بررسی مدل های تخمین اثرات انفجار در ساختمان‌

نوشته حامد حیدری

مقدمه

با گسترش روزافزون شبکۀ گازرسانی در شهرها، احتمال بروز حوادث مخرب ناشی از تجمع و انفجار گاز نیز افزایش‌یافته است. بررسی حوادث انفجار گاز در شهرهای مختلف جهان مدت‌هاست که آغازشده است.

1-1- انواع مخاطرات عمده گاز در واحدهای مسکونی

مخاطرات عمده واحدهای مسکونی عموماً با احتمال آتش‌سوزی، انفجار و یا پراکندگی گازهای ناشی از احتراق ناقص در محیط مرتبط بوده است و ازآنجایی‌که مسمومیت به‌وسیله گاز طبیعی در غلظت‌های کم موضوعیت ندارد و در غلظت‌های بالا به علت فقر اکسیژن با ایجاد علائم خفگی ظاهر می‌شود در تحقیق پیش رو به بخش آتش‌سوزی و انفجار پرداخته‌شده است و  از این دیدگاه خاص می‌تواند شامل موارد زیر باشد:

– نشت مواد قابل اشتعال: شامل رهایش مواد آتش‌گیر، آمیزش و اختلاط این مواد با هوا، تشکیل یک ابر یا بخار قابل اشتعال، حرکت این توده به سمت منبع آتش و نهایتاً رخداد یک آتش‌سوزی و یا انفجار هست که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

• آتش: اثر آتش‌بر روی بدن سوختن پوست هست که این تأثیر بستگی به تشعشع رسیده و زمان اقامت دارد. به‌عنوان‌مثال پوست انرژی گرمایی kW/m2 10 را برای تقریباً ۵ ثانیه و kW/m2 30 را فقط برای ۴/۰ ثانیه تحمل می‌کند.
• انفجار: این پدیده با ایجاد یک موج فشاری که ممکن است با ایجاد صدا همراه باشد، باعث ایجاد جراحت مستقیم یا غیر‌مستقیم در افراد، خراب شدن ساختمان‌ها و دستگاه‌ها و پرتاب شدن اشیاء در محیط اطراف می‌گردد. آمار حوادث نشان می‌دهد که تلفات غیرمستقیم ناشی از انفجار بیشتر از تلفات مستقیم آن هست.

در ایران، با توجه به جوان بودن نسبی شبکۀ گاز شهری و نیز توجه اصلی متصدیان به حوادث قهری طبیعی مانند زلزله، تحقیقات جدی سازه‌ای درزمینهٔ حوادث گاز انجام نگرفته است. این در حالی است که حوادث ناشی از گاز قریب ده درصد کل حوادث حریق را در برمی‌گیرد و در میان حوادث ناشی از گاز تعداد حوادث ناشی از آتش و انفجار نزدیک به هشتاد درصد کل حوادث را شامل می‌شوند و با گسترش روزافزون شبکۀ گاز شهری، به‌طور مداوم بر اهمیت آن اضافه می‌شود.

تنوع بالای حوادث به دلیل وابسته بودن عواقب حاصل از انفجار ابر گازی به شرایط اولیه ­ی حاکم بر آن هست. ازآنجایی‌که تأثیر اندازه و مقیاس بر این پدیده چندان شناخته‌شده نیست، همچنین نیاز به در نظر گرفتن تعداد بسیار زیادی از شرایط اولیه دارد، شبیه­سازی عددی این پدیده با مشکلات بسیاری همراه هست.

2-1- پیشینه

از سال­ها پیش دانشمندان زیادی به بررسی شرایط وقوع یک انفجار و عوامل مؤثر بر آن پرداخته­اند. اولین تحلیل در مورد افزایش فشار حاصل از امواج انفجاری، توسط رانکین^[۱] و هوگونیت^[۲] در سال ۱۸۷۰ با بررسی یک شاک عمودی در یک گاز کامل انجام گرفت. دانشمندان دیگری نیز به ارائه مدل­های مختلف برای مدل­سازی امواج انفجاری پرداخته و با توجه به عوامل مؤثر در وقوع یک انفجار به ارائه راه­ حل­ هایی برای پیش­بینی پارامتر­های امواج انفجاری پرداخته ­اند.

انتشار تصادفی گاز قابل اشتعال، خطر قابل‌توجهی را برای ساختمان­ها و مردم مجاور ایجاد می‌کند. هر زمان گازی که به‌طور اتفاقی منتشرشده، در فضایی محدود مشتعل شود، انفجار^[۳] و یا احتراقی سریع^[۴] رخ می­دهد. انفجار که شامل یک موج احتراقی است با سرعت­ مافوق صوت درون گاز پخش‌شده درحالی‌که احتراق سریع با سرعت مادون صوت پخش می‌شود. اگر فضا نامحدود باشد، با توجه به ماهیت انتشار گاز در فضا، نتیجه­ی­ اشتعال، گلوله آتش و یا جت آتش خواهد بود. نوع و میزان خطر رخ‌داده، به آنچه برای گاز اتفاق می­افتد و به‌تبع آن به چگونگی حصر گاز بستگی دارد. یک روش استاندارد برای تعیین نتیجه نهایی، توسط موهالبر^[۵] در سال ۱۹۹۶ ارائه‌شده است.

2- چارچوب پیشنهادی بررسی صحنه انفجار

در ادامه چارچوب مشخصی برای بررسی دقیق‌تر صحنه حادثه با توجه به استاندارهای ملی و جهانی در این خصوص با استفاده از متد مورداستفاده در استاندارهای انجمن ملی حفاظت آتش آمریکا (NFPA) بر اساس استاندار NFPA 921  : راهنمای تحقیقات آتش و انفجار و NFPA 1033: استاندارد برای مدارک حرفه ای محققان آتش نشانی،  یک روش کار سه مرحله‌ای انعطاف‌پذیر و سازگار با رویه‌های رایج در ایران برای ارزیابی از صحنه انفجار و آتش‌سوزی به‌منظور جمع‌آوری شواهد و داده‌ها اراده گردید تا بدین‌وسیله فرایندهای کاری یکسان‌سازی شده و بروز خطا در جمع‌آوری اطلاعات کاهش یابد اهداف اصلی ارزیابی علت انفجار را می‌توان به‌طور خلاصه به‌صورت زیر بیان نمود:

• تعیین دسته‌بندی اولیه منبع آزادسازی انرژی که می‌تواند احتراق فاز متراکم یک ماده منفجره، انفجار گاز و یا انفجار مکانیکی است.
• درصورتی‌که احتراق به‌وسیله گاز صورت گرفته باشد، تعیین سبک و یا سنگین‌تر بودن گاز نسبت به هوا
• تعیین منبع و میزان احتمالی نشت گاز
• تعیین علت احتمالی نشت
• تعیین منبع و یا منبع احتمالی احتراق

طرح کلی پیشنهادی برای ارزیابی بصورت خلاصه به سه قسمت ذیل تقسیم می‌شود:

• انجام یک ارزیابی ابتدایی از صحنه واقعه بدون آسیب رساندن به صحنه، توجه به آسیب‌‌های جزئی موجود درصحنه و مصاحبه با شاهدان درنهایت منجر به پیدا کردن یک‌چشم انداز ابتدایی از منبع انفجار می‌گردد.
• ارزیابی سامانمند و جزئی صحنه، در صورت ضرورت شامل تخریب شواهد از قبل ثبت‌شده برای به دست آوردن شواهد و اسناد مرتبط بیشتر به‌منظور تشکیل چشم‌اندازی دقیق‌تر از منبع یا منابع سوخت و منبع احتمالی احتراق.
• ارزیابی و سنجش چشم‌انداز تشکیل‌شده با به کار بردن بررسی تطابق نتایج تئوری با واقعیت، محاسبات و شبیه‌سازی صحنه وقوع حادثه به‌منظور تنظیم چشم‌انداز برای تطابق با محاسبات ارزیابی و فرمول‌بندی چشم‌انداز نهایی.

3- معرفی مدل‌های رایج شبیه‌سازی انفجار

تاکنون مدل‌های بسیاری برای شبیه‌سازی انفجار ابر گازی و امواج انفجاریِ حاصل از آن، ارائه‌شده است. این مدل‌ها به سه دسته‌ی کلی روش‌های تجربی و پدیدار شناختی و روش‌های محاسباتی (CFD) تقسیم می‌شوند.

در استفاده از این مدل‌ها دو دیدگاه می‌تواند مطرح باشد. دیدگاه اول برای بررسی یک انفجار اتفاق افتاده و یافتن دلایل آن و بعضی از پارامترهای انفجاری مانند فشار انفجار در نقاط مختلف می‌پردازد. در این مورد بسیاری از پارامترهای موردنیاز و ورودی این مدل‌ها باید از صحنه انفجار تخمین زده شود. این کار گرچه نهایتاً شامل تخمین زیادی هست، به مقدار زیادی به تجربه فردی بستگی دارد. متأسفانه اطلاعات قابل‌استفاده‌ای در این مورد در مراجع در دسترس در اختیار نیست .دیدگاه دوم در استفاده از این مدل‌ها مربوط به مطالعات پارامتری و مقایسه حالت‌های مختلف احتمال انفجار با استفاده از این مدل‌ها هست. این دیدگاه می‌تواند در بررسی خطر وقوع یک انفجار مورداستفاده قرار گیرد. با توجه به اینکه معمولاً بدترین حالت به‌عنوان معیار در این تحلیل‌ها موردنظر است، مدل‌های مورداشاره در این مورد به‌راحتی قابل‌استفاده می‌باشند. گرچه در این مورد نیز تجربه فردی می‌تواند کمک مؤثری به تحلیل‌های دقیق‌تر باشد.

مدل‌های CFD از قدرتمندترین ابزارهای شبیه‌سازی انفجار ابر بخار هستند که برای تحقیقات موردی مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای درک بهتر ماهیت پدیده انفجار مناسب‌اند. مدل‌های پدیدار شناختی در مقابل مدل‌های تجربی با داشتن درک بهتر از ماهیت فیزیکی و شیمیایی انفجار نتایجی قابل‌اعتمادتر ارائه می‌دهند و برای ارزیابی‌های دوره‌ای ایمنی در طول طراحی یک کارخانه یا محل صنعتی می‌توانند مفید واقع شوند. مدل‌های تجربی اما کاربردی بسیار محدود دارند اما ازآنجایی‌که استفاده از آن‌ها ساده و آسان است استفاده از این روش‌ها برای تجزیه‌وتحلیل حوادث بر اساس یک‌رویه عمومی پیشنهاد می‌شوند.

اثر یک انفجار به فاکتورهای نظیر حداکثر فشار و مدت‌زمان برخورد موج انفجار با سازه بستگی دارد که خود این فاکتورها به متغیرهای ذیل وابسته است ؛

• نوع سوخت
• استوکیومتری سوخت
• نوع منبع جرقه‌زنی و محل آن
• نسبت فشردگی و تهویه
• سطح اغتشاش اولیه گاز
• نسبت انسداد
• اندازه، شکل و محل موانع
• تعداد موانع (برای نسبت انسداد داده‌شده)
• مقیاس محل انتشار گاز و حجم منتشرشده

تعدادی از عوامل مؤثر بر قدرت انفجار ذکر شد. مدل ایدئال باید همه این متغیرها را به‌حساب آورد. بعلاوه این مدل باید دارای فیزیک مناسب باشد تا قادر باشد برای بررسی انواع سوخت  و شرایط محیط بدون تنظیم خاص بکار آید. علاوه بر این، کد کامپیوتری مورداستفاده  باید ازنظر عددی دقیق باشد، و زمان استفاده و اجرای آن نیز کوتاه باشد. برخی از این نیازها در تناقض با یکدیگر هستند. مدل‌های که تمام فاکتورهای فوق را در نظر بگیرند لاجرم بسیار پیچیده خواهند بود و اجرای آن نیز زمان‌بر است.

در بسیاری از موارد، درک از فیزیک بنیادی در جهت حفظ سادگی و افزایش سرعت عمل ناقص و سطحی است. بررسی انفجار  یکی از حوزه‌های فعال پژوهشی است یافته‌های جدید درنهایت منجر به ارائه مدل‌های جدیدتر خواهند شد.در میان مدل‌های معرفی‌شده نتایج روش چند انرژی  بیشترین تشابه را با مقادیر واقعی از خود نشان داده‌اند این روش توسط واندر برگ[۶]  در ۱۹۸۵ معرفی شد رویکرد TNO شدت انفجار را طبقه­بندی کرده و فشارهای ترکیدن (انفجار) را به‌عنوان تابعی از فاصله مدرج شده، تعیین می‌کند. ده طبقه­بندی برای شدت VCE استفاده می‌شود. این محدوده، از منحنی ۱ (قدرت ناچیز) تا منحنی ۱۰ (انفجار گازی) است. انتخاب یک منحنی معین، بر اساس شدت پتانسیل یا سرعت شعله­ی انفجار است. درحالی‌که در حالت حصر جزئی، یک برآورد محتاطانه با انتخاب منحنی­ای بالاتر از ۶ یا ۷ صورت می­گیرد.با دانستن طبقه­ای که منحنی در آن قرار دارد و فاصله مدرج شده که قبلاً تعریف‌شده است، سمت بی­بعد ماکزیمم، برای فشار تعیین می‌شود. با این کار، انرژی احتراق را می‌توان محاسبه کرد.