بخشی از مقاله
بررسی روش ها و مراحل انالیز در خرابی پیش رونده
چکیده
در سالهای اخیر با افزایش فعالیت های تروریستی در ساختمانهای مهم محافظت کردن از جان ساکنین و ایجاد ایمنی در هنگام وقوع این قبیل پدیده هـا اهمیت خاصی پیدا کرده است. خرابی پیشرونده می تواند در اثر عوامل طبیعی و یا انسانی رخ دهد.این پدیده زمانی اتفاق می افتد که خرابـی یـک عضـو سازه ای منجر به خرابی بخش قابل توجهی از سازه و یا حتی کل سازه گردد. خطرات احتمالی و بارهای غیـر عـادی کـه مـی توانـد موجـب گسـیختگی پیشرونده شود شامل برخورد هواپیما، خطای طراحی یا ساخت، آتش سوزی، انفجار گازها، اضافه بار تصادفی، تصادف وسایل نقلیه، انفجار بمب ها و غیـره می باشند. پس از حوادث تروریستی صورت گرفته در سالهای گذشته که در آنها تعداد کشته ها نه بدلیل انفجـار وارده بـه سـازه ، بلکـه بـه دلیـل اثـرات تخریب پیشرونده بر سازه بود، تحقیقات و مطالعات گسترده ای به منظور یافتن راهکارهایی برای مقابله با ایـن رویـداد انجـام شـد و دو راه طراحـی غیـر مستقیم و طراحی مستقیم پیشنهاد شد. در این مقاله خرابی پیشرونده و روش های طراحی ،آنالیز و ارزیابی ساختمان در برابـر ایـن رویـداد شـامل روش های Alternate path، Tie Force و ELR مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. و روش های بهتر انتخاب می گردد.
واژه های کلیدی: خرابی پیشرونده، روش Alternate Load Path ، روش Tie Force، روش ELR
مقدمه
امنیت سازه همیشه درطراحی پروژه های مهندسی عمران برای مهندسان امری کلیدی بوده اسـت . یکـی از مکـانیزم هـایی کـه سازه در آن دچار شکست می شود و در چند دهه توجه زیادی به آن شده است مربوط به تخریب پیشرونده است کـه در آن یـک یـا چند عضو سازه ای ناگهان به علت تصادف یا حمله تروریستی یا غیره دچار شکست شده و سپس ساختمان به شکل پـیش رونـده ای دچار فرو ریزش می گردد. تخریب پیشرونده رویدادی نسبتا نادر است که در آن بارهای غیرمتعارف آسیب موضعی را ایجاد می کننـد و سازه بدلیل کمبود پیوستگی، شکل پذیری و نامعینی آسیب را پخش می کند.
در آیین نامههای موجود ساختمانی، طراحی سازهها برای بارهای قابل قبولی است که ممکن است در طول عمر سازه بـر آن وارد شود. سازهها را معمولا برای حوادث غیر طبیعی که میتوانند موجب خرابیهای فراگیر شوند طراحی نمیکنند. اکثر آیـین نامـههـای رایج فقط دارای توصیههای کلی برای تعدیل تاثیر گسیختگی پیشـرونده در سـازههـایی هسـتند کـه فراتـر از بارهـای طراحـیشـان بارگذاری میشوند(.(1:2006 خرابی پیشرونده شامل یک مجموعه خرابیهاست که منجر به فرورفتگی جزئی یا کلی در سازه میشود در مجموعه ی بهترین عملکرد برای کاهش خرابی پیشرونده که توسط (2:2007) NIST منتشر شده است خطرات بالقوه بار غیر طبیعی که می تواند باعث خرابی پیشرونده شود شامل برخورد هواپیما، خطای طراحی یـا سـاخت، آتـش سـوزی، انفجـار گـاز، مـواد خطرناک، برخورد وسایل نقلیه، انفجار بمب و غیره که به دلیل احتمال کم وقوع آنها در طراحی سازهها در نظر گرفته نمـیشـود. در ایالــت متحــده امریکــا اداره ســرویس دهــی عمــومی (3:2003) (GSA) و وزارت دفــاع (4:2009) (DOD) اطلاعــات گســترده و دستورالعملهایی را ارائه دادند که شامل راهکارهایی برای مقاوم کردن سـازههـای سـاختمانی در برابـر خرابـی پیشـرونده مـیباشـد. روشهای تحلیل پیشنهاد شده توسط آیین نامهها برای روش مسیر جایگزین، روش استاتیکی خطی، دینامیکی خطی، استاتیکی غیر خطی و دینامیکی غیر خطی میباشد(.(5:2007
Khandelwal و همکاران با روش مسیر جایگزین به تجزیه و تحلیل پتانسیل فروپاشی تـدریجی قـاب خمشـی فـولادی ، بـا تحلیل دینامیکی غیرخطی در حالت های مختلف پرداختنـد(Ronald Hamburger .(10:2009 در سـال 2007، بـه توضـیح و تفسیر انواع روش های تحلیل بر اساس مسیر جایگزین انتقال بار پرداخته است. روش های تحلیلی ارزیابی خرابی پیشـرونده عبارتنـد از: -1 روش استاتیکی خطـی -2 روش اسـتاتیکی غیرخطـی - 3 روش دینـامیکی خطـی -4 روش دینـامیکی غیرخطـی(.(5:2007 Jinkoo kim, Taewan kim در سال 2008، در تحقیقی ظرفیت مقاوم در برابر خرابی پیشرونده در قاب های خمشـی فـولادی را مورد بررسی قرار دادند. در این تحقیق روش های تحلیلی اسـتاتیکی و دینـامیکی خطـی و غیرخطـی بـر طبـق آیـین نامـه هـای GSA2003 و DOD2005 برای مقایسه ارائه شده است.با مقایسه نتـایج تحلیـل هـا، نتیجـه مـی شـود کـه تحلیـل دینـامیکی غیرخطی ابزاری دقیق برای ارزیابی پتانسیل خرابی پیشرونده در سازه مـی باشـد(Tan KH, Yang B .(6:2009 تحقیقـاتی جهت بررسی عملکرد اتصالات با روش مسیر باربری جایگزین برای خرابی پیشرونده با نرم افزار اجـزا محـدود ABAQUS در سـال 2012 انجـام دادند، همچنین آنها اتصالات را در آزمایشگاه برای خرابی پیشرونده مورد بررسی قرار دادنـد و در نتیجـه تحقیقاتشـان متوجـه شدند که روش مسیر باربری جایگزین و تحلیل دینامیکی غیرخطی به درستی جوابگوی آنالیز در خرابی پیشـرونده اسـت .(7:2012) H.M. Elsanadedy و همکاران در سال 2014 با روش مسـیر جـایگزین بـه تحلیـل خرابـی پیشـرونده یـک سـاختمان فـولادی چندطبقه در ریاض تحت بار انفجار پرداختند. برای این منظور برای شبیه سـازی المـان محـدود سـازه از نـرم افـزار (LS-DYNA) استفاده کردند. مدلسازی عددی با استفاده از نتایج حاصل از یک لوله با بارگذاری انفجار صحت سنجی شد. بر اسـاس نتـایج تحلیـل FE، برای کاهش (یا کنترل) پتانسیل فروپاشی تدریجی ساختمان فولادی پیشنهاداتی داده می شود(.(11:2014
زمینه پیدایش و علل ایجاد کننده تخریب پیشرونده
گسیختگی پیشرونده در ابتدا توجه محققـین را در دهـه 70 مـیلادی، پـس از گسـیختگی جزئـی برجـی درRonan Point انگلستان که در شکل 1 نشان داده شده است به خود جلب کرد . آپارتمان مذکور یک ساختمان 22 طبقه ساختهشده از پانـل هـای پیشساخته از کف و دیوار باربر غیرمسلح بود .در 16 مه1968 ، انفجار گاز در نزدیکی یکی از گوشههای ساختمان در طبقه 18 رخ داد .این انفجار دیوار غیر باربر جلویی و دیوار باربر کناری را منفجر کرد و بنابراین تکیهگاه طبقات بالا را از بین برد .عدم پیوستگی بین اجزاء سازهای و نبود مسیر فرعی حمل بار منجر به گسیختگی همه طبقات بالا و پایین گردید .این یک نمونه از گسیختگی پیشرونده است که از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی کلی سازه گردید.
شکل 1 خرابی پیشرونده در ساختمان [8] Ronan Point
ساختمان Bunkers Trust مثالی از یک سازه است که از خرابی پیشرونده سالم ماند. ایـن سـازه 40 طبقـه کـه در شـکل2 نشان داده شده است، اوایل سال 1970 در نیویورک ساخته شد درست جایی که برج تجارت جهـانی جنـوبی ایسـتاده بـود. سیسـتم سازهای شامل قاب فولادی معمولی بود با تیرهایی که در دو جهت با اتصال خمشی بـه سـتونهـا متصـل بودنـد. ایـن سـازه ضـربات نخالههای برج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی را تحمل کرد. بخشی از دیوارهای خارجی برج جنوبی در طبقه 23 به این ساختمان برخورد کرد که خسارت شامل خراب شدن سیستم های سقف، تیرهای محیطی، بین طبقـات 9 تـا 23 و خـراب شـدن سـتونهـای خارجی بین طبقات 9 تا 18 بود. علیرغم از بین رفتن عضو باربر قائم، خرابی بیشتری جز آنچه مسـتقیم بـه دلیـل نخالـههـای بـرج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی به وجود آورد ایجاد نشد. به طور واضح قابهای خمشی نامعینی و شکلپذیری کافی برای مقابله با تنشهای باز توزیعشده بعد از حذف ستون دارند و انرژی جنبشی ناشی از حذف ناگهانی ستون و افتادن نخالهها را جذب میکنند.
برج Khobar Towers یکی دیگر از مثال های خرابی پیشرونده می باشد که در الکوبار نزدیک دهران عربستان سـعودی بـود. در 25 ژوئن سال 1996یکی از ساختمانهای آپارتمانی به شدت خسارت دیـد، زمـانی کـه یـک بمـب سـنگین در خیابـان روبـروی ساختمان منفجر شد. ساختمان، هشت طبقه و پلانی تی شکل داشت. همان طور که در شکل 3 نشان داده شده است این سـاختمان با سیستم دیوارها و سقف پیشساخته بتنآرمه، ساخته شد. کلیه بارهای قائم و جانبی به وسیله سیستم دیـوار پـیشسـاخته تحمـل میشد. انهدام مربوط به سمت روبرو و دهانه بیرونی ساختمان شد. اگرچه دیوارهای برشی به وسیله انفجار از بین رفتند ولـی انهـدام جز در محدوده خسارت اولیه پیشرفت نکرد. بررسیها نشان داد که سیستم بتنآرمه پیشساخته شکلپذیری کـافی بـرای مقابلـه بـا اتفاقات فوقالعاده را داشته است. اتصالات داخل هم سقف و دیوار نیز در اکثر قسمتها سالم ماندند و در برابـر انهـدام مقابلـه کردنـد .(9:2009)
شکل 2 ساختمان (8:2009) Bunkers Trust
شکل 3 برج (9:2009) Khobar Towers
حادثه11 سپتامبر سال 2001 که با حمله گروه القاعده به برجهای دوقلوی تجارت جهانی صـورت پـذیرفت تـاکنون بـزرگتـرین عملیات تروریستی تاریخ ایالت متحده امریکا به شمار میآید و پیامدهای مختلف سیاسی، اقتصادی، امنیتی و نظامی برای این کشـور و جامعه جهانی به دنبال داشته است. همان طور که در شکل 4 نشان داده شده است این حادثه کـه بـا برخـورد دو هواپیمـا بافاصـله زمانی تقرباًی نیم ساعت به دو برج صورت گرفت منجر به انهدام سازه به صورت زنجیرهای گشت. وجـود عملیـات تروریسـتی و مثـال هایی که گفته شد منجر به پیدایش موضوع خرابی پیشرونده در علم مهندسی عمران شد و تا به امروز مطالعـات زیـادی در مـورد آن صورت گرفته است.
شکل 4 ساختمان تجارت جهانی امریکا (1:2006)
خرابی پیشرونده در نتیجه یک رویداد بارگذاری غیر متعارف ایجاد می شود که چهار نوع علت عمـومی آن بـه شـرح ذیـل اسـت :(2:2007)
-1 ضربات تصادف : ضربات اتومبیل هر چیز دیگری به اعضای کلیدی در سازه هایی چون سـاختمان و پل(تخریـب پیشـرونده در پل I80 در ایالتNebraska آمریکا) نمونه ای از این بارگذاری غیر متعارف می باشند .
-2 ساز و ساخت های معیوب : بـرای نمونـه برداشـتن بـی موقـع نگهدارنـده هـا در سـاختمان(تخریب پیشـرونده سـاختمان Skyline Plaza در ایالت Virginia آمریکا) موجب شکست موضعی شده و به دنبال آن تخریب پیشرونده رخ خواهد داد .
- 3 شکست پی : شکست قسمت کوچکی از پی ساختمان میتواند منجر به از دست دادن نگهدارنده های اصلی سازه شود. ایـن شکست می تواند به دلیل فرسایش ، مسایل زمین شناسی ، تخریب ناشی از انفجار و غیره باشد .
- 4 تغییرات شدید در فشار هوا : تغییرات شدید در فشار هوا کـه در پـی انفجـار گاز،انفجـار هـای بـزرگ بـا بمـب (تخریـب پیشرونده ساختمان فدرال A.P.Murrah در شهر ( Oklahoma و غیره ایجاد می شود موجب از بین رفتن المان های سازه و در نتیجه تخریب پیشرونده می شود.
روش های ارزیابی و طراحی سازه در برابر تخریب پیشرونده
استانداردهای جاری که برای طراحی سازه ها در برابر بارهای معمول استفاده می شوند عموما از یک سیستم سازه ای با درجـاتی از مقاومت و شکل پذیری موجود در آن برای مقاومت در برابر بارهای شدید و پیشگیری از تخریب پیشرونده بهره می برند .اسـتاندارد [12] ASCE7-02 دو راه طراحی مستقیم و طراحی غیر مستقیم را برای کاهش امکان تخریب پیشرونده و مقابله با آن تعریف مـی کند . در روش طراحی غیر مستقیم ، مقاومت در برابر تخریب پیشرونده با ایجاد حداقل سطحی از مقاومت ،پیوستگی و شکل پـذیری تامین می شود که از جمله ایـن روش هـا،روش( Tie Force (TF اسـت. در راه طراحـی مسـتقیم بـه مقاومـت در برابـر تخریـب پیشرونده در طول مراحل طراحی توجه می شود.مقاومت در برابر تخریب پیشرونده در طول مراحل طراحـی بـا اسـتفاده از روشـهای Alternate Load Path و ELR تامین می شود.
روش Tie Force
مقاومت کششی که برای انتقال بار از ناحیه آسیب دیده سازه به دیگر قسمت های آسیب ندیـده سـازه اسـتفاده مـی شـود Tie Force نامیده می شود و می تواند با استفاده از المان های سازه ای موجود که با روش های طراحی معمول و بـرای تحمـل بارهـای متعارف طراحی شده اند ایجاد شود. Tie Force روشی است که پیوستگی ، شکل پـذیری و قیـدهای اضـافی سـاختمان را بوسـیله کلافها ( کش ها) افزایش می دهد و در صورت ورود یک بارگذاری غیر عادی کل ساختمان با هم عمل میکند و به شکل اتوماتیک بـا هم کش می آید و مسیرهای فرعی دیگری برای توزیع بار ایجاد می شود . این روش شبیه روشی است کـه در اسـتاندارد سـاختمانی بریتانیا پس از فروریزش ساختمان Ronan Point در سال 1968 استفاده شد و در حال حاضر هم در استانداردهای اروپا اسـتفاده می شود. در مدل ساختمان چندین کش باید ایجاد گردد که شامل کش های درونی، پیرامونی، ستون ها می باشـند (شـکل .(5 ایـن روش ساده بوده و در آن طراحی و مدل سازی پیچیده ای مورد نیاز نیست. در عین حال بر مبنای قواعد استاتیکی از قبیـل تعـادل و سازگاری تغییر شکل ها است که در سازه آسیب دیده بکار می رود.برای تامین نیازمندی های این روش می توان از سیستم کف و یـا اعضای افقی سازه استفاده کرد. روش TF برای طراحی سازه در برابر تخریب پیشرونده از فلسفه LRFD اسـتفاده مـی کنـد و در آن باید مقاومت کششی طراحی بزرگتر مساوی مقاومت کششی مورد نیاز باشد.
