مطالعه و خودآزمونِ مباحث‹مبحث ۲۱ — پدافند غیرعامل‹مشخصه‌های مکانیکی مصالح و سامانه‌های سازه‌ای‹درسنامه
مبحث ۲۱ — پدافند غیرعامل
درسنامه — مشخصه‌های مکانیکی مصالح و سامانه‌های سازه‌ای
خلاصه‌یِ بندهایِ ۲۱-۴، مستقیماً از متنِ رسمیِ مبحث.
کلیات و پاسخِ استاتیکی-دینامیکی
•طراحیِ سازه‌ها در برابرِ انفجار، مستلزمِ آگاهی از ویژگی‌هایِ دینامیکیِ مصالح است. مصالح تحتِ بارگذاریِ دینامیکی، افزایشِ مقاومتی از خود نشان می‌دهند که مقاومتِ سازه‌ای را به‌طورِ قابلِ‌ملاحظه‌ای بالا می‌برد؛ سازه‌ها برایِ جذبِ انرژیِ بارهایِ انفجاری، وارد محدوده‌یِ تغییرشکل‌هایِ فراارتجاعی می‌شوند.
•بارهایِ رایج (باد، بارهایِ قائم) با آهنگِ آهسته وارد می‌شوند و زمانِ تداومِ آن‌ها بسیار بزرگ‌تر از زمانِ تناوبِ سازه است؛ در بارهایِ انفجاری، اعمالِ بار و افزایشِ تنش در اعضا بسیار سریع (در حدِ چند ده میلی‌ثانیه) اتفاق می‌افتد و زمانِ تداومِ آن معمولاً بسیار کوتاه‌تر از زمانِ تناوبِ سازه است.
نکته‌یِ کلیدی: در بارگذاریِ سریع، مصالح نمی‌توانند با نرخِ مشابهِ بارِ وارده تغییرشکل دهند؛ این ویژگی باعثِ افزایشِ تنشِ تسلیم و تنشِ نهایی می‌شود — هرچه نرخِ کرنش بزرگ‌تر باشد، مصالح مقاومتِ بیشتری از خود نشان می‌دهند. این اثر، با «ضریبِ افزایشِ دینامیکی» در طراحی لحاظ می‌شود.
ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF)
•مقاومتِ بتن در طولِ زمان افزایش می‌یابد و مقاومتِ واقعیِ مصالحِ فولادی نیز از مقدارِ مقررِ کارخانه بیشتر است؛ برایِ منظورکردنِ این عوامل، مقاومتِ مشخصه‌یِ بتن و مقاومتِ مقررِ فولاد در ضرایبِ افزایشِ مقاومت ضرب می‌شوند.
جدولِ ۲۱-۴-۱: میلگردهایِ رده‌یِ S500 و کمتر — ضریبِ ۱٫۱۵؛ فولادِ ساختمانیِ نوردشده St37 و St52 — ضریبِ ۱٫۱۵؛ تیرورق‌ها و سایرِ اعضایِ ساخته‌شده از ورق — ضریبِ ۱٫۱۵؛ بتنِ ۲۸ روزه — ضریبِ ۱٫۱؛ بتنِ ۶ ماهه — ضریبِ ۱٫۲۱؛ بتنِ یک‌ساله — ضریبِ ۱٫۲۶.
ضریبِ افزایشِ دینامیکی (DIF)
•ضریبِ افزایشِ دینامیکی برایِ بتنِ مسلح و مصالحِ بنایی مطابقِ جدولِ ۲۱-۴-۲ و برایِ فولاد مطابقِ جدولِ ۲۱-۴-۳ اعمال می‌شود؛ این ضریب به ماهیتِ تنش (خمشی، برشِ مستقیم، فشارِ محوری، کششِ قطری، چسبندگی) بستگی دارد — تنش‌هایِ خمشی خیلی سریع شکل می‌گیرند، در حالی‌که برش‌هایِ حداکثر با تأخیرِ بیشتری (به‌دلیلِ نرخِ کرنشِ پایین‌تر در برش) رخ می‌دهند.
•برایِ فولادِ St37: ضریبِ افزایشِ دینامیکیِ تنشِ تسلیم (خمشی-برش) ۱٫۳، تنشِ تسلیم (فشار-کشش) ۱٫۲، و تنشِ نهایی ۱٫۱۰ است. برایِ St52: به‌ترتیب ۱٫۲، ۱٫۱۵ و ۱٫۰۵ است — یعنی St37 ضرایبِ افزایشِ دینامیکیِ بزرگ‌تری نسبت به St52 دارد.
•آزمایش‌ها نشان می‌دهد مدولِ الاستیسیته‌یِ دینامیکی نسبت به مدولِ الاستیسیته‌یِ استاتیکی، در مصالحِ فولادی تغییر نمی‌کند و در بتن اندکی افزایش می‌یابد که در محاسبات تأثیرگذار نیست.
تنشِ تسلیمِ طراحی در سازه‌هایِ مقاومِ انفجاری
•تنشِ تسلیمِ دینامیکیِ طرح و تنشِ نهاییِ دینامیکیِ طرح، که در طراحی‌هایِ انفجاری به‌کار می‌روند، با اعمالِ ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF) و ضریبِ افزایشِ دینامیکی (DIF) بر تنشِ تسلیم و تنشِ نهاییِ استاتیکی به دست می‌آیند — یعنی هر دو ضریب به‌صورتِ ضربی بر مقاومتِ پایه اعمال می‌شوند، هم برایِ فولاد و هم برایِ بتن.
مصالحِ بتنی و بنایی
•بتنِ غیرمسلح، به‌علتِ رفتارِ ترد، به‌تنهایی مصالحِ مناسبی برایِ سازه‌یِ انفجاری نیست، اما در ضخامت و حجمِ زیاد برایِ عملیاتِ پدافندی کاربرد دارد. بتنِ مسلح، به‌طورِ ویژه‌ای در برابرِ بارهایِ انفجاری، آتش و نفوذِ ترکش مقاومتِ مناسبی دارد و از مصالحِ ممتاز برایِ سازه‌هایِ مقاومِ انفجاری است؛ باید علاوه بر فصلِ ۵ این مبحث، ضوابطِ شکل‌پذیریِ ویژه‌یِ سازه‌هایِ انفجاری را نیز برآورده کند (تا تدوینِ چنین ضوابطی، می‌توان از ضوابطِ شکل‌پذیریِ ویژه‌یِ مبحثِ نهم استفاده کرد).
•بتنِ الیافی، با پخشِ یکنواختِ رشته‌هایِ نازک و نسبتاً بلندِ الیاف، به کاهشِ تردشکنیِ بتن کمک می‌کند و باعثِ افزایشِ مقاومتِ خمشی/برشی/کششی، مقاومت در برابرِ بارهایِ ضربه‌ای، جذبِ انرژی و کاهشِ نفوذِ پرتابه‌ها می‌شود؛ الیافِ بلند و شکل‌پذیر، شکل‌پذیریِ مقطع را بیشتر از الیافِ ترد و کوتاه افزایش می‌دهند.
•مصالحِ بناییِ غیرمسلح، به‌علتِ تردشکنی و عدمِ یکپارچگی، مصالحِ مناسبی برایِ سازه‌هایِ مقاومِ انفجاری نیستند. مصالحِ بناییِ مسلح (با میلگردگذاریِ داخلی، شبکه‌یِ سطحی و بتن‌پاشی، یا نوارهایِ FRP)، به‌دلیلِ جرمِ زیاد، می‌توانند برایِ بارهایِ انفجاریِ حوزه‌یِ دور مورد استفاده قرار گیرند (رجوع به مبحثِ ۸).
مصالحِ سنگدانه‌ای، خاک و فولادِ ساختمانی
•مصالحِ سنگدانه‌ایِ ریز و خاک، به‌علتِ قابلیتِ استهلاکِ انرژیِ بارهایِ انفجاری، می‌توانند به‌صورتِ کیسه‌ای برایِ ساختِ فضاهایِ امنِ سطحی و حفاظتِ جنبیِ ساختمان‌ها در کارهایِ پدافندی به‌کار روند. با افزودنِ سیمان و آهک، این کیسه‌ها پس از جذبِ رطوبت و گیرش، استحکام و یکپارچگیِ بیشتری کسب می‌کنند؛ با استفاده از ژئوگرید، خاک حالتِ مسلح پیدا کرده و مشخصاتِ مکانیکیِ بهتری می‌یابد.
•فولادهایِ ساختمانیِ رده‌یِ St37 و St52 از شکل‌پذیریِ کافی برایِ طراحیِ انفجاری برخوردارند. فولادهایِ با مقاومتِ بالاتر می‌توانند در موقعیت‌هایِ مشخص، نظیرِ درهایِ انفجاری و پیچ‌ها، استفاده شوند. سازه‌هایِ فولادیِ مقاومِ انفجاری باید علاوه بر فصلِ ۵ این مبحث، ضوابطِ شکل‌پذیریِ ویژه‌یِ سازه‌هایِ انفجاری را نیز برآورده کنند (تا تدوینِ آن، از ضوابطِ شکل‌پذیریِ ویژه‌یِ مبحثِ دهم استفاده می‌شود).
سامانه‌هایِ سازه‌ایِ مناسب برایِ مقاومت در برابرِ انفجار
نکته‌یِ کلیدی: بارِ ضربه‌ایِ انفجار، به‌علتِ تأثیرِ بسیار کوتاه‌مدتش، برخلافِ نیروهایِ زلزله، قادر به تحریکِ تمامِ جرمِ سازه نیست؛ بنابراین در سازه‌هایِ مقاومِ انفجاری، افزایشِ جرم تأثیرِ مثبت دارد و سازه‌هایِ بتنِ مسلح بر سازه‌هایِ سبک (فولاد و چوب) ارجح‌اند.
•در سازه‌هایِ بتنِ مسلح، جزئیات‌بندیِ مناسبِ میلگردها (میلگردگذاریِ دوطرفه و خاموت‌بندیِ با فاصله‌یِ کم) برایِ رسیدن به پاسخِ شکل‌پذیر ضروری است؛ مقاطعِ یک‌طرفه میلگردگذاری‌شده در طراحیِ انفجاری توصیه نمی‌شوند. میلگردهایِ S500 و کمتر، شکل‌پذیریِ کافی برایِ بارگذاریِ دینامیکی دارند.
•مصالحِ فولادی، پس از عبور از مرحله‌یِ تسلیم، می‌توانند بدونِ اعمالِ تنشِ اضافی، تا حدودِ ۱۵ برابرِ کرنشِ حدِ تسلیم را تحمل کنند — این خاصیت برایِ بارگذاریِ انفجاری بسیار مفید است. اتصالاتِ سازه‌هایِ فولادی باید تا حدِ امکان شکل‌پذیر طراحی شوند و در طراحیِ آن‌ها باید به احتمالِ معکوس‌شدنِ جهتِ تنش‌ها توجه شود.
•استفاده از مستهلک‌کننده‌هایِ انرژی (میراگرها و جداسازها) برایِ سامانه‌هایِ سازه‌ایِ مقاومِ انفجاری قابلِ‌توصیه است، اما تأثیرِ چندانی در جلوگیری از خرابی‌هایِ موضعی که می‌توانند باعثِ گسیختگیِ پیش‌رونده شوند، ندارند؛ این وسایل بیشتر برایِ انفجارهایِ حوزه‌یِ دور (که بخشِ وسیعی از سازه را تحریک می‌کنند) مناسب‌اند. جداسازها و میراگرها می‌توانند تغییرشکل‌هایِ کلی و بین‌طبقه‌ای را کاهش دهند، اما قادر به کاهشِ سرعت و شتابِ حداکثرِ واردِ بر سازه نیستند.
جدولِ مرورِ سریع
ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF) برایِ میلگردِ S500 و کمتر۱٫۱۵
ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF) برایِ فولادِ St37/St52۱٫۱۵
ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF) برایِ بتنِ ۲۸ روزه۱٫۱
ضریبِ افزایشِ مقاومت (SIF) برایِ بتنِ یک‌ساله۱٫۲۶
DIF تنشِ تسلیمِ خمشی-برش برایِ St37۱٫۳
DIF تنشِ تسلیمِ خمشی-برش برایِ St52۱٫۲
حدِ تقریبیِ کرنشِ قابلِ‌تحملِ فولاد پس از تسلیم (بدونِ تنشِ اضافی)حدودِ ۱۵ برابرِ کرنشِ حدِ تسلیم
سازه‌یِ ارجح برایِ مقاومت در برابرِ انفجاربتنِ مسلح (به‌دلیلِ جرمِ بیشتر)
برو به آزمونِ همین فصل