روشهای مقاوم سازی سازه های زیرزمینی در برابر انفجار

روش های مقاوم سازی سازه های زیرزمینی

در برابر انفجار

با استفاده از روش تحلیل سلسله مراتبی AHP

1. اهمیت عملکردهای مراکز حیاتی

بند 11 ماده 121 قانون برنامه پنج ساله چهارم توسعه کشور

رعایت اصول پدافند غیرعامل در طراحی و اجرای طرحهای حساس و مهم و یا در دست مطلاعه و نیز تاسیسات زیربنایی و ساختمانهای حساس و شریانهای اصلی و حیاتی کشور و آموزش عمومی مردم توسط دستگاه های اجرایی موضوع ماده (160) این قانون به منظور پیشگیری و کاهش مخاطرات ناشی از سوانح طبیعی.

آیین نامه اجرایی بند 11 ماده 121 قانون برنامه پنجسلاه چهارم توسعه کشور:
ماده 1 – در آئین نامه اصلاحات زیر در معانی مشروح مربوط بکار برده می شوند:
الف) پدافند غیرعامل: مجموعه اقدامات غیر مسلحانه ای که موجب کاهش آسیب پذیری نیروی انسانی، ساختمانها و تاسیسات، تجهیزات و شریانهای کشور در مقابل عملیات خصمانه و مخرب دشمن می گردد.
ب) مراکز تحت پوشش: کلیه تاسیسات زیربنایی، ساختمانهای حساس و شریانهای اصلی و حیاتی کشور اعم از آنکه در دست مطلاعه، اجرا و یا در حلا بهره برداری می باشند و احتملا حملات نظامی دشمن علیه آنها وجود دارد به شرح زیر سطح بندی می شود:
ب-1مراکز حیاتی: مراکزی که دارای گستره فعلایت ملی می باشند و وجود و استمرار فعلایت آن برای کشور حیاتی است و آسیب یا تصرف آنها بوسیله دشمن باعث اختللا کلی در اداره امور کشور می گردد.
ب-2مراکز حساس: مراکزی که دارای گستره فعلایت منطقه ای می باشند و وجود و استمرار فعلایت آنها برای مناطقی از کشور ضروری است و آسیب یا تصرف آنها بوسیله دشمن باعث بروز اختللا در بخش های گسترده ای از کشور می گردد.

ب-3مراکز مهم: مراکزی که دارای گستره فعلایت محلی می باشند و وجود و استمرار فعلات انها باری بخشی از کشور دارای اهمیت است و آسیب یا تصرف آنها بوسیله دشمن باعث بروز اختللا در بخشی از کشور می گردد.

با توجه به اهمیت عملکردهای حیاتی و راهبردی نظیر مراکز داده، مراکز مخابراتی، مراکز صنعتی با اهمیت، مراکز کنترل و فرماندهی و پناهگاه های ویژه در ایجاد امنیت و پایداری ملی در زمان جنگ، ایجاد سازه های زیرزمینی برای این عملکردها امری اجتنابناپذیر است.

در طراحی سازه های مراکز زیرزمینی، معمولاً یک تهدید را به عنوان تهدید مبنا در نظر میگیرند و بارگذاری آنها را بر اساس این تهدید انجام میدهند. با افزایش قدرت نفوذ و تخریب سلاحهای دشمن، ممکن است سازه های موجود دارای مقاومت کافی در برابر این سلاحها نباشند. در این حلات مقاوم سازی میتواند گزینهی مناسبی باشد.

مسئله ی اصلی پژوهش حاضر این است که انواع روش های مقاوم سازی سازه های امن زیرزمینی به صورت مدون و جامع ذکر نشده و بهترین روش نیز بیان نشده است. در این زمینه، هویدافر در سلا 1386 به بررسی ورودی و خروجی پناهگاه ها، پیشگیری از ورود امواج انفجار به درون پناهگاه پرداخته و ملاحظاتی برای طراحی ورودی پناهگاه ها ارایه نموده است بیطرفان در سلا 1390، پژوهشی بر روی ورودی فضاهای امن زیرزمینی انجام و 17 لاگو برای ورود امن به فضاهای زیرزمینی پیشنهاد داده است

در زمینهی فضاهای زیرزمینی میتوان به تحقیقات استرلینگ(Sterling )اشاره نمود. در این تحقیقات بیشتر شاخص سازی ورودیها مدنظر قرار گرفته و در انتها لاگوهاییبرای ورود از سطح زمین به فضای زیرزمینی ارایه شده است

حسینی نیز در سالال 1390 از مدلسازی لامان محدود برای ارزیابی میزان کاهش اثر انفجار در ورودیها استفاده نموده است. همانگونه که بیان شد در هیچ یک از پژوهشهای گذشته به بررسی روش های مقاوم سازی سازه های زیرزمینی در برابر تهدیدات پرداخته نشده است؛ بنابراین هدف اصلی این تحقیق شناسایی و ارایه ی شاخص هایی برای ارزیابی تاثیرگذاری هر یک از روش های مقاوم سازی فضاهای امن زیرزمینی است. در این مقلاه ابتدا روش اجرای تحقیق توضیح داده شده؛ سپس شاخص های تاثیرگذار بر روی روش های مقاوم سازی فضاهای امن زیرزمینی استخراج و رتبه بندی شده است. در ادامه هر یک از این روش ها با توجه به شاخص های در نظر گرفته شده با یکدیگر مقایسه و وزن تاثیرگذاری هر یک تعیین شده است.

2. چگونگی اجرای مدل ارزیابی و تحلیل نتایج

در این پژوهش برای ارزیابی روش های مقاوم سازی فضاهای امن زیرزمینی ابتدا انواع روش های مقاوم سازی با استفاده از منابع کتابخانهای شناسایی و سپس با مصاحبه با افراد خبره در زمینه ی سازه، مدیریت ساخت و تونل، تمامی محورهای مطرح برای ارزیابی روش های مقاوم سازی سازه های زیرزمینی در برابر تهدیدات ناشی از انفجار، استخراج شده است. در ادامه برای نظرسنجی از خبرگان، پرسشنامهای برای وزندهی به شاخص های موثر و امتیازدهی به هر یک از روشها برای 22 کارشناس در زمینه های سازه، مدیریت ساخت و پدافند غیر عامل تهیه شده است (جدول 1)

سپس با به کارگیری روش تصمیم گیری گروهی بر اساس لاگوی مقایسه ی زوجی، درجهی ضرورت وجودی هر یک از شاخص ها و همچنین روشها در قلاب یک مقیاس نهتایی لیکرت(معادل 1 تا 9 )بدست آمده است. سپس درخت سلسله مراتب تصمیم در سه سطح زوجی گزینه ها تشکیل و ضمن استخراج اولویت ها و تعیین وزن نهایی گزینه ها، شش روش مقاوم سازی در نرمافزار Choice Expert با یکدیگر مقایسه و گزینه ی بهینه تعیین شده است. برای اعتبارسنجی پرسشنامه ها از آزمون آلفای کرون باخ استفاده شده است آلفای کرون باخ نتایج پرسشنامه های پر شده توسط جامعه ی خبرگان این پژوهش 77.67 درصد است که از حد 75 درصد بالاتر و قابل قبول است. همچنین برای صحتسنجی ماتریسهای زوجی در هر پرسشنامه، سازگاری آنها محاسبه و ماتریسهای با سازگاری بیشتر از 0.1 حذف و ماتریسهای با سازگاری کمتر از 0.1 در این پژوهش به کار برده شده است.

روش سلسله مراتبی AHP اولین بار توسط ساعتی(Saaty )ارایه شده است .این روش شامل سه کارکرد اصلی ساختاردهی به پیچیدگی، سنجش بر مبنای مقیاس نسبی و ترکیب است. کاربرد اصلی این روش در محاسبهی اهمیت نسبی مجموعهای از گزینهها در یک تصمیم گیری چند معیاره است. با بهرهگیری از این روش میتوان معیارها و شاخص های کیفی را به صورت معیارهایی کمی ارایه نمود .روش AHP از سه بخش اصلی ساختار مدل، داوری تطبیقی از گزینهها و معیارها و در نهایت ترکیب اولویتها تشکیل شده است .از پژوهشهای مهمی که اخیراً با این روش انجام شده است، میتوان به موارد زیر اشاره نمود:

• مدینکینه (Medineckiene )و همکاران در سلا 2010 از روش AHP در ارزیابی ساختمانهای پایدار استفاده کردند
• پودوزکو (Podvezko )و همکاران از روش AHP برای ارزیابی قراردادهای ملای استفاده کردند.
• سیویلویکیس (Sivilevicius )از این روش برای مدلسازی سامانهی حمل و نقل و ارزیابی فناوریهای نوین بهره گرفته است .
• فولادگر و همکاران از AHP برای اولویتبندی راهبردها بهره گرفته اند

اولین مرحله در فرایند تحلیل سلسله مراتبی، تجزیه مسئله به ساختار سلسله مراتبی شامل هدف، معیارها، زیرمعیارها و گزینه ها است. این عوامل تصمیمگیری یک ساختار سلسله مراتب شامل هدف در بالاترین نقطه، معیارها در وسط و گزینه ها در پایینترین نقطه ایجاد میکند. در مرحله ی دوم با استفاده از ساختار ایجاد شده، مقایسه های زوجی بین عناصر توسط تصمیم گیرندگان انجام میشود. ساعتی برای امتیازدهی قضاوتی بین دو عنصر مقیاس 1 تا 9 را بر اساس جدول 2 پیشنهاد میکند. با توجه به جدول 2، هر چه شدت اهمیت بیشتر شود، امتیاز اختصاص داده شده نیز افزایش مییابد.

در این مرحله تصمیم گیرندگان در هر بار قضاوت دو عنصر را نسبت به عنصر سطح بالفاصله بالاترشان مقایسه کرده و امتیازی را بر اساس جدول 2 برای میزان برتری گزینهی اول بر دوم ارایه میکنند. در سومین بخش فرآیند، تشکیل ماتریسهای توافقی بر اساس دادههای جمعآوری شده در مرحله ی پیشین به عنوان مقدمه ی محاسبه ی وزنها انجام میشود.

3. انواع روش های مقاوم سازی در سازه های امن زیرزمینی

روش هایی که برای مقاوم سازی سازهها وجود دارند، بسیار متنوع هستند. اما برخی از این روشها فقط برای سازه های خاص هستند؛ به عنوان مثلا با توجه به اینکه مقاومت کششی و فشاری فولاد تقریباً با هم برابرند، نمیتوان از الیاف P برای تقویت سازه های فولادی که اغلب دارای مقطع متقارن هستند، استفاده نمود. در این تحقیق، روش های مقاوم سازی قابل استفاده در سازه های زیرزمینی به شرح زیر مورد بررسی قرار گرفته است:

• استفاده از دال های انفجاری-A1
• ایجاد حفرههایی به عنوان تله ی انفجاری-A2
• استفاده از موجگیرها و خم-A3
• استفاده از میراگرها-A4
• استفاده از الیاف پلیمری-A5
• استفاده از مصالح پلی استایرن-A6

1-3. استفاده از دال های انفجاری

یکی از روش های پرکاربرد مقاوم سازی سازه های زیرزمینی استفاده از دال های انفجاری است. این روش معمولاً برای سازه هایی که به روش کند و پوش اجرا میشوند، به کار برده میشود

در این روش دال های بتنی مسلح پیش ساختهای را در عمق کم از سطح زمین (در حدود 1 متر) قرار میدهند. هنگامی که موشک نفوذکننده با این دالها که ممکن است در چند ردیف اجرا شده باشند، برخورد نماید به سبب مقاومت بالاتر نسبت به خاک و سنگ، نفوذ موشک را کاهش میدهد. در این روش به دلیل برداشت خاک از سطح زمین امکان شناسایی فضاهای زیرزمینی به شدت افزایش مییابد

2-3. ایجاد حفره هایی به عنوان تله ی انفجاری

موشکهای نفوذکننده، پس از نفوذ در خاک، هنگامی که به یک فضای خلای برسند، عمل میکنند. در این راستا میتوان با ایجاد حفرههایی به عنوان تله، پیش از رسیدن موشکها به فضای مورد نظر سبب انفجار آنها شد .از مهمترین معایب این روش میتوان به هزینه ی بالای آن اشاره نمود.

3-3. استفاده از موجگیرها و خم

برای پیشگیری از ورود امواج انفجار و کاهش اثرات آن از فضایی به فضای دیگر در سازه های زیرزمینی میتوان تونل های را به صورت تو در تو و با زوایای مختلف ایجاد نمود که در صورت انفجار، امواج کمتری به تونلهای قسمت های دیگر وارد شود. جدول 3 ،اثر انفجار در یک تونل نسبت به تونل دیگر را نشان میدهد.

4-3. استفاده از میراگرها

یکی از روش های کاهش نیروهای جانبی ناشی از زلزله یا نیروهای حاصل از انفجار استفاده از میراگرها است. در حین زلزله یا انفجار انرژی زیادی به دو صورت جنبشی و پتانسیل (کرنشی) به سازه وارد میشود. این انرژی به طریقی جذب یا مستهلک میشود. اگر سازه فاقد میرایی باشد ارتعاش آن پیوسته خواهد بود؛ اما به دلیل وجود میرایی در مصالح، ارتعاش کاهش مییابد. انرژی ورودی (برحسب ژول)به سازه به صورت های معرفی شده در گزارهی (1)تبدیل میشود:

E = E k + Es + Eh + Ed          گزاره 1

در گزارهی(1 )E انرژی ورودی، Ek انرژی جنبشی، ES انرژی کرنشی قابل برگشت در محدودهی کشسان، Eh انرژی تلف شده به واسطهی تغییر شکلهای غیر کشسان و Ed انرژی مستهلک شده به واسطهی میراگر الحاقی است.

فلسفه ی استفاده از میراگرها افزایش Ed است تا انرژیی که به دیگر اجزا میرسد، کاهش یابد .در معماری فضاهای امن زیرزمینی با توجه به اصل پراکندگی، فضاها را به صورت مجزا ( اما متصل به هم) در نظر میگیرند. در این حلات اگر در یک بخش به سبب انفجار بمبهای نفوذی، تخریبی صورت گیرد، این خرابی به قسمتهای دیگر نیز سرایت میکند. بدین منظور از درز انقطاع بین بخشهای مختلف استفاده میشود.

این انفجار میتواند از طریق خاک یا سنگهای پیرامون به بخشهای دیگر سازهی زیرزمینی انتقلا یابد. برای حل این مشکل نیز میتوان از میراگرها در بین سازه و دیوارهای سنگی تونل استفاده نمود یا اینکه درون تونل یک سازهی فلزی دیگر احداث نمود و آن را با استفاده از میراگرها به بدنهی اصلی تونل متصل نمود. این روش در مرکز کنترل و فرماندهی نوراد استفاده شده است (شکل 1)

میراگرها بر اساس عملکرد آنها به انواع اصطکاکی، فلزی(جاری  شونده)، ویسکوز، ویسکوالاستیک، آلیاژهای حافظه دار شکلی(SMA ) و میراگرهای جرمی دسته بندی میشوند

5-3. استفاده از الیاف پلیمری

الیاف پلیمری به سه دسته تقسیم میشوند:

• الیاف کربن: این الیاف در سازه های دارای محدودیت وزن و نیازمند مقاومت بالا به کار برده میشود. به همین سبب، الیاف کربن در صنعت هوافضا بیشترین استفاده را دارد.

• الیاف شیشه: سیلیکا اساس انواع شیشههای تجاری است. این الیاف دارای انواع مختلفی است که هر کدام خصوصیات مربوط به خود را دارد؛ اما در هر صورت دارای مقاومت و مدول کشسانی پایینتری نسبت به الیاف کربنی است.

• الیاف آرامید (پلیمری): این نوع مواد برای دستیابی به الیافی با مقامت بالا پایه گذاری شده و به آرامید معروف است. این الیاف به علت داشتن مقاومت بالا و سختی کم، دارای سطح زیر منحنی تنش-کرنش بزرگ و قدرت جذب انرژی بالا هستند. به همین دلیل از آنها در سازه های در معرض بارهای ضربهای همانند جلیقه های ضدگلوله استفاده میشود.

از جمله مزایای استفاده از الیاف پلیمریFRP وزن کم، مقاومت در برابر خوردگی، اتصلا تقویت به صورت خارجی، حمل و نقل آسان و سرعت اجرای بالا به دلیل وزن کم است. با چسباندن این نوع الیاف، به خصوص الیاف آرامیدی (به دلیل داشتن مقاومت بسیار زیاد)، توسط رزین به سطح بتن سازه ی زیرزمینی، میتوان برای مقاوم سازی از این مواد کامپوزیتی استفاده نمود؛ اما در برابر نفوذ موشکهای دشمن در سازه های زیرزمینی تاثیر بسزایی ندارند.

6-3. استفاده از مصالح پلی استایرن

پلیاستایرن ها موادی مصنوعی هستند که از فرآیندهای پلیمری به دست میآیند. فومهای پلی استایرن مصالحی بسیار سبک و سفیدرنگ هستند و از دانه های پلی استایرن ساخته میشوند. بر اساس مطلاعات صورت گرفته، پلی استایرن های منبسط شده در کاهش تنش های ناشی از امواج کوبشی کارایی مناسبی از خود نشان میدهند. استفاده از بازدارنده هایی نظیر حفره و بلوک علاوه بر کاهش بیشینه ی تنشها، موجب تاخیر در زمان رسیدن موج کوبشی شده و محتوای فرکانسی را کاهش میدهد. بنابراین در استفاده از سازه های زیرزمینی، این کاهش باید در نظر گرفته شود

4. تعیین شاخص های تاثیرگذار

شاخص های تاثیرگذار بر انتخاب روش های مقاوم سازی فضاهای امن زیرزمینی با مصاحبه و نظرخواهی از خبرگان امر شناسایی شده اند. شاخص ها تصمیم گیری شامل مجموعه ای از خصوصیات اقتصادی و اجرایی است.

1 -مقاومت در برابر امواج انفجار-X1

2-مقاومت در برابر موشکهای نفوذکننده-X2

3-پیچیدگی اجرا-X3

4-هزینهی اجرا-X4

5 -سرعت اجرا-X5

     درخت سلسله مراتب انتخاب بهترین روشها در شکل 2 نشان داده شده است. این درخت شامل هدف، معیارها و گزینه های انتخاب است

6 -تحلیل سلسله مراتبی AHP

در این مرحله با استفاده از وزن های بدست آمده از نتایج حاصل از پرسشنامه های تکمیل شده توسط کارشناسان، ماتریس داوری مقایسه ای جفتی شاخص ها (جدول 4)در نرم افزار Choice Expert تشکیل شده است و در نهایت وزن نهایی هر شاخص به ترتیب اولویت بدست آمده است. بر این اساس شاخص مقاومت در برابر انفجار بهترین و شاخص های مقاومت در برابر موشک های نفوذ کننده، هزینه ی اجرا، پیچیدگی اجرا و سرعت اجرا به ترتیب در رتبه های بعدی قرار گرفته اند.

در ادامه ماتریس های داوری مقایسه ای زوجی هر یک از روش های مقاوم سازی فضاهای امن زیرزمینی نیز برای هر یک از شاخص ها استخراج شده است. در شاخص مقاومت در برابر انفجار، بهترین روش مقاوم سازی، استفاده از موجگیر و خم است و روش های استفاده از میراگرها، مصالح پلیاستایرن، الیاف پلیمری، دال های انفجاری و ایجاد حفره هایی به عنوان تله ی انفجاری در رتبه های بعدی قرار گرفته اند(جدول 5)

در شاخص مقاومت در برابر موشک های نفوذکننده، بهترین روش مقاوم سازی، ایجاد تله ی انفجاری است. استفاده از دال های انفجاری، الیاف های پلیمری، مصالح پلیاستایرن،میراگرها و موجگیر و خم در رتبه های بعدی در این شاخص قرار گرفته اند(جدول 6)

در شاخص پیچیدگی اجرا، بهترین روش مقاوم سازی استفاده از موجگیر و خم است. روش های استفاده از الیاف پلیمری، مصالح پلیاستایرن و دال های انفجاری، ایجاد حفره هایی به عنوان تله ی انفجاری و استفاده از میراگرها در رتبه های بعدی در این شاخص قرار گرفتهاند(جدول 7)

در شاخص هزینه ی اجرا نیز، بهترین روش مقاوم سازی استفاده از موجگیر و خم است. روش های استفاده از الیاف پلیمری، مصالح پلیاستایرن و دال های انفجاری، ایجاد حفره هایی به عنوان تله ی انفجاری و استفاده از میراگرها در رتبه های بعدی در این شاخص قرار گرفته اند(جدول 8)

در شاخص سرعت اجرا، بهترین روش مقاوم سازی استفاده از موجگیر و خم است. روش های استفاده از الیاف پلیمری، دال های انفجاری، مصالح پلیاستایرن و میراگرها و ایجاد حفرههایی به عنوان تله ی انفجاری در رتبه های بعدی در این شاخص قرار گرفته اند (جدول 9)

رتبه بندی روش های مقاوم سازی بر مبنای هر شاخص به طور خلاصه در (جدول 10) آورده شده است.

در نهایت وزن نهایی شاخص های بدست آمده که بیانگر ضریب اهمیت هر شاخص است، در وزنهای بدست آمده برای هر یک از روش مقاوم سازی ضرب شده و امتیاز نهایی هر روش مقاوم سازی از مجموع حاصل ضربها بدست آمده است(جدول 11)

با توجه به نتایج جدول 11 ،رتبه بندی نهایی روش های مقاوم سازی سازه های زیرزمینی عبارت است از:

1 -موجگیر و خم

2 -الیاف پلیمری

3 -تله ی انفجاری

4 -دال های انفجاری

5 -میراگر

6 -مصالح پلیاستایرن

6. نتیجه گیری

همانگونه که اشاره شد، پیشرفت سلاح های دشمن و افزایش نفوذ و قدرت انفجار آنها، سبب افزایش آسیب پذیری فضاهای زیرزمینی امن موجود در کشور شده است. به همین دلیل، کاهش آسیب پذیری فضاهای زیرزمینی حیاتی و حساس نیازمند مقاوم سازی این فضاها در برابر سلاح های ذکر شده است. در این تحقیق روش های مقاوم سازی سازه های زیرزمینی شامل استفاده از دال های انفجاری، ایجاد حفره هایی به عنوان تله انفجاری، استفاده از موجگیرها و خم، استفاده از میراگرها، استفاده از الیاف پلیمری و استفاده از مصالح پلیاستایرن شناسایی شده است.

سپس شاخص های مقاومت در برابر امواج انفجار، مقاومت در برابر موشکهای نفوذکننده، پیچیدگی اجرا، هزینه ی اجرا و سرعت اجرا برای ارزیابی روش ها به کار گرفته شده است. در ادامه با استفاده از روش سلسله مراتبی AHP به عنوان یک ابزار کار آمد، کم هزینه و با دقت بالا در تعیین و انتخاب بهترین گزینه ی مناسب در تصمیم گیریها، بهره گرفته شده است. بدیهی است، در اختیار داشتن اطلاعات مناسب، صحت و دقت این روش را بیشتر میکند. اما به دلیل دقیق بودن روش AHP ،با داشتن اطلاعات کلی گزینه ها و نظرسنجی از خبرگان، گزینه ی بهینه انتخاب شده است. در نهایت، ایجاد موجگیر و خم های کافی در سازه های زیرزمینی به عنوان بهترین گزینه برای مقاوم سازی فضاهای زیرزمینی تشخیص داده شده است و به ترتیب روش های استفاده از الیاف پلیمری، ایجاد حفره هایی به عنوان تله ی انفجاری، استفاده از دال های انفجاری، استفاده از میراگرها و استفاده از مصالح پلیاستایرن در رتبه های بعدی قرار گرفته اند.

7. سیاهه ی نمادها