21-4 مشخصه‌های مکانیکی مصالح و سامانههای سازه ای
21-4-1- کلیات
طراحی سازه‌ها در برابر انفجار، مستلزم آگاهی از ویژگی‌های دینامیکی مصالح است. مصالح تحت بارگذاری دینامیکی، افزایش مقاومتی از خود نشان می‌دهند که به طور قابل ملاحظه‌‌ای مقاومت سازه‌ای را افزایش می‌دهد.
سازه‌ها برای جذب انرژی بارهای انفجاری، وارد محدودة تغییرشکل‌های فرا ارتجاعی می‌شوند.
بدین رو مصالح سازه‌ها باید دارای طاقت کافی و سامانههای سازه‌ای باید دارای رفتار فرا ارتجاعی و شکل‌پذیری مناسب باشند که در این فصل به آن پرداخته شده است. حوزه شمول این فصل مطابق جدول 21-1-2-الف می‌باشد.
21-4-2- 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 (درحد چند ده میلی ثانیه) اتفاق می‌افتد. این بارها به صورت آنی و گذرا هستند و زمان تداوم آن‌ها در اکثر موارد بسیار کوتاهتر از زمان تناوب سازه می‌باشد.
در طراحی انفجاری، پذیرش تسلیم اعضا (از جنبه‌‌ی اقتصادی) ضروری است. همچنانکه عضو، وارد محدوده فرا ارتجاعی می‌شود، جذب انرژی انفجار با ایجاد تعادل بین انرژی انفجار در مقابل انرژی کرنشی عضو، ادامه می‌یابد.
مقدار انرژی کرنشی قابل جذب توسط سازه، تابعی از ویژگی‌های مکانیکی مصالح، جزییات‌بندی اعضا (شکل‌پذیری) و مقدار تغییرشکل‌های خمیری مجاز می‌باشد. سازه باید بتواند در محدوده ارتجاعی، فرا ارتجاعی و یا سایر مکانیزم‌های میرایی، انرژی حاصل از انفجار را جذب و مستهلک نماید.
پاسخ مصالح تحت بارگذاری دینامیکی، به طور محسوسی متفاوت از بارگذاری استاتیکی است. در بارگذاری سریع، مصالح نمی‌توانند با نرخ مشابه بار وارده، تغییرشکل دهند. این خاصیت، باعث افزایش تنش تسلیم و تنش نهایی قبل از گسیختگی می‌شود. 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 می‌دهد تا مقاومت بیشتری نسبت به حالت استاتیکی از خود نشان دهد. این تاثیرات در طراحی انفجاری، با استفاده از ضریب افزایش دینامیکی در نظر گرفته می‌شود.
21-4-3- ویژگی‌های دینامیکی مصالح
این بخش به تشریح ویژگی‌های دینامیکی مصالح مورد استفاده در سازههای مقاوم انفجاری می‌پردازد.
21-4-3-1- ضریب افزایش مقاومت (SIF)
ضریب افزایش مقاومت مطابق جدول 21-4-1 برای مصالح فولادی و بتنی منظور شود.
جدول 21-4-1 ضریب افزایش مقاومت[1]
| مصالح | ضریب افزایش مقاومت |
| میلگردهای رده 500 S وکمتر | 1/15 |
| فولاد ساختمانی نورد شده 37 St و 52 St | 1/15 |
| تیر ورق‌ها وسایر اعضای ساخته شده از ورق | 1/15 |
| بتن 28 روزه | 1/1 |
| بتن 6 ماهه | 1/21 |
| بتن یکساله | 1/26 |
21-4-3-2- ضریب افزایش دینامیکی (DIF)
ضریب افزایش دینامیکی برای بتن مسلح (بتن و میلگرد) و مصالح بنایی مطابق جدول 21-4-2 و برای فولاد مطابق جدول 21-4-3 اعمال شود.
جدول 21-4-2- ضریب افزایش دینامیکی برای بتن مسلح و مصالح بنایی
| تنش | ضریب افزایش دینامیکی | |||
| میلگردها | بتن | مصالح بنایی | ||
| خمشی | 1/2 | 1/05 | 1/2 | 1/2 |
| فشار محوری | 1/10 | 1/00 | 1/15 | 1/15 |
| کشش قطری | 1/00 | 1/00 | 1/00 | 1/00 |
| برش مستقیم | 1/10 | 1/00 | 1/10 | 1/00 |
| چسبندگی | 1/20 | 1/05 | 1/00 | 1/00 |
جدول 21-4-3- ضرایب افزایش دینامیکی برای سازههای فولادی
| 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 مقاومت مصالح به علت نرخ کرنش سریع، ضریب افزایش دینامیکی به مقادیر مقاومت استاتیکی اعمال می‌شود. این ضریب به ماهیت تنش‌مثلاً( خمشی، برش مستقیم) بستگی دارد. تنشهای خمشی خیلی سریع شکل می‌گیرند، در حالیکه برش‌های حداکثر به طور نسبی با تاخیر بیشتری به خاطر نرخ کرنش پایین در برش رخ می‌دهند. مقدار نرخ 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 استاتیکی در مصالح فولادی تغییر نمی‌کند و در بتن اندکی افزایش می‌یابد که در محاسبات تاثیرگذار نیست.
21-4-3-3- تنش تسلیم طراحی در سازههای مقاوم در برابر انفجار
تنش تسلیم دینامیکی طرح (fdy) و تنش نهایی دینامیکی طرح (fdu) که در طراحی‌های انفجاری به کار می‌روند، با اعمال ضریب افزایش مقاومت و ضریب افزایش دینامیکی به تنش تسلیم و تنش نهایی بدست می‌آیند.
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 |
21-4-4- مصالح
21-4-4-1- بتن غیرمسلح
بتن غیرمسلح، به علت رفتار ترد، به‌تنهایی مصالح مناسبی برای سازه انفجاری نمی‌باشد، اما در ضخامت و حجم زیاد، برای عملیات پدافندی کاربرد دارد.
21-4-4-2- بتن مسلح
بتن مسلح به طور ویژه‌ای در برابر بارهای انفجاری، آتش و نفوذ ترکش مقاومت مناسبی دارد و از مصالح ممتاز برای سازههای مقاوم در برابر انفجار به شمار می‌آید.
بتن مسلح در سازههای مقاوم در برابر انفجار باید بر حسب اهمیت ساختمان، علاوه بر رعایت ضوابط فصل 5 این مبحث، ضوابط شکل‌پذیری ویژه سازههای انفجاری را نیز برآورده نماید که تا تدوین چنین ضوابطی، می‌توان از ضوابط شکل‌پذیری ویژه مبحث نهم مقررات ملی ساختمان استفاده کرد.
21-4-4-3- بتن الیافی
بهره‌گیری از الیاف در بتن یکی از راه‌های افزایش شکل‌پذیری بتن است. به منظور کاهش تردشکنی بتن و ایجاد محیط همگن و همسان، رشته‌های نازک نسبتاً و بلند الیاف در بتن به طور یکنواخت پخش می‌شوند. استفاده از الیاف در بتن، باعث افزایش مقاومت خمشی، برشی و کششی، مقاومت در برابر بارهای دینامیکی بویژه بارهای ضربه ای، مقاومت مقطع در ترک‌خوردگی و میزان جذب انرژی و هم‌چنین کاهش در میزان انقباض، خزش و سایش سطحی و کاهش نفوذ پرتابه‌ها می‌شود.
قابلیت انعطاف‌پذیری بتن الیافی باعث می‌شود که گسیختگی ناگهانی اتفاق نیفتاده و از گسترش ترک نیز جلوگیری گردد. الیاف بلند و شکل‌پذیر قابلیت شکل‌پذیری مقطع را بیشتر از الیاف ترد و کوتاه افزایش می‌دهند.
21-4-4-4- مصالح بنایی غیرمسلح
مصالح بنایی غیرمسلح به علت تردشکنی و عدم یکپارچگی، مصالح مناسبی برای سازههای مقاوم در مقابل انفجار نمی‌باشند.
21-4-4-5- مصالح بنایی مسلح
مصالح بنایی مسلح، به دلیل جرم زیاد می‌توانند 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 یا تسلیح با نوارهای FRP انجام می‌شود. در این خصوص باید به مبحث 8 مراجعه شود.
21-4-4-6- مصالح سنگدانهای و خاک
مصالح سنگدانهای ریز و خاک، به علت قابلیت استهلاک انرژی بارهای انفجاری، می‌توانند به صورت کیسه‌‌ای برای ساخت فضاهای امن سطحی و حفاظت جنبی ساختمان‌ها در کارهای پدافندی مورد استفاده قرار گیرند. در صورت اضافه شدن سیمان و آهک به این مصالح، کیسه‌‌های خاک پس از جذب رطوبت و گیرش، استحکام و یکپارچگی بیشتری کسب می‌نمایند.
با استفاده از مصالحی نظیر ژئوگرید، خاک حالت مسلح پیدا کرده و دارای یکپارچگی و مشخصات مکانیکی برتری خواهد شد.
21-4-4-7- فولاد ساختمانی
فولادهای ساختمانی ردة St 37 و St 52 از شکل‌پذیری کافی برای طراحی انفجاری برخوردار هستند. فولادهای با مقاومت بالاتر می‌توانند در موقعیت‌های مشخص، نظیر درهای انفجاری و پیچها استفاده شوند. به طور کلی سازههای فولادی مقاوم در مقابل انفجار، باید بر حسب اهمیت آن‌ها، علاوه بر رعایت ضوابط فصل 5 این مبحث، ضوابط شکل‌پذیری ویژه سازههای انفجاری را نیز برآورده نمایند که تا تدوین چنین ضوابطی، می‌توان از ضوابط شکل‌پذیری ویژه مبحث دهم مقررات ملی ساختمان استفاده کرد.
21-4-5- سامانههای سازه‌ای مناسب برای مقاومت در مقابل انفجار
21-4-5-1- تاثیر جرم
بار ضربه‌ای انفجار به علت تاثیر بسیار کوتاه مدت آن بر سازه، برخلاف نیروهای زلزله، قادر به تحریک تمام جرم سازه نیست. بدین رو، در سازههای مقاوم در مقابل انفجار، افزایش جرم، تاثیر مثبت بر مقاومت سازه دارد. به همین علت، سازههای بتن مسلح بر سازههای سبک (مثل فولاد و چوب) ارجح هستند.
21-4-5-2- سازههای بتن مسلح
روش‌های ساده شده طراحی انفجاری سازههای بتن مسلح بر اساس پاسخ خمشی بوده و مشروط به حذف مودهای شکست ترد شکن می‌باشند. برای رسیدن به پاسخ شکل‌پذیر، جزئیات‌بندی مناسبی از میلگردها ضروری است. با افزایش تنش و کرنش در مقطعی از عضو، میلگردها به تسلیم می‌رسند و اجازه شکل‌گیری مفصل پلاستیک می‌دهند. بتن در این نواحی در سطح کششی دچار ترک شده متعاقباً و به حد کرنش فشرده شدن در سطح فشاری می‌رسد. اگر دوران مفصل این نقطه افزایش 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 با فاصله کم ایجاد نمود. در این حالت در نواحی مفصل پلاستیک، لنگر مقاوم مقطع توسط زوج نیروی ایجادشده در میلگردهای مسلح کننده تامین می‌شود. استفاده از مقاطعی که به صورت یکطرفه، میلگردگذاری می‌شوند در طراحی انفجاری توصیه نمی‌شود.
جلوگیری از ایجاد مودهای شکست ترد با محدود کردن تنشهای برشی بتن یا افزایش مقاومت 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 دچار گسیختگی ترد نشود.
استفاده از تنگ با فاصله‌بندی مناسب جهت افزایش مقاومت و محصور کردن میلگرد خمشی و جلوگیری از کمانش میلگردها قابل توصیه است.
میلگردهای S500 و کمتر دارای شکل‌پذیری کافی برای بارگذاری دینامیکی می‌باشند.
میلگردهای خاص با مقاومت تسلیم بالاتر ممکن است شکل‌پذیری مورد نیاز برای خم‌کاری را نداشته باشند.
وصلههای جوشی و اتصالات بوشنی (مکانیکی) در صورت انطباق با مشخصات فنی می‌توانند به جای وصلههای پوششی مورد استفاده قرار گیرند.
دیوارهای بتن مسلح، به‌عنوان دیوارهای محیطی و نما از اجزای مقاوم در برابر بارهای انفجاری شناخته می‌شوند.
21-4-5-3- سازههای فولادی
مصالح فولادی تحت اثر بارهای استاتیکی و دینامیکی با نرخ کرنش بالا، قادرند پس از عبور 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 مهم‌‌ترین مسائل در سازههای فولادی مقاوم در برابر انفجار، اتصالات آن‌ها می‌باشد که باید تا حدامکان به صورت شکل‌پذیر طراحی شوند. شکل‌پذیری اتصالات در سازههای فولادی معمولاً به صورت قابلیت چرخش اتصال تحت بارهای وارده تعریف می‌شود. سازه‌ها یا اتصالات شکل‌پذیر می‌توانند با مقاومت استاتیکی نسبی کمتر، نیروی بیشتری را در هنگام اعمال بارهای دینامیکی و ضربه انفجار جذب نمایند.
هم‌چنین سازههای در معرض انفجار، واکنش‌‌های تکیه‌گاهی قابل توجهی دارند و این واکنش‌‌ها منجر به لزوم طراحی صفحه ستون به همراه میل مهارهای با ظرفیت بالا می‌شود. هنگامی که مهارها به طور کامل و براساس اصول محاسباتی در بتن مهار شوند، سازوکار شکست آن‌ها از نوع شکست شکل‌پذیر و کششی است. ناکافی بودن فاصله از لبه‌های صفحات یا فاصله ناکافی بین پیچها باعث ایجاد ظرفیت کمتر لنگر خمشی و وقوع شکست ترد خواهد شد.
در روند تحلیل و طراحی انفجاری، اجازه تشکیل مفاصل پلاستیک در سراسر طول عضو داده می‌شود، بنابراین مقاطع باید به گونه‌‌ای باشند که در حین تشکیل این مفاصل، دچار کمانش موضعی نشوند و شرایط مقاطع فشرده لرزه‌ای را مطابق مبحث 10 برآورده سازند.
موضوع مهمی که در طرح دینامیکی سازههای فولادی تحت اثر بارهای انفجاری مطرح می‌شود، احتمال معکوس شدن جهت تنش‌‌ها است. سازههای فولادی تحت اثر انفجار، در معرض تنشهای معکوس نسبتاً بزرگی قرار می‌گیرند. تامین مهاربندی جانبی برای بالهای مقاطع فشاری مهار نشده که قبل از معکوس شدن تنش‌‌ها در کشش بوده‌اند، از اهم موارد قابل توجه است که این مساله برای اعضایی که بارهای مرده سبکی را تحمل می‌کنند و یا اعضایی که در معرض فشارهای انفجاری کوتاه مدت قرار دارند، بحرانی‌تر است.
21-4-5-4- مستهلک‌کننده‌های انرژی
استفاده مناسب از وسایل مکانیکی مانند میراگرها و جداسازها که باعث افزایش استهلاک انرژی و جداسازی سازه از پایه می‌شوند، برای سامانههای سازه‌ای مقاوم در مقابل انفجار، قابل توصیه است.
جداسازها و میراگرها باعث بهبود رفتار کلی سامانههای سازه‌ای می‌شوند، لیکن تاثیر چندانی در جلوگیری از خرابی‌‌های موضعی که می‌توانند باعث گسیختگی‌های پیشرونده (فصل 21-6) شوند، ندارند. بنابراین، این وسایل کاربرد مناسبی در بهبود رفتار سامانههای سازه‌ای در مقابل انفجارهای حوزه دور دارند زیرا در این انفجارها بخش‌های وسیعی از سازه تحت تاثیر بارهای انفجاری قرار می‌گیرند و بار وارده باعث تحریک کل سازه می‌شود.
چالش اصلی در استفاده از جداسازها، امکان بروز تغییرشکل‌های بزرگ در پایه سازه (در هنگام بروز انفجارهای شدید) می‌باشد. این پدیده می‌تواند باعث خرابی جداسازها و هم‌چنین برخورد ساختمان به دیوار یا سازههای هم جوار شده و ضربه ایجاد شده، می‌تواند باعث بروز خرابی‌‌های بیشتر شود.
بدین‌رو، باید دقت کافی در تامین ظرفیت تغییرشکل جداسازها صورت گیرد. در صورت فراهم نبودن فاصله لازم برای تامین ظرفیت تغییرشکل، می‌توان از تجهیزات کنترلی فعال و غیرفعال (کنش‌گر و واکنش‌گر) مناسب (علاوه بر جداسازها) استفاده نمود.
جداسازها و میراگرها باعث کاهش تغییرشکل‌های کلی و بین طبقاتی سازه می‌شوند ولی توانایی کاهش سرعت و شتاب حداکثر وارد بر سازه را ندارند.
[1] – مقاومت بتن در طول زمان افزایش می‌یابد. 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 می‌شوند.
