بخشی از مقاله
چکیده
امروزه، ساخت سازههای بلند مرتبه و پیچیده ، در نقاط مختلف جهان، به شدت مورد توجه قرار گرفته است. در این سازهها، اگرچه احتمال وقوع فروپاشی پیشرونده ناچیز است، رخداد آن میتواند صدمات و خسارات جبران ناپذیری به همراه داشته باشد. از اینرو بررسی و کنترل مقاومت در برابر فروپاشی پیشرونده از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد.
فروپاشی پیشرونده حاصل از گسترش متوالی یک آسیب موضعی در سیستم سازهای میباشد که در نهایت منجر به آسیب دیدگی نامتناسب با عامل ایجاد آسیب در بخش وسیعی از سازه میشود. این گسترش آسیب میتواند سبب ناپایداری و گسیختگی سازه شود. عوامل متعددی همچون خطاهای طراحی و اجرایی و بارگذاری غیر عادی - مانند انفجار گاز، برخورد وسیله نقلیه و ... - و عملکرد نامناسب سازه میتواند سبب بروز فروپاشی پیشرونده شود. اگرچه فروپاشی پیشرونده، در آئین نامههای مختلف، به عنوان یک بار طراحی مجزا در نظر گرفته نمیشود، اما در ارزیابی مقاومت ساختمانهای طراحی شده در برابر زلزله مورد توجه میباشد .
یکی از روشهای طراحی و مقاوم سازی در برابر فروپاشی پیشرونده، روش مسیر جایگزین میباشد که در آن با به کارگیری جزئیات اجرائی یا اجزای سازهای خاص، استحکام و یکپارچگی سازه افزایش مییابد. در این روش، توانایی سازه در حفظ پایداری خود پس از حذف یک المان کلیدی ، نحوه بازتوزیع بارهای اضافی حاصل از حذف عضو مورد بررسی قرار میگیرد. در این مطالعه، مقاومت سازه فولادی مهاربندی شده با و بدون میراگر ر در برابر فروپاشی پیشرونده مورد بررسی قرار خواهد گره است.
برای این منظور، مقاومت در برابر فروپاشی پیشرونده ساختمانهای 5 ، 10 و 15 طبقه منطق بر ضوابط طراحی کشور با در نظر گرفتن سناریوهای مختلف مورد ارزیابی قرار گرفته است. بررسی های انجام شده نشان میدهد که با افزایش فاصله از عضو حذف شده تغییرات نیرو در ستونها و لنگر در تیرها کاهش مییابد همچنین عضو بالای ستون حذف شده بیشترین تغییرات نیروی داخلی را در هر دوحالت با و بدون میراگر دارد. وجود میراگر در سیستم سازهای تغییر زیادی در نتایج ایجاد نکرده است.
-1 مقدمه و هدف
پس از جنگ جهانی دوم صنعت ساخت و ساز به شدت در سراسر جهان توسعه یافت. با این وجود، گذر زمان و وجود عوامل مختلف داخلی و خارجی باعث میشود که اجزای سازه دچار آسیب شده و سازه تحت اثر بارهای بهره برداری دچار مشکلات جدی و حتی انهدام شود. در نظر گرفتن تمامی جوانب در طراحی و کشف زود هنگام و اقدام مناسب در جهت رفع آسیبها، میتواند از فروپاشی فاجعه بار سازه جلوگیری کند.
یک پدیده نادر اما بسیار زیانبار در سازهها، پدیده فروپاشی پیشرونده است. این پدیده، اثر دینامیکی حاصل از گسترش و توسعه متوالی گسیختگی اولیه در یک سازه، که نشان دهنده عدم تطابق شدید بین عامل به وجود آورنده و فروپاشی شدید است، میباشد. عامل به وجود آورنده فروپاشی پیشرونده، یک عامل موضعی و متمرکز مانند عدم مقاومت موضعی است، که سبب بروز یک پدیده فاجعه بار میشود
به علت وقوع حوادث غیر قابل پیش بینی از قبیل زلزله، انفجار، برخورد و تصادف و نیز کاهش احتمالی ظرفیت سازه در اثر گذر زمان و تاثیر این عوامل بر وقوع فروپاشی پیشرونده در سازهها، بررسی اثرات تقویت اجزای سازهای بر مقاومت در برابر فروپاشی پیشرونده مورد توجه قرار گرفته است. مطالعات گذشته نشان میدهد که مقاومسازی لرزهای سازه، میتواند سبب مقاومت سازه در برابر فروپاشی پیشرونده در برابر عوامل غیرعادی شود. در مقابل، افزایش شکل پذیری، میتواند سبب تسریع در مکانیسم فروپاشی پیشرونده شود
با وجود اینکه در سال های اخیر موارد متعددی از این پدیده در کشور ما رخ داده است اما تدابیر ویژهای مقابله با این پدیده اندیشیده نشده است. به عنوان مثال می توان به فروریزش ساختمانی 7 طبقه در سعادت آباد تهران در سال 1387 اشاره نمود. ساکنین ساختمان پس از مشاهده ی ترکهای ایجاد شده بر روی دیوارهای ساختمان، مجبور به ترک مجتمع مسکونی شدند تا پس از عملیات نوسازی، مجددا قابل سکونت شود. اما متاسفانه ساختمان در حین بازسازی، دچار تخریب گردید و سبب جان باختن تعدادی از کارگران شد. نامرغوب بودن مصالح مصرفی و عدم رعایت مقررات و اصول فنی از جمله مهمترین دلایل وقوع این سانحه گزارش شده است.
بارهای غیرعادی ناشی از حوادث طبیعی، خطاهای اجرا و برخی مسائل دیگر می توانند باعث به وجود آمدن فروپاشی پیشرونده در سازه ها و منجر به از دست رفتن یک یا چند المان باربر شوند که ممکن است باعث خرابی بخش عظیمی از المانهای سازهای گردد. در این میان استفاده از ساختمان های فولادی با قاب مهاربندی شده در نواحی لرزه خیز بسیار متداول می باشد. باتوجه به اهمیت فروپاشی پیشرونده و تلفات ناشی از آن در ساختمان ها، لزوم ارزیابی دقیق رفتار این سازه ها در برابر فروپاشی پیشرونده دارای اهمیت میباشد . از اینرو در این پژوهش به بررسی و مقایسه رفتار قابهای سازههای فولادی با و بدون میراگر در برابر فروپاشی پیشرونده پرداخته میشود.
-2 تئوری و پیشینه تحقیق
هنگامی که یک المان سازهای در اثر بارهای غیرمتعارفی حذف شود، بارهای وارد بر آن المان به المانهای مجاور انتقال مییابد. اگر المانهای مجاور توانائی تحمل بارهای اضافی را نداشته باشند، در آن بخش از ساختمان از آسیب دیدگی افزایش مییابد و تا زمانی که بارگذاری اضافی به تعادل نرسد، المانهای ساختمان به شکست خود ادامه خواهند داد و ممکن است منتهی به آسیب دیدگی بخش قابل ملاحظه ای از سازه و یا حتی کل سازه گردد. در نتیجه آسیب دیدگی جزئی اولیه میتواند به صورت متوالی در سیستم سازهای و یا قسمت بزرگی از آن گسترش یابد و منجر به حالتی از آسیب گردد که نامتناسب با آسیب اولیه باشد.
تحقیق بر روی فروپاشی پیشرونده را میتوان به دو رویکرد مختلف طبقه بندی کرد: - 1 - گسترش سیستمهای سازهای که مانع از فروپاشی پیشرونده شود، - 2 - ایجاد یک روش تحلیلی و کارآمد .[5] میراگرهای جاذب انرژی براساس، رویکرد 1، میتواند به عنوان یکی از روشهای مقاومسازی کردن سازهها در برابر فروپاشی پیشرونده مورد بررسی قرار گیرد.
فروپاشی ساختمان آلفرد پ. مورا درسال1995و برج مرکز تجارت جهانی در سال 2001 به مثالهایی از فروپاشی پیشرونده در اثر انفجار و برخورد میباشند. برای جلوگیری از فروپاشی پیشرونده در اثر بارهای غیرمعمول، آییننامه ملی کانادا الزاماتی را برای طراحی المانهای اصلی، اتصال المانها و روشهای ایجاد مسیرهای انتقال بار تعیین کرد. اداره سرویس عمومی آمریکا[7] - GSA - 1 آییننامهای کاربردی جهت طراحی به منظور کاهش پتانسیل فروپاشی پیشرونده ساختمانهای فدرال ارائه داد. همچنین وزارت دفاع آمریکا - DOD - 2 آییننامهای برای روشهای طراحی ساختمانهای DOD موجود ارائه داد
یکی از روشهای طراحی و مقاومسازی در برابر فروپاشی پیشرونده، روش مسیر جایگزین - - Aleternate Path میباشد. این روش، روشی جامع، منطقی و اقتصادی برای طراحی سازههای مقاوم در برابر فروپاشی پیشرونده است. این روش میتواند با یکی از روشهای استاتیکی خطی، استاتیکی غیرخطی، دینامیکی خطی و یا دینامیکی غیرخطی تحلیل شود.
در این روش به بررسی توانایی سازه در حفظ پایداری خود پس از حذف یک المان کلیدی پرداخته میشود وبا استفاده از مسیرهای جایگزین، بارها به طور موثر بازتوزیع شده و از گسیختگی یا آسیبدیدگی بیشتر سازه جلوگیری میشود. به منظور ارزیابی خطر وقوع فروپاشی پیشرونده، به جای اینکه بارهای غیرعادی بر سازه اعمال شود، عضوی از سازه حذف میشود. در هر یک از حالات حذف عضو، ساختمان آسیبدیده برای تعیین اثر حذف این المان به منظور بررسی توانایی سازه در تحمل بارهای طراحی به هنگام حذف عضو مذکور و نیز پایداری آن در اثر توزیع مجدد بار تحلیل میشود.
برای محدود کردن آسیبهای موضعی، بهبود مقاومت و پایداری سازه، در دسترس بودن مسیرهای جایگزین برای توزیع مجدد بار و در نهایت جلوگیری از فروپاشی سازه، میراگرها به عنوان یک سیستم جاذب انرژی میتوانند روشی مناسب و کارآمدی باشد.
روش های تحلیل متنوعی برای بررسی پدیده فروپاشی پیشرونده وجود دارد که به طور معمول این روشها با استفاده از نرم افزارهای اجزا محدود که قابلیت کاملی برای در نظر گرفتن خواص دینامیکی و غیر خطی دارند، قابل انجام است. با توجه به اینکه فروپاشی پیشرونده در بازه زمانی بسیار کوتاه اتفاق می افتد و تغییرشکلهای غیرخطی پیش از گسیختگی به المان ها تحمیل می شود، بنابراین، این پدیده، یک پدیده دینامیکی و غیرخطی میباشد.
پس از آسیب دیدگی قسمتی از برج رونان پوینت انگلستان در دهه 70 میلادی در اثر فروپاشی پیشرونده، تحقیقات در زمینه فروپاشی پیشرونده مورد توجه قرار گرفت. آپارتمان مذکور یک ساختمان 22 طبقه ساخته شده از پانلهای پیشساخته از کف و دیوار باربر غیرمسلح بود. در 16 می 1968 ، انفجار گاز در نزدیکی یکی از گوشههای ساختمان در طبقه 18رخ داد. این انفجار، دیوار غیرباربر جلویی و دیوار باربر کناری را منفجر کرد و در نتیجه 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 فروریزش پیشرونده است که از دست دادن عضو باربر، منجر به خرابی کلی سازه گردید.
فلسفه فعلی اکثر آییننامههای موجود ساختمانی، طراحی سازهها برای بارهای قابل قبولی است که ممکن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازهها رمعمولاً برای حوادث غیرطبیعی که میتوانند موجب آسیب دیدگیهای فراگیر شوند، طراحی نمیکنند. اکثر آییننامههای رایج، فقط دارای توصیههای کلی برای تعدیل تأثیر فروپاشی پیشرونده در سازههایی هستند که فراتر از بارهای طراحی-شان بارگذاری میشوند
بنابراین مشاهده تلفات جانی و خسارات مالی ناشی از این بارها در گذشته، ضرورت مطالعه و ارزیابی پتانسیل فروپاشی پیشرونده، در سازههای موجود را به اثبات میرساند.
دلیل وقوع فروپاشی پیشرونده عدم پیش بینی رخداد آن در زمان طرح سازه بوده و متاسفانه باعث صدمات و فجایع جدی می گردد. در ادامه نمونههائی از فروپاشیهای پیشرونده مورد بررسی قرار میگیرد.
برای نمونه اول میتوان به فروپاشی ساختمان رونان پوینت در لندن اشاره کرد. در صبح 16 می سال 1968 میلادی انفجار گاز در طبقه 18ام ساختمان 22 طبقه در رونان پوینت لندن، اتفاق افتاد. این انفجار، دیوار غیر باربر جلویی و دیوار باربر کناری را منفجر کرد
و تکیهگاه طبقات بالا را از بین برد. عدم پیوستگی بین اجزاء سازهای و نبود مسیر فرعی حمل بار، منجر به فروپاشی تمام طبقات بالا و پایین گردید. این یک نمونه از فروپاشی پیشرونده است که از دست دادن عضو باربر، منجر به خرابی کلی سازه گردید.
