انتشار موج انفجار در ساختار دیوار انفجاری محصور (EBWS)

ذخیره سازی و حمل و نقل مواد شیمیایی خطرناک یک جنبه جدایی ناپذیر از زنجیره تامین مواد شیمیایی در صنعت پتروشیمی، صنعت انرژی و تولید صنعتی است [1]، [2]. بخش قابل توجهی از مواد شیمیایی خطرناک قابل احتراق و/یا مواد منفجره هستند که در صورت عدم استفاده صحیح، تهدید قابل توجهی برای زیرساخت های اطراف و زندگی انسان ها به شمار می روند. در سال‌های اخیر، ایمنی مواد شیمیایی خطرناک در برابر انفجار نگرانی‌های عمومی را به‌ویژه پس از انفجارهای فاجعه‌بار در بندر بیروت [3] و بندر تیانجین [4] که منجر به تعداد زیادی تلفات و خسارات اقتصادی جدی شد، برانگیخته است.

یکی از اصول مهم برای ذخیره سازی مواد شیمیایی خطرناک، ارائه سطح مطلوب تفکیک با توجه به طبقه بندی خطر آنها است. این به جلوگیری از گسترش خطر آتش سوزی و انفجار در یک بخش به کل تأسیسات ذخیره سازی کمک می کند [5]، [6]. رویکرد رایج برای جداسازی مواد شیمیایی خطرناک و کاهش اثرات انفجار از طریق اجرای موانع، پناهگاه ها و سازه های مهار [7]، [8] است. برای محوطه های ذخیره سازی در هوای آزاد در بنادر، اجرای دیوارهای انفجاری ساده ترین و مقرون به صرفه ترین راه برای دستیابی به سطح حفاظتی مطلوب است.

دیوار انفجاری که به آن “سد انفجار” نیز گفته می شود، یک دیوار عمودی کنسول است که در مسیر امواج انفجار قرار می گیرد تا پیامدهای انفجار را در پشت دیوار کاهش دهد. دیوارهای انفجاری معمولاً به گونه‌ای طراحی می‌شوند که سنگین و صلب باشند تا از اینرسی و استحکام خود در برابر امواج انفجار استفاده کنند، اگرچه دیوارهای نسبتا سبک و انعطاف‌پذیر همچنان می‌توانند درجاتی از حفاظت را ارائه دهند اگر موج انفجار بتواند سطح بالایی از تغییر شکل را برانگیزد و مقدار قابل توجهی را جذب کند. انرژی [9]، [10]، [11]. موثرترین کاهش امواج انفجار در منطقه‌ای مشاهده می‌شود که به شش ارتفاع دیوار فراتر از دیوار انفجار و سه ارتفاع دیوار بالاتر از سطح زمین گسترش می‌یابد، جایی که فشار بیش از حد به 30 تا 60 درصد مقادیر اولیه خود بدون دیوار کاهش می‌یابد [12]. سطح حفاظتی که توسط دیوار انفجاری ارائه می شود تحت تأثیر عوامل متعددی قرار می گیرد.W )، هندسه و موقعیت دیوار. _{شکل 1 پنج متغیر هندسی اولیه را نشان می دهد :} ارتفاع انفجار ( HD ₎ ، ارتفاع دیواره انفجار ( HW )، ارتفاع نقطه اندازه گیری ( HM ₎ ، و فواصل ایستادن افقی از بار به دیوار انفجار ( r ) و از دیوار انفجار تا نقطه اندازه گیری ( R ) و گاهی اوقات فقط فاصله بین بار و نقطه اندازه گیری ( L = r + R ) در نظر گرفته می شود.

سوال اصلی در مورد دیوارهای انفجاری سطح حفاظتی است که آنها در برابر خطرات انفجار خاص ارائه می کنند [13]. در نتیجه، تحقیقات گسترده ای برای ارزیابی کاهش فشار بیش از حد و ضربه پشت دیوار انجام شده است که شامل مطالعات تجربی و عددی برهمکنش امواج انفجار با دیواره های انفجار و محیط حاصل از آن در پشت دیوار است. مطالعات اولیه عمدتاً مبتنی بر آزمایش‌های مقیاس‌بندی شده بود، مانند آزمایش‌هایی که توسط Beyer [14] انجام شد، که ده آزمایش را در مقیاس یک ششم برای تعیین کمیت پارامترهای انفجار در پشت دیوار انفجار انجام داد. منحنی های تاریخچه زمانی فشار بیش از حد در فواصل مختلف R و دو ارتفاع H _M ( H _M  =  H _{W اندازه گیری شد.}و H _M  = 0). داده های تجربی بیشتر توسط جونز و همکاران گزارش شده است. [15]. بار مقیاس‌شده چندگانه شبیه‌سازی یک وسیله انفجاری دست‌ساز حمل‌شده توسط وسیله نقلیه (VBIED) در فواصل مختلف ایستاده از مدل مقیاس یک دهمی یک دیوار صلب منفجر شد ، و تاریخچه‌های فشار-زمان منعکس شده در سطح دیوار عمودی صلب اندازه‌گیری شد. نماینده ساختمان سفارت آمریکا در پشت دیوار انفجاری. رز و همکاران [12]، [16] یک مطالعه تجربی جامع‌تر و منظم‌تر، شامل 107 آزمون مقیاس یک دهمی با R و H _{M مختلف انجام دادند.}. تاریخچه های زمان بیش از حد در پشت دیوار به صورت شبکه ای اندازه گیری شد و داده های فشار بیش از حد و ضربه پس از آن در نمودارهای کانتوری جمع آوری شدند که از طریق آن محیط انفجار به صورت گرافیکی نشان داده شد. با پیشرفت‌های فناوری رایانه، مطالعات عددی برهم‌کنش‌های موج انفجار با دیواره‌های انفجاری به طور فزاینده‌ای جذاب شده‌اند. به عنوان مثال، Ngo و همکاران. [17] اثر فواصل ایستادن افقی r و ارتفاع دیوار انفجار H _{W را بررسی کرد}در مورد اثر کاهنده دیوار RC او همچنین بارهای انفجار را در پشت یک دیوار صلب و یک دیوار انعطاف پذیر با استفاده از الگوریتم Fluid-Structure-Interaction (FSI) مقایسه کرد و دریافت که تفاوت بین یک دیوار صلب و یک دیوار انعطاف پذیر تنها حدود 5٪ است. مطالعه عددی جامع تری توسط ژو و هائو [18] انجام شد. بار انفجار ناشی از یک انفجار سطحی در H _M مختلف در پشت یک دیوار صلب از یک مدل کالیبره شده سه بعدی استخراج شد، زمانی که پارامترهای W ، r و Rمتنوع بودند خو و همکاران [19] مجموعه‌ای از آزمایش‌های نمونه اولیه را انجام داد که در آن 1 تن و 10 تن TNT بر علیه سنگرهای HESCO منفجر شدند و فشارهای اضافی در فواصل مختلف پشت دیوار اندازه‌گیری شد. تجزیه و تحلیل اجزای محدود با استفاده از آزمایش‌های نمونه اولیه کالیبره شد و برای یک مطالعه پارامتری مورد استفاده قرار گرفت، که نشان داد HW و r عوامل مهمی _برای تضعیف موج انفجار هستند، در حالی که ضخامت و مواد دیوار تأثیر ناچیزی دارند.

یکی دیگر از زمینه های مهم برای تحقیقات دیوار انفجاری، اکتشاف مواد جایگزین و اشکال ساختاری نوآورانه است که مزایای بالقوه ای را از نظر مقرون به صرفه بودن، بهبود کارایی حفاظتی و ارزش زیبایی شناسی ارائه می دهد. برخلاف دیوارهای صلب، رز و همکاران. [20] “دیوارهای نیمه خراب” مختلفی را که برای تحمل آسیب تحت بارهای انفجار طراحی شده اند، ارزیابی کرد. مواد مورد بررسی شامل یکپارچه های شنی ساده با ضخامت های مختلف، ماسه محصور در مواد ژئوتکستایل مقیاس شده، چوب، یخ، پلاستیک فوم منبسط شده و آب بود. نتایج این آزمایش‌ها نشان می‌دهد که دیوارهای سبک وزن و شکننده مانند دیوارهای صلب عمل می‌کنند، تا زمانی که دیوار در طول برهمکنش موج انفجار در جای خود باقی بماند. چن و همکاران [21]،H _W و R. رادک و همکاران، راندمان کاهش برتر پانل‌های هرمی شکل که سطح ناهمواری را هنگام اتصال به دیوارهای انفجار ایجاد می‌کنند، گزارش شده است. [23]. علاوه بر این، دیوارهای انفجاری با چند لایه اثربخشی خود را در کاهش بار انفجار و کاهش تغییر شکل ساختاری نشان داده‌اند. لایه اضافی معمولا از مواد متخلخل، به عنوان مثال، بتن فوم، با قابلیت جذب انرژی عالی و عدم تطابق امپدانس [24]، [25] ساخته می شود. نصب سایبان ها در بالای دیوارهای انفجاری توسط Beyer و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. [14]، رادک و همکاران. [23]، و شیائو و همکاران. [26]، [27]، که باعث کاهش بیشتر امواج انفجار در هنگام وقوع انفجار در نزدیکی دیوار می شود، اما این اثر با افزایش فاصله توقف کاهش می یابد. دیوارهای انفجاری با دهانه یا به اصطلاح دیوارهای انفجاری حصاری، با هندسه ها و مواد مختلف توسط Zong و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. [28]، هائو و همکاران. [29] و شیائو و همکاران. [30]، [31]. اگرچه در کاهش امواج انفجار در مقایسه با دیوارهای جامد کارایی کمتری دارند، اما زمانی که در مناطق شهری استفاده می شوند مقرون به صرفه تر و از نظر بصری جذاب تر هستند. جالب توجه است که موانع رویشی مانند گزارش شده است که در کاهش انفجارهای میدان دور بسیار مؤثر است [32].

چندین روابط تجربی و رویه‌ها برای پیش‌بینی محیط انفجار در پشت دیوار انفجار، در درجه اول برای دیوارهای صلب، پیشنهاد شده‌اند. فیلیپ [33] یک روش تجربی برای پیش‌بینی فشار بیش از حد و ضربه پشت دیوار انفجار پیشنهاد کرد که تنها دو عامل هندسی را در نظر گرفت: زاویه α که توسط خط اتصال بار به بالای دیوار و افقی ایجاد می‌شود و زاویه β. توسط خط اتصال بالای دیوار به نقطه اندازه گیری و افقی تشکیل شده است. مایور و لندر [34] چندین معادله تجربی را بر اساس نتایج تجربی جونز و همکاران توسعه دادند. [15] برای محاسبه فشار بیش از حد و ضربه توسط W و L داده شده. با این حال، این روش‌ها همبستگی محدودی با داده‌های تجربی دارند، و بنابراین تنها می‌توانند به عنوان دستورالعمل‌های کلی برای طراحی دیوار انفجاری مورد استفاده قرار گیرند. رز و همکاران [20] مجموعه‌ای از نمودارهای طراحی را بر اساس داده‌های آزمایشی گسترده جمع‌آوری کرد، که بیشتر در نرم‌افزار مهندسی به نام DESIGN توسعه داده شد تا فشارهای بیش از حد و تکانه‌های اوج خروجی زمانی که W، HW و r ورودی هستند ، تولید شود _. ژو و هائو [18] چندین فرمول شبه تحلیلی را بر اساس بیش از 800 مورد شبیه سازی برای تخمین بارهای انفجار بر روی یک سازه در پشت دیوار انفجار، با استفاده از r/L به عنوان شاخص دقیق تری برای توصیف موقعیت دیوار انفجاری پیشنهاد کردند. Lبه تنهایی همانطور که توسط روش های قبلی اتخاذ شده است. تکنیک مشابهی توسط چن و همکاران استفاده شد. [22] و خو و همکاران. [19] برای پیش‌بینی اثر کاهشی دیواره آبی و دیواره گابیون HESCO. علاوه بر این، UFC 3-340-01 [35] چندین نمودار طراحی را گنجانده است که بیش از حد فشار و تکانه‌ها را در پشت دیوارهای انفجاری با و بدون سایبان و با شیب‌های جلو و عقب ارائه می‌کند، اما اطلاعات طبقه‌بندی شده است و در دسترس عموم نیست. الگوریتم‌های هوش مصنوعی نیز [36]، [37] برای پیش‌بینی بارهای انفجار در پشت دیوار انفجاری پیشنهاد شده‌اند. با داده های ورودی آموزشی کافی، نتایج با دقت بالا را می توان با زمان محاسبه بسیار کمتر از روش های سنتی FEM یا CFD به دست آورد.

قابل ذکر است که تمام مطالعات ذکر شده قبلی، دیوار انفجاری نیمه بی نهایت را فرض می کنند و بنابراین از انتشار افقی امواج انفجار در اطراف دیوار غفلت می کنند. علاوه بر این، این مطالعات وقوع طبیعی امواج انفجار بر روی دیوار را فرض می‌کنند. این دو فرض منجر به توزیع دو بعدی بارهای انفجار در پشت دیوار می شود. با این حال، در محوطه های ذخیره سازی در هوای آزاد، دیوارهای انفجاری اغلب در اطراف مواد شیمیایی خطرناک قرار می گیرند تا به طور کامل آنها را محصور کنند. برای اهداف حمل و نقل، باید حداقل یک دهانه در دیوار محصور وجود داشته باشد که به یک گذرگاه دسترسی تشکیل شده توسط دیوارهای انفجاری اضافی متصل شود (شکل 3). مفروضات اتخاذ شده توسط مطالعات قبلی در ساختار دیوار انفجار محصور (EBWS) به دلیل مسیرهای اضافی برای انعکاس و پراش موج انفجار قابل اجرا نخواهد بود. به ویژه در دهانه و در گذرگاه دسترسی EBWS. اگرچه برخی تحقیقات بر روی برخی از اثرات انتشار موج در EBWS، مانند داده های نموداری برای پیش بینی “فشار نشتی” در دهانه سازه های محصور با هندسه های مختلف ارائه شده توسط UFC 3-340-02 [35] روشن کرده اند، درک فعلی از فرآیند انتشار موج انفجار در EBWS هنوز بسیار محدود است.

در این مطالعه، انتشار امواج انفجار در یک سازه دیوار انفجاری محصور (EBWS) در یک محوطه ذخیره‌سازی مواد شیمیایی خطرناک از طریق ترکیبی از آزمایش‌های میدانی و شبیه‌سازی‌های عددی، با تمرکز ویژه بر اثرات بازتاب و پراش در گذرگاه مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت. آزمایش‌های انفجار مقیاس‌شده انجام شد، و روش‌های آزمایشی و نتایج در بخش 2 ارائه شده‌اند. در بخش 3، یک مدل عددی از EBWS با استفاده از تکنیک نگاشت مجدد ترکیبی و الگوریتم اویلر ایجاد شد و در برابر نتایج تجربی اعتبارسنجی شد. در بخش 4، یک تکنیک جداسازی جدید ایجاد شد که امکان مطالعه جداگانه پراش امواج انفجار از بالا و کنار دیوار انفجار را فراهم می‌کند. نتیجه گیری و چشم انداز کار آینده در بخش 5 خلاصه شد.