چرا مقوله تاب آوری سازه در برابر انفجار مهم است؟
تاب آوری سازه ها در برابر انفجار، به دلیل افزایش تهدیدات انسانی، صنعتی و طبیعی به ویژه در دهه‌های اخیر اهمیت زیادی دارد. این موضوع نه تنها برای تامین امنیت جانی مردم، بلکه برای حفظ عملکرد و تداوم فعالیت‌های زیرساخت‌های مهم، حیاتی است. از جمله مهم ترین دلایل اهمیت مقاوم سازه ها در برابر انفجار عبارتند از:
- حفاظت از جان انسان‌ها: در صورت وقوع انفجار، امواج فشاری بسیار شدید می‌توانند در کسری از ثانیه موجب تخریب سازه و کشته یا مجروح شدن افراد شوند. طراحی سازه های مقاوم سبب می‌شود سازه بتواند بخشی از انرژی انفجار را جذب و مستهلک کند و از ریزش ناگهانی اجزا جلوگیری شود.
- کاهش خسارات اقتصادی: بازسازی یا جایگزینی سازه های آسیب دیده پس از انفجار هزینه بر است. با پیش بینی رفتار سازه در برابر بارهای دینامیکی شدید، می‌توان خسارات مالی پس از انفجار را به حداقل رساند.
- حفاظت از زیرساخت‌های حیاتی: تاسیسات حساس مانند پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها، مراکز نظامی، بیمارستان‌ها و مراکز داده باید حتی پس از وقوع انفجار، عملکرد خود را حفظ کنند. تاب آوری بالا تضمین می‌کند که این مراکز دچار اختلال جدی نشوند.
- مقابله با تهدیدات تروریستی و نظامی: در دوره جدید، تهدیدات ناشی از انفجارهای عمدی (حملات تروریستی یا نظامی) از مهم ترین مخاطرات شهری محسوب می‌شوند. طراحی سازه‌های شهری با دیدگاه امنیتی، به حفظ نظم و کاهش تلفات کمک می‌کند.
در طراحی سازه‌ها در برابر انفجار چه مواردی باید مد نظر قرار گیرند؟
ماهیت بار انفجار کوتاه مدت، دینامیکی و با فشار بسیار بالا هستند. این فشار می‌تواند شامل فشار مستقیم و فشار منعکس شده باشد که چندین برابر فشار اولیه، نیرو به سازه مورد نظر وارد می‌کند. تحلیل دینامیکی غیر خطی برای بررسی پاسخ سازه در برابر بارهای انفجاری نیز اهمیت بسیار زیادی دارند.
رفتار واقعی سازه و مصالح تحت بارهای شدید، باید با دقت شبیه سازی شوند تا بتوان تاب آوری سازه در برابر انفجار را تخمین زد. به علاوه، سرعت بالای اعمال بار و نرخ کرنش بسیار بالا در مصالح نیز اهمیت بسیار زیادی دارند که تحلیل و طراحی را پیچیده می‌کنند.
اثرات فشار انفجار روی یک سازه چگونه است؟
بر اساس بررسی‌های انجام شده توسط امیرکیوان صالحی (دبیرکارگروه افزایش تاب آوری لرزه‌ای در تهران)، فشار انفجار روی یک سازه می‌تواند تاثیر مخرب زیادی را به همراه داشته باشد. نه تنها شیشه‌ها، بلکه اسکلت کلی ساختمان نیز تحت تاثیر موج انفجار قرار می‌گیرند. مراحل تخریب سازه در اثر انفجار عبارتند از:
مرحله 1
- ابتدا موج انفجار باعث شکستن پنجره‌ها و شیشه‌های داخلی و خارجی می‌شود.
- سپس دیوارهای خارجی سازه فرو می‌ریزند و تخریب می‌شوند.
- ستون‌های سازه‌ای ساختمان ممکن است آسیب ببینند.
مرحله 2
در مرحله بعدی کف سازه به سمت بالا جابجا می‌شود و سازه کمانش می‌کند.
مرحله 3
- در این مرحله شدیدترین تاثیر انفجار روی سازه دیده می‌شود. به طوری که موج انفجار کل سازه را احاطه می‌کند.
- فشاری شدید به سمت پایین روی سقف وارد می‌شود و در کنار آن به دلیل احاطه کردن موج انفجار، فشار از همه طرف به داخل سازه وارد می‌شود.
- اعضای سازه‌ای به شدت در معرض خطر فروپاشی پیش رونده هستند و احتمال تخریب کل سازه وجود دارد.
هر سطح حفاظتی ساختمان چقدر در برابر انفجار آسیب می‌بیند؟
یکی از مهم ترین مسائل در مورد تاب آوری سازه در برابر انفجار، سطح حفاظتی ساختمان است. ساختمان‌ها از نظر سطح حفاظت به 5 گروه مختلف تقسیم بندی می‌شوند که میزان آسیب و قابلیت استفاده از فضای داخل و اطراف آن‌ها پس از انفجار متفاوت است. در جدول زیر دقیق تر جزئیات تاب آوری سازه در برابر انفجار بر اساس سطوح حفاظتی را مشاهده می‌کنید.
| سطح حفاظت ساختمان | سطح آسیب | تخریب پیش رونده | قابلیت استفاده مجدد |
| زیر استاندارد (Below AT standard) | آسیب فوق العاده شدید | احتمال دارد | غیر قابل استفاده |
| بسیار پایین (Very Low) | آسیب بسیار شدید و در آستانه فروپاشی | احتمال کم | غیر قابل استفاده |
| پایین (low) | غیر قابل تعمیر با پاسخ الاستیک نسبتا بالا | اتفاق نمی‌افتد | غیر قابل استفاده |
| متوسط (Medium) | قابل تعمیر با پاسخ الاستیک پایین | – | قابل استفاده پس از تعمیرات به صورت کاربردی |
| بالا (High) | آسیب سطحی و بدون پاسخ پلاستیک | – | قابل استفاده بدون نیاز به تعمیرات و قابل بهره برداری بلافاصله |
تاثیرات انفجار روی درب و پنجره و افراد حاضر در سازه ها با کلاس حفاظتی متفاوت
از آنجایی که تاب آوری سازه در برابر انفجار، کاملا وابسته به کلاس حفاظتی است، مقاومت آن‌ها نیز در برابر انفجار با هم متفاوت است. از آنجایی که در اولین مرحله و حتی در کوچک ترین انفجارها درب و شیشه‌ها تحت تاثیر موج قرار می‌گیرند، در ادامه تاثیر دقیق انفجار در هر نوع ساختمان و میزان آسیب به آن‌ها را بررسی می‌کنیم.
| نوع ساختمان | میزان خطر | وضعیت درب و شیشه | وضعیت پرسنل | آسیب به فضای اطراف |
| ساختمان‌های زیر استاندارد | بسیار زیاد | درب و شیشه‌ها به طور کامل تخریب و به اطراف پرتاب می‌شوند | احتمال مرگ تمامی پرسنل بسیار بالا | تخریب شدید فضای داخل و اطراف ساختمان |
| ساختمان با اثر حفاظتی بسیار پایین | زیاد | شیشه‌ها می‌شکنند و به داخل می‌ریزند؛ درب‌های داخلی از چارچوب خارج می‌شوند | اکثر پرسنل دچار صدمات شدید؛ احتمال مرگ و میر بالا | صدمات جزئی تا متوسط به اطراف |
| ساختمان با اثر حفاظتی پایین | متوسط | شیشه‌ها با سرعت کم می‌شکنند؛ درب‌ها از کار می‌افتند ولی در چارچوب باقی می‌مانند | آسیب‌های جزئی تا متوسط برای اغلب پرسنل | صدمات جزئی تا متوسط به اطراف |
| ساختمان با اثر حفاظتی متوسط | کم | شیشه‌ها می‌شکنند اما در قاب باقی می‌مانند؛ درب‌ها در چارچوب خود حفظ می‌شوند | صدمات سطحی تا متوسط، تلفات جانی بسیار کم | صدمات سطحی به فضای اطراف |
| ساختمان با اثر حفاظتی بالا | بسیار کم تا ناچیز | درب و شیشه‌ها آسیب نمی‌بینند و قابل استفاده مجددند | پرسنل کاملاً در امان | بدون آسیب به فضای اطراف |
ساختمان‌های زیر استاندارد
ساختمان‌های بدون استاندارد حفاظتی در برابر انفجار، کمترین تاب آوری در برابر انفجار را دارند. در هنگام انفجار، درب و شیشه‌ها به صورت فاجعه آمیزی تخریب می‌شوند و خطرات کشنده زیادی را به همراه دارد. فضای داخل و خارج این ساختمان‌ها تخریب می‌شوند و احتمال از بین رفتن کل پرسنل داخلی وجود دارد. حتی ممکن است آسیب به فضای اطراف نیز وارد شود.
ساختمان با اثر حفاظتی بسیار پایین
تاب آوری سازه در برابر انفجار در نوع حفاظت بسیار پایین، قابل قبول نیست؛ اما خطر کم است. شیشه‌ها شکسته شده و از قاب خارج می‌شوند. احتمال اینکه شیشه به داخل بریزد، وجود دارد. همچنین درب‌های داخلی به داخل اتاق‌ها پرت می‌شوند و خطرات جدی را برای افراد حاضر در محیط به وجود می‌آورند. متاسفانه در این نوع سازه‌ها، اکثر پرسنل صدمات جدی می‌بینند و احتمال مرگ و میر نیز بالاست. ضمن اینکه فضای اطراف نیز صدمات جزئی تا متوسط می‌بینند.
ساختمان با اثر حفاظتی پایین
خطر این نوع ساختمان‌ها بسیار کم است. با وجود اینکه شیشه‌ها شکسته می‌شوند و از قاب خود خارج می‌شوند، اما سرعت این موضوع پایین و کم است و آسیب قابل توجهی ایجاد نمی‌شود. درب‌ها نیز ممکن است از کار بیفتند، اما از چارچوب خود خارج نمی‌شوند و خطرات آن‌ها حداقل است. فضای اطراف در این نوع ساختمان‌ها صدمات جزئی تا متوسط می‌بینند؛ اما اکثر پرسنل داخلی آسیب‌های جزئی و متحمل دارند و تلفات جانی زیادی در این نوع ساختمان‌ها وجود ندارد.
ساختمان با اثر حفاظتی متوسط
حداقل خطر هنگام انفجار در این نوع سازه ها وجود دارد. ساختار درب‌ها به گونه‌ای است که در داخل چارچوب می‌مانند و قابل استفاده مجدد هستند. شیشه‌ها نیز می‌شکنند، ولی در قاب خود باقی می‌مانند. احتمال پاشیدن قطعات ریز شیشه در چشم و به اطراف حداقل است. صدمات سطحی به فضای اطراف وارد می‌شود. پرسنل نیز معمولا صدمات جزئی تا متوسط را تجربه می‌کنند؛ اما تلفات جانی بسیار کاهش پیدا می‌کند.
ساختمان با اثر حفاظتی بالا
این نوع ساختمان‌ها به قدری در برابر انفجار مقاوم‌اند که می‌توان آن‌ها را به ساختمان‌های بدون خطر شناخت. شیشه‌ها و درب‌ها در این نوع سازه ها آسیب نمی‌بینند و قابل استفاده مجدد خواهند بود. پرسنل در امان هستند و فقط ممکن است فضای داخل صدمات سطحی ببیند. فضای اطراف نیز تحت تاثیر انفجار این نوع ساختمان قرار نخواهند گرفت.
مصالح قابل استفاده برای افزایش تاب آوری سازه ها در برابر انفجار
مهار لرزه‌ای ساختمان‌ها و استفاده وال مش، وال پست و هر نوع روش مقاوم سازی اسکلت، نمی‌تواند به تنهایی باعث افزایش تاب آوری سازه در برابر انفجار شود. مصالح استفاده شده برای سازه‌ها اهمیت ویژه‌ای دارند و نقش کلیدی را در مقاومت آن‌ها در برابر انفجار ایفا می‌کنند که در ادامه به آن‌ها اشاره می‌کنیم.
| مصالح | توضیح عملکرد در برابر انفجار | نکات تکمیلی |
| بتن مسلح (Reinforced Concrete) | جرم بالا و سختی مناسب باعث کاهش تحریک سازه توسط پالس‌های کوتاه مدت می‌شود. | رایج ترین مصالح برای سازه‌های مقاوم در برابر انفجار؛ قابلیت ترکیب با FRP برای تقویت بیشتر. |
| کامپوزیت‌های پلیمری FRP | افزایش شکل پذیری و مقاومت ضربه‌ای سطوح بتنی یا بنایی؛ جلوگیری از خردشدگی و پرتاب قطعات. | معمولا به صورت پوشش روی دیوارها و ستون‌ها استفاده می‌شود؛ وزن سبک و نصب آسان. |
| بتن هوشمند ضد انفجار (Smart Blast-Resistant Concrete) | افزودنی‌های نانو یا فیبرهای خاص امکان جذب انرژی انفجار و واکنش فعال در برابر تهدیدات را فراهم می‌کند. | تحقیقات در حال توسعه؛ می‌تواند عملکرد بتن قدیمی را به طور قابل توجهی ارتقا دهد. |
| فولاد چقرمه (Ductile Steel / Structural Steel) | تحمل بار دینامیکی بالا و شکل پذیری پلاستیک؛ جذب انرژی انفجار بدون شکست ناگهانی. | استفاده در قاب‌ها، تیرها و ستون‌ها؛ قابلیت اتصالات انعطاف پذیر. |
| صفحات فولادی یا کامپوزیتی سخت (Armor Panels / Sandwich Panels) | جذب انرژی موضعی انفجار و ترکش؛ کاهش نفوذ و پرتاب قطعات. | قابل استفاده روی نما، درب‌ها و نقاط حساس. |
| شیشه لمینت و ضدانفجار (Laminated / Blast-Resistant Glass) | حفظ انسجام حتی پس از شکست جزئی؛ جلوگیری از پرتاب قطعات شیشه‌ای. | استفاده در پنجره‌ها و درب‌ها؛ گاهی با فیلم‌های PVB یا پلی کربنات تقویت می‌شود. |
| بتن با فیبر (Fiber-Reinforced Concrete, FRC) | افزایش مقاومت ضربه‌ای و کاهش ترک‌های بزرگ؛ جذب انرژی انفجار. | ترکیب با بتن مسلح کلاسیک برای عملکرد بهتر؛ فیبرها ممکن است فولادی، شیشه‌ای یا پلیمری باشند. |
استانداردهای موجود برای مقاوم سازی سازه‌ها در برابر انفجار
تاب آوری سازه در برابر انفجار نه تنها موضوع حیاتی و مهم در ایران، بلکه در سایر کشورها نیز محسوب می‌شود. رعایت استانداردها و دستورالعمل‌های موجود ایرانی و خارجی، برای طراحی و در نظر گرفتن جزئیات دقیق اهمیت بسیار زیادی دارد که در ادامه به مهم ترین آن‌ها اشاره می‌کنیم.
استانداردها و آیین نامه‌های داخلی
دو استاندارد و آیین نامه داخلی برای تاب آوری سازه در برابر انفجار وجود دارند که یکی از آن‌ها عمومی و دیگری برای سازه‌های پالایشگاه و نفت و گاز است.
- مبحث بیست و یکم مقررات ملی ساختمان: یکی از بهترین آیین نامه‌های داخلی برای مقاوم سازی ساختمان‌ها در برابر انفجار، مبحث بیست و یکم مقررات ملی ساختمان می‌باشد. در این آیین نامه، مباحث مربوط به میزان مقاوم در برابر انفجار و پدافند غیر عامل، نحوه مقاوم سازی سازه‌ها، تضمین تداوم نیازهای حیاتی مردم و سهولت در اداره کشور، ذکر شده‌اند. در این آیین نامه هدف کاهش آسیب پذیری نیروی انسانی و تاسیسات و تجهیزات حیاتی است.
- استاندارد مهندسی برای بارگذاری (مهندسی نفت): این استاندارد که با نام IPS-E-CE-500 نیز شناخته می‌شود، در واقع دیدگاه مهندسی وزارت نفت برای بارگذاری را نشان می‌دهد. هدف اصلی از ارائه این آیین نامه، بررسی میزان مقاومت سازه‌های نفتی، پالایشگاه‌ها و تجهیزات مرتبط با نفت می‌باشد و نمی‌توان برای کل سازه‌ها از آن کمک گرفت.
استانداردها و آیین نامه‌های خارجی
در استانداردها و آیین نامه‌های خارجی، تاب آوری سازه در برابر انفجار با دقت بررسی شده است. استانداردهایی که به طور تخصصی و با بهره گیری از علم روز در حوزه مقاوم سازی سازه‌ها در برابر انفجار تالیف شده‌اند، عبارتند از:
- Structures to Resist the Effects of Accidental Explosions: این آیین نامه که تحت عنوان استاندارد UFC 3-340-02 یکی از مهم ترین و معتبرترین آیین نامه‌های بین المللی در زمینه طراحی سازه‌ها در برابر انفجارهای تصادفی یا غیرعمدی از جمله انفجار گاز، سوخت و واکنش‌های شیمیایی است. این استاندارد توسط وزارت دفاع ایالات متحده آمریکا (DoD) تدوین شده و به عنوان مرجع اصلی طراحی ضدانفجار در پروژه‌های نظامی و صنعتی به کار می‌رود.
- کتاب Blast and Ballistic Loading of Structures: این کتاب تالیف A. Butterworth و A. Baker (منتشرشده توسط CRC Press / Elsevier) یکی از منابع کلاسیک در زمینه مهندسی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار و گلوله است. برخلاف آیین نامه‌ها که دستورالعمل اجرایی می‌دهند، این کتاب بیشتر یک منبع تئوریک و تحلیلی است که رفتار فیزیکی سازه‌ها را در مواجهه با انفجارها و ضربه‌های شدید بررسی می‌کند.
- Design of Blast-Resistant Buildings in Petrochemical Facilities: این راهنما توسط کینه طراحی مقاوم در برابر انفجار کمیته پتروشیمی انجمن مهندسان عمران آمریکا تهیه شده است و به عنوان یک منبع تخصصی برای طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار در تاسیسات پتروشیمی است. این گزارش به روزرسانی نسخه اصلی سال ۱۹۹۷ را ارائه می‌دهد و به طور خاص بر طراحی سازه‌های مقاوم در برابر انفجار در تاسیسات پتروشیمی تمرکز دارد.
سخن پایانی
تاب آوری سازه در برابر انفجار، موضوعی حیاتی است که نیازمند بررسی دقیق آیین نامه‌ها و سطوح حفاظتی ساختمان‌ها می‌باشد. استانداردها و دستورالعمل‌های داخلی و بین المللی، اثر بارهای انفجاری بر سازه‌ها را تحلیل کرده و با استفاده از فرمول‌ها و محاسبات تخصصی، راهکارهای حرفه‌ای برای مقاوم سازی ساختمان‌ها ارائه می‌کنند. با بهره گیری از این دستورالعمل‌ها، می‌توان به طور مؤثر از خطرات ناشی از انفجار جلوگیری کرد، به ویژه در شرایط فعلی کشور ایران که تهدیدات انفجاری بالقوه قابل توجه هستند.
