بخشی از مقاله
چکیده
یکی از چالشهایی که امروزه ساختمانها را تهدید می کند، بحث خرابی پیشرونده در اثر زلزله، انفجار و آتشسوزی می باشد. خرابی پیشرونده، پدیده ای است که طی آن، خسارت جزئی در یکی از اعضای سازه، باعث خسارت کلی در سازه می شود. همچنین از پارامترهای تاثیرگذار بر عملکرد سازهها در مقابل بارهای وارده به سازه ، نوع کاربری ساختمان می باشد. تاثیر نامنظمی سازه بر شاخص تنومندی تحت خرابی پیش رونده مورد بررسی قرار نگرفته است.
هدف از این مطالعه ارزیابی اثر نامنظمی جرمی در ارتفاع سازههای پنج و پانزده طبقه فولادی مهاربندی شده با سیستم مهاربندی هم محور، بر پتانسیل خرابی پیشرونده با استفاده از تحلیل استاتیکی غیرخطی پوشآور است و نسبت سختی سازه ها به عنوان یک شاخص کمی برای ارزیابی تنومندی سازه های آسیب دیده و مقاومت در برابر خرابی پیش رونده ارائه شده است. همچنین سازه ها تحت تحلیل استاتیکی غیرخطی پوش دان بوسیله ضریب بار مورد بررسی قرار گرفتند.
در این مطالعه که با استفاده از نرمافزار PERFOMR 3D انجام شد، نتایج نشان می دهد که نامنظمی جرمی در ارتفاع بر خرابی پیش رونده تاثیر قابل توجهی دارد.
-1 مقدمه
خرابی پیشرونده، پدیده ای است که طی آن، خسارت جزئی در یکی از اعضای سازه، باعث خسارت کلی در سازه می شود. در حقیقت، با گسیختگی موضعی در بخشی از سازه، پایداری کل سازه مورد تهدید قرار می گیرد. خسارت جزئی در عضو می تواند ناشی از انفجار، آتش سوزی، برخورد وسیله نقلیه به سازه، نشست ناگهانی و غیره باشد. این آسیب ها اغلب در مدت زمان کوتاه و به صورت دینامیکی به سازه اعمال می شود.
در سال های اخیر، با توجه به حوادث ناشی از خرابی های پیشرونده، در اکثر آیین نامه ها بر کنترل این موضوع تأکید شده است. بعد از تخریب ساختمان رونان پوینت در سال 1968و توجه بیشتر مهندسین به بحث خرابی پیشرونده، موجی از تحقیقات بر روی روش های پیشگیری و یا کاهش پتانسیل سازه به خرابی پیشرونده آغاز گردید.
نتیجه آن در ابتدا به صورت تغییرات در آیین نامه ها بود؛ ولی پس از گذشت چند سال و وقوع چندین حادثه مشابه، از جمله حوادث تروریستی 11 سپتامبر آمریکا، آیین نامه های مجزایی جهت کاهش و یا جلوگیری از تخریب تنظیم گردید. از جمله این آیین نامه ها که به صورت مجزا به بحث خرابی پیشرونده می پردازند، می توان به دو آییننامه UFC و GSA اشاره کرد
رویکرد این آیین نامه ها بدین گونه است که در اثر تخریب ناگهانی یکی از اعضای اصلی سازه، اعضای باقیمانده قادر به پل زدن به روی دیگر المان ها باشند و مسیر جایگزینی جهت انتقال بار داشته باشند. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران نیز به کنترل سازه در برابر خرابیهای پیشرونده اشاره می کند و اعلام می نماید که ساختمان ها می بایست در برابر این نوع خرابیها براساس مبحث بیست و یکم مقررات ملی ساختمان کنترل شوند
مککی و همکاران - 2012 - خرابی پیشرونده پدیده دینامیک و غیرخطی است و بارگذاری های استاتیکی نیاز به استفاده از ضرایب برای ایجاد اثر دینامیکی و غیرخطی دارند. آنها مطالعاتی بر روی رفتار سازه ای بتنی و فولادی قاب خمشی برای بروزرسانی آیین نامه های موجود انجام دادند. مطالعات آن ها به رفتار انوع ساختمان های فولادی و بتنی نشان داد که ضرایب موجود در دستورالعمل ها موجود بیش از محافظه کارانه است. همچنین آن ها ضرایب افزایش بار جدیدی برای تحلیل استاتیکی خطی و غیرخطی ارائه دادند.
توکلی و رشیدی الاشتی - 2013 - سیستم سازهای فولادی MRF را که بر اساس آییننامهی لرزهای طراحی شده بود را برای مقاومت در برابر حذف ستون در موقعیتهای مختلف و تاثیر آن در خرابی پیشرونده را مورد بررسی قرار دادند. بر اساس مطالعات انجام شده به این نتیجه رسیدند که هر چه تعداد دهانهها و طبقات افزایش یابد مقاومت سازه در برابر خرابی پیشرونده بر اثر بارهای جانبی افزایش می یابد.
توکلی و مرادی - 2014 - به منظور تاثیر نامنظمی پلان بر پتانسیل خرابی پیشرونده، ساختمان های 5 طبقه با دو نوع سیستم سازه ای قاب خمشی فولادی و قاب مهاربندی دوگانه با مهاربند ضربدری با شکل پذیری متوسط را مورد بررسی قرار دادند. آن ها خروج از مرکزیت 5، 10، 15 درصدی را برای ایجاد نامنظمی در سازه ایجاد کردند . آن ها مرکز سختی را در وسط پلان سازه در نظر گرفتند و با تغییر بار ثقلی خروج از مرکزیت مورد نظر را تامیین کردند. برای بررسی پتانسیل خرابی پیشرونده از تحلیل های استاتیکی ودینامیکی غیرخطی بوسیله ی نرم افزار OPENSEES استفاده کرند. و نتایجی که آن ها دست یافتند این بود که نامنظی در پلان تاثیر قابل توجهی در پتانسیل خرابی پیشرونده دارد.
کافیلد و عادلی - 2016 - شش قاب فولادی 10 طبقه MRF، CBF و EBF هر یک با نامنظمی هندسی در پلان و نامنظمی هندسی در ارتفاع را تحت بار انفجاری در فاصله 15 فوت از ستون میانی در دو موقعیت مورد مطالعه قرار دادند. آن ها برای مشاهده تاثیر نامنظمی هندسی، جابجایی سقف و شتاب سقف را بررسی کردند. و نتایج این پژوهش آن ها این است که یک قاب مهاربندی هم محور به نحوی سطح بالاتری را از مقاومت در برابر بار انفجاری برای سازه های نامنظم فراهم می کند و نامنظمی هندسی بر پاسخ سازه تحت باردهی انفجار تاثیر دارد
ساختمان های تجاری به دلایل امنیتی بیشتر در معرض حملات تروریستی قرار می گیرند و این ساختمان ها به دلایل کاربری دارای نامنظمی جرمی در ارتفاع هستند، در نتیجه در این تحقیق ساختمان های منظم و نامنظم جرمی در ارتفاع مورد تحلیل های مسیر جایگزین بار قرار گرفتهاند و پتانسیل خرابی پیشرونده در این ساختمان ها ارزیابی شده است.
-2 شاخص تنومندی
تعریف استواری عدم حساسیت سازه به خرابی موضعی می باشد. این مفهوم نه تنها در مهندسی عمران بلکه در علوم متفاوتی چون زیست شناسی و شبکه های کامپیوتری، در واقع هر جا که با شبکه و ساختار مواجه هستیم، کاربرد دارد. مقاومت در برابر فروریزش می تواند از راههای گوناگونی، از جمله افزایش استواری حاصل گردد . روش های گوناگونی برای محاسبه ی استواری سازه تاکنون پیشنهاد شده اند، این روش ها یا ویژگی سازه سالم را با سازه ی آسیب دیده مقایسه می کنند و یا پاسخ سازه را پس از خرابی موضعی می سنجند. ساده ترین راه تخمین استواری با استفاده از روش سختیست که با استفاده از رابطه - 1 - محاسبه می شود.
که در آن Rs استواری بر اساس سختی، Kj ماتریس سختی سازه بعد از حذف عضو یا تکیه گاه و K0 ماتریس سختی سازه ی سالم است. برای آنکه شاخص استواری حاصل از رابطه ی 1 مقداری بین صفر و یک داشته باشد اغلب نیاز است تا کالیبره شود. مقدار یک بیانگر حداکثر استواری ممکن و مقدار صفر بیانگر فقدان کلی استواریست.
-3 روش تحقیق
به منظور بررسی خرابی پیشرونده در ساختمان فولادی مهاربندی شده و تاثیر نامنظمی جرمی در آن 8 مدل ساختمانی با سیستم سازه ای ترکیبی یا دوگانه - قاب خمشی و مهاربند هم محور - بر اساس مباحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان ایران که مربوط به بارهای وارد بر ساختمان و طرح و اجرای ساختمان های فولادی میباشد در نرم افزار [8] SAP2000 طراحی گردید. در این طراحی ملاحظات لرزه ای آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله - استاندارد - 2800 در نظر گرفته شد. سپس سازه های طراحی شده در نرم افزار PERFORM 3D به طور دقیق مدل گردیدند.
ویژگی های غیرخطی اعضای سازه ای و مشخصات مفاصل پارامترهای a، b و c بر اساس جداول 6-5 و 7-5 آییننامه [9]FEMA 356 و مشخصات مقطع عرضی مقاطع مشخص شدند. در این پژوهش با توجه به تحقیقات گذشته، حذف ستون گوشه حالت بحرانی تری را ایجاد می کند. بنابراین با فرض آسیب دیدگی کامل ستون گوشه پتانسیل سازهها در برابر خرابی پیش رونده مورد ارزیابی قرار گرفت. در تحلیل خرابی پیشرونده معمول به روش استاتیکی غیر خطی پس از حذف المان باربر قائم، ترکیب بار ثقلی بر اساس راهنمای مورد استفاده بر روی کلیه تیرها اعمال می شود، با این تفاوت که در دهانه ای که ستون مورد نظر حذف گردیده، این ترکیب بار ثقلی به صورت مرحلهای و گام به گام تا دو برابر مقدار اعمال شده در دیگر دهانه ها افزایش مییابد تا اثرات دینامیکی حذف ناگهانی ستون نیز لحاظ گردد.
در کار حاضر از ترکیب بار ثقلی - 1 2 +0 5 / - بر اساس GSA2013 در کلیه دهانهها استفاده گردیده است و در ادامه الگوی بار جانبی به سازه اعمال میشود. با فرض اینکه آسیبدیدگی المانها به دلیلی از قبل ایجادشده و بار جانبی در زمان دیگری اعمال میشود، استفاده از ضریب دینامیکی صرفنظر شده است. احتمال ایجاد چندین حالت خرابی در سازه وجود دارد. بنابراین لازم است که توزیع بار جانبی طوری انتخاب شود که بحرانیترین حالت خسارت را ایجاد نماید. بر اساس دستورالعمل بهسازی لرزهای[10] حداقل دو الگوی بار جانبی باید استفاده شود اما با مطالعه پژوهشهای گذشته ملاحظه شده است ترکیب بار مثلثی بحرانیترین حالت را ایجاد می کند. بنابراین در این مقاله به همین حالت بار اکتفا شده است.
-4 مدل های مورد بررسی
در این پژوهش یک نوع سیستم سازه ای، قاب مهاربندی دوگانه با مهاربندی هم محور با شکل پذیری متوسط مورد بررسی قرار گرفته است. تعداد طبقات ساختمان ها 5 و 15 طبقه انتخاب شده است - شکل. - 1 و تمامی مدل های مورد بررسی بر مبنای آیین نامه بارگذاری ایران، بارگذاری[11] و بر مبنای آیین نامه طراحی سازه های فولادی ایران و استاندارد [12]2800 طراحی شدهاند. سازه ها در منطقه لرزه خیزی زیاد - A=0.35 - و خاک نوع سه واقع شدهاند. بار مرده طبقات 600 کیلوگرم بر مترمربع و بار زنده 250 کیلوگرم بر مترمربع - کاربری ساختمان اداری - در نظر گرفته شده است.
نامنظمی جرمی در ارتفاع بصورت افزایش 50 درصدی جرم طبقه چهارم در سازه پنج طبقه و طبقه چهاردهم در سازه پانزده طبقه نسبت به طبقات مجاور خود می باشد. سازه ها به صورت سه بعدی مدل سازی و تحلیل شده اند. طراحی کلیه ساختمان ها به روش حدی انجام گرفت. هر سازه برای هر دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی طیفی طراحی شد که در آن نیروهای دینامیکی به نسبت برش پایه استاتیکی به دینامیکی مقیاس شدند.
استفاده از تحلیل دینامیکی مقاطع بادبند بزرگتری را در ترازهای بالاتر نتیجه داد. ساختمان ها دارای 4 دهانه 5 متری میباشند و ارتفاع طبقات 3,2 متر در نظر گرفته شده است. مقاطع مورد استفاده در تیرها از نوع مقاطع آمریکایی W و ستون ها از نوع BOX انتخاب شده است. برای تیر و ستون از فولاد ST37 با تنش تسلیم Fy = 2400 kg/cm2 استفاده شده است
