21-3 بارهای ناشی از انفجار
انفجار واکنش شیمیایی مواد منفجره است که انرژی قابل ملاحظه‌‌ای را آزاد می‌نماید. در اثر فشار و دمای بسیار زیاد، مواد منفجره به گاز تبدیل شده و با افزایش بسیار سریع فشار هوا، موج انفجار بوجود می‌آید که با سرعت اولیه حدود 2000 تا 10000 متر بر ثانیه منتشر می‌شود. بارهای ناشی از برخورد موج انفجار به سازه و زمان تاثیر آن، براساس مفاد این فصل تعیین می‌شود. حوزه شمول این فصل مطابق جدول 21-1-2- الف می‌باشد.
21-3-1- انواع موج انفجار
امواج انفجار بر حسب منشأ آن به دو نوع «موج ضربه» و «موج فشار» تقسیم می‌شوند.
21-3-1-1- موج ضربه
موج ضربه، ناشی از انفجار، در حوزه نزدیک مواد منفجره‌ی جامد است. در هر نقطه از مسیر انتشار موج، در مرحله‌‌ی اول، فشار محیط به فشار مبنای انفجار افزایش یافته و با گذشت زمان به فشار محیطی کاهش می‌یابد که به آن گام مثبت گویند.
با عبور موج، کاهش فشار یا مکش رخ می‌دهد که به آن گام منفی می‌گویند (شکل 21-3-1-الف).
فشار گام منفی،نسبتاً کوچک و تدریجی بوده و در اکثر مواقع، از اثر آن صرف نظر می‌شود.
21-3-1-2- موج فشار
موج فشار، از انفجار حوزه نزدیک مواد منفجره گازی و مایع و حوزة دور مواد منفجره جامد ایجاد می‌شود. در هر نقطه از مسیر انتشار آن، میزان فشار محیط به صورت تدریجی تا فشار مبنای انفجار افزایش یافته و سپس به فشار محیطی کاهش می‌یابد معمولاًو گام منفی ندارد. (شکل 21-3-1-ب)
شکل 21-3-1- شکل‌های موج ضربه و موج فشار
21-3-2- موقعیت چشمه انفجار
انفجارها از نظر موقعیت چشمه انفجار نسبت به سازه به دو دسته اصلی «انفجار خارجی (خارج از سازه)» و «انفجار داخلی (داخل سازه)» تقسیم می‌شوند.
انفجار خارجی خود به سه دسته‌‌ی «انفجار در هوا (هوایی) »، «انفجار در سطح زمین (سطحی)» و «انفجار در داخل زمین (زیرزمینی)» تقسیم می‌گردد. (شکل 21-3-2)
در انفجار هوایی، امواج به صورت کروی منتشر شده مستقیماًو به سازه برخورد می‌کنند.
در انفجار سطحی، انتشار امواج در هوا، بصورت نیم کره بوده مستقیماًو به سازه برخورد می‌کنند.
علاوه بر آن، انتشار امواج در زمین نیز رخ خواهد داد (مشابه زمین‌لرزه).
در انفجار زیرزمینی، انرژی حاصل از انفجار به صورت امواج فشاری و برشی در زمین منتقل شده و با انتشار آن‌ها، شوک‌های شدیدی ایجاد می‌گردند که می‌توانند اثرات تخریبی شدیدی بر سازههای زیر زمینی داشته باشند.
علاوه بر بارهای ناشی از موج انفجار، اثر ترکشهای انفجاری نیز باید در نظر گرفته شود.
انفجارداخلی، بسته به شرایط ساختمان و نحوه تهویه آن به دو دسته محبوس و نیمه محبوس تقسیم می‌گردد. در انفجار محبوس گاز ناشی از انفجار امکان تخلیه ندارد و فشار ناشی از آن مجموع فشار انعکاسی و فشار گاز است. در انفجار نیمه محبوس با تعبیه‌‌ی دریچه‌‌های پران و یا دریچه‌‌های باز، امکان تخلیه گاز انفجار مهیا شده و فشار ناشی از انفجار داخلی نسبت به حالت محبوس کاهش می‌یابد.
شکل 21-3-2- موقعیت چشمه انفجار
21-3-3- انفجار در هوای آزاد
انفجار در هوای آزاد، باعث فشردگی شدید هوا و ایجاد جبهه موج می‌شود. در پشت این جبهه، هوا با سرعت کمتری حرکت می‌نماید. برخی اثرات انفجار در هوا و مشخصات آن‌ها، در این بخش آمده است.
21-3-3-1- فشار مبنای انفجار pso
مقدار حداکثر اضافه فشار ناشی از انفجار هوایی در هر نقطه را «فشار مبنای انفجار» گویند. در این مبحث مقادیر فشار مبنای انفجار از جدول 21-1-3 برای سطوح بار مختلف، به دست می‌آید.
21-3-3-2- حداکثر فشار دینامیکی (qs)
در هنگام انتشار موج انفجار در هوا، هوای پشت جبههی موج با سرعت کمتری، به طرف خارج منتشر می‌شود، که اثر آن همانند جریان هوا یا باد می‌باشد. به این پدیده، «فشار دینامیکی» یا «فشار هوا» گویند و حداکثر آن (qs)، از رابطه زیر محاسبه می‌شود:
| (1-3-21) |
که در آن:
pso، فشار مبنای انفجار و po، فشار محیطی (جو) می‌باشد.
21-3-3-3- بازتاب موج انفجار و فشارهای ناشی از آن
موج انفجار پس از برخورد با مانع صلب، منعکس می‌شود. بازتاب موج در اطراف مانع، به زاویه‌‌ی برخورد موج، مشخصات هندسی ساختمان و اندازه آن، بستگی دارد. با توجه به اهمیت شکل ساختمان در بارگذاری انفجار هوایی و سطحی، در راستای اجرای بند 21-2-3-1-4، تعامل با مهندس معماری الزامی است.
بحرانی‌‌ترین حالت بازتاب موج انفجار، در هنگام برخورد آن به صورت عمودی به دیوار صلب است که در این حالت، فشار بازتاب از رابطه زیر تعیین می‌شود:
| (2-3-21) |
21-3-3-4- مشخصههای مهم موج انفجار در هوا
الف: سرعت جبههی موج انفجار (Us)
سرعت انتشار جبههی موج انفجار (موج فشار و موج ضربه) در هر نقطه، از رابطه 21-3-3 محاسبه می‌شود:
| (3-3-21) |
که در این رابطه Us، سرعت انتشار موج بر حسب متر بر ثانیه و pso، فشار مبنای انفجار برحسب کیلوگرم برسانتی‌مترمربع است.
ب: مدت زمان گام مثبت (زمان تداوم انفجار- td)
مدت زمان گام مثبت (td)، زمانی است که فشار، بیش از فشار محیطی است. و مقدار آن برای سطوح بارگذاری مختلف در جدول 21-1-3 ارایه شده است.
پ: تکانه ویژه انفجار (is)
سطح زیر منحنی فشار- زمان را تکانه ویژه انفجار برای هر نقطه محدوده انفجار گویند که به دو جزء مثبت و منفی تقسیم می‌گردد (شکل 21-3-1-الف). تکانه مثبت از رابطه 21-3-4 بدست می‌آید.
| (4-3-21) |
برای موج ضربه برای موج فشار |
به دلیل کوچک بودن مقدار تکانه منفی، از آن صرف نظر می‌شود. برای موج انعکاسی، در روابط فوق pr جایگزین psoمی‌شود.
ت: طول موج (λrw)
فاصله هر نقطه تحت فشار مبنا واقع در سطح جبهه انفجار تا اولین نقطه تحت فشار محیطی واقع در پشت جبهه انفجار، «طول موج» نامیده می‌شود. مقدار طول موج برحسب متر، از رابطه 21-3-5 محاسبه می‌شود.
| (5-3-21) |
Us = سرعت انتشار موج، برحسب متر بر ثانیه
td = مدت زمان (زمان تداوم) گام مثبت بر حسب ثانیه.
شکل 21-3-3- طول موج انفجار
21-3-4- انفجار در هوای آزاد
انفجار سطحی، انفجاری است که در سطح زمین و یا خیلی نزدیک به آن، رخ می‌دهد. در اثر بازتاب موج انفجار و تقویت آن در همان لحظات اولیه، موج واحدی به وجود می‌آید که فشار مبنای آن 1/8 برابر فشار مبنای انفجار هوایی است. در این نوع انفجار، نیروی وارد بر سازههای رو زمینی و تکانه زمین وارد بر سازة زیرزمینی اهمیت زیادی دارد.
21-3-5- بارگذاری انفجار خارجی بر وجوه مختلف ساختمان
در شکل21-3-4 صورت ساده شده بارهای انفجاری وارد بر ساختمان با فرض انفجار در نقطه A و اعمال فشار از چپ به راست، نشان داده شده است که L طول ساختمان در جهت انتشار موج، B عرض ساختمان و H ارتفاع متوسط آن است.
شکل 21-3-4- بارگذاری عمومی انفجار برای ساختمان مستطیلی
21-3-5-1- بارگذاری دیوار مقابل انفجار
فشار دوخطی وارد بر دیوار جلو مطابق شکل 21-3-5 می‌باشد که به بار مثلثی معادل تبدیل می‌شود. حداکثر اضافه فشار وارد بر دیوار مقابل (جبهه موج) انفجار، معادل فشار بازتاب (pr مطابق رابطه 21-3-2) می‌باشد که در زمان تسطیح tc (رابطه 21-3-6) به فشار رکود ps (رابطه 21-3-7) می‌رسد.
شکل 21-3-5- بارگذاری دیوار جلو
| (6-3-21) |
S = فاصله تسطیح که کوچکترین B (عرض ساختمان) و می‌باشد.
R = نسبت که G، بزرگترین B (عرض ساختمان) و می‌باشد.
Cr = سرعت صوت که مقدار آن از نمودار شکل 21-3-6 به دست می‌آید.
شکل 21-3-6- مقادیر سرعت صوت Cr
| (7-3-21) | ps=pso+Cdqs |
که در رابطه فوق:
pso = فشار مبنای انفجار
qs= حداکثر فشار دینامیکی (رابطه 21-3-1)
Cd = ضریب پسا (کشانی) که برای دیوار جلو در محدوده‌ی فشارهای حاضر برابر یک درنظر گرفته می‌شود.
با توجه به فشار رکود (ps)، زمان تسطیح (tc) و زمان تداوم انفجار(td)، زمان تداوم موثر بار مثلثی معادل از رابطه 21-3-8 به دست می‌آید.
| (8-3-21) |
21-3-5-2- بارگذاری دیوارهای جانبی
بار وارد بر دیوارهای جانبی، به علت عدم وجود بازتاب موج، کمتر از بار دیوار مقابل انفجار است و مطابق شکل 21-3-7 به صورت مثلثی می‌باشد.
شکل 21-3-7- بارگذاری دیوارهای جانبی و سقف
مقدار اضافه فشار حداکثر (pa) برابر است با:
| (9-3-21) |
در رابطه فوق:
Ce = ضریب کاهش انفجار که به طول سازه (L) در امتداد حرکت موج و طول موج انفجار (λrw) بستگی دارد و مقدار آن از نمودار شکل 21-3-8 محاسبه می‌گردد.
qs = حداکثر فشار دینامیکی (رابطه‌ی 21-3-1)
Cd = ضریب پسا (کشانی) که از جدول 21-3-1 محاسبه می‌گردد.
λrw = طول موج انفجار (رابطه‌ی 21-3-5)
شکل 21-3-8- مقادیر ضریب کاهشی Ce
جدول 21-3-1- ضریب پسا (Cd)
| حداکثر فشار دینامیکی (qs) (kg/cm2) | ضریب پسا (Cd) |
| 1/75 – 0 | 0/4- |
| 3/5 – 1/75 | 0/3- |
| 9 – 3/5 | 0/2- |
21-3-5-3- بارگذاری سقف
در ساختمان‌های با سقف مسطح (شیب کمتر از 10 درجه) هنگامی که موج انفجار به صورت افقی حرکت می‌نماید، بازتاب رخ نخواهد داد، در نتیجه اضافه فشار وارد بر سقف، همانند دیوارهای جانبی مساوی pa در نظر گرفته می‌شود.
21-3-5-4- بارگذاری دیوار پشت
فشار وارد بر دیوار پشت، مشابه دیوارهای جانبی از رابطه 21-3-9 به دست می‌آید. در دیوار پشت، برای محاسبه ضریب کاهش Ce، ارتفاع سازه (H) نیز به طول سازه (L) اضافه می‌شود و فشار وارده، معادل pb در نظر گرفته می‌شود.
بار دیوار پشتی جهتی مخالف با بار دیوار جلویی داشته و در نتیجه، نقش کاهنده‌ای در کل بار جانبی انفجار خواهد داشت. در این راستا از اثرات دیوار پشتی بر روی رفتار کل قاب یا ساختمان در بسیاری از اوقات و در جهت اطمینان صرف نظر می‌شود، لیکن، اجزای نما و عناصر الحاقی دیوار پشت، باید قادر به تحمل فشار یا مکش حاصل از انفجار باشند.
شکل 21-3-9- بارگذاری دیوار پشت
21-3-5-5- توزیع فشار انفجار در ارتفاع
برای بارگذاری ساختمان‌ها تحت انفجار تا ارتفاع 15 متر از سطح زمین، از مقادیر فشار معرفی شده در بندهای 21-3-5-1 تا 4، استفاده می‌شود. برای ارتفاع 15 تا 25 متر، از 50 درصد این فشار و برای ارتفاع بالاتر، از 10 درصد فشار مذکور استفاده می‌شود (شکل 21-3-10).
شکل 21-3-10 – توزیع فشار انفجار در ارتفاع
21-3-6- انفجار در داخل زمین
انفجار بمب (یا پرتابه‌‌های دیگر) در زیرزمین، با فشار گاز حاصل از انفجار و انبساط بدنه، منجر به تشکیل موج فشارتقریباً کروی، در تمام جهات می‌شود که سرعت انتشار کمتری (نسبت به انفجار هوایی و سطحی) دارد.
با توجه به اثرات تخریب این موج بر سازههای مدفون، رعایت شرایط بارگذاری انفجار زیرزمین، برای قسمت مدفون سازه الزامی است.
21-3-6-1- میزان نفوذ بمب در داخل زمین
میزان نفوذ بمب‌‌ها در داخل زمین به سرعت و زاویه برخورد، جرم و سختی سر بمب و جنس زمین بستگی دارد. در نفوذهای کم عمق، آثار انفجار مشابه انفجار سطحی است، اما در نفوذهای عمیق، تکانه انفجار بزرگی در زیر زمین بوجود می‌آید. بمب‌‌های مدرن قدرت نفوذی بیش از 30 متر در درون خاک و قدرت عبور از لایه‌‌های بتن مسلح به ضخامت بیش از 6 متر را دارا می‌باشند[1]. در طراحی سازههای مدفون باید با شناسایی بمب‌‌های مورد استفاده دشمن، میزان نفوذ آن‌ها به دست آید.
21-3-6-2- ناحیه‌بندی خاک در محل انفجار
در اثر فشار ناشی از انفجار زیرزمین، چهار ناحیه خردشدگی، گسیختگی، خمیری و ارتجاعی در خاک اطراف محل انفجار ایجاد می‌شوند (شکل 21-3-11). در ناحیه خردشدگی پس از پرتاب ذرات خاک به اطراف، مقداری از آن به صورت نخاله به محل انفجار بر می‌گردد. در انفجار کم عمق نواحی خردشدگی، گسیختگی و خمیری به سطح زمین منتقل شده و باعث بروز تغییرشکل‌هایی در سطح زمین می‌شوند. در انفجار عمیق، نواحی خردشدگی، گسیختگی، و خمیری از سطح زمین دور بوده و با انتشار امواج ناشی از انفجار در ناحیه ارتجاعی به صورت امواج حجمی و سطحی (مشابه زمین‌لرزه) به سطح زمین می‌رسند.
شکل 21-3-11- ناحیه‌بندی خاک در محل انفجار
21-3-6-3- تکانه زمین
به آثار انتشار امواج (ناشی از انفجار عمیق یا سطحی) در سطح و یا زیر زمین، تکانه زمین می‌گویند. قویترین تکانه زمین ناشی از انفجار درون زمین است که هیچ‌گونه فاصله‌‌ای بین ماده منفجره (بمب) و زمین موجود نباشد.
امواج ناشی از انفجار (سطحی یا مدفون) شامل امواج حجمی و امواج سطحی (مشابه زمین‌لرزه) می‌باشند. امواج حجمی، خود شامل موج طولی یا فشاری (P) و موج عرضی یا برشی (S) می‌باشند.
در انفجارات زیرزمینی، در فاصله نزدیک به انفجار، امواج طولی و عرضی موثر بوده و امواج رایلی (R) علاوه بر حوزه نزدیک، در فواصل دور نیز حاکم هستند. ذرات نزدیک به سطح زمین تحت تأثیر حرکات چرخشی ناشی از امواج رایلی (R) قرار می‌گیرند.
21-3-6-4- مشخصههای اصلی تکانه زمین
مشخصههای اصلی تکانه زمین شامل حداکثر فشار، حداکثر سرعت ذرات، حداکثر جابجایی ذرات، سرعت موج در زمین و تکانه ویژه انفجار می‌باشد. مقدار این مشخصه‌ها، با افزایش فاصله از مرکز انفجار کاهش می‌یابند و نرخ میرایی آن‌ها تابع نوع خاک است.
21-3-6-4-1- حداکثر جابجایی ذرات خاک (x)
حداکثر جابجایی ذرات (در اثر انفجار زیرزمین)، منجر به حرکت سازههای مدفون و تجهیزات متصل به آن‌ها، می‌شود. مقادیر جابه‌جایی بر اساس سطح خطر انفجار و نوع خاک از جدول 21-1-3 به دست می‌آید.
21-3-6-4-2- فشار انفجار بر سازه مدفون (pgo)
مقدار فشار ناشی از انفجار زیرزمینی بر سازه مدفون، بر اساس سطح خطر انفجار و نوع خاک، از جدول 21-1-3 به دست می‌آید. این فشار ممکن است در اثر بازتاب امواج انفجار از سنگ بستر و هم‌چنین از سطح زمین تغییر یابد. با توجه به موقعیت انفجار بمب و بازتاب موج از سطوح مختلف، فشار ناشی از انفجار زیر زمینی بر وجه‌‌های مختلف سازه، تغییر می‌کند.
برای تشریح موضوع بالا، با فرض انفجار در نقطه B، در شکل 21-3-12 دیده می‌شود که فشار مستقیم انفجار (نمودار a)، زودتر از امواج بازتاب به سازه (نقطه A ) می‌رسد. موج بازتاب از سطح زمین، که موج کششی است (نمودار b) و موج بازتاب از سنگ بستر که موج فشاری است (نمودار c)، باعث کاهش و افزایش فشار در نقطه A می‌شوند و مجموع آن‌ها فشار نهایی را به وجود می‌آورند (نمودار d).
شکل 21-3-12- موقعیت انفجار و نیروهای وارده بر سازه زیرزمینی
21-3-6-5- اثرات تکانه بر سازة مدفون و اجزای غیرسازه ای
بر اثر تکانه زمین، به پی سازه مدفون ضربه وارد شده و تکانهایی را ایجاد نموده و اجزای غیرسازه‌ای نصب شده بر روی دیوار یا کف سازه حرکت خواهند نمود. در ادامه روش ساده‌ای برای محاسبه این حرکات، ارائه شده است.
21-3-6-5-1- حرکات دیوار و کف
حرکت افقی دیوار قائم، که در طراحی اجزای سازه مدفون، مبنای بارگذاری است، از رابطه زیر به دست می‌آید:
| (10-3-21) |
که در آن xwمقدار جابجایی دیوار و x مقدار جابجایی ذرات خاک در میدان آزاد در اثر تکانه زمین مطابق جدول 21-1-3 می‌باشد.
شکل 21-3-13- حرکات افقی دیوار و کف
حرکت افقی کف، به علت هم سو بودن با جهت موج انفجار، برابر جابجایی ذرات خاک در میدان آزاد (جدول 21-1-3)، می‌باشد.
| (11-3-21) |
که در آن xfمقدار جابجایی کف می‌باشد.
21-3-6-5-2- حرکات اجزای غیرسازه ای
حداکثر میزان حرکت اجزای غیرسازه‌ای که دارای اتصالاتی با میرایی 5 تا 15 درصد به دیوار یا کف سازههای مدفون هستند، از رابطه 21-3-12 به دست می‌آید:
| (12-3-21) |
که در آن xsحداکثر جابجایی تجهیزات می‌باشد.
21-3-7- انفجار داخلی
انفجار داخلی نسبت به انفجار خارجی، خارق العاده‌تر بوده و فشار حاصل از آن نیز بدین روال است (شکل 21-3-14). در این پدیده ابتدا فشار مبنای انفجار همانند انفجار در سطح زمین رخ می‌دهد و سپس این فشار تحت انعکاس‌های متعدد دیوارهای محدود کننده انفجار قرار می‌گیرد. در ادامه فشار گاز با زمان تداوم بزرگتر تولید می‌شود. نتیجه عمل، فشار دوخطی مطابق شکل (21-3-15) خواهد شد. قسمت اول این بارگذاری مطابق فشار محاسبه شده برای دیوار جلو (سمت انفجار) بوده و قسمت دوم آن فشار مثلثی گاز با شدت کمتر و زمان تداوم بزرگتر خواهد بود و از نمودارهای تخصصی بدست می‌آید که در این مقوله نمی‌گنجد.
شکل 21-3-14- فشار حاصل از انفجار داخلی
*
شکل 21-3-15 – فشار دوخطی ناشی از انفجار داخلی
21-3-8- ترکشها
زمانی که فشار به وجود آمده در داخل بمب باعث انفجار بدنه آن می‌شود، پوسته ماده منفجره متلاشی و ترکشهای اولیه ایجاد می‌گردد. ترکشها مثل گلوله‌‌های انفجاری با شکل‌های نامنظم عمل می‌کنند. اثر این ترکشهای پرتاب شده بر روی هدف به شکل، وزن، سرعت اولیه و هم‌چنین فاصله بین هدف و نقطه انفجار، موقعیت ساختمان، جهت محور ماده منفجره و نیز محور هدف بستگی دارد.
خصوصیات اصلی ترکشهای اولیه سرعت اولیه بسیار زیاد، تعداد زیاد و اندازه نسبتاً کوچک آن‌ها می‌باشد. ترکشهای اولیه ترکشهایی هستند که بطور مستقیم از بدنه سلاح انفجاری و ملحقات آن ایجاد می‌شوند.
ترکشهای ثانویه ترکشهایی هستند که در اثر انفجار بر روی سازه‌ها و یا تجهیزات مجاور محل انفجار تولید می‌گردند.
اثر ترکشها بیشتر باعث صدمات انسانی و بر عناصر غیرسازه‌ای است و تاثیر عمده‌ای بر سازه باربر اصلی ندارد.
[1] برای اطلاعات دقیق‌تر، رجوع به منابع تخصصی ضروری است.
