بارهای ناشی از انفجار — مبحث ۲۱ مقررات ملی ساختمان (فصل ۳)

خلاصه درسنامه، نکات کلیدی و نمونه سوال «بارهای ناشی از انفجار» (بند ۲۱-۳) از مبحث بیست و یکم مقررات ملی ساختمان (پدافند غیرعامل). این فصل در آزمون تعاملی سایت ۱۷ سوال دارد.

فهرست مطالب

• کلیات انفجار و انواع موج انفجار
• موقعیت چشمه‌ی انفجار
• انفجار در هوای آزاد
• انفجار سطحی و انفجار در داخل زمین
• بارگذاری انفجار خارجی بر وجوه مختلف ساختمان
• انفجار داخلی و ترکش‌ها

خلاصه درسنامه

کلیات انفجار و انواع موج انفجار

• انفجار، واکنش شیمیایی مواد منفجره است که انرژی قابل‌ملاحظه‌ای را آزاد می‌کند. در اثر فشار و دمای بسیار زیاد، مواد منفجره به گاز تبدیل شده و با افزایش بسیار سریع فشار هوا، موج انفجار به‌وجود می‌آید که با سرعت اولیه‌ی حدود ۲۰۰۰ تا ۱۰۰۰۰ متر بر ثانیه منتشر می‌شود.
• امواج انفجار بر حسب منشأ، به دو نوع تقسیم می‌شوند: «موج ضربه»، ناشی از انفجار در حوزه‌ی نزدیک مواد منفجره‌ی جامد؛ فشار در ابتدا به فشار مبنای انفجار افزایش یافته و سپس با یک «گام منفی» (مکش نسبتا کوچک و تدریجی که معمولا از اثر آن صرف‌نظر می‌شود) به فشار محیطی بازمی‌گردد.
• «موج فشار»، ناشی از انفجار حوزه‌ی نزدیک مواد منفجره‌ی گازی/مایع و حوزه‌ی دور مواد جامد است؛ فشار به‌صورت تدریجی تا فشار مبنا افزایش یافته و سپس کاهش می‌یابد و معمولا گام منفی ندارد.

موقعیت چشمه‌ی انفجار

• انفجارها از نظر موقعیت چشمه نسبت به سازه، به دو دسته‌ی اصلی تقسیم می‌شوند: «انفجار خارجی» (خارج از سازه) و «انفجار داخلی» (داخل سازه).
• انفجار خارجی خود به سه دسته تقسیم می‌شود: انفجار در هوا (امواج کروی که مستقیما به سازه برخورد می‌کنند)، انفجار در سطح زمین (امواج نیم‌کره‌ای که هم مستقیما به سازه و هم در زمین منتشر می‌شوند)، و انفجار در داخل زمین (انرژی به‌صورت امواج فشاری و برشی در زمین منتقل شده و شوک‌های شدیدی بر سازه‌های زیرزمینی ایجاد می‌کند).
• انفجار داخلی، بسته به شرایط ساختمان و نحوه‌ی تهویه‌ی آن، به دو دسته تقسیم می‌شود: «محبوس» — گاز حاصل از انفجار امکان تخلیه ندارد و فشار برابر مجموع فشار انعکاسی و فشار گاز است؛ و «نیمه‌محبوس» — با تعبیه‌ی دریچه‌های پران یا بازشوها، امکان تخلیه‌ی گاز فراهم شده و فشار ناشی از انفجار داخلی نسبت به حالت محبوس کاهش می‌یابد.
• ⚠️ علاوه بر بارهای ناشی از موج انفجار، اثر ترکش‌های انفجاری نیز باید جداگانه در نظر گرفته شود.

انفجار در هوای آزاد

• مقدار حداکثر اضافه‌فشار ناشی از انفجار هوایی در هر نقطه را «فشار مبنای انفجار» می‌گویند. در این مبحث، مقادیر فشار مبنا برای سطوح بار مختلف، از جدول ۲۱-۱-۳ به دست می‌آید.
• هوای پشت جبهه‌ی موج انفجار با سرعت کمتری به‌طرف خارج منتشر می‌شود که اثر آن مانند جریان هوا یا باد است؛ به این پدیده «فشار دینامیکی» یا «فشار هوا» گفته می‌شود.
• موج انفجار پس از برخورد با مانع صلب، منعکس می‌شود؛ بازتاب موج به زاویه‌ی برخورد، مشخصات هندسی ساختمان و اندازه‌ی آن بستگی دارد. بحرانی‌ترین حالت بازتاب، برخورد عمودی موج به دیوار صلب است. با توجه به اهمیت شکل ساختمان در بارگذاری انفجار، تعامل با مهندس معماری الزامی است.
• مشخصه‌های مهم موج انفجار در هوا عبارت‌اند از: سرعت جبهه‌ی موج، مدت‌زمان گام مثبت (زمان تداوم انفجار — که مقادیر آن برای سطوح بارگذاری مختلف در جدول ۲۱-۱-۳ ارائه شده)، تکانه‌ی ویژه‌ی انفجار (سطح زیر منحنی فشار-زمان، که به دلیل کوچک بودن جزء منفی، معمولا فقط جزء مثبت محاسبه می‌شود)، و طول موج (فاصله‌ی هر نقطه تحت فشار مبنا تا اولین نقطه‌ی تحت فشار محیطی در پشت جبهه).

انفجار سطحی و انفجار در داخل زمین

• ⚠️ نکته‌ی کلیدی: انفجار سطحی، انفجاری است که در سطح زمین یا خیلی نزدیک به آن رخ می‌دهد. در اثر بازتاب موج و تقویت آن در همان لحظات اولیه، موج واحدی به‌وجود می‌آید که فشار مبنای آن «۱٫۸ برابر فشار مبنای انفجار هوایی» (در شرایط مشابه) است.
• میزان نفوذ بمب در داخل زمین به سرعت و زاویه‌ی برخورد، جرم و سختی سر بمب و جنس زمین بستگی دارد. بمب‌های مدرن قدرت نفوذی بیش از ۳۰ متر در داخل خاک و قدرت عبور از لایه‌های بتن مسلح به ضخامت بیش از ۶ متر را دارا هستند.
• در اثر فشار ناشی از انفجار زیرزمین، چهار ناحیه در خاک اطراف محل انفجار ایجاد می‌شود: ناحیه‌ی خردشدگی، گسیختگی، خمیری و ارتجاعی. در انفجار کم‌عمق، این نواحی به سطح زمین منتقل شده و تغییرشکل‌هایی در سطح زمین ایجاد می‌کنند؛ در انفجار عمیق، این نواحی از سطح زمین دور بوده و امواج به‌صورت امواج حجمی و سطحی (مشابه زمین‌لرزه) به سطح زمین می‌رسند.
• «تکانه‌ی زمین» به آثار انتشار امواج (ناشی از انفجار عمیق یا سطحی) در سطح یا زیر زمین گفته می‌شود؛ قوی‌ترین تکانه‌ی زمین ناشی از انفجار درون زمین است که هیچ فاصله‌ای بین بمب و زمین موجود نباشد. امواج ناشی از انفجار شامل امواج حجمی (طولی/فشاری P و عرضی/برشی S) و امواج سطحی (رایلی R) می‌باشند.
• مشخصه‌های اصلی تکانه‌ی زمین شامل حداکثر فشار، حداکثر سرعت ذرات، حداکثر جابجایی ذرات، سرعت موج در زمین و تکانه‌ی ویژه‌ی انفجار است. مقدار این مشخصه‌ها با افزایش فاصله از مرکز انفجار کاهش می‌یابد و نرخ میرایی آن‌ها تابع نوع خاک است. مقادیر جابجایی ذرات خاک و فشار وارد بر سازه‌ی مدفون، بر اساس سطح خطر انفجار و نوع خاک، از جدول ۲۱-۱-۳ به دست می‌آید.

بارگذاری انفجار خارجی بر وجوه مختلف ساختمان

• حداکثر اضافه‌فشار وارد بر دیوار مقابل انفجار (جبهه‌ی موج)، معادل فشار بازتاب است که با گذشت زمان (پس از پدیده‌ی پاکسازی/تصطیح در لبه‌های ساختمان) به فشار رکود کاهش می‌یابد؛ فشار دوخطی وارد بر دیوار جلو، به یک بار مثلثی معادل تبدیل می‌شود.
• بار وارد بر دیوارهای جانبی، به‌دلیل عدم وجود بازتاب، کمتر از بار دیوار مقابل انفجار است و به‌صورت مثلثی اعمال می‌شود.
• در ساختمان‌های با سقف مسطح (شیب کمتر از ۱۰ درجه)، وقتی موج انفجار به‌صورت افقی حرکت می‌کند، بازتاب رخ نمی‌دهد و اضافه‌فشار وارد بر سقف، همانند دیوارهای جانبی در نظر گرفته می‌شود.
• فشار وارد بر دیوار پشت، مشابه دیوارهای جانبی محاسبه می‌شود، اما جهت آن مخالف بار دیوار جلوست و نقش کاهنده‌ای در کل بار جانبی انفجار دارد؛ از اثرات دیوار پشتی بر رفتار کل قاب معمولا و در جهت اطمینان صرف‌نظر می‌شود، اما اجزای نما و عناصر الحاقی دیوار پشت باید قادر به تحمل فشار یا مکش ناشی از انفجار باشند.
• ⚠️ توزیع فشار انفجار در ارتفاع: برای بارگذاری ساختمان‌ها تا ارتفاع ۱۵ متر از سطح زمین، از مقادیر فشار کامل استفاده می‌شود؛ برای ارتفاع ۱۵ تا ۲۵ متر، از ۵۰ درصد این فشار؛ و برای ارتفاع بالاتر از ۲۵ متر، از ۱۰ درصد فشار مذکور استفاده می‌شود.

انفجار داخلی و ترکش‌ها

• انفجار داخلی نسبت به انفجار خارجی، خارق‌العاده‌تر است: ابتدا فشار مبنای انفجار همانند انفجار در سطح زمین رخ می‌دهد و سپس این فشار تحت انعکاس‌های متعدد دیوارهای محدودکننده قرار می‌گیرد؛ در ادامه فشار گاز با زمان تداوم بزرگ‌تر تولید می‌شود و نتیجه، یک فشار دوخطی است — بخش اول مطابق فشار دیوار جلو و بخش دوم، فشار مثلثی گاز با شدت کمتر و زمان تداوم بزرگ‌تر.
• زمانی که فشار داخل بمب باعث انفجار بدنه‌ی آن می‌شود، پوسته‌ی ماده‌ی منفجره متلاشی شده و ترکش‌های اولیه ایجاد می‌گردد؛ این ترکش‌ها مانند گلوله‌های انفجاری با اشکال نامنظم عمل می‌کنند. اثر ترکش‌های پرتاب‌شده بر روی هدف، به شکل، وزن، سرعت اولیه و فاصله‌ی هدف از نقطه‌ی انفجار بستگی دارد.
• ترکش‌های اولیه: مستقیما از بدنه‌ی سلاح انفجاری و ملحقات آن ایجاد می‌شوند و ویژگی اصلی آن‌ها سرعت اولیه‌ی بسیار زیاد، تعداد زیاد و اندازه‌ی نسبتا کوچک است. ترکش‌های ثانویه: در اثر انفجار، بر روی سازه‌ها یا تجهیزات مجاور محل انفجار تولید می‌گردند. اثر ترکش‌ها بیشتر باعث صدمات انسانی و آسیب به عناصر غیرسازه‌ای است و تأثیر عمده‌ای بر سازه‌ی باربر اصلی ندارد.

اعداد و ضوابط کلیدی این فصل

نمونه سوال با پاسخ تشریحی

سایر فصل‌های مبحث ۲۱

مباحث مرتبط

مبحث ۲۱: پدافند غیرعاملهمه مباحث ۲۴گانهآزمون آنلاینابزارهای محاسباتی