خلاصه پایان نامه بررسی عملکرد پل های بتنی با مقطع باکس پس کشیده تحت اثر بار های ناشی از انفجار
پایان نامه کارشناسی ارشد رشته عمران
گرایش زلزله
چکیده:
سازه ی پل ها تحت اثر بارگذاری های متنوعی قرار می‌گیرند و با توجه به میزان خطرپذیری که برای آنها در نظر گرفته شده طراحی می‌شوند. بارگذاری انفجاری از جمله بارهاییست که سلامت پل‌ها را تهدید می‌کند. ارزیابی میزان خسارت و عملکرد پل‌ها تحت اثر این بارگذاری به علت اهمیت راهبردی آنها ضروریست. در این پایان نامه طی چهار فصل سعی شده است تا عملکرد پل‌های بتنی با مقطع باکس پیش‌تنیده تحت اثر بار انفجاری مورد بررسی قرار گیرد. در فصل اول بیان مسئله، ضرورت انجام این تحقیق و کلیاتی راجع به مسئله نوشته شده است.
در فصل دوم پدیده انفجار، بارگذاری انفجاری و پارامترهای آن معرفی می‌شوند، سپس رفتار مواد در نرخ کرنش‌های بالا (بارهای ضربه‌ای) به صورت اجمالی بیان می‌شود. تاریخچه‌ی تحقیقات عددی و آزمایشگاهی انجام شده در زمینه اثر انفجار بر پل‌ها نیز در این فصل توضیح داده می‌شود.
در فصل سوم پل مورد تحقیق و فنون مدلسازی آن در نرم‌افزارهای اجزاء محدود بیان می‌شود. روش تحقیق وسناریوهای انفجاری در این فصل تعریف می‌شود. خصوصیات و نحوه‌ی مدلسازی مصالح ارائه می‌گردد.
در فصل چهارم نتایج سناریوهای انفجاری ارائه و مورد بحث قرار می‌گیرند. نتایج بیانگر آن‌اند که پل تحت اثر سناریوهای مختلف انفجاری بسیار آسیب‌پذیر و امکان فروریزی آن زیاد است. موج انفجاری پس از شکست دال عرشه به داخل باکس نفوذ می‌کند و تشدید می‌یابد. آرماتورها گسیخته شده و کابل‌های پیش‌تنیدگی در نواحی مهار انتهایی جاری می‌شوند، در ادامه به علت افزایش کرنش در کابل‌ها نیروی پیش‌تنیدگی موثر بر مقطع کاهش می‌یابد. این درحالیست که تنش در کابل‌ها بیش از حد جاری شدن استاتیکی است، ولی به علت اثر نرخ کرنش در نقاط خارج از ناحیه مهار انتهایی جاری و یا گسیخته نمی‌شوند.
فصل اول : کلیات
1-1-مقدمه
بدون شک رویداد 11 سپتامبر سال 2001 یکی از بزرگترین حملات تروریستی بشر بوده است. این واقعه نشانگر این است که سازه ها همواره در معرض خطرات ناشی از انفجار قرار دارند. طی چند دهه گذشته حملات تروریستی فراوانی در سراسر دنیا به وقوع پیوسته است که صدمات مالی و جانی بسیاری را بر جا گذاشته است. نتیجه این رویداد، احساس نیاز بیشتر مهندسان برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار بوده است. برای مثال درس‌های آموخته شده از بمب گذاری در اوکلاهاما[1] در سال 1995 و حمله به سفارت آمریکا در تانزانیا[2]و نیروبی[3] در سال 1998 آغازگر توسعه آئین‌نامه‌های طراحی سازه‌ها در برابر انفجار است. با گسترش عملیات‌های تروریستی، وقوع جنگ‌های مختلف، وقوع حوادثی که منجر به انفجار می شوند (انفجار خودروی حامل سوخت) باعث شده است که نیاز به مطالعه و تعیین راه حل‌های مناسب برای جلوگیری از رسیدن آسیب‌های جدی به سازه های راهبردی و حیاتی بیش از پیش احساس شود. پس از تولد تکنولوژی انفجار، آزمایشات و تحقیقات بسیاری توسط مهندسان و دانشمندان بر روی مصالح و بارهای انفجاری انجام شده است. فولاد و بتن نیز به عنوان متداول‌ترین مصالح عمرانی به دلیل اهمیت و گستردگی استفاده در پروژه های عمرانی قسمت اعظم این تحقیقات و پژوهش‌های انفجاری را به خود اختصاص داده‌اند. تحقیقات قابل توجه کمی در زمینه اثر انفجار بر پل‌ها صورت گرفته است، بنابراین برای طراحی پل‌ها تحت اثر انفجار تحقیقات آزمایشگاهی و عددی و تحلیلی نیاز است تا بتوان دانش کافی برای توسعه‌ی آئین‌نامه‌های طراحی پل‌ها در برابر انفجار را فراهم آورد.
بعد از رویداد 11 سپتامبر تلاش‌های بسیاری برای تمرکز بر روی امنیت سیستم حمل ونقل صورت گرفت. به طوری که چندید گروه تخصصی برای ارائه پیشنهادات و راه‌کارها برای جلوگیری از حملات تروریستی علیه پل‌ها گرد هم آمدند. یکی از اولین پروژه‌های تحقیقاتی در این زمینه در دپارتمان حمل ونقل تگزاس آمریکا کلید خورد. تمرکز این تحقیقات توسعه‌ی راه‌کارها برای بهبود عملکرد انواع پل‌ها در برابر حملات تروریستی بود. این تحقیقات به کمک روش‌های مبتنی بر مطالعات پارامتری با مدل‌های تحلیلی ساده انجام شد[1]. اخیرا مهندسین ارتش آمریکا به بررسی عملکرد برج‌های فلزی و بتنی پل معلق و کابلی که تحت اثر بار انفجاری نزدیک قرار گرفته‌اند، پرداختند. بقیه تحقیقات بیشتر بر روی اعضای پل متمرکز بودند. برای مثال فوجیکورا[4] طی تحقیقات آزمایشگاهی اقدام به بررسی عملکرد پایه‌های قابی شکل پل‌ها نمود. همچنین مهندسین ارتش آمریکا بر روی شاهتیرهای پیش تنیده نیز تحقیقات مشابهی انجام دادند. با اینکه تحقیقات فراوانی در این زمینه انجام شده است اما این زمینه هنوز تازه است[2].
1-2-ضرورت بررسی رفتار پل ها تحت اثر بار انفجاری
حملات تروریستی که علیه برج‌های تجارت جهانی در 11 سپتامبر 2001 روی داد، یکی از برجسته‌ترین حملات تروریستی است که علیه سازه‌ها اتفاق افتاده است. این واقعه‌ی تلخ هشداری به مسئولان و مهندسان برای توجه بیشتر به سازه‌هایی است که امکان خرابی آنها توسط بارهای انفجاری می‌رود است. چنانچه در مورد این موضوع بیشتر تفکر شود، می‌توان به خطرپذیری سازه‌های راهبردی تحت بارگذاری انفجاری پی برد. سازه‌های حمل و نقلی از جمله‌ی این سازه‌های راهبردی هستند. همانطور که گفته شد در حوزه‌ی حمل و نقل نیز سیستم‌های حمل و نقلی در خطر خرابی ناشی از انفجار قرار دارند. اطلاعات جمع آوری شده توسط موسسه ترابری مینتا[5]حاکی از آن است که حداقل 53 مورد حمله تروریستی در بین سال‌های 1998 تا 2006 برای انهدام پل‌ها در نقاط مختلف دنیا اتفاق افتاده است[3]. از بین این تعداد حدود 60 درصد با بمب گذاری صورت گرفته است. مشاهدات گذشته نشان داده‌اند که تروریست‌ها علاقه‌مند به حمله به پل‌های بزرگراهی هستند که در شهرهای صنعتی وجود دارد، علت این امر آن است که با آسیب رساندن به این پل‌ها می‌توانند ضربه موثری به هدفشان وارد کنند. برای مثال حملات انتحاری و انفجار خودرو بر روی دو پل بزرگراهی در عراق که منجر به فرو ریزش آنها شد.
بغیر از حملات تروریستی، حوادثی که غیر عمد منجر به انفجار بر پل می‌شود نیز از جمله خطرات انفجاریست که پل‌ها را تهدید می‌کند. تصادف خودروها و انفجار آنها که منجر به فرو ریزش پل وبر فال آی-40[6] شد، مثالی از این نوع خطر است. همچنین پل i-35 در مینسوتا[7] نیز به طریق مشابه فروریخت[4]. در 8 سال جنگ تحمیلی عراق علیه ایران نیز پل‌های پی-ام-پی که برای عبور نیروی انسانی و تجهیزات نظامی از روی رودخانه‌ها استفاده می‌شدند نشانگر اهمیت و نقش پررنگ پل‌ها در روزهای سخت جنگ می‌باشد، این پل‌ها در دوران دفاع مقدس همواره جزو اهداف اصلی نیروهای عراقی برای انهدام بوده است. با توجه به موارد گفته شده لزوم توجه بیشتر به پل‌ها و طراحی پل‌های مقاوم یا بهسازی پل‌های موجود در برابر بارهای انفجاری ضرورت دارد.
3-ساختار و اهداف تحقیق
طراحی و ساخت پل‌های بتنی با مقطع باکس پس‌کشیده توسعه بسیار زیادی پیداکرده است. قطعات این‌گونه پل‌ها می‌توانند پیش‌ساخته باشند و سپس به کمک کابل، بطور پس‌کشیده به یکدیگر دوخته شوند. روش پیش‌ساختگی علاوه براین‌که امکان تولید بتن با مقاومت بسیار بالا را فراهم می‌کند، کرنش‌های جمع شدگی و خزش به مقدار زیادی کاهش می‌یابد. این نوع اجرا به دلیل حذف هرگونه چوب بست در زیر پل، برای ساخت پل‌های دره‌ای و پل‌های شهری که قطع ترافیک زیر پل امکانپذیر نیست، بسیار مناسب است. محدوده‌ی دهانه اقتصادی برای این‌گونه پل‌ها 30 تا 120 متر می‌باشد، این در حالیست که طول دهانه اکثر پل‌ها نیز در همین بازه قرار دارند. لذا با توجه به اجرای زیاد این نوع پل‌ها، ضرورت بررسی عملکرد پل‌های بتنی با مقطع باکس پس‌کشیده تحت اثر بارهای ناشی از انفجار نمایان می‌گردد.
تحقیق حاضر شامل 6 فصل می باشد. دراین پایان‌نامه ابتدا پل باکسی پس‌کشیده با دهانه‌های 37+68+37 متری در نرم‌افزار Sap2000 مطابق آئین‌نامه‌های معتبر تحلیل و طراحی می‌شود. سپس 8 مدل اجزاء محدود از این پل در نرم‌افزار ANSYS-AUTODYN مدلسازی می‌گردد. تفاوت این 8 مدل در محل قرارگیری ماده منفجره و نحوه‌ی توزیع بار زنده روی پل است. اهداف مورد نظر در این تحقیق به شرح زیر است.
ارزیابی میزان خسارت وارده به پل، تحت موج انفجاری که به علت نفوذ به داخل باکس عرشه تشدید شده است.
مشاهده و پیگیری نحوه‌ی توزیع تنش در اجزای پل
تاثیر نحوه‌ی توزیع بارترافیکی در آسیب پذیری پ
1 فصل دوم : مروری بر ادبیات موضوع
2-1-مقدمه
تکنیک‌های پیشگویی انفجار اغلب به روش‌های تعیین بار انفجاری و تعیین پاسخ تقسیم می‌شوند. هر کدام از این دسته بندی‌ها به خودی خود می‌توانند به دو گروه اصلی و تجربی تقسیم شوند. گروه اصلی به کمک قوانین فیزیک شروع به پیشگویی انفجار می‌کنند، این در حال است که گروه تجربی به کمک آزمایشات این هدف را دنبال می‌کنند.
برای انتشار امواج انفجار به صورت واقعی لازم است شرایط اتمسفری، اثرات مرزی، مواد منفجره و پارامترهای زیاد دیگری را در نظر گرفت که این کار دشواری است. همچنین تغییرات فشار انفجار به دلیل تغییر شکل‌های بزرگ سازه و آسیب‌های موضعی، باید در محاسبات لحاظ شود. به دلیل رفتار غیرخطی سازه تحت بار انفجار باید نتایج تحلیل‌های عددی توسط نتایج آزمایشگاهی تایید شوند. بنابراین تحقیقات صورت گرفته در این زمینه به دو دسته تحلیل عددی و کارهای آزمایشگاهی تقسیم می‌شوند. در این فصل ابتدا به پدیده انفجار به همراه روابط ارائه شده برای محاسبه بار انفجاری معرفی می‌شود و پس از آن به رفتار مصالح در نرخ کرنش بار انفجاری اشاره‌ای می‌شود. در انتهای فصل نیز پیشینه تحقیقات عددی و آزمایشگاهی صورت گرفته، ارائه می‌شود.
2-2-معرفی انفجار
انفجار، آزاد شدن بسیار سریع انرژی به صورت نور، گرما، صدا و موج ضربه‌ای می‌باشد. موج ضربه ای شامل هوای بسیار متراکمی‌می‌باشد که به صورت شعاعی (کروی) از منبع انفجار به سمت خارج با سرعت مافوق صوت در حرکت است. با گسترش موج ضربه‌ای، مقدار فشار به سرعت کاهش می‌یابد (متناسب با توان سوم فاصله) پس از برخورد به یک سطح، منعکس شده و مقدار آن ممکن است تا سیزده برابر افزایش یابد[5]. مقدار ضریب انعکاس تابع نزدیکی ماده منفجره و زاویه موج برخوردی می‌باشد فشار همچنین با گذشت زمان به سرعت کاسته می‌شود (به صورت نمایی) در بارگذاری انفجاری زمان اعمال بار، بسیار کوتاه می‌باشد و معمولاً بر حسب هزارم ثانیه میلی ثانیه بیان می‌شود. در آخر پدیده انفجار، موج ضربه ای منفی ایجاد می‌شود که مکش ایجاد می‌کند و درجایی که خلأ ایجاد شده باشد، یک باد قوی یا نیروی کششی بر سطوح ساختمان وارد می‌شود. این باد، آثار مخروبه به جا مانده از انفجار را بر می‌چیند و سبب جابجایی آنها می‌شود. فاز منفی کوچک و تدریجی بوده، به طوری که در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار در اکثر مواقع از آن صرف نظر می‌گردد. سه اثر اصلی که در آنالیز سازه تحت اثر بار انفجار خیلی مهم هستند، عبارت‌اند است از :
کل ضربه
فشار حداکثر موج انفجار
پرتاب اجسام (سرعت، جرم، توزیع)
دو مورد اول با علم به نوع مواد منفجره و وزن و شکل مواد منفجره و در نهایت فاصله انفجار تا هدف قابل محاسبه‌اند، اما پرتاب اجسام و آوار قابل بدست آوردن نیست و کاملاً طبیعی اتفاق می‌افتد. مورد آخر از آن جهت اهمیت دارد که موجب برخورد با انسان شده و آسیب می‌زند. در ادامه از بررسی گزینه سوم صرف نظر می‌کنیم[6].
2-3- بارگذاری انفجاری
اضافه فشار، فشاریست که به علت انفجار به فشار محیط اضافه می‌شود. هنگامی‌که اضافه فشار ناشی از انفجار در حال کاهش به سمت صفر است درست در لحظه‌ای که وارد فاز منفی می‌شود فشار به یکباره کمی‌افزایش می‌یابد، این به دلیل است که موج قوی از سمت انفجار می‌رسد که فشار را افزایش می‌دهد. با برگشت موج ضعیف شده به سمت انفجار از فشار کاسته شده و دوباره به سمت صفر پیش می‌رود، دوباره با رسیدن موج از سمت انفجار به طور ناگهانی فشار کمی‌افزایش می‌یابد ولی این بار کمتر از مرحله قبل. به نمودار تغییرات فشار در این پروسه که ذکر شد نمودار فشار دینامیکی گویند .فشار دینامیکی همواره مثبت باقی می‌ماند، زیرا ماهیت انرژی جنبشی دارد و از توان دوم سرعت باد بدست می‌آید.
فهرست پایان نامه بررسی عملکرد پل های بتنی با مقطع باکس پس کشیده تحت اثر بار های ناشی از انفجار
فهرست:
فصل اول : کلیات... 1
1-1-مقدمه. 1
1-2-ضرورت بررسی رفتار پل‌ها تحت اثر بار انفجاری.. 2
1-3-ساختار و اهداف تحقیق.. 4
فصل دوم : مروری بر ادبیات موضوع. 5
2-1-مقدمه. 5
2-2-معرفی انفجار. 5
2-3- بارگذاری انفجاری.. 6
2-4- رفتار مصالح در نرخ کرنش بالا : 15
2-5- متد تحلیلی آنالیز سازه ها در برابر انفجار. 21
2-6-پاسخ سیستم تک درجه آزادی به بار انفجاری.. 25
2-7- پاسخ پل به بار انفجاری: 28
2-8- پیشینه تحقیقات عددی.. 30
2-9-تحقیقات آزمایشگاهی.. 44
فصل سوم: روش تحقیق و تکنیک مدلسازی.. 59
3-1-مقدمه. 59
3-2- معرفی و تحلیل و طراحی پل مورد تحقیق.. 59
3-3-مدل سازی در نرم افزار ANSYS. 66
فصل چهارم ارائه نتایج ، بحث و نتیجه‌گیری.. 89
4-1- انفجار در وسط دهانه میانی.. 89
4-2-انفجار بر روی عرشه در محل پایه. 129
4-3–نتیجه گیری.. 168
منابع.. 170
منبع:
1-Winget, D. G., K. A. Marchand, and E. B. Williamson. (2004). “Analysis of Blast Loads on Substructures.” Proceedings, Structures under Shock and Impact. Greece.
2-Williamson, E. B. et al. (2010). “Blast-resistant highway bridges: Design and detailing guidelines.” National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Report 645, Transportation Research Board of
3-Jenkins, B. M., and L. N. Gersten. (2001). Protecting Public Surface Transportation against Terrorism and Serious Crime. Mineta Transportation Institute: San Jose, California
4-Minnesota Department of Transportation (Mn/DOT). (2007). “Interstate 35W Bridge Collapse.” http://www.dot.state.mn.us/i35wbridge/ index.html. Accessed April 20, 2008.
5-Mays G.C. and Smith P.D. (2003), "Blast effects on buildings-Design of buildings to optimize resistance to blast loading", Thomas Telford, London.
6-Conrath, E. J., Krauthammer, T., Marchand, K. A., and Mlakar, P. F. (1999). Structural design for physical security: State of practice, ASCE, Reston, VA.
7-Hopkingson B, British Ordnance board minutes 13565, 1915.
8-Glasstone S. and P. J. Dolan. (1997), “The Effects of Nuclear Weapons”, 3rd Edition. The United States Department of Defense and the United States Department of Energy: Washington, D.C
9-U.S. Department of Army Technical Manual, TM5-1300, Design of structures to resist the effect of accidental explosions, Washington DC, 1990.
10-UFC-3-340-02. Structures to resist the effect of accidental explosions. US Department of the Army, Navy and Air Force Technical Manual; 2008.
11-Rankin W.J.H. Phil. Trans. Roy Soe., 1870, 160, 277-288
12-Brode H.L. Numerical solution of spherical blast waves. J. App. Phys., 1955, No. 6, June.
13-Henrych, J. (1979). The Dynamics of Explosion and Its Use, Elsevier, Amsterdam.
14-Newmark, N.M. and Hansen, R.J., “Design of blast resistant structures,” Shock and Vibration Handbook, Vol. 3, Eds. Harris
15-Smith, P. D. and Hetherington, J. G. Blast and ballistic loading of structures. London: Butterworth-Heinemann Ltd, 1994.
16-Krauthammer T, Assadi-Lamouki A, Shanaa HM. Analysis of impulsive loaded
reinforced concrete structural
17-Malvar LJ, “Review of Static and Dynamic Properties of Steel Reinforcing Bars”, ACI Materials Journal, 95(5), ACI, Detroit, Michigan, pp. 609-616, 1998.
18-Cowper, G. R., and Symonds, P. S. (1957). “Strain hardening and strain rate effect in the impact loading of cantilever beams.” Rep., Brown Univ., Div. of Applied Mathematics, Providence, RI.
19-Winget, D. G., K. A. Marchand, and E. B. Williamson. (2004). “Analysis of Blast Loads on Substructures.” Proceedings, Structures under Shock and Impact. Greece.
20-Bounds, W., ed. (1998). Concrete and Blast Effects. Special Publication(SP-175). American Concrete Institute. Farmington Hills, MI.
21-Biggs, J. M. (1964). Introduction to structural dynamics, McGraw-Hill, Inc. New York.
22-Hao H, Tang EKC. Numerical simulation of a cable-stayed bridge response to blast loads, Part I: Model Development and response calculations. Eng Struct 2010; 32:3193_205.
23-Hao H, Tang EKC. Numerical simulation of a cable-stayed bridge response to blast loads, Part II: damage prediction and FRP strengthening. Eng Struct 2010; 32:3193_205
24-Son J, Lee HJ. Performance of cable-stayed bridge pylons subjected to blast loading. Eng Struct 2011; 33(4):1133–48.
25-Son, J. and Astaneh-Asl, A. (2008). “Blast Resistance of Steel Orthotropic Bridge Decks”, report no. UCB/CEE-STEEL-08/01, Dept. of Civil and Env. Engineering, Univ. of California, Berkeley
27-Riedel W., Thoma K., Hiermaier S., Schmolinske E.: Penetration of Reinforced Concrete by BETA-B-500, Numerical Analysis using a New Macroscopic Concrete Model for Hydrocodes. Proc. (CD-ROM) 9. Internationales Symposium, Interaction of the Effects of Munitions with Structures, Berlin Strausberg, 03.-07. Mai 1999, pp 315 – 32
28-W. Riedel, Beton unter dynamischen Lasten: Meso- und makromechanische Modelle und ihre Parameter, Ed.: Fraunhofer-Institut für Kurzzeitdynamik, Ernst-Mach-Institut EMI, Freiburg/Brsg., Fraunhofer IRB Verlag 2004, ISBN 3-8167-6340-5, http://www.irbdirekt.de/irbbuch/
29-Werner Riedel, Nobuaki Kawai and Ken-ichi Kondo, Numerical Assessment for Impact Strength Measurements in Concrete Materials, International Journal of Impact Engineering 36 (2009), pp. 283-293 DOI information: 10.1016/j.ijimpeng.2007.12.012