سازه ها و بتن هوشمند ضد انفجار

طبق استانداردهای بین المللی، ساختمان ها و سازه های مختلف بایستی ویژگی های کاربردی مناسب داشته باشند.

یکی از مهم ترین ویژگی های مورد انتظار از هر ساختمان این است که مقاومت کافی در برابر تنش ها و شرایط محیطی داشته باشد.

تاکنون روش ها و آیین نامه های مختلفی برای طراحی و ساخت سازه های متنوع، منتشر شده که توسط مهندسان و معماران مختلف استفاده می شود.

آنچه که تاکنون در رابطه با ساختمان ها چندان مورد توجه قرار نگرفته است، مقاومت آنها در برابر انفجار و آثار ناشی از آن می باشد.

به ویژه که در دنیای امروز احتمال انفجار بر اثر حملات تروریستی یا حوادث صنعتی افزایش یافته است.

در میان مصالح مختلفی که می تواند به منظور مقاومت در برابر امواج زلزله استفاده شود، بتن هوشمند ضد انفجار از محبوبیت زیادی برخوردار بوده به همین منظور در این مقاله طراحی سازه های ضد انفجار و بتن هوشمند ضد انفجار مورد بررسی قرار گرفته است.

لزوم طراحی سازه های ضد انفجار:
عوامل مختلفی از قبیل دوام، مقاومت، زیبایی ظاهری، در دسترس بودن مصالح، شرایط اقلیمی و اقتصادی در طراحی سازه های ضد انفجار تأثیر گذار هستند.

از بین پارامترهای مؤثر بر طراحی سازه ها، مقاومت در برابر حوادثی از قبیل زلزله، آتش سوزی و انفجار نیز به عنوان مهم ترین پارامترهای مورد توجه در طراحی سازه ها شناخته می شوند.

در طی سال های اخیر احتمال انفجار در ساختمان ها بر اثر تجمع گازهای مشتعل در ایستگاه های سوخت گیری، عدم رعایت اصول ایمنی در مراکز صنعتی و یا حملات تروریستی، بسیار افزایش یافته است.

به همین دلیل مهندسان، پیمانکاران و دست اندرکاران صنعت ساخت و ساز به سمت طراحی سازه های ضد انفجار گرایش پیدا کرده اند.

هدف از طراحی این سازه ها، افزایش امنیت ساختمان در برابر آثار ناشی از انفجار است.

به منظور طراحی این سازه ها، موارد کنترلی مربوطه شناسایی شده و در مراحل مختلف طراحی و اجرای سازه در نظر گرفته می شود.

بتن هوشمند ضد انفجار چیست؟
در راستای تلاش مهندسان برای طراحی سازه های ضد انفجار و همزمان با پیشرفت حوزه های مختلف فناوری به ویژه نانو تکنولوژی، نوع خاصی از سازه های بتنی ضد انفجار تحت عنوان بتن هوشمند ضد انفجار توسعه یافته است.

به طور کلی، بتن هوشمند نوعی کامپوزیت پایه سیمانی چند منظوره است که دارای یک یا چند ویژگی عملکردی هوشمند مانند خود سنجش، خودترمیم شوندگی، گرمایش از خود، هدایت الکتریکی عالی و ویژگی های الکترومغناطیسی باشند.

این نسل جدید از کامپوزیت های پایه سیمانی می تواند برای توسعه زیرساخت های هوشمند و دستیابی به نظارت خودکار بر سلامت ساختاری، افزایش امنیت، دوام، و انعطاف پذیری زیرساخت ها مورد استفاده قرار گیرند.

این نوع کامپوزیت های پایه سیمانی هوشمند با عملکرد بالا و چند منظوره را می توان با ترکیب مواد افزودنی و پرکننده های مختلف در بتن معمولی ساخت.

طراحی سازه های ضد انفجار:
مهم ترین عامل در طراحی سازه های ضد انفجار تأثیر بارهای انفجاری بر ساختمان است که باید در مراحل طراحی مورد توجه قرار گیرد.

بارهای انفجاری در واقع بارهای دینامیکی هستند که باید دقیقاً مانند بارهای زلزله و باد محاسبه شوند.

این بارها به صورت موج جابجا شده و تحت عنوان موج ضربه ای نیز شناخته می شوند. موج ضربه ای، به صورت هوای بسیار فشرده ای است که به شکل کروی با سرعتی بسیار زیاد از منبع انفجار به سمت خارج پرتاب می شوند.

پس از محاسبه میزان بارهای انفجاری باید راهکارهای مناسب برای مقاومت و پایداری سازه در برابر این نوع بارها در مرحله طراحی ملاحظه شود.

بهترین راهکار می تواند استفاده از مصالح ساختمانی باشد که از قابلیت هوشمند بودن نسبت به انفجار و آثار آن برخوردار باشند.

همانطور که در بخش های قبلی نیز اشاره شد، یکی از کارآمدترین و رایج ترین مصالح در این زمینه بتن هوشمند ضد انفجار می باشد.

اصول ساخت بتن هوشمند ضد انفجار:
ساخت بتن هوشمند ضد انفجار مشابه مراحل ساخت بتن معمولی است؛ با این تفاوت که افزودنی های مقاوم در برابر بارهای انفجاری به طرح اختلاط بتن معمولی اضافه می شود.

مواد اصلی تشکیل دهنده بتن هوشمند ضد انفجار شامل سیمان، سنگدانه های درشت، سنگدانه های ریز، آب و نانو لوله های کربنی می باشد.

برای طراحی بتن هوشمند ضد انفجار، ابتدا سیمان پرتلند و سنگدانه های ریز و درشت با یکدیگر مخلوط می شوند.

سپس با در نظر گرفتن نسبت مناسب آب به سیمان، مقدار آب با دقت توزیع شده و به مخلوط اضافه می گردد.

ناگفته نماند نسبت معمول آب به سیمان مورد استفاده در ساخت بتن هوشمند ضد انفجار بستگی به سطح مخصوص سیمان و توزیع دانه بندی سنگدانه ها دارد که این نسبت بین 22/0 تا 45/ 0 متغیر است.

مهم ترین مرحله در ساخت بتن هوشمند ضد انفجار، انتخاب و اضافه کردن افزودنی هایی است که نقش اصلی مقاومت در برابر انفجار را دارند.

این افزودنی ها از گروه نانو مواد انتخاب می شوند و تحت عنوان نانو لوله های کربنی شناخته می شوند.

برای اضافه کردن نانو لوله های کربنی می توان آن ها را در آب اختلاط بتن پراکنده کرد و یا در حالت خشک به مخلوط سیمان و سنگدانه اضافه نمود.

نکته اساسی در رابطه با اضافه کردن نانو مواد در مراحل ساخت بتن هوشمند ضد انفجار، نحوه اضافه کردن نانو لوله های کربنی به مخلوط بتن است.

به دلیل اینکه نانو لوله های کربن به دلیل داشتن انرژی سطح بالا و نیروهای پیوندی بین مولکولی قوی دچار حالت کلوخه ای و تجمع می شوند.

در حالی که برای داشتن یک بتن هوشمند ضد انفجار با کارایی مناسب در طراحی سازه های ضد انفجار بایستی افزودنی های نانو لوله کربنی به طور یکنواخت در تمام سطح بتن پراکنده شوند.

برای غلبه بر این مشکل، سه روش مختلف برای پراکنده کردن نانو لوله های کربنی در آب وجود دارد که بنا به شرایط آزمایشگاه و پروژه می توان از هر یک از آنها استفاده نمود.

اصول ساخت بتن هوشمند ضد انفجار:

روش اول:
ساده ترین روش این است که نانو لوله های کربنی پس از ریخته شدن در آب اختلاط بتن به مدت 30 دقیقه در حمام التراسونیک قرار می گیرند تا به کمک امواج صوت، به خوبی از هم جدا شده و در آب پراکنده شوند.

روش دوم:
در روش دوم بخشی از یک ماده اصلاح کننده خواص سطحی به آب اختلاط مورد استفاده در طراحی بتن هوشمند ضد انفجار اضافه شده و سپس نانو لوله های کربنی با آن ترکیب می شود.

محلول حاصل، می تواند به روش مکانیکی، دستی یا با استفاده از روش فراصوت مخلوط شود تا نانو لوله های کربنی به طور یکنواخت در آب اختلاط پراکنده شوند.

روش سوم:
در روش سوم علاوه بر نانو لوله های کربنی از ماده کمکی استفاده می شود که می توانند حالت آب دوستی نانو لوله ها را تغییر داده و موجب پراکندگی بهتر نانو لوله های کربنی در آب شوند.

اصول طراحی سازه های ضد انفجار:
اصلی ترین هدف مورد انتظار از طراحی سازه های ضد انفجار، به حداقل رساندن عواقب وارد بر زیرساخت های سازه و ساکنان آن در صورت انفجار است.

در این راستا، الزام اصلی طراحی سازه های ضد انفجار جلوگیری از خرابی فاجعه بار کل سازه یا قسمت های زیادی از آن می باشد.

همچنین لازم است اثرات امواج انفجاری که از طریق روزنه ها به داخل ساختمان منتقل می شوند به حداقل رسیده و اثرات پرتابه ها بر ساکنان آن ساختمان کاهش یابد.

برای کاهش تهدیدات احتمالی و خطرات ناشی از انفجار می توان در مرحله طراحی سازه های ضد انفجار، از اصول استاندارد استفاده کرد.

در طراحی سازه های ضد انفجار، اولویت اصلی باید ایجاد حداکثر فاصله بین منشأ احتمالی انفجار و ساختمان باشد.

به همین منظور، بایستی پناهگاه مناسبی در داخل ساختمان در نظر گرفته شود. از سوی دیگر در مراکز متراکم شهر ممکن است فضای کمی برای تغییر موقعیت ساختمان وجود داشته باشد یا هیچگونه محدودیتی وجود نداشته باشد، اما آنچه که در آن وضعیت بایستی لحاظ شود این است که فضای آزاد کافی برای شرایط ناشی از انفجار در نظر گرفته شود.

این امر می تواند با مکان یابی استراتژیک اعضایی از قبیل ستون، درختان و مبلمان شهری محقق گردد.

فرم داخلی سازه پارامتر دیگری است که بایستی در طراحی سازه های ضد انفجار لحاظ شود.

چون در اصل، فرم داخلی سازه است که بارهای انفجاری ساختمان را بسیار تحت تأثیر قرار می دهد. قوس ها و گنبدها انواع فرم های سازه ای هستند که اثرات انفجار را در مقایسه با فرم حفره ای بر روی ساختمان کاهش می دهند.

اشکال پیچیده ای که باعث انعکاس های متعدد موج انفجار می شوند، نباید در طراحی سازه های ضد انفجار استفاده شوند.

لازم به ذکر است که ساختمان های یک طبقه در مقایسه با ساختمان های چند طبقه مقاومت بیشتری در برابر انفجار دارند.