ایمنی سازه در برابر حمله؛ نقش میلگرد چیست؟

در شرایط بحرانی و حملات نظامی یا تروریستی، مقاوم سازی سازه ها به عنوان یک راهبرد حیاتی در حوزه مهندسی عمران مطرح می شود. از میان تمامی مصالح ساختمانی، میلگرد به عنوان یکی از عناصر کلیدی در ارتقای ایمنی سازه ها در برابر بارهای غیر متعارف شناخته می شود. نقش میلگرد در مقابله با اثرات ناشی از انفجار، موج ضربه ای و نفوذ اجسام پرتابی، بسیار حائز اهمیت است. در سازه هایی که هدف حفاظت از جان انسان ها یا تجهیزات حیاتی هستند، مانند پناهگاه ها، بیمارستان ها یا ایستگاه های فرماندهی، استفاده صحیح از میلگرد به صورت طراحی شده و محاسبه شده، می تواند تفاوت بین پایداری و فروپاشی سازه را رقم بزند.

در این میان، شناخت صحیح از عملکرد میلگرد در برابر نیروهای ناشی از حمله و همچنین به کارگیری روش های مقاوم سازی نوین، اهمیت بسزایی دارد. به عنوان مثال، بررسی مزایا و معایب استفاده از کوپلر میلگرد در ساخت و ساز می تواند دیدی دقیق تر نسبت به انتخاب مصالح و اتصالات مناسب در شرایط بحرانی ارائه دهد. این مطلب به بررسی دقیق نقش میلگرد در ارتقای ایمنی سازه در برابر حمله می پردازد.

نقش میلگرد در ایمنی سازه ها در برابر موشک

موشک ها به عنوان ابزارهایی با انرژی بالا، خسارات عمده ای به سازه ها وارد می کنند. هنگامی که سازه ای تحت تأثیر موج ضربه ای ناشی از اصابت موشک قرار می گیرد، نیروهایی بسیار بزرگ و در مدت زمانی کوتاه به اجزای مختلف آن وارد می شود. در این شرایط، میلگرد به عنوان عضوی که نقش اصلی در مقاومت کششی بتن را ایفا می کند، در حفظ انسجام و یکپارچگی سازه نقش کلیدی دارد.

به طور خاص، استفاده از میلگردهایی با مقاومت بالا و مدول کشسانی مناسب، می تواند مانع از ترک خوردگی گسترده و گسیختگی ناگهانی عناصر سازه ای شود. در دیوارهای بتنی مسلح پناهگاه ها یا سازه های دفاعی، آرایش مناسب میلگرد (مانند شبکه های دوبل یا مش های ترکیبی) باعث جذب انرژی انفجار و توزیع یکنواخت تنش ها می گردد. همچنین در سازه هایی که در معرض خطر انفجار هستند، از میلگردهایی با پوشش اپوکسی یا فولاد زنگ نزن برای جلوگیری از خوردگی در اثر تماس با مواد شیمیایی ناشی از انفجار استفاده می شود. در این میان، باید به اهمیت انتخاب صحیح محل قرارگیری میلگرد و نحوه اتصال آن نیز توجه داشت؛ به طوری که ایجاد گره های مقاوم و جزئیات اجرایی دقیق، به پایداری کلی سازه در برابر موج انفجار کمک شایانی می کند.

عوامل موثر بر مقاومت میلگرد در برابر حملات موشکی

در مواجهه با حملات موشکی، مقاومت میلگرد به عوامل متعددی وابسته است که شناخت آن ‌ها برای طراحی ایمن سازه ‌ها حیاتی است. جنس، قطر، نوع پوشش و نحوه به ‌کارگیری میلگرد در سازه، همگی بر توانایی آن در جذب انرژی و مقابله با ضربه مؤثر هستند.

جنس و نوع میلگرد

جنس میلگرد تأثیر بسزایی در عملکرد آن در برابر حملات موشکی دارد. رایج ترین نوع میلگرد، فولاد کربنی ساده یا آجدار است که ویژگی هایی مانند مقاومت کششی مناسب و انعطاف پذیری قابل قبول دارد. با این حال، در شرایطی که مقاومت بالاتری مورد نیاز است، استفاده از فولادهای کم آلیاژ با عناصر وانادیوم، کروم و نیکل می تواند عملکرد بهتری ارائه دهد.

برای سازه های مقاوم در برابر انفجار، میلگردهای TMT (Thermo-Mechanically Treated) یا QST (Quenched and Self-Tempered)  به دلیل فرآیند تولید خاص خود، دارای ساختار بیرونی سخت و مغز نرم هستند که باعث افزایش جذب انرژی و کاهش شکنندگی در برابر ضربات شدید می شود. همچنین میلگردهای کامپوزیتی (FRP) گرچه به دلیل وزن کم مزیت دارند، اما در برابر ضربات با انرژی بالا، مانند انفجار موشک، عملکرد ضعیف تری نسبت به فولاد دارند.

به طور خلاصه، انتخاب نوع میلگرد باید بر اساس شرایط خاص پروژه و تحلیل دقیق بارهای وارد بر سازه صورت گیرد. استفاده از میلگردهای ضد زنگ یا با روکش حفاظتی، در مواردی که احتمال تماس با مواد خورنده پس از انفجار وجود دارد، ضروری است.

ضخامت و قطر میلگرد

ضخامت یا قطر میلگرد یکی از عوامل مهم در تعیین ظرفیت جذب انرژی و مقاومت در برابر بارهای دینامیکی حاصل از انفجار است. میلگردهایی با قطر بیشتر معمولاً ظرفیت باربری کششی و خمشی بالاتری دارند و در جذب انرژی ناشی از موج انفجار عملکرد بهتری از خود نشان می دهند. با این حال، افزایش قطر میلگردها همیشه منجر به بهبود عملکرد سازه نمی شود. یکی از مسائل مهم، توزیع یکنواخت تنش در المان های سازه ای است. اگر فاصله بین میلگردهای ضخیم زیاد باشد، مناطق ضعیف بدون تقویت ایجاد می شود که می تواند محل تمرکز تنش و شکست باشد. به همین دلیل، معمولاً از ترکیب میلگردهایی با قطرهای مختلف در طراحی استفاده می شود تا هم مقاومت و هم توزیع مناسب نیروها تضمین گردد. مثلاً در دیوارهای بتنی پناهگاه ها، ترکیب میلگردهای>25  میلی متر برای مقاومت اصلی و میلگردهای ۱۲-۱۶ میلی متر برای توزیع تنش و کنترل ترک کاربرد دارد.

پوشش بتنی

پوشش بتنی، فاصله بین میلگرد و سطح آزاد بتن، نقش بسیار مهمی در حفاظت میلگرد در برابر آسیب های مستقیم ناشی از انفجار یا حرارت دارد. در شرایط حمله موشکی، اگر پوشش بتنی به اندازه کافی نباشد، احتمال خرد شدن سریع بتن و در معرض قرار گرفتن میلگرد بسیار افزایش می یابد.

در استانداردهای نظامی و صنعتی، معمولاً حداقل پوشش بتنی برای سازه های مقاوم در برابر انفجار بین ۵۰ تا ۷۵ میلی متر در نظر گرفته می شود. در برخی موارد خاص، این مقدار تا ۱۰۰ میلی متر نیز افزایش می یابد. پوشش کافی باعث کاهش نرخ زوال بتن در برابر موج ضربه ای و محافظت از میلگرد در برابر حرارت بالا و ذرات پرتاب شده می شود. از سوی دیگر، پوشش زیاد نیز می تواند مشکل ساز باشد. اگر پوشش بیش از حد بزرگ شود، احتمال ایجاد ترک در لایه بتن افزایش یافته و اتصال میان بتن و میلگرد تضعیف می شود. استفاده از افزودنی های دیرگیرکننده و مقاوم در برابر حرارت، در کنار طراحی دقیق پوشش، راهکاری برای افزایش دوام سازه در برابر حملات موشکی است. به علاوه پوشش بتنی باید در تمام جهات یکنواخت و بر اساس نقشه اجرایی رعایت شود تا از تمرکز تنش و ترک های حرارتی جلوگیری گردد.

طراحی سازه

طراحی اصولی سازه یکی از مهم ترین عوامل در افزایش ایمنی در برابر حملات موشکی است. در این میان، نحوه آرایش میلگردها، انتخاب صحیح قطر و فاصله گذاری آن ها و نحوه مهاربندی تأثیر زیادی بر عملکرد نهایی سازه دارد. استفاده از سیستم های قاب خمشی یا دیوار برشی مسلح با میلگردهای مناسب، از گزینه های متداول برای جذب نیروهای جانبی و ضربه ای ناشی از انفجار است. در طراحی پناهگاه ها، عموماً از سیستم های جعبه ای بتنی با میلگردهای دو طرفه استفاده می شود تا انتقال نیرو به تمام جهات به درستی انجام گیرد. همچنین افزودن میلگردهای افقی در کف و سقف، مقاومت خمشی و برشی کل سازه را بهبود می بخشد.

در سازه های حیاتی، طراحی باید بر مبنای تحلیل دینامیکی غیرخطی صورت گیرد و مدل سازی اثر موج انفجار با نرم افزارهایی مانند ABAQUS یا ANSYS صورت گیرد. این نوع تحلیل ها امکان بررسی رفتار سازه در سناریوهای واقعی را فراهم کرده و نقش میلگرد در عملکرد سازه را دقیق تر مشخص می کنند. لازم است بدانید استفاده از وصله های مکانیکی مانند کوپلر برای پیوستگی میلگردها، ضمن کاهش پرت مصالح، مقاومت گره ها را در برابر تنش های ناگهانی افزایش می دهد.

روش های آزمایش مقاومت میلگرد

برای ارزیابی دقیق عملکرد میلگرد در برابر نیروهای ناشی از حملات موشکی، انجام آزمایش های مختلف الزامی است. یکی از رایج ترین روش ها، آزمایش کشش (Tensile Test) است که در آن نمونه میلگرد، تحت نیروی کششی قرار می گیرد و ویژگی هایی مانند تنش تسلیم، مقاومت نهایی و کرنش شکست تعیین می شود.

آزمایش ضربه ای شارپی (Charpy Impact Test) نیز برای بررسی رفتار میلگرد در برابر بارهای ناگهانی کاربرد دارد. در این آزمون، میزان انرژی جذب شده هنگام شکست ناگهانی میلگرد سنجیده می شود. میلگردهایی با ساختار نرمه درونی معمولاً در این آزمون عملکرد بهتری دارند. برای بررسی عملکرد میلگرد در شرایط مشابه انفجار، از تست های انفجار کنترل شده یا Shock Tube استفاده می شود. در این روش، نمونه بتن مسلح شده با میلگرد در معرض موج فشار شبیه سازی شده قرار می گیرد تا پاسخ دینامیکی آن بررسی گردد.

آزمایش خستگی (Fatigue Test) نیز در شرایطی که میلگرد در معرض بارگذاری های متناوب قرار دارد، اهمیت دارد. این آزمایش ها اغلب در دمای بالا یا شرایط محیطی خاص (مانند رطوبت بالا) انجام می شوند تا مقاومت میلگرد در شرایط مشابه حمله واقعی، دقیق تر سنجیده شود.

مقایسه مقاومت میلگرد معمولی و میلگردهای نوین

میلگردهای معمولی، که عمدتاً از فولاد کربنی ساخته می شوند، دارای مزایای فراوانی مانند قیمت مناسب، مقاومت کششی قابل قبول و سهولت در خم کاری هستند. با این حال، در برابر شرایط شدید ناشی از حملات موشکی، ضعف هایی مانند شکنندگی در دمای بالا و خوردگی سریع در محیط های آلوده دارند.

در مقابل، میلگردهای نوین مانند میلگردهایTMT، میلگردهای پایه نیکل یا حتی میلگردهای تقویت شده با روکش اپوکسی، مقاومت بالاتری در برابر انفجار، حرارت و خوردگی از خود نشان می دهند. برای مثال، میلگرد TMT دارای مقاومت تسلیم حدود ۵۰۰ تا ۶۰۰ مگاپاسکال است و به دلیل ساختار ترکیبی، انرژی ضربه بیشتری جذب می کند.

همچنین، میلگردهای کامپوزیتی (مانند GFRP یا  CFRP) هرچند سبک ترند و در برابر خوردگی عالی عمل می کنند، اما به دلیل شکنندگی ذاتی، برای کاربرد در سازه های مقاوم در برابر ضربه مناسب نیستند. جدول زیر خلاصه ای از ویژگی های فنی میلگردهای مختلف را نشان می دهد:

مقاومت میلگرد در برابر حرارت بالای انفجار

در جریان انفجار موشکی، حرارت ناگهانی می تواند دمای سطحی میلگرد را تا بیش از ۸۰۰ درجه سانتی گراد افزایش دهد. در این دماها، فولاد معمولی حدود ۵۰٪ مقاومت خود را از دست می دهد و در نتیجه سازه با خطر فروپاشی مواجه می شود. بنابراین بررسی رفتار میلگرد در دمای بالا، برای طراحی ایمن ضروری است.

میلگردهای تولید شده با استانداردهای خاص مانند ASTM A706 یا میلگردهای پایه نیکل، پایداری دمایی بالاتری دارند و می توانند تا دمای ۶۰۰–۷۰۰ درجه بدون کاهش شدید در عملکرد، مقاومت کنند. همچنین استفاده از روکش های نسوز مانند اپوکسی حرارت دوست یا پوشش های سرامیکی می تواند مقاومت میلگرد را در برابر حرارت شدید بهبود بخشد. از دیگر روش های موثر، استفاده از بتن نسوز با چسبندگی بالا به میلگرد است که مانع انتقال حرارت سریع به هسته فولادی می شود. همچنین رعایت پوشش بتنی مناسب (حداقل ۷۵ میلی متر) و کاربرد افزودنی های دیرگیرکننده در بتن، از راهکارهای اجرایی متداول هستند.

جمع بندی

نقش میلگرد در ایمنی سازه در برابر حملات موشکی انکارناپذیر است. انتخاب صحیح نوع، قطر و پوشش میلگرد، همراه با طراحی سازه ای دقیق و استفاده از فناوری های نوین، می تواند عملکرد سازه را در شرایط بحرانی به طور چشمگیری ارتقاء دهد. شناخت دقیق از رفتار مصالح، آزمون های استاندارد و رویکرد مهندسی جامع، لازمه اجرای موفق سازه های مقاوم در برابر حمله است.