مبحث ۲۱ — پدافند غیرعامل
درسنامه — روش‌های تحلیل و طراحی سازه‌ها
خلاصه‌یِ بندهایِ ۲۱-۵، مستقیماً از متنِ رسمیِ مبحث.
روشِ اصلی و روشِ جایگزین برایِ تحلیل و طراحی
•در این مبحث، روشِ اصلی برایِ تحلیلِ ساختمان در مقابلِ فشارهایِ ناشی از انفجار، «روشِ دینامیکیِ غیرارتجاعی» است و برایِ طراحی از معیارهایِ تغییرشکل — شاملِ ضریبِ شکل‌پذیری (μ) و دوران‌هایِ انتهاییِ اعضا — و مفاهیمِ عملکردی استفاده می‌شود. به‌عنوانِ روشِ جایگزین، «روشِ تجویزیِ استاتیکیِ معادل» نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.
تحلیلِ دینامیکیِ غیرارتجاعیِ سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادی (SDOF)
•مدلِ تحلیلیِ پایه‌ای که بیشترین کاربرد را در طراحیِ انفجاری دارد، «روشِ سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادیِ معادلِ ارتجاعی-خمیریِ کامل» (الاستوپلاستیکِ کامل) است. اغلبِ اعضایِ سازه‌ها بیش از یک درجه‌یِ آزادی دارند، اما بسیاری از آن‌ها را می‌توان با دقتِ کافی به سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادیِ معادل تبدیل کرد.
•عناصرِ اصلیِ در معرضِ فشارِ مستقیمِ انفجار — نظیرِ قاب‌هایِ صفحه‌ایِ یک‌طبقه، دیوارهایِ طره‌ای، تیرها و دال‌ها — قابلِ معادل‌سازی با سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادی‌اند. در این مدل، نیرویِ خارجی، جرم و سختیِ واقعی با «نیرویِ معادل»، «جرمِ معادل» و «سختیِ معادل» جایگزین می‌شوند.
•بارِ تابعِ زمانِ انفجار معمولاً به‌صورتِ یک پالسِ مثلثی مدل می‌شود که مقدارِ حداکثر و مدت‌زمانِ تأثیرِ آن بر سازه مشخص است؛ «ضربه‌یِ انفجار» تقریباً مساویِ سطحِ زیرِ نمودارِ بارگذاری است.
ضریبِ شکل‌پذیری (μ): بر اساسِ نمودارِ مقاومت-تغییرمکانِ سازه‌یِ ارتجاعی-خمیری، از نسبتِ تغییرمکانِ حداکثرِ نظیرِ ترازِ عملکردی به تغییرمکانِ حدِ ارتجاعی به دست می‌آید. این مقدار، مشخصه‌ای از درجه‌یِ پاسخِ غیرارتجاعیِ عضو است و به‌عنوانِ روشِ اولیه برایِ اندازه‌گیریِ پاسخِ سازه به‌کار می‌رود.
ضرایبِ تبدیل به سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادیِ معادل
•برایِ تبدیلِ سازه با جرم، سختی و بارگذاریِ گسترده به سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادیِ ارتجاعی-خمیری، از «ضرایبِ تبدیل» استفاده می‌شود: ضریبِ تبدیلِ بار/سختی (KL یا KLM) و ضریبِ تبدیلِ جرم. مقادیرِ این ضرایب به نوعِ تغییرشکلِ عضوِ سازه‌ای (بارگذاریِ گسترده یا متمرکز، تکیه‌گاهِ ساده یا گیردار، محدوده‌یِ ارتجاعی یا خمیری) بستگی دارد و در جداولِ ۲۱-۵-۱ تا ۳ برایِ اعضایِ یک‌طرفه با شرایطِ تکیه‌گاهیِ مختلف ارائه شده است.
•در موارد عملی، ضرایبِ تبدیل در طولِ تحلیل ثابت فرض می‌شوند و برایِ انتخابِ ضرایبِ مناسب، از قضاوتِ مهندسی و ماهیتِ پاسخِ حاکمِ عضو استفاده می‌شود؛ گاهی از میانگینِ ضرایبِ انتقالِ ارتجاعی و خمیری نیز استفاده می‌شود. با تغییرِ رفتارِ عضو از حالتِ ارتجاعی به خمیری (و برعکس)، ضرایبِ تبدیل نیز تغییر می‌کنند.
•جرمِ سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادیِ معادل، شاملِ جرمِ اعضایِ سازه‌ای و جرمِ تجهیزاتِ دائمیِ رویِ آن است و با تقسیمِ وزنِ آن‌ها بر شتابِ جاذبه به دست می‌آید. پس از تعیینِ مشخصاتِ سازه‌یِ معادل، آن را تحتِ بارِ دینامیکی تحلیل کرده و تغییرشکلِ حداکثر محاسبه می‌شود؛ فرض بر آن است که انرژیِ کرنشیِ معادل، گشتاورِ خمشی، نیرویِ برشی، تغییرمکان، سرعت و شتابِ سازه‌یِ یک‌درجه‌آزادی، برابرِ پاسخِ نقاطِ کنترلیِ سازه‌یِ اصلی باشد.
ترکیباتِ بارگذاری
نکته‌یِ کلیدی: بارِ انفجار، تنها با بارهایی که به‌هنگامِ آن حضور دارند ترکیب می‌شود؛ بنابراین بارِ انفجار با بارِ زلزله و بارِ باد ترکیب نمی‌شود. ترکیبِ بارگذاریِ عمومی شاملِ بارِ مرده (D)، بارِ زنده (L) و بارِ انفجار (B) است.
معیارهایِ پذیرشِ رفتارِ عضوِ سازه‌ای
•معیارهایِ پذیرشِ طراحیِ اعضایِ سازه‌ای در مقابلِ انفجار شاملِ سه محدودیت است: (الف) سطوحِ عملکردِ سازه‌ای (همان چهار سطحِ جدولِ ۲۱-۱-۱/۲۱-۱-۴ فصلِ اول)، (ب) محدودیتِ تغییرشکلِ اعضا (ضریبِ شکل‌پذیری μ و میزانِ دورانِ مفصلِ θ)، و (پ) محدودیتِ تغییرشکلِ جانبیِ نسبیِ طبقات (دریفت). معمولاً ملاحظاتِ بهره‌برداریِ متعارف در سازه‌هایِ مقاومِ انفجاری مدنظر نیستند.
•ضریبِ شکل‌پذیری و دورانِ مفصلِ محاسبه‌شده باید با مقادیرِ جداولِ ۲۱-۵-۴ تا ۷ (بر حسبِ نوعِ مصالح و شکلِ مقطع) مقایسه شوند تا در دامنه‌یِ مجازِ سطحِ عملکردِ موردنظر قرار گیرند. دورانِ مفصل با دو روش تعیین می‌شود — دورانِ مفصل در تکیه‌گاه و دورانِ مفصل در وسطِ دهانه — که این مبحث از روشِ اول (دورانِ تکیه‌گاهی) استفاده می‌کند.
چند نمونه‌یِ کاملِ استخراج‌شده از جدولِ ۲۱-۵-۶ (فولادِ نوردِ گرم، معیارِ پذیرشِ ضریبِ شکل‌پذیری μ برایِ چهار سطحِ عملکرد): تیرها با مقطعِ فشرده — استفاده‌یِ بی‌وقفه ۱، ایمنیِ جانی ۳، آستانه‌یِ فروریزش ۱۲. تیرها با مقطعِ غیرفشرده — استفاده‌یِ بی‌وقفه ۰٫۷، ایمنیِ جانی ۰٫۸۵، آستانه‌یِ فروریزش ۱، بی‌دفاع ۱٫۲ (این‌جا μ کمتر از ۱ یعنی هنوز در محدوده‌یِ ارتجاعی-نزدیک است، برخلافِ مقطعِ فشرده که مقادیرِ بزرگ‌تر از ۱ مجاز است).
•نمونه‌یِ جدولِ ۲۱-۵-۷ (معیارِ پذیرشِ سایرِ مصالح): چوب — استفاده‌یِ بی‌وقفه ۱، ایمنیِ جانی ۲، آستانه‌یِ فروریزش ۳، بی‌دفاع ۴. درهایِ انفجاریِ پیش‌ساخته (صفحاتِ کامپوزیت) — استفاده‌یِ بی‌وقفه ۳، ایمنیِ جانی ۱۰، آستانه‌یِ فروریزش ۲۰. درهایِ انفجاریِ صفحه‌ایِ صلب — استفاده‌یِ بی‌وقفه ۳، ایمنیِ جانی ۲۰، آستانه‌یِ فروریزش ۴۰ — یعنی درهایِ صلب، ظرفیتِ شکل‌پذیریِ مجازِ بیشتری نسبت به درهایِ پیش‌ساخته دارند.
•محدودیتِ تغییرشکلِ جانبیِ نسبیِ طبقات (دریفت) برایِ سامانه‌هایِ قابی، به‌منظورِ کاهشِ خطرِ انهدامِ پیش‌رونده و کاهشِ اثراتِ P-Δ در ستون‌ها، مطابقِ جدولِ ۲۱-۵-۸ اعمال می‌گردد.
روشِ استاتیکیِ معادل
•به‌عنوانِ جایگزینِ روشِ دینامیکیِ غیرارتجاعی، روشِ استاتیکیِ معادل در سه گام انجام می‌شود: گامِ ۱ — بارگذاری: بر حسبِ اهمیتِ سازه، فشارِ طراحی و زمانِ تداومِ آن از جدولِ ۲۱-۱-۳ (فصلِ ۱) استخراج می‌شود.
•گامِ ۲ — تبدیلِ فشارِ دینامیکیِ ضربه‌ای به استاتیکیِ معادل: ابتدا زمانِ تناوبِ اصلیِ عضو محاسبه می‌شود (رابطه‌ای متفاوت برایِ تیرها بر اساسِ شرایطِ تکیه‌گاهی، و برایِ دال‌هایِ مستطیلی بر اساسِ ضلعِ بزرگ، جرمِ واحدِ سطح و صلبیتِ خمشی — که برایِ اثرِ ترک‌خوردگی، نصف می‌شود). سپس با استفاده از نمودارِ ضریبِ بارِ دینامیکی (تابعِ نسبتِ زمانِ دوامِ بار به زمانِ تناوبِ عضو)، فشارِ استاتیکیِ معادل محاسبه می‌شود.
•گامِ ۳ — طراحی: برایِ هر عضو، حداکثر فشارِ قابلِ‌تحمل بر مبنایِ مقاومتِ نهاییِ آن (با استفاده از تحلیلِ خمیری و نظریه‌یِ خطوطِ گسیختگی برایِ دال‌ها) محاسبه می‌شود. ضریبِ اطمینانِ عضو (نسبتِ مقاومت به فشار) نباید از ضرایبِ اطمینانِ جدولِ ۲۱-۵-۱۰ کمتر باشد.
جدولِ ۲۱-۵-۱۰ (ضرایبِ اطمینان بر اساسِ سطحِ عملکرد): استفاده‌یِ بی‌وقفه — ۱٫۷۵؛ ایمنیِ جانی — ۱٫۰؛ آستانه‌یِ فروریزش — ۰٫۸. یعنی هرچه سطحِ عملکردِ موردِ نیاز بالاتر باشد (استفاده‌یِ بی‌وقفه)، ضریبِ اطمینانِ لازم نیز بزرگ‌تر است.
جدولِ مرورِ سریع
روشِ اصلیِ تحلیل در مبحثِ ۲۱روشِ دینامیکیِ غیرارتجاعی (مدلِ SDOF)
روشِ جایگزینروشِ تجویزیِ استاتیکیِ معادل
ترکیبِ بارگذاریِ اصلیبارِ مرده + بارِ زنده + بارِ انفجار (بدونِ ترکیب با بادِ یا زلزله)
سه محورِ معیارِ پذیرشِ عضوسطحِ عملکرد، محدودیتِ μ و θ، محدودیتِ دریفتِ نسبیِ طبقات
μ مجازِ تیرِ فولادیِ فشرده در سطحِ ایمنیِ جانی۳ (جدولِ ۲۱-۵-۶)
μ مجازِ چوب در سطحِ آستانه‌یِ فروریزش۳ (جدولِ ۲۱-۵-۷)
ضریبِ اطمینانِ سطحِ استفاده‌یِ بی‌وقفه (جدولِ ۲۱-۵-۱۰)۱٫۷۵
ضریبِ اطمینانِ سطحِ ایمنیِ جانی (جدولِ ۲۱-۵-۱۰)۱٫۰
ضریبِ اطمینانِ سطحِ آستانه‌یِ فروریزش (جدولِ ۲۱-۵-۱۰)۰٫۸
برو به آزمونِ همین فصل