٢١-٤-١- کلیات
طراحی سازه ها در برابر انفجار، مستلزم آگاهی از ویژگیهای دینامیکی مصالح اسـت. مصـالح تحـت بارگذاری دینامیکی، افزایش مقاومتی از خود نشان می دهند که به طور قابـل ملاحظـه ای مقاومـت سازه ای را افزایش میدهد.
سازه ها برای جذب انرژی بارهای انفجاری، وارد محدودة تغییر شکل هـای فـرا ارتجـاعی مـی شـوند.
بدین رو مصالح سازه ها باید دارای طاقت کافی و سامانه های سازه ای باید دارای رفتار فرا ارتجـاعی و شکل پذیری مناسب باشند که در این فصل به آن پرداخته شده است. حوزه شمول این فصل مطابق جدول ٢١-١-٢-الف میباشد.
٢١-٤-٢- پاسخ استاتیکی- پاسخ دینامیکی
بارهای رایج، نظیر بار باد و بارهای قائم، با آهنگ آهسته به سازه وارد میشوند که زمان تداوم بسیار بزرگتر از زمان تناوب سازه را دارا هستند.
در بارهای انفجاری، اعمال بار و افزایش تنش در اعضاء، بسیار سریع (درحـد چنـد ده میلـی ثانیـه) اتفاق می افتد. این بارها به صورت آنی و گذرا هسـتند و زمـان تـداوم آن هـا در اکثـر مـوارد بسـیار کوتاهتر از زمان تناوب سازه میباشد.
در طراحی انفجاری، پذیرش تسلیم اعضا (از جنبه ی اقتصادی) ضروری است. همچنانکه عضـو، وارد محدوده فرا ارتجاعی می شود، جذب انرژی انفجار با ایجاد تعادل بین انرژی انفجار در مقابـل انـرژی کرنشی عضو، ادامه مییابد.
مقدار انرژی کرنشی قابل جذب توسط سازه، تابعی از ویژگیهای مکانیکی مصـالح، جزییـات بنـدی اعضا (شکل پذیری) و مقدار تغییرشکلهای خمیری مجاز می باشـد. سـازه بایـد بتوانـد در محـدوده ارتجاعی، فرا ارتجاعی و یا سایر مکانیزم های میرایی، انرژی حاصـل از انفجـار را جـذب و مسـتهلک نماید.
پاسخ مصالح تحت بارگذاری دینامیکی، به طور محسوسی متفاوت از بارگذاری اسـتاتیکی اسـت. در بارگذاری سریع، مصالح نمی توانند با نرخ مشابه بار وارده، تغییر شکل دهنـد. ایـن خاصـیت، باعـث افزایش تنش تسلیم و تنش نهایی قبل از گسیختگی می شود. بطور کلی، هر چه نرخ کرنش بزرگتر باشد، مصالح مقاومت بیشتری از خود نشان میدهند.
افزایش مقاومت مصالح، به علت بارگذاری سریع، به عضو اجازه می دهد تا مقاومت بیشـتری نسـبت به حالت استاتیکی از خود نشان دهد. این تاثیرات در طراحی انفجاری، با استفاده از ضریب افـزایش دینامیکی در نظر گرفته میشود.
٢١-٤-٣- ویژگیهای دینامیکی مصالح
این بخش به تشریح ویژگی های دینـامیکی مصـالح مـورد اسـتفاده در سـازه هـای مقـاوم انفجـاری میپردازد.
٢١-٤-٣-١- ضریب افزایش مقاومت (SIF)
ضریب افزایش مقاومت مطابق جدول ٢١-٤-١ برای مصالح فولادی و بتنی منظور شود.
| مصالح | ضریب افزایش مقاومت |
| میلگردهای رده ٥٠٠ S وکمتر | 1/15 |
| فولاد ساختمانی نورد شده ٣٧ St و ٥٢ St | 1/15 |
| تیر ورق ها وسایر اعضای ساخته شده از ورق | 1/15 |
| بتن ٢٨ روزه | 1/1 |
| بتن ٦ ماهه | 1/21 |
| بتن یکساله | 1/26 |
٢١-٤-٣-٢- ضریب افزایش دینامیکی (DIF)
ضریب افزایش دینامیکی برای بتن مسلح (بتن و میلگرد) و مصالح بنایی مطابق جـدول ٢١-٤-٢ و برای فولاد مطابق جدول ٢١-٤-٣ اعمال شود.
| مصالح | ضریب افزایش دینامیکی | ||
| تنش تسلیم | تنش نهایی | ||
| خمش- برش | فشار-کشش | ||
 |
|
 |
|
| St 37 | 1/3 | 1/2 | 1/10 |
| St 52 | 1/2 | 1/15 | 1/05 |
برای در نظر گرفتن تاثیر افزایش مقاومـت مصـالح بـه علـت نـرخ کـرنش سـریع، ضـریب افـزایش دینامیکی به مقادیر مقاومت استاتیکی اعمال می شود. این ضریب به ماهیت تـنشمـثلاً( خمشـی، برش مستقیم) بستگی دارد. تنش های خمشی خیلی سریع شکل می گیرند، در حالیکـه بـرش هـای حداکثر به طور نسبی با تاخیر بیشتری به خاطر نرخ کرنش پایین در برش رخ میدهند. مقدار نـرخ کرنش برای کشش و فشار محوری در اعضا فولادی و بتنی نیز، کمتر از حالت خمشی است.
آزمایشات نشان میدهد که مدول الاستیسیته دینامیکی نسبت به مدول الاستیسیته اسـتاتیکی در مصالح فولادی تغییر نمیکند و در بتن اندکی افزایش مییابد که در محاسبات تاثیرگذار نیست.
٢١-٤-٣-٣- تنش تسلیم طراحی در سازه های مقاوم در برابر انفجار
تنش تسلیم دینامیکی طرح (fdy) و تنش نهایی دینامیکی طرح (fdu) که در طراحیهای انفجـاری به کار می روند، با اعمال ضریب افزایش مقاومت و ضریب افزایش دینامیکی به تنش تسلیم و تـنش نهایی بدست می آیند.
الف: فولاد
| (1-4-21) | fdy=(SIF)×(DIF)×fy |
| (2-4-21) | fdu=(SIF)×(DIF)×fu |
ب: بتن
| (3-4-21) | f’dc=(SIF)×(DIF)×f’c |
٢١-٤-٤- مصالح
٢١-٤-٤-١- بتن غیرمسلح
بتن غیرمسلح، به علت رفتار ترد، بهتنهایی مصالح مناسبی برای سازه انفجـاری نمـی باشـد، امـا در ضخامت و حجم زیاد، برای عملیات پدافندی کاربرد دارد.
٢١-٤-٤-٢- بتن مسلح
بتن مسلح به طور ویژه ای در برابر بارهای انفجاری، آتش و نفوذ ترکش مقاومـت مناسـبی دارد و از مصالح ممتاز برای سازه های مقاوم در برابر انفجار به شمار میآید.
بتن مسلح در سازه های مقاوم در برابر انفجار باید بر حسـب اهمیـت سـاختمان، عـلاوه بـر رعایـت ضوابط فصل ٥ این مبحث، ضوابط شکل پذیری ویژه سازه های انفجاری را نیز برآورده نمایـد کـه تـا تدوین چنین ضوابطی، میتوان از ضوابط شکلپذیری ویـژه مبحـث نهـم مقـررات ملـی سـاختمان استفاده کرد.
٢١-٤-٤-٣- بتن الیافی
بهره گیری از الیاف در بتن یکی از راه هـای افـزایش شـکل پـذیری بـتن اسـت. بـه منظـور کـاهش تردشکنی بتن و ایجاد محیط همگن و همسان، رشتههای نازك نسبتاً و بلند الیاف در بتن بـه طـور یکنواخت پخش می شوند. استفاده از الیاف در بتن، باعث افزایش مقاومت خمشی، برشی و کششی، مقاومت در برابر بارهای دینامیکی بویژه بارهای ضربه ای، مقاومت مقطع در ترك خوردگی و میـزان جذب انرژی و هم چنین کاهش در میزان انقباض، خزش و سایش سطحی و کاهش نفـوذ پرتابـههـا میشود.
قابلیت انعطاف پذیری بتن الیافی باعث می شود که گسیختگی ناگهانی اتفاق نیفتـاده و از گسـترش ترك نیز جلوگیری گردد. الیاف بلند و شکل پذیر قابلیت شکل پذیری مقطع را بیشتر از الیاف تـرد و کوتاه افزایش میدهند.
٢١-٤-٤-٤- مصالح بنایی غیر مسلح
مصالح بنایی غیر مسلح به علت تردشکنی و عدم یکپارچگی، مصالح مناسبی برای سازه هـای مقـاوم در مقابل انفجار نمیباشند.
٢١-٤-٤-٥- مصالح بنایی مسلح
مصالح بنایی مسلح، به دلیل جرم زیاد می توانند برای بارهای انفجاری حوزة دور، در ساختمان مورد استفاده قرار گیرند.
مسلح نمودن دیوارهای بنایی با میلگردگذاری داخلی یا شبکه سطحی و بتن پاشی، و یـا تسـلیح بـا نوارهای FRP انجام میشود. در این خصوص باید به مبحث ٨ مراجعه شود.
٢١-٤-٤-٦- مصالح سنگدانهای و خاک
مصالح سنگدانه ای ریز و خاك، به علت قابلیت استهلاك انرژی بارهای انفجاری، می توانند به صورت کیسه ای برای ساخت فضاهای امن سطحی و حفاظت جنبی ساختمان ها در کارهای پدافندی مورد استفاده قرار گیرند. در صورت اضافه شدن سیمان و آهک به این مصالح، کیسه هـای خـاك پـس از جذب رطوبت و گیرش، استحکام و یکپارچگی بیشتری کسب مینمایند.
با استفاده از مصالحی نظیر ژئوگرید، خاك حالت مسلح پیدا کرده و دارای یکپـارچگی و مشخصـات مکانیکی برتری خواهد شد.
٢١-٤-٤-٧- فولاد ساختمانی
فولادهای ساختمانی ردة St 37 و St 52 از شکل پذیری کـافی بـرای طراحـی انفجـاری برخـوردار هستند. فولادهای با مقاومت بالاتر میتوانند در موقعیـتهـای مشـخص، نظیـر درهـای انفجـاری و پیچ ها استفاده شوند. به طور کلی سازه های فولادی مقاوم در مقابل انفجار، باید بـر حسـب اهمیـت آنها، علاوه بر رعایت ضوابط فصل ٥ این مبحث، ضوابط شکلپذیری ویژه سازه های انفجـاری را نیـز برآورده نمایند که تا تدوین چنین ضوابطی، میتوان از ضوابط شکلپذیری ویژه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده کرد.
٢١-٤-٥- سامانههای سازه ای مناسب برای مقاومت در مقابل انفجار
٢١-٤-٥-١- تاثیر جرم
بار ضربهای انفجار به علت تاثیر بسیار کوتاه مدت آن بر سـازه، بـرخلاف نیروهـای زلزلـه، قـادر بـه تحریک تمام جرم سازه نیست. بدین رو، در سازه های مقاوم در مقابل انفجـار، افـزایش جـرم، تـاثیر مثبت بر مقاومت سازه دارد. به همین علت، سازه های بتن مسلح بر سازه های سبک (مثـل فـولاد و چوب) ارجح هستند.
٢١-٤-٥-٢- سازه های بتن مسلح
روش های ساده شده طراحی انفجاری سازه های بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشی بوده و مشروط به حذف مودهای شکست ترد شکن می باشند. برای رسیدن به پاسخ شکل پذیر، جزئیات بندی مناسبی از میلگردها ضروری است. با افزایش تنش و کرنش در مقطعی از عضو، میلگردها به تسلیم میرسند و اجازه شکل گیری مفصل پلاستیک میدهند. بتن در این نواحی در سطح کششی دچار ترك شـده متعاقباً و به حد کرنش فشرده شدن در سطح فشاری می رسد. اگر دوران مفصل این نقطـه افـزایش یابد، بتن فشاری خرد و مقاومت خمشی آن از بین میرود.
ظرفیت دوران اضافی برای اعضای بتن مسلح را میتوان با میلگردگذاری دو طرفه و خاموتبندی بـا فاصله کم ایجاد نمود. در این حالت در نواحی مفصل پلاستیک، لنگر مقاوم مقطع توسط زوج نیروی ایجادشده در میلگردهای مسلح کننده تامین می شود. استفاده از مقاطعی که بـه صـورت یکطرفـه، میلگردگذاری میشوند در طراحی انفجاری توصیه نمیشود.
جلوگیری از ایجاد مودهای شکست ترد با محدود کردن تنش های برشی بـتن یـا افـزایش مقاومـت بتن و یا افزایش ضخامت مقطع یا تنگهای محصور کننده برشی حاصل میشود.
مقدار میلگردهای خمشی نیز در یک عضو باید محدود شود تا عضو دچـار گسـیختگی تـرد نشـود.
استفاده از تنگ با فاصله بندی مناسب جهت افزایش مقاومـت و محصـور کـردن میلگـرد خمشـی و جلوگیری از کمانش میلگردها قابل توصیه است.
میلگردهـای S500 و کمتـر دارای شـکل پـذیری کـافی بـرای بارگـذاری دینـامیکی مـیباشـند.
میلگردهای خاص با مقاومت تسلیم بالاتر ممکن است شکل پـذیری مـورد نیـاز بـرای خـم کـاری را نداشته باشند.
وصله های جوشی و اتصالات بوشنی (مکانیکی) در صورت انطباق با مشخصات فنـی مـی تواننـد بـه جای وصلههای پوششی مورد استفاده قرار گیرند.
دیوارهای بتن مسلح، بهعنوان دیوارهای محیطی و نما از اجـزای مقـاوم در برابـر بارهـای انفجـاری شناخته میشوند.
٢١-٤-٥-٣- سازه های فولادی
مصالح فولادی تحت اثر بارهای استاتیکی و دینامیکی با نرخ کـرنش بـالا، قادرنـد پـس از عبـور از مرحله تسلیم، بدون اعمال تنش اضافی، تا رسیدن به مرحله سختشدگی مجدد، حدود پانزده برابر کرنش حدتسلیم را تحمل کنند. این خاصیت برای مقابله با بارگذاری انفجاری بسیار مفید میباشد.
یکی از مهم ترین مسائل در سازه های فولادی مقاوم در برابر انفجار، اتصالات آنها میباشد کـه بایـد تا حدامکان به صورت شکل پذیر طراحی شوند. شکل پذیری اتصالات در سازه های فولادی معمولاً به صورت قابلیت چرخش اتصال تحت بارهای وارده تعریف میشود. سـازه هـا یـا اتصـالات شـکلپـذیر می توانند با مقاومت استاتیکی نسبی کمتر، نیروی بیشتری را در هنگام اعمال بارهـای دینـامیکی و ضربه انفجار جذب نمایند.
هم چنین سازه های در معرض انفجار، واکنش های تکیه گاهی قابل توجهی دارنـد و ایـن واکـنش هـا منجر به لزوم طراحی صفحه ستون به همراه میل مهارهای با ظرفیـت بـالا مـی شـود. هنگـامی کـه مهارها به طور کامل و براساس اصول محاسباتی در بتن مهار شوند، سازوکار شکسـت آن هـا از نـوع شکست شکل پذیر و کششی است. ناکافی بودن فاصله از لبههـای صـفحات یـا فاصـله ناکـافی بـین پیچها باعث ایجاد ظرفیت کمتر لنگر خمشی و وقوع شکست ترد خواهد شد.
در روند تحلیل و طراحی انفجاری، اجـازه تشـکیل مفاصـل پلاسـتیک در سراسـر طـول عضـو داده می شود، بنابراین مقاطع باید به گونه ای باشند کـه در حـین تشـکیل ایـن مفاصـل، دچـار کمـانش موضعی نشوند و شرایط مقاطع فشرده لرزه ای را مطابق مبحث ١٠ برآورده سازند.
موضوع مهمی که در طرح دینامیکی سازههای فولادی تحت اثر بارهای انفجـاری مطـرح مـیشـود، احتمال معکوس شدن جهت تنش ها است. سازه های فولادی تحت اثر انفجار، در معرض تـنشهـای معکوس نسبتاً بزرگی قرار میگیرند. تامین مهاربندی جانبی برای بالهای مقاطع فشاری مهار نشده که قبل از معکوس شدن تنش ها در کشش بوده اند، از اهم موارد قابل توجه اسـت کـه ایـن مسـاله برای اعضایی که بارهای مرده سبکی را تحمـل مـی کننـد و یـا اعضـایی کـه در معـرض فشـارهای انفجاری کوتاه مدت قرار دارند، بحرانیتر است.
٢١-٤-٥-٤- مستهلککننده های انرژی
استفاده مناسب از وسایل مکانیکی مانند میراگرها و جداسازها که باعث افزایش اسـتهلاك انـرژی و جداسازی سازه از پایه میشوند، برای سامانههای سازهای مقاوم در مقابل انفجار ، قابل توصیه است.
جداسازها و میراگرها باعث بهبود رفتار کلی سامانه های سازه ای می شوند، لـیکن تـاثیر چنـدانی در جلوگیری از خرابی های موضعی که میتوانند باعث گسیختگیهای پیشرونده (فصل ٢١-٦) شـوند، ندارند. بنابراین، این وسایل کاربرد مناسبی در بهبود رفتار سامانه های سازه ای در مقابل انفجارهـای حوزه دور دارند زیرا در این انفجارها بخش های وسیعی از سازه تحـت تـاثیر بارهـای انفجـاری قـرار میگیرند و بار وارده باعث تحریک کل سازه میشود.
چالش اصلی در استفاده از جداسازها، امکان بروز تغییرشکل های بزرگ در پایه سازه (در هنگام بروز انفجارهای شدید) می باشد. این پدیده می تواند باعث خرابی جداسازها و همچنین برخورد ساختمان به دیوار یا سازه های هم جوار شده و ضربه ایجاد شده، می تواند باعث بروز خرابی هـای بیشـتر شـود.
بدینرو، باید دقت کافی در تامین ظرفیت تغییرشکل جداسـازها صـورت گیـرد. در صـورت فـراهم نبودن فاصله لازم برای تامین ظرفیت تغییرشکل، می تـوان از تجهیـزات کنترلـی فعـال و غیرفعـال (کنشگر و واکنشگر) مناسب (علاوه بر جداسازها) استفاده نمود.
جداسازها و میراگرها باعث کاهش تغییرشکل های کلی و بین طبقاتی سازه می شـوند ولـی توانـایی کاهش سرعت و شتاب حداکثر وارد بر سازه را ندارند.
[1] – مقاومت بتن در طول زمان افزایش می یابد. مقاومت واقعی مصالح فولادی نیز از مقدار مقرر ارائه شده توسط کارخانه بیشتر است. برای منظور کردن این عوامل، مقاومت مشخصه بتن و مقاومت مقرر فولاد در ضرایب افزایش مقاومت برای طراحی مقاوم در مقابل انفجار، ضرب می شوند.