دکتر سید جواد هاشمی فشارکی کتاب مقایسه انواع روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و روش طراحی بهینه

مقدمه مؤلفین یا امان الخایفین در کشورمان طراحی سازه­های براساس آیین­نامه­های مقررات ملی ساختمان صورت می­گیرد. این آیین نامه­ها و دستورالعمل به­صورت جامع، طراحی سازه­های بتن­آرمه و فولادی را پوشش می­دهند. اخیرا با افزایش بحث پدافند غیرعامل در کشور، بسیاری از مهندسان می بایست که نتها سازه­ها خاص همانند مترو  بلکه سازه های با کاربری عمومی را نیز در مقابل اففجار و پیامدهای ناشی از آن طراحی کنند به­صورتیکه اثرات بار انفجار برسازه در نظر گرفته شود. برای دست یابی به این مهم و به دلیل نبود آیین نامه داخلی سوالی که مطرح می شود این است که از کدام یک از آیین نماه های خارجی که در در مبحث انفجار کارکرده اند می بایست استفاده نمود. طراحی سازه ها در برابر انفجار در سال های اخیر به دلیل حملات و انفجار های صوررت گرفته در سازه ها اهمیت ویژه ای پیدا کرده است. سازه های ساخته شده معمولاً در برابر بارهای ناشی از انفجار مقاوم نوده و بسیار در مقابل این نوع بار، خاص آسیب پذیر می باشند. با توجه به دلایل گفته شده مهندسین در دهه های اخیر بر آن شدند تا بتوانند روش هایی برای طراحی سازه ها در برابر انفجار ارائه دهند. به دلیل اهمیت انفجار در سازه­ها و تاثیرات این بارها بر سازه، تحقیقات روز افزونی در این زمینه در حال انجام می­باشد که پروژه­ی حاضر نیز در راستای بررسی آیین نامه هایی موجود در این زمینه و ارائه­ی روند کلی طراحی سازه های فولادی و بتنی در برابر انفجار خواهد بود. به منظور دستیابی به پاسخ مناسب، بررسی آیین نامه های مختلف همچون،  آیین نامه سازه های پترو شیمی AISC ،  UFC, ACI , ASCE  در پژوهش حاضر صورت گرفته که نتایج این بررسی ها نشان می دهد که آیین نامه UFC در بحث انفجار و بارگزاری انفجاری قوی تر نسبت به سایر آیین نامه ها کا کرده و می توان از آن به منظور تحلیل و طراحی سازه های فولادی و بتنی مورد استفاده قرار گیرد. در این کتاب  طراحی سازه‌های بتنی و فولادی بر اساس آیین‌نامه‌های مختلفی همچون UFC 3-340-02 [11]،ASCE 59 [10] و ... موردبررسی قرارگرفته شده است. با توجه به مطالب بیان‌شده در فصول این کتاب می‌توان به این نتیجه رسید که طراحی سازه‌های بتنی و فولادی در آیین‌نامه UFC کامل‌تر و جامع‌تر از آیین‌نامه‌های دیگر است؛ و این آیین‌نامه مولفه ها(پارامترهای) انفجاری بیشتری را در بحث طراحی در نظر گرفته است. ولی سایر آیین‌نامه‌های موجود تنها به ارجاع دادن آیین‌نامه‌های دیگر ازجمله [4] ACI [20] , AISC  بسنده کرده‌اند.(البته این نکته قابل‌ذکر است که هنوز بحث طراحی در برابر انفجار برای سازه‌های بتنی و فولادی جای کار بسیار دارد و پارامترهای نامشخص در این زمینه بسیار است.) با توجه به ماهیت پیچیدده آثار سلاح‌ها بر سازه‌ها، بارگزاری، تحلیل و طراحی سازه‌های امن بسیار دشوار است. عدم اطلاع دقیق از توان تهاجمی و آثار مخرب سلاح‌های مورد استفاده سبب می‌شود با توجه به اهمیت سازه، برای سازه‌های در معرض اصابت مستقیم موشک‌ها و بمب‌های مخرب تمهیداتی در نظر گرفته شود (به عنوان مثال ساخت در عمق زمین)؛ بر این اساس، در بیشتر مواقع طراحی سازه‌های امن معطوف به بارگزاری انفجاری برای یک انفجار معیار می‌باشد؛ به این ترتیب، برای بارگزاری انفجاری سازه‌ها از الگوهای بارگزاری انفجاری استفاده می شود. الگوی بارگزاری در واقع تبدیل اثرات ناشی از انفجار به سازه به شکلی ساده و قابل فهم می‌باشد، که طراح بتواند به سادگی ممکن سازه را در برابر آن بصورت مقاوم طراحی نماید. این الگوی بار به عواملی همچون نوع سازه، فاصله از محل انفجار، شرایط خاک، مشخصات منبع انفجار و.... بستگی دارد. روش‌های مورد استفاده جهت طراحی سازه‌ها در برابر انفجار تفاوت‌های زیادی با روش‌های طراحی سازه‌ها در برابر بارهای استاتیکی و دینامیکی متعارف دارا می‌باشد، این تفاوت به ماهیت بارهای انفجاری و رفتار سازه‌ها در نرخ کرنش‌های بالا مربوط می‌شود. بر این اساس، آیین نامه‌ها و دستورالعمل‌های بارگزاری، تحلیل و طراحی سازه‌ها در بارگزاری‌های ناشی از انفجار تهیه شده‌اند. لازم است طراحان سازه‌های مقاوم در برابر انفجار با مباحث مربوط به این موضوع به حد کافی آشنا باشند تا تفاوت‌های طراحی این گونه سازه‌ها با سازه‌های معمولی را دریابند و از درنظر گرفتن تمهیدات ویژه در این خصوص غافل نشوند. استفاده از آیین نامه‌های معتبر و کتاب‌های مرتبط می‌تواند بسیار راه‌گشا باشد. در طی سالیان گذشته به دلیل عدم شناخت کافی از انفجار و فقدان آیین نانه های طراحی و ساخت مناسب، بسیاری از ساختمان های موجود که دارای کاربری های حساس و مهمی هستند، غیرمقاوم ساخته شده اند و امروزه بنظر می رسد که توانایی مقابله با انفجارهای متعارف و محتمل را ندارند. ضمنا بدلیل لزوم عملکرد مداوم آن ها و یا ملاحضات اقتصادی و غیره مجبور به مقاوم سازی این گونه از سازه ها می باشیم. متاسفانه در داخل کشور تحقیقات قابل توجهی در مورد بررسی اثرات افنجار بر سازه ها و اجزای آن ها (دال، تیر و ستون) صورت نگرفته و همچنین منابع خارجی نیز به دلیل داشتن طبقه بندی، در دسترس نبوده و منابع محدودی که در کشور در دسترس می باشد اکثرا مربوط به جنگ جهانی دوم بوده و یا مقالات در سایت های علمی نیز بعضا دارای اطلاعات کامل نیستند. در این کتاب سعی شده تا با بررسی آیین نامه های گوناگون، طراحی سازه های بتنی و فولادی بیان شود. با مقایسه معیارهای پذیرش آیین‌نامه های گوناگون شباهت هایی در سطوح عملکرد دیده می‌شود .البته باید به این نکته توجه داشت که امکان مقایسه مستقیم میان سطوح عملکرد در  آیین‌نامه های مختلف  وجود ندارد، زیرا نحوه تعریف سطوح عملکرد در آیین‌نامه های مختلف باهم متفاوت می‌باشد. یکی از نگرانی ها درباره اعضای بتنی و مصالح بنایی در آیین نامه،های انفجاری، قابل استفاده نبودن آن­ها برای خسارت های ناشی از گسیختگی موضعی، اسپالینگ و حالت هایی شبیه حالت های فوق که پاسخ اعضا به صورت موضعی می‌باشد است. همچنین معیارهای پاسخ برای بسیاری از مصالح نوین از جمله FRP ، پلیمرهای شکل پذیر و سیستم‌های گیرایی ژئوتکستایل وجود ندارد. براین اساس این کتاب ، شامل فصل زیر می باشد: درفصل اول بارگذاری انفجاری تشریح شده است درفصل دوم به معرفی انواع روش های طراحی سازه پرداخته شده است فصل سوم اختصاص به انواع روش های طراحی سازه های بتنی دارد در فصل چهارم انواع روش های طراحی سازه های فولادی تبیین شده است. و در انتها روش طراحی بهینه معرفی و تشریح شده است بدیهی است این کتاب خالی از اشکال و قصور نیست؛ بنابراین از صاحب نظران، استادان گرامی و دانشجویان عزیز خواهشمندیم تا نظرات ارزشمند خود را برای غنای بیشتر آن ارائه نمایند. با احترام پاییز 1395 سیدجوادهاشمی فشارکی سید نظام  حسین نژاد سید محمد حسین نژاد                          تقدیم به: آنان که برای امنیت و سر افرازی کشور جان فشانی کرده‌اند و آنان که به توسعه پایدار و امن کشور می‌اندیشند و آنان که بر این مهم اهتمام داشته و در تلاشند. فهرست مطالب             عنوان                       صفحه                                                      1- فصل اول: بارگذاری انفجار. 1-1- تعریف انفجار. 2 1-2- موج انفجار. 3 1-2-1- انتشار موج انفجار. 4 1-2-2- انكسار انفجار. 4 1-2-3- انعكاس انفجار. 4 1-3- رده هاي محافظتي يا ايمني... 5 1-3-1- روش‌هاي محافظت دربرابر اثرات انفجار. 5 1-4- بارهای ناشی از انفجار. 6 1-4-1- امواج ناشی از انفجار. 6 1-4-2- موج ضربه. 6 1-4-3- موج فشار. 6 1-4-4- انتشار موج انفجار. 7 1-4-5- طبقهبندی بارهای انفجاری... 7 1-5- پارامترهاي جبهه موج انفجار. 9 1-5-1- پاسخ سازه. 9 1-5-2- طراحی در مقابل فشار بار انفجار. 9 1-5-3- طراحی در برابر فشار انفجار زیاد. 9 1-5-4- طراحی در برابر فشار کم بار انفجار. 10 1-5-5- تحلیل محیط انفجار. 10 2- فصل دوم: آشنایی با روش‌های طراحی سازه. 14 2-1- مقدمه. 15 2-2- انواع روش‌های طراحی در سازه‌های بتنی [1]. 16 2-2-1- روش تنش مجاز. 16 2-2-2- روش طراحی مقاومت... 17 2-2-3- طراحی در حالت حدی... 19 2-3- انواع روش‌های طراحی در سازه‌های فولادی [2]. 21 2-3-1- مقدمه. 21 2-3-2- اساس طراحی... 22 2-3-3- حالات حدی... 22 2-3-4- طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت... 23 2-3-5- طراحی به روش تنش مجاز. 25 2-3-6- طراحی به روش خمیری... 26 2-4- طراحی به روش سطح عملکرد. 27 2-4-1- لزوم طراحی براساس عملکرد [3]. 27 2-4-2- مبانی و مفاهیم طراحی لرزه ای براساس عملکرد [3]. 28 2-4-3- مبانی و مفاهیم در  طراحی براساس عملکرد تحت بار انفجار. 41 2-5- بهسازی سازه‌های موجود تحت روش سطح عملکرد. 55 2-5-1- جکت بتنی... 56 2-5-2- جکت فولادی... 56 2-5-3- ورق پوش فولادی... 56 2-5-4- استفاده از مواد کامپوزیت و الیاف تقویت شده (FRP ). 57 2-5-5- استفاده از میراگرها 58 2-5-6- استفاده از جداساز لرزه ای... 60 2-5-7- استفاده از بادبندهای کمانش تاب... 60 2-5-8- دیوارها ی برشی... 61 2-5-9- قاب های فولادی... 62 2-5-10- مهاربندهای فلزی... 62 3- فصل سوم طراحی اجزای سازه‌ای بتنی تحت بار انفجار. 66 3-1- مقدمه. 67 3-2- ملاحظات عمومی در طراحی تیر. 67 3-2-1- کرنش گسیختگی بتن و بلوک تنش معادل (ویتنی). 67 3-2-2- فولاد متوازن.. 68 3-2-3- ظرفیت خمشی... 68 3-2-4- ظرفیت برشی... 70 3-2-5- ظرفیت پیچشی... 71 3-2-6- ظرفیت فشاری... 76 3-3- ملاحظات عمومی در طراحی ستون.. 76 3-3-1- تعیین مقاومت ستون کوتاه تحت بار محوری خالص.... 76 3-3-2- اعضا فشاری تحت بار خمشی و محوری... 77 3-3-3- خمش دو محوره. 80 3-3-4- اثرات لاغری ستون.. 80 3-3-5- حداقل برون محوری بار. 82 3-4- آیین‌نامه UFC 3-340-02 [11]. 82 3-4-1- مقدمه. 82 3-4-2- مقاومت دینامیکی مصالح.. 83 3-4-3- مشخصات استاتیکی... 87 3-4-4- تنشهای طراحی دینامیکی سازههای بتنآرمه. 92 3-4-5- اصول طراحی تیرها ی بتن آرمه. 99 3-4-6- مقاومت خمشی دینامیکی نهایی تیرها 104 3-4-7- ظرفیت برشی نهایی (کشش قطری). 111 3-4-8- ظرفیت نهایی پیچشی... 116 3-4-9- طراحی خمشی... 124 3-4-10- تحلیل دینامیکی... 127 3-4-11- ارزیابی تیرستونهای بتنآرمه. 132 3-4-12- طراحی دینامیکی ستونهای خارجی... 150 3-5- آیین‌نامه ASCE [10]. 151 3-5-1- الزامات عمومی بتن مسلح.. 151 3-5-2- تیرها 152 3-5-3- ستون ها 153 3-5-4- اتصالات تیر ستون.. 154 4- فصل چهارم طراحی سازه‌های فولادی تحت بار انفجار[22]. 155 4-1- مقدمه. 156 4-2- طراحی تیرهای یکسره (ممتد) و تک دهانه. 156 4-2-1- مقدمه. 156 4-2-2- ظرفیت خمشی دینامیکی... 157 4-2-3- توابع سختی و مقاومت... 160 4-2-4- طراحی برای خمش.... 162 4-2-5- طراحی برای برش.... 163 4-2-6- کمانش موضعی... 164 4-2-7- لهیدگی جان تیر. 166 4-2-8- مهاربندی جانبی... 166 4-3- طراحی صفحات... 170 4-3-1- مقدمه. 170 4-3-2- ظرفیت خمشی دینامیکی... 170 4-3-3- توابع سختی و مقاومت... 172 4-3-4- طراحی بر اساس خمش.... 173 4-3-5- طراحی برای برش.... 173 4-4- ملاحظات ویژه ، تیرها 174 4-4-1- خمش نامتقارن.. 174 4-5- ستون‌ها و تیرستون‌ها 177 4-5-1- معیارهای طراحی خمیری... 177 4-5-2- ضرایب طول مؤثربرای تیرستون‌ها 180 4-5-3- ضریب طول مؤثر K.. 181 4-6- طراحی قاب... 182 4-6-1- مقدمه. 182 4-6-2- طراحی اولیه قاب‌های صلب یک طبقه. 184 4-6-3- طراحی اولیه قاب‌های یک طبقه همراه با مهاربندی‌های مکمل.. 190 4-7- طراحی سازه‌های فولادی در سازه‌های پتروشیمی [4]. 197 4-7-1- مبانی طراحی... 197 5- منابع و ماخذ. Error! Bookmark not defined.   فهرست اشکال عنوان                                                                                      صفحه شکل ‏1‑1 : مشخصات موجهای انفجار. 7 شکل ‏1‑2 : افت فشار نسبت به فاصله از محل انفجار. 7 شکل ‏1‑3 : موقعیت بارهای انفجار. 8 شکل ‏1‑4 : انواع پاسخ‌های سازه و بارگذاری انفجاری[3]. 12 شکل ‏2‑5 : پارامترهای تعیین محدوده فشار طراحی... 13 شکل ‏2‑1 : مقایسه بار انفجار و لرزه ای [90]. 42 شکل ‏2‑2 : تفاوت ها و شباهت های پاسخ سازه تحت بار انفجار و زلزله [90]. 43 شکل ‏2‑3 : حداکثر دوران تکیه‌گاهی [87]. 45 شکل ‏2‑4: الیاف تقویت شده FRP [15]. 57 شکل ‏2‑5: الیاف تقویت شده FRP [15]. 58 شکل ‏2‑6 : نمونه هایی از میراگرهای مورد استفاده در بهسازی [14]. 59 شکل ‏2‑7 : جداساز لرزه ای [10]. 60 شکل ‏2‑8 : مهاربند داخلی با اتصال غیر مستقیم [2]. 64 شکل ‏2‑9 : مهاربند داخلی  EBF با اتصال غیر مستقیم همراه لینک قائم در مقاوم سازی قاب بتن آرمه [21]. 64 شکل ‏3‑1- دیاگرام تنش و کرنش در تیر بتنی [20]. 67 شکل ‏3‑2- نمودار توزیع تنش مستطیلی معادل [20]. 68 شکل ‏3‑3- دیاگرام اندرکنشی طراحی ستون [20]. 77 شکل ‏3‑4- منحنی تنش کرنش برای بتن [11]. 84 شکل ‏3‑5- منحنی تنش کرنش فولاد [11]. 84 شکل ‏3‑6- ضریب ممان اینرسی مقطع ترک خورده در مقطع با فولاد کششی [11]. 91 شکل ‏3‑7- ضریب ممان اینرسی مقطع ترک خورده در مقطع با فولاد کششی و فولاد فشاری هم¬اندازه. 92 شکل ‏3‑8- منحنی DIF برای مقاومت نهایی فشاری و کششی بتن  [11]. 97 شکل ‏3‑9- منحنی DIF برای مقاومت نهایی فشاری و کششی بتن  [11]. 97 شکل ‏3‑10- منحنی DIF برای مقاومت نهایی و تسلیم فولادهای ASTM A 615  رده های 40 و 60 و 75، [11]. 98 شکل ‏3‑11- منحنی مقاومت خیز عضو خمشی بتن آرمه [11]. 100 شکل ‏3‑12- عضو بتن آرمه با مقطع نوع B و خاموت سوزنی [11]. 101 شکل ‏3‑13- مسلح سازی برشی به وسیله مارپیچ [11]. 101 شکل ‏3‑14- منحنی مقاومت - تغییرشکل برای پاسخ غشایی کششی [11]. 103 شکل ‏3‑15-انواع مقاطع بتن آرمه [17]. 106 شکل ‏3‑16- مقاطع بحرانی برش [11]. 113 شکل ‏3‑17- آرایش فولادها تحت خمش و پیچش [17]. 121 شکل ‏3‑18- منحنی مقاومت-خیز ایده¬آل برای تغییرشکل‌های بزرگ [11]. 126 شکل ‏3‑19- برگشت پذیری ارتجاعی سیستم یک درجه آزادی [11]. 129 شکل ‏3‑20- رابطه بین پارامترهای طراحی تیر [11]. 131 شکل ‏3‑21- دیاگرام اندرکنشی ستون [17]. 133 شکل ‏3‑22- انواع مقطع ستون‌های داخلی [17]. 137 شکل ‏4‑1 : توزیع فشار تئوریک برای خمش خالص در مراحل مختلف بارگذاری دینامیکی [21]. 159 شکل ‏4‑2 : منحنی لنگر- انحنا  در بارگذاری دینامیکی برای تیرهای Iشکل نیمه گیردار  [98]. 159 شکل ‏4‑3 : مقادیر β برای کاربرد در معادلات 4-15 و 4-16 [1]. 168 شکل ‏4‑4 : جزئیات انواع مهارهای جانبی [21]. 170 شکل ‏4‑5 : نمودار لنگر- انحنای سطوح دارای بارگذاری دینامیکی برای تیرچه‌های مقاطع مستطیلی [21]. 171 شکل ‏4‑6 : خمش دومحوره برای مقطع متقارن [21]. 172 شکل ‏4‑7 : جهت محور  پرلین های سقف با در نظر گرفتن بارگذاری انفجاری برای قاب [21]. 185 شکل ‏4‑8 : تعیین بیشینه بارگذاری برشی و محوری در قاب صلب که توسط بارگذاری افقی صورت گرفته است [21]. 187 شکل ‏4‑9 : تعیین بیشینه بارگذاری برشی و محوری در مهاربندی صلب که توسط بارگذاری افقی صورت گرفته است [21]  193 شکل ‏4‑10 : مکانیزم انهدام برای قاب‌های با پایه گیردار و مفصلی [21]. 194 شکل ‏4‑11 :  مکانیزم انهدام برای قاب‌های مهاربندی با پایه گیردار و مفصلی [21]. 195   سرشناسه : حسین‌نژاد، سیدنظام، ‏‫۱۳۶۷ -‏‏‏‏ ‏عنوان و نام پديدآور : ‏‫مقایسه انواع روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و روش طراحی بهینه [کتاب]/‏‫ سيدنظام حسين‌نژاد، سيدجواد هاشمی‌فشاركی، سيدمحمد حسين‌نژاد. ‏مشخصات نشر : تهران : باغ فکر‏‫، ‏‫۱۳۹۶. ‏مشخصات ظاهری : ‏‫ط، ‏‫۱۹۷ ص.: مصور٬ جدول٬ نمودار. ‏شابک : ‏‫۱۲۰۰۰۰ ریال‏‫: 978-600-96441-5-5 ‏وضعیت فهرست نویسی : فاپا ‏يادداشت : ‏‫پشت جلد به انگلیسی: Types of the design of resistant structures in blast and optimal design method. ‏يادداشت : عنوان روی جلد: انواع روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و روش طراحی بهینه. ‏يادداشت : عنوان عطف: روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار. ‏یادداشت : ‏‫کتابنامه: ص. ۱۹۶ - ۱۹۷. ‏عنوان روی جلد : انواع روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و روش طراحی بهینه. ‏عنوان عطف : روش‌های طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار. ‏موضوع : ساز‌ه‌های بتنی-- اثر انفجار ‏موضوع : *Concrete structures-- Blast effect ‏موضوع : سازه‌های فولادی -- اثر انفجار ‏موضوع : *Steel structures-- Blast effect ‏موضوع : طراحی سازه ‏موضوع : Structural design ‏موضوع : ساز‌ه‌های بتنی -- طراحی و ساخت ‏موضوع : *Concrete structures -- Design and construction ‏موضوع : سازه‌های فولادی -- طراحی و ساخت ‏موضوع : *Steel structures -- Design and construction ‏شناسه افزوده : هاشمی فشارکی، سیدجواد، ‏‫۱۳۴۰ -‏ ‏شناسه افزوده : حسین‌نژاد، سیدمحمد، ‏‫۱۳۶۷ -‏‏‏ ‏رده بندی کنگره : ‏‫TH۱۰۹۷‏‫‏‫/ح۵م۷ ۱۳۹۶ ‏رده بندی دیویی : ‏‫۶۹۳/۸۵۴ ‏شماره کتابشناسی ملی : ۴۵۵۱۶۷۶