک قرار دارد. در بالای این حجم خاک، بار ترافیک ناشی از وسایل نقلیه وجود دارد. همچنین در این مدل بار انفجاری بر روی سطح خاک وارد می‌شود و خاک و سازه مترو را تحت تأثیر خود قرار می‌دهد. این مدل عددی دارای ابعاد 5.5 متر و به ضخامت 0.4 می‌باشد که داخل حجم خاکی به ابعاد 25 در 15 متر قرار دارد و فاصله آن از سطح زمین 5، 7.5 و 12.5 متر متغیر می‌باشد. جنس خاک از مصالح ماسه می‌باشد و جنس سازه مترو از بتن. شکل 1 نشان دهنده بار انفجار وارده بر روی سقف سازه پوشیده شده از ورق شیشه‌ای می‌باشد.

شکل 1 : نمایی از مدل

مصالح خاکی

در تحقیق حاضر از ماسه به عنوان مصالح خاکی استفاده شده است. مشخصات این خاک مطابق جدول زیر در نظر گرفته شده است.

جدول 1 : خصوصیات مصالح خاکی

بتن

مقاومت فشاری بتن در پژوهش 35 مگا پاسکال در نظر گرفته شده است. برای مدلسازی بتن در ناحیه پلاستیک و بررسی تخریب در آن از مدل خسارت مومسانی بتن استفاده شده است. مقادیر تنش و کرنش پلاستیک مورد نیاز در این مدل از گزارش نتایج پژوهش‌های آزمایشگاهی پیشین گرفته شده است. مشخصات مورد استفاده برای مدل‌سازی بتن در جدول 2 ارائه شده است.

جدول 2 : مقادیر تنش و کرنش پلاستیک بتن در کشش و فشار

ویژگی مصالح

ماده مرکب به کار گرفته شده در این پژوهش GFRP است. به منظور بررسی اثر تغییر ضخامت بر پارامترها، ضخامت ورق‌های GFRP در نظر گرفته شده 1،2 و 3 میلی‌متر است. مشاهده می‌شود که نامگذاری این ورق‌ها بر اساس وزن واحد سطح آن‌ها صورت گرفته است و همچنین مقاومت کششی نهایی و مدول کششی الیاف شیشه در جدول 3 مشاهده می‌شود.

جدول 3 : مشخصات فیزیکی و مکانیکی ورق های GFRP

بارگذاری

بارگذاری انفجاری به دو پارامتر زمان و مکان وابسته است. در این پژوهش برای ساده‌سازی و کاهش زمان عملیات شبیه‌سازی رایانه‌ای مدل‌ها از وابستگی مکانی بارگذاری صرف‌نظر شده و تنها به توزیع زمانی بار پرداخته شده است. به سخن دیگر، توزیع فشار ناشی از انفجار به صورت یک فشار یکنواخت ولی تابع زمان بر روی سطح خاک اعمال شد. این امر را می‌توان با استناد به آیین‌نامه انفجار انجمن ساخت سازه‌های فولادی آمریکا مورد قبول دانست. بر طبق این آیین‌نامه، اگر فواصل محل انفجار تا سازه از نصف کوچک‌ترین بعد سازه بیشتر شود می‌توان با فرضی مناسب فشار وارده بر سازه را به صورت یکنواخت در نظر گرفت. در این مطالعه فشار اعمالی هم ارز با فشار ناشی از انفجار 95 کیلوگرم TNT در فاصله 5، 7.5 و 12.5 متری از سازه در نظر گرفته شده است. فشار وارده در طول زمان کل 0.2 ثانیه اعمال شده که در جدول 4 نمایش داده شده است.

جدول 4 : دامنه زمانی بارگذاری مدل و فشار وارده

شکل 2 نشان دهنده دیاگرام بار انفجار وارده می‌باشد.

شکل 2 : نمودار تاریخچه بار انفجاری

برای تحلیل مدل‌ها از تحلیلگر صریح (Explic it) نرم‌افزار Abaqus استفاده شده است. از این تحلیل‌گر در مواردی که هدف، تحلیل دینامیکی مدل در زمان بسیار اندک مورد نظر باشد، استفاده می‌گردد. در طی تحلیل رفتار الیاف شیشه‌ای و سازه مترو برای مدت 0.5 ثانیه (20 گام) ثبت گردیده است. بیشینه پارامترهای مورد نظر در هر مدل محاسبه و با یکدیگر مقایسه شده است. در شکل 3 نمایی از مدل پس از پایان تحلیل نشان داده شده است.

شکل 3 : از مدل پس از پایان تحلیل نشان داده شده است.

بررسی تأثیر افزایش ضخامت GFRP بر روی سازه :

در این قسمت تأثیر ضخامت GFRP بر پاسخ سازه موردنظر بوده است.

الف) در این بررسی GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 میلی‌متر روی سقف سازه در فاصله 5 متری از محل انفجار قرار گرفته است. حداکثر جابه‌جایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 4 نمایش داده شده است.

ب) در این بررسی GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 میلی‌متر روی سقف سازه در فاصله 7.5 متری از محل انفجار قرار گرفته است. حداکثر جابه‌جایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 5 نمایش داده شده است.

ج) در این بررسی GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 میلی‌متر روی سقف سازه در فاصله 12.5 متری از محل انفجار قرار گرفته است. حداکثر جابه‌جایی نقطه میانی سقف سازه در شکل 6 نمایش داده شده است.

شکل 4 : نمودار جابه‌جایی با ورق شیشه‌ای در فاصله 5 متری از انفجار

همان‌طور که در شکل 4 مشاهده می‌شود پس از گذشت 0.05 ثانیه از آغاز انفجار، جابه‌جایی نقطه وسط سقف سازه با افزایش ضخامت GFRP کاهش داشته است. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 به ترتیب 5.27، 4.5 و 4.38 و حداکثر جابجایی نیز به ترتیب 10.1، 9.6 و 9.4 میلی‌متر است.

شکل 5 : نمودار جابه‌جایی با ورق شیشه‌ای در فاصله 7.5 متری از انفجار

همان‌طور که در شکل 5 مشاهده می‌شود با افزایش GFRP و افزایش فاصله انفجار تا سازه، جابجایی نقطه وسط سازه پایین آمده است. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 به ترتیب 4.27، 4.58 و 4.41 و حداکثر جابجایی نیز به ترتیب 9.5، 9.2 و 8.7 میلی‌متر است.

شکل 6 : نمودار جابه‌جایی با ورق شیشه‌ای در فاصله 12.5 متری از انفجار

همان‌طور که در شکل 6 مشاهده می‌شود با افزایش عمق، سازه دیرتر دچار جابجایی می‌شود اما تأثیر قابل‌ملاحظه‌ای در جابجایی نقطه روی سازه ندارد و همچنین با افزایش ضخامت GFRP مشاهده می‌شود که مقدار جابجایی رو به کاهش است. میانگین جابجایی این نقطه از سازه برای GFRP با ضخامت 1، 2 و 3 به ترتیب 3.40، 3.45 و 3.23 و حداکثر جابجایی نیز به ترتیب 8.8، 8.6 و 8.3 میلی‌متر است.

نتیجه‌گیری

مدل ارائه شده در این تحقیق به بررسی اثر GFRP بر کاهش بار انفجار و میزان خرابی سازه، می‌پردازد و با توجه به تحلیل‌های صورت گرفته، نتایج زیر حاصل می‌گردد :

1. مقاوم‌سازی با استفاده از ورق‌های GFRP بر عملکرد سازه در برابر بار انفجار مؤثر بوده و در کاهش مقادیر جابجایی نیز تأثیر مثبت دارد.
2. با افزایش فاصله سازه تا مرکز انفجار، در کاهش مقادیر جابجایی تأثیر مثبت دارد، اما تأثیر قابل توجهی در جابجایی ندارد و به صرفه نیست.

لازم به ذکر است که نتایج حاصله مربوط به خصوصیات ذکر شده است و با تغییر خصوصیات مصالح ممکن است نتایج حاصل نیز تغییر نماید و البته استفاده از آزمایش‌های تجربی می‌تواند ضمن تأیید صحت این مدلسازی، در شناسایی خطاهای احتمالی مفید واقع شود.

منابع

1. بهزاد جلیلی قاضی‌زاده، سید مجتبی موحدی، «مقاوم‌سازی سازه‌های مترو با استفاده از ورق‌های شیشه‌ای در مقابل بارهای انفجاری»، International Conference on researches in Science and Engineering، 2017.
2. علیرضا رهایی، سعید نعمتی، 1383 ، ” ارزیابی عملکرد و روش‌های مقاوم‌سازی سازه‌های بتنی ” ، انتشارات فدک ایساتیس.
3. محیا فاضلی پور، محمدرضا توکلی زاده « بررسی اثر چیدمان ورق‌های GFRP در مقاوم‌سازی دیوارهای بتنی در برابر بار انفجار»، ششمین کنگره ملی مهندسی عمران 6 و 7 اردیبهشت 1390 ، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران.