بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تاثیر ارتفاع ساختمان در رخداد فروریزش پیشرونده و مقایسه نتایج با ضوابط دو آیین نامه
GSA2003 و UFC4-010
خلاصه
این روزها یافتن عنوان جدیدی در رشتهی مهندسی سازه برای تحقیق و تفحص بسیار نادر و کمیاب است. فروریزش پیشرونده (خرابی پیشرونده) از مفاهیم نو وجدید این علم میباشد . بطور دقیقتر این موضع و ارائه روشهایی برای پیشگیری از این پدیده، از جمله مباحثی میباشند که چندین دهه بیشتر قدمت ندارند. فروریزش پیشرونده با حذف ظرفیت باربری موضعی قسمت کوچکی از سازه شروع میشود و در ادامه، خرابیهایی در المانهای سازه بوجود میآید که به طور مستقیم ناشی از رخداد موضعی اولیه نمیباشد. این خرابیهای متوالی ممکن است در کل سازه یا سطح وسیعی از آن گسترش پیدا کند. در این مقاله، به نقش ارتفاع سازه در رخداد فروریزش پیشرونده، در ساختمانهای فولادی طراحی شده برای بارهای لرزهای در مطنقهای با لرزهخیزی متوسط، با دو روش استاتیکی خطی و دینامیکی غیر خطی و با نرم افزار SAP2000 پرداخته میشود. همچنین در این دو تحلیل از ضوابط دو آییننامه GSA2003 و UFC4-010 استفاده میشود و نتایج آنها مورد مقایسه قرار میگیرد.
کلمات کلیدی: فروریزش پیشرونده، سازههای فولادی، تاثیر ارتفاع سازه در فروریزش پیشرونده، آیین نامه UFC، آیین نامه GSA
1. مقدمه
فروریزش پیشرونده برگردان لغت به لغت عبارت انگلیسی Progressive Collapse میباشد که متاسفانه در برگردانهای ابتدایی علم عمران این عبارت، با خرابی پیشرونده مترادف شد که به نظر این جانب، برگردان فوق ماهیت مکانیزمی پدیده را شامل نمیشود لذا اینجانب در تحقیق خود از معادل فروریزش پیشرونده استفاده کردهام. امروزه وقوع فروریزش پیشرونده در سازهها در هنگام زلزله و حتی در یک انفجار نزدیک به سازه به چالشی مهم تبدیل شده است.
فروریزش پیشرونده بعد از خرابی برج آپارتمانی رونان پوینت در سال 1968 در لندن مورد مطالعات اولیه قرار گرفت تا فروریزش برجهای تجارت جهانی در سال 2001 که موضوع را تبدیل به یک چالش بزرگ جدید در مهندسی سازه کرد .[1] تعریف فروریزش پیشرونده در طی زمان و در آیین نامههای مختف توسعه پیدا کرده است. در UFC 4-10 آمده است که " فروریزش پیشرونده یک مجموعه ای از واکنشهای خرابی اجزای سازه ای است که وسعت آن با خرابی موضعی اولیه قابل قیاس نمی باشد " .[2] در بیانی سادهترفروریزش پیشرونده با حذف ظرفیت باربری موضعی یک یا چند المان باربر سازه شروع میشود و در ادامه، خرابیهایی در المانهای دیگر سازه پی در پی بوجود میآید که به طور مستقیم ناشی از رخداد موضعی اولیه هم نمیباشد. این خرابیهای متوالی ممکن است در کل سازه یا قسمتی از آن گسترش پیدا کند..
2. روشهای طراحی برای مقابله با فروریزش پیشرونده
-1-2 روش کنترل رخداد:1 این روش به منظور جلوگیری از رخدادی است که سبب فروریزش پیشرونده میشود، بنابراین برای مهندسین عمران این روش مطرح نمیباشد و عمدتا متکی بر مسائل حفاظتی است.
-2-2 روش طراحی غیر مستقیم: این روش ایجاد پیوستگی اتصالات در نقاط گرهای و افزایش شکلپذیری و نامعینی سیستم است. بهطوری که بعد از ایجاد خرابی در قسمتهایی از سازه، ما بقی اعضا مقاومت کافی برای پایداری را فراهم آورند و از متداول ترین این روشها پیوسته نگه داشتن سازه توسط نیروهای پیوندی2 است. به هر حال این روش برای طراحی در برابر فروریزش پیشرونده پیشنهاد نمیگردد، به این علت که در روش مذکور، به طور ویژه، حذف اعضا یا بارگذاری غیر عادی خاصی را در نظر نمیگیرند و در آیین نامه ACI 318-08 انجمن بتن آمریکا الزامات شکلپذیری ساختمانها و بهبود عملکرد سازه برای مقاومت در برابر فروریزش پیشرونده به طور خاص مد نظر قرار گرفته است .[3]
-3-2 روش طراحی مستقیم: این روش، مقاومت در برابر گسیختگی پیشرونده را مستقیماً در طول فرایند طراحی از دو طریق در نظر میگیرد: الف- روش مسیر بار جایگزین:(APM)3 این روش بهدنبال ارائه مسیر فرعی یا جایگزین برای انتقال بار پس از وقوع خرابی است، بهنحوی که از پیشرفت آسیب موضعی گرفته و در نهایت از گسیختگی کلی جلوگیری شود و سازه به گونهای طراحی میشود که اگر هریک از اجزای آن منهدم شود، مسیرهای جایگزین برای انتقال بار آن عضو موجود باشد .[4] ب- روش مقاومت موضعی ویژه:(ELR) 4 در این روش یک عضو سازهای مشخص و مورد نظر، ملزم به توانایی برای مقابله با یک بارگذاری غیرعادی میشود. در این روش طراحی، لازم است که شکلپذیری و مقاومت کافی برای یک عضو خاص منظور شود؛ لذا طراحی اعضای بحرانی با اثر افزایش ضرایب بارهای طراحی به گونهای انجام می گیرد که بتواند مقاومت اضافی برای تحمل بارهای غیر معمول را فراهم نماید. این روش بر پایه مقاوم نمودن قسمتهایی از سازه است که امکان تحلیل مسیر جایگزین برای آن وجود ندارد؛ برای مثال میتوان به ستونهای گوشه در ساختمان اشاره کرد.[5]
3. روشهای تحلیل فروریزش پیشرونده
برای تحلیل پدیده فوق از روشهای استاتیکی و دینامیکی استفاده میشود که در این تحقیق از دو روش تحلیل استاتیکی خطی و دینامیکی غیر خطی بر حسب ضوابط دو آییننامه متفاوت )GSA2003آییننامه مدیریت خدمات کلی آمریکا-راهنمای تحلیل و طراحی فروریزش پیشرونده) و UFC20105 استفاده گردید.
-1- 3 روش تحلیل استاتیکی خطی: روش این تحلیل در آییننامه GSA2003 به شرح زیر است:[4]
الف- عضو سازهای مورد نظر از مدل حذف میگردد و بار ثقلی 2×(DL + 0.25LL) در دهانههایی که عضو حذف گشته اعمال میگردد و تحلیل استاتیکی خطی انجام میشود. DL وLL به ترتیب بیانگر بارهای مرده و زنده می باشند. (شکل (1
ب- برای هر عضو سازهای مقادیر DCR محاسبه میگردد. اگر مقادیر DCR در هر عضو از مقادیر معیار برشی تجاوز کند، عضو مورد نظر منهدم شده تلقی میگردد و اگر مقادیر DCR انتهای اعضا از معیار پذیرش خمشی تجاوز کند، یک مفصل در انتهای عضو اعمال می شود. اگر تشکیل مفصلها منجر به مکانیزم خرابی عضو شود، عضو مورد نظر از مدل حذف گشته و بارهای آن روی اعضای مجاور بازتوزیع میگردد.
در آیین نامه GSA معیار پذیرش DCR از مقدار 1.25 تا 3 البته بسته به نسبت عرض به ضخامت عضو میباشد. در آییننامه UFC مقاومت طراحی که ار حاصلضرب مقاومت اسمی در ضریب کاهش مقاومت بدست میآید، در ضریب 1.1 ضرب می گردد و به طور مستقیم با عضو مقایسه میگردد و از این طریق خرابی عضو ارزیابی می گردد.
ج- مراحل قبلی تکرار می گردد تا زمانی که DCR تمام اعضا از حالت حدی تجاوز نکند. اگر لنگرها در سراسر سازه بازتوزیع شوند و مقادیر DCR در خارج از محدوده مجاز تعریف شده توسط آیین نامه، همچنان از مقادیر مجاز تجاوز کند، سازه مورد نظر پتانسیل بالایی در برابر فروریزش پیشرونده دارد
شکل (1) نحوه بارگذاری در تحلیل استاتیکی خطی
آییننامه UFC2010 روش مشابهی را پیشنهاد میدهد .[5] بجز اینکه ضرایب بار ثقلی، معیارهای پذیرش و ناحیه خرابی در این آییننامه متفاوت است و البته در این آیین نامه علاوه بر بارهای ثقلی بار جانبی نیز در تحلیلها شرکت میکند. نحوه بارگذاری در این آیین نامه به شرح زیر است:
)2(
که در آن GLD بارهای ثقلی افزایش یافته در تحلیل استاتیکی . D بار مرده، L بار زنده، S بار برف و ضریب افزایش بار در
تحلیل استاتیکی خطی میباشد که مقادیر آن برای انواع مختلف عضو سازهای در آیین نامه موجود است. در آخر یک نیروی جانبی نیز در ترکیب با بارهای ثقلی به سازه وارد می شود که به صورت زیر است:
)3( ×
که در آن مجموع بارهای ثقلی در طبقه مورد نظر است.
-2-3 روش دینامیکی غیر خطی: در آیین نامه GSA2003 ترکیب بارگذاری در دهانههایی که بطور مستقیم بالای عضو محذوف قرار دارند به
صورت زیر است:[2]
)4( GSD = [D+ (0.25L)] ×
این بارگذاری در آییننامه UFC2010 به شرح زیر تعریف میشود:[3]
)5(
روش بارگذاری به گونهای است که از صفر شروع میگردد و بهصورت مونوتونیک و متناسب، افزایش یافته و به تمام ساختمان وارد می گردد زمانی که سازه به تعادل رسید عضو مورد نظر حذف می گردد.
4. مشخصات مدلهای مورد ارزیابی و فرضیات به کار رفته:
ساختمانهای مورد بررسی دارای سیستم قاب خمشی فولادی در سه ارتفاع 3، 6 و 12طبقه و در منطقهای با لرزهخیزی متوسط هستند. همچنین سازهها بر روی خاک نوع 2 فرض شدهاند و تکیهگاهها گیردار و فولاد مصرفی st-37 در نظر گرفته شده است. سخت شدگی کرنشی 2 درصد، میرایی سازهها 5 درصد و ساختمان با شکلپذیری متوسط طراحی گردید. ارتفاع تمام طبقات یکسان و برابر 3.2 متر فرض میگردد. سقفها نیز به صورت دیافراگم صلب هستند. مقاطع ستونها Box و مقاطع تیرها IPE انتخاب شد. بارگذاری مفروض بر اساس آیین نامه 2800 و مبحث ششم مقررات ملی ساختمان به شرح زیر است:
