خرابی پیشرونده ناشی از اثر بار انفجار در ساختمان‌های بتن آرمه و روش های مقاوم‌سازی ستون‌ها

نوع مقاله: علمی - پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران

2 کارشناس ارشد مهندسی سازه، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

در حوادث ناشی از انفجار، خسارات اولیه معمولاً ناشی از اثر ضربه مستقیم ناشی از انفجار و در نتیجه آسیب و انهدام جدی اجزای سازه‌ای می‌باشد. در این حالت، فروپاشی اجزای سازه‌ای و متعاقب آن خرابی پیشرونده، ممکن است باعث افزایش خسارات و در نهایت باعث فروپاشی کلی سازه شود. از طرفی بررسی ها نشان می‌دهد اکثر ساختمان‌ها، بدون در نظرگرفتن میزان آسیب‌پذیری آن‌ها در برابر چنین بارهایی، طراحی و ساخته می‌شوند. در این مطالعه، پاسخ‌های کلی و جزئی در یک ساختمان‌ با اسکلت بتن آرمه و میزان خرابی آن‌ها، در برابر بار انفجار، مورد ارزیابی واقع شده است. بدین منظور، با استفاده از روش المان محدود، ابتدا با استفاده از نرم‌افزار SAP2000 پایداری کلی ساختمان در برابر انفجار، مورد ارزیابی قرار گرفت و سپس با کمک نرم‌افزار LS DYNA، میزان و نحوه خرابی در اجزای کلیدی ساختمان بعد از وقوع انفجار ‌مورد بررسی واقع شده است. این مطالعه در چهار حوزه‌ی تعیین بار انفجار، مدل‌سازی عددی به روش اجزا محدود، عملکرد مواد و مصالح تحت نرخ کرنش بالا و تحلیل دینامیکی غیرخطی سازه‌ مورد بررسی قرار گرفته است. در این خصوص، برای افزایش ظرفیت باقی‌مانده یا مقاوم‌سازی ستون‌های بتن آرمه در برابر انفجار، دو نوع روش طراحی توصیه گردید. این روش‌ها، شامل اضافه کردن یک قفسه آرماتور اضافی به ستون و همچنین استفاده از ستون‌های کامپوزیتی دارای هسته فولادی مرکزی می‌باشد. نتایج نشان داد که استفاده از این نوع ستون‌ها، در مقایسه با زمانی که از ستون بتن آرمه متعارف استفاده می‌شود، می‌تواند تاثیر قابل توجهی در افزایش ظرفیت باربری اجزای سازه‌ای، در برابر بارهای ثقلی، بعد از وقوع انفجار، داشته باشند. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

The structural response and manner of progressive collapse in RC buildings under the blast and Provide approaches to retrofitting columns against blast

نویسندگان [English]

  • GholamReza Havaei 1
  • Elyas Bayat 2
1 Assistant Professor, School of Civil Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
2 MSc of Structural Engineering, School of Civil Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

In accidents caused by explosion, the initial damage is usually caused by direct hit blast that it causes damage and serious destruction of structural components. In this state, the collapse of structural components and the subsequent progressive collapse may cause an increase in damages and eventually collapse of the structure. On the other hand, observations show that most of these buildings designed and built without consideration of their vulnerability to such events. In this study, global and local response of reinforced concrete buildings and their damages evaluated against explosion. First the global stability of building using SAP2000 is evaluated against explosion and then the amount and behaviour of damages in The key structural components of the building after the explosion is investigated using LS DYNA. The study involved four important areas in structural engineering that includes blast load determination, numerical modelling with FEM techniques, material performance under high strain rate and non-linear dynamic analysis. Two types of design methods are recommended for RC columns to provide superior residual capacities. They are RC columns detailing with additional steel reinforcement cages and a composite columns including a central structural steel core. The results showed that the use of this type of columns compared to typical RC column against explosion can have a significant impact in increasing the bearing capacity of structural components against gravity loads after the explosion.

کلیدواژه‌ها [English]

  • explosion
  • Progressive collapse
  • RC building
  • non-linear dynamic analysis
  • Damage index

[1] Osteraas, J. D. (2006). Murrah building bombing revisited: A qualitative assessment of blast damage and collapse patterns. Journal of Performance of Constructed Facilities, 20(4), 330-335.

[2] Ambrosini, D., Luccioni, B., Jacinto, A., & Danesi, R. (2005). Location and mass of explosive from structural damage. Engineering Structures, 27(2), 167-176.

[3] Agnew, N., Marjanishvili, S., & Gallant, S. (2007). Concrete detailing for blast. STRUCTURE magazine-Discussions on design issues for structural engineers January.

[4] Shi, Y., Hao, H., & Li, Z. X. (2008). Numerical derivation of pressure–impulse diagrams for prediction of RC column damage to blast loads. International Journal of Impact Engineering, 35(11), 1213-1227.

[5] Laskar, A., Gu, H., Mo, Y. L., & Song, G. (2009). Progressive collapse of a two-story reinforced concrete frame with embedded smart aggregates. Smart Materials and Structures, 18(7), 075001.

[6] Silva, P. F., & Lu, B. (2009). Blast resistance capacity of reinforced concrete slabs. Journal of Structural Engineering, 135(6), 708-716.

[7] Bao, X., & Li, B. (2010). Residual strength of blast damaged reinforced concrete columns. International journal of impact engineering, 37(3), 295-308.

[8] Hadianfard, M. A., & Farahani, A. (2012). On the effect of steel columns cross sectional properties on the behaviours when subjected to blast loading. Structural Engineering and Mechanics, 44(4), 449-463.

[9] Hadianfard, M. A., & Farahani, A. (2016). Investigation of Steel Column Behavior with Different Cross Section under Blast Loading. Modares Civil Engineering Journal (M.C.E.J), 16(4), 265-278.

[10] Hao, H., Li, Z. X., & Shi, Y. (2015). Reliability analysis of RC columns and frame with FRP strengthening subjected to explosive loads. Journal of Performance of constructed Facilities, 30(2), 04015017.

[11] Army, U. S., U. S. Navy, and US Air Force. (1990). Structures to resist the effects of accidental explosions. TM5-1300: 1400

[12] Krauthammer, T., & Otani, R. K. (1997). Mesh, gravity and load effects on finite element simulations of blast loaded reinforced concrete structures. Computers & structures, 63(6), 1113-1120.

[13] Ngo, T., Mendis, P., Gupta, A., & Ramsay, J. (2007). Blast loading and blast effects on structures–an overview. Electronic Journal of Structural Engineering, 7, 76-91.

[14] Remennikov, A., & Carolan, D. (2006). Blast effects and vulnerability of building structures from terrorist attack. Australian Journal of Structural Engineering, 7(1), 1-11.

[15] Malvar, L. J., Crawford, J. E., Wesevich, J. W., & Simons, D. (1997). A plasticity concrete material model for DYNA3D. International Journal of Impact Engineering, 19(9-10), 847-873.

[16] Woodson, S. C., & Baylot, J. T. (1999). Structural collapse: quarter-scale model experiments (No. WES/TR/SL-99-8). ARMY ENGINEER WATERWAYS EXPERIMENT STATION VICKSBURG MS STRUCTURES LAB.

]17[ مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، طرح و اجرای ساختمان‌های بتن آرمه، وزارت راه و شهرسازی، (1392).

[18] Kadid, A., & Boumrkik, A. (2008). Pushover analysis of reinforced concrete frame structures. Asian journal of civil engineering (Building and Housing), 9(1), 75-83.