بخشی از مقاله
چکیده
به گسترش زنجیروار خرابی موضعی اولیه ازیک المان به المان دیگر که نهایتاً موجب فروپاشی کل سازه و یا قسمت بزرگ نامتناسبی از آن میگردد، خرابی پیشرونده گفته میشود. خریداران ساختمانهای بزرگ و طراحان ساختمانهای جدید نیازمند اطلاع از آسیبپذیری ساختمانهای موجود و در دست طراحی در مقابل پدیده خرابی پیشرونده هستند.
در این تحقیق مقاومت ساختمانهای فولادی مجهز به دیوار برشی فولادی در برابر خرابی پیشرونده با استفاده از روش آییننامهای "مسیر جایگزین" مورد ارزیابی قرار گرفته است و توصیههایی در رابطه با بهبود رفتار این سیستمهای ساختمانی در برابر پدیده خرابی پیشرونده ارائه شده است. بررسیهای انجام گرفته نشان داد که هرچند این ساختمانها دارای مقاومت مطلوبی در برابر بار جانبی زلزله میباشند اما ممکن است در برابر خرابی پیشرونده آسیبپذیر باشند.
-1 مقدمه
خرابی پیشرونده در یک ساختمان با حادثهای آغاز میشود که ابتدا منجر به خرابی موضعی در آن میگردد، به طوری که ساختمان قادر به جذب یا تحمل آن خرابی موضعی نبوده و خرابی بصورت متوالی در سیستم سازهای و یا قسمت بزرگی از آن انتشار مییابد که در نهایت منجر به حالتی نهایی از خرابی میگردد که نامتناسب با خرابی موضعی ایجاد کننده آن است.
خرابی پیشرونده میتواند تحت عوامل بسیاری آغاز گردد از جمله: خطاهای طراحی و اجرایی و حوادث مربوط به باری که خارج از روند معمول طراحی سازه است و بندرت توسط مهندس سازه لحاظ میشود. چنین اتفاقاتی شامل بارهای غیرعادی - مانند انفجار گاز، برخورد وسیله نقلیه و خرابکاری - و عملکردهای سازهای ناشی از آتشسوزیهای شدید، مقادیر بیش از حد بارهای محیطی که سیستم سازه را دچار تنشهای فراتر از مقادیر لحاظ شده در طراحی میکنند؛ میشود
اداره سرویسهای عمومی آمریکا، [2] GSA، آییننامه تحلیل و طراحی خرابی پیشرونده را برای ساختمانهای اداری و فدرال جدید و پروژههای مدرن مهم ارائه داد تا اطمینان حاصل کند که پتانسیل خرابی پیشرونده در طراحی، برنامهریزی و اجرای ساختمانهای جدید و پروژههای نوسازی مهم، در نظر گرفته شده است .[2]
مابین روشهای مختلف برای طراحی ساختمانها در مقابل خرابی پیشرونده، آییننامها معمولاً روش مسیر جایگزین را
توصیه میکنند. در روش مسیر جایگزین، سازه به گونهای طراحی میشود که بتواند خرابی موضعی پیشآمده را جذب کرده و مسیر جدیدی برای انتقال بارها بوجود آورد. در این روش تنها حذف یک المان اصلی و بحرانی مورد بررسی قرار میگیرد و سازه برای تعیین اثر حذف این المان، آنالیز میشود. وقتی یک المان سازهای برداشته میشود، سازه باقیمانده بایستی پایدار باشد تا اینکه بتواند بارهای موجود در آن المان را برای یک مدت زمان کافی - حداقل برای تخلیه با امنیت سازه و بازرسی وسعت خرابی - تحمل نماید.
Kapil Khandelwal و همکارانش [3] در مطالعهای مقاومت خرابی پیشرونده در قابهای مقاوم لرزهای دارای مهاربند را با استفاده از شبیهسازی نرمافزاری مورد بررسی قرار دادند. در این مطالعه دو نوع سیستم دارای مهاربند در نظر گرفته شد: قابهای با مهاربند همگرای ویژه - SCBF - و قابهای با مهاربند واگرا . - EBF - این مطالعه روی ساختمانهای 10 طبقه با اعمال روش مسیر جایگزین انجام شد.
نتایج شبیهسازی نشان داد قاب با مهاربند واگرا آسیبپذیری کمتری در برابر خرابی پیشرونده در مقایسه با قاب با مهاربند همگرای ویژه دارد. Jinkoo Kim و[4] Taewan Kim ظرفیت مقاومت در برابر خرابی پیشرونده را در قابهای فولادی مقاوم خمشی، با استفاده از روش مسیر جایگزین مطرح شده در دستورالعملهای GSA2003 و[5] DOD2005 بررسی کردند.
تحلیلهای استاتیکی خطی و دینامیکی غیرخطی برای مقایسه انجام گرفت و مشاهده گردید که تحلیل دینامیکی غیرخطی در مقایسه با نتایج تحلیل خطی منجر به پاسخهای بزرگتری شد و نتایج بطور قابل ملاحظهای با متغیرهایی مانند بار اعمالی، محل حذف ستون یا تعداد طبقات ساختمان تغییر کرد. مشاهده شد همانطور که انتظار میرفت قابهای فولادی خمشی که هم برای بار جانبی و هم بار ثقلی طرح شده بودند، آسیبپذیری کمی در برابر خرابی پیشرونده داشتند.
Taewan Kim و همکارانش [6] مقاومت قابهای خمشی فولادی در برابر خرابی پیشرونده را با تحلیل پوشداون مورد بررسی قرار دادند. نتایج نشان داد که مقاومت با افزایش تعداد طبقات و تعداد دهانهها افزایش می- یابد ولی با افزایش طول دهانه مقاومت در برابر خرابی پیشرونده کاهش مییابد. آنان با مقایسه روابط بار- تغییرمکان حاصل از آنالیز پوشداون و حاصل از آنالیز دینامیکی غیرخطی نموی، به این نتیجه رسیدند که فاکتورهای بار ماکزیمم مربوط به تحلیلهای دینامیکی یک مقدار کمتر از فاکتورهای بار حاصل از تحلیلهای پوشداون هستند. این بدان معنی است که تحلیل پوشداون، ممکن است که ظرفیت ذاتی سازهها در مقابل خرابی پیشرونده را دست بالا تخمین بزند. با افزایش بار زلزله طراحی، ظرفیت باربری سازهها افزایش مییابد و مشارکت بار زلزله در ظرفیت باربری سازههای مدل، با کاهش تعداد طبقات و افزایش طول دهانهها کاهش مییابد.
در مطالعه حاضر مقاومت ساختمانهای فولادی مجهز به دیوار برشی فولادی در برابر خرابی پیشرونده با استفاده از روش آییننامهای " مسیر جایگزین" مورد ارزیابی قرار گرفته است. ابتدا نمونههایی از ساختمانهای فولادی با سیستم باربر جانبی دیوار برشی فولادی به کمک نرمافزارهایی که قابلیت انجام تحلیل عناصر محدود غیرخطی را دارند تحلیل و طراحی گردیده و سپس با استفاده از روش مسیر جایگزین و با روشهای تحلیل استاتیکی و دینامیکی که در آییننامه مطرح GSA بیان شده است، میزان آسیبپذیری این سازهها در مقابل خطر بروز خرابی پیشرونده محاسبه شده و مورد مقایسه قرار گرفته است. در نهایت رهنمودهای مناسب در رابطه با طراحی این سیستمها به صورت مقاوم در برابر خرابی پیشرونده ارائه شده است.
-2 معرفی روش مسیر جایگزین
در این روش، خرابی موضعی یک عضو سازهای اصلی مجاز است ولی رویکرد طراحی سعی دارد با فراهم کردن مسیرهای جایگزینی، بارها را به طور موثر بازتوزیع نموده و از گسیختگی یا خرابی بیشتر سازه جلوگیری کند. در این روش برای ارزیابی خطر وقوع خرابی پیشرونده بهجای اینکه بارهای غیرعادی بر سازه اعمال شوند عضوی از سازه حذف شده و سپس با تحلیل عضو آسیبدیده کنترل میشود که آیا با وجود از دست دادن عضو مزبور، سازه میتواند بارهای طراحی را تحمل کند یا خیر. بررسی روشهای مختلف کاهش خطر خرابی پیشرونده نشان میدهد که روش مسیر جایگزین روشی جامع، منطقی و اقتصادی برای طراحی سازه بهصورت مقاوم در برابر خرابی پیشرونده است. این روش میتواند با یکی از روشهای استاتیکی خطی، استاتیکی غیرخطی، دینامیکی خطی و یا دینامیکی غیرخطی تحلیل شود.
در رابطه با بکارگیری روش مسیر جایگزین ذکر این نکته ضروری است که اگر از بین رفتن عضو به صورت تدریجی و آرام باشد بازتوزیع نیروها به تدریج انجام گرفته و تحلیل استاتیکی برای ارزیابی رفتار خرابی سازه کافی خواهد بود. اما اگر خرابی عضو به صورت ترد و ناگهانی بوده و سازه تحت اثر بار قرار داشته باشد در این صورت اثرات دینامیکی شدیدی می-توانند بروز یابند. این اثرات دینامیکی باعث افزایش موقتی نیروهای اعضا شده و اگر این افزایش به حدی باشد که بتواند موجب خرابی اعضای دیگری از سازه شود خطر انتشار خرابی در سازه تشدید مییابد. بنابراین با توجه به ماهیت دینامیکی پدیده خرابی، تحلیل مسیر جایگزین به روش استاتیکی تنها یک شبیهسازی تقریبی از رفتار واقعی سازه بوده و توجه به اثرات دینامیکی خرابی عضو برای ارزیابی واقعبینانه رفتار خرابی سازه ضروری است
-3 معرفی مدلهای تحلیلی
در این مطالعه آسیبپذیری سه ساختمان فولادی مختلف در برابر خرابی پیشرونده با استفاده از روش مسیر جایگزین
آییننامهای مورد بررسی قرار گرفته است. نوع سیستم باربر جانبی این ساختمانها سیستم دوگانه شامل ترکیب قاب خمشی فولادی و دیوار برشی فولادی ویژه - SPSW - بوده است. ساختمانها در منطقه با لرزه خیزی بالا واقع شده و کاربری آنها اداری است.
تمامی ساختمانها دارای ابعاد پلان یکسان برابر با 36 در 36 متر بوده و ارتفاع طبقات در همه آنها 3 متر است. تعداد طبقات لحاظ شده برابر با 2، 4 و 8 میباشد. شکلهای 1 و 2، به ترتیب پلان و نمای این ساختمانها را نشان میدهند. جنس ورقهای دیوار برشی فولادی ASTM A36 - Fy = 36 ksi , Fu = 58 ksi - و مصالح تیرها و ستونهای بکار رفته در تمام مدلها، فولادِ ASTM A992 - Fy = 50 ksi , Fu = 65 ksi - میباشد.
در این مطالعه برای بارگذاری ثقلی و جانبی از آییننامه " [8] "ASCE 7 -05، برای طراحی اعضای فولادی از " AISC " 360 و [10, 9] "AISC 341" و برای تحلیل خرابی پیشرونده از دستورالعمل GSA2003 استفاده گردیده است.
