مقاله خرابی پیش رونده در ساختمان ها

بخشی از مقاله

چکیده

همواره در علم مهندسی سازه، سعی در پیش بینی مجموعه رخداد هایی بوده است که در طول عمر مفید سازه، بر کارایی و استقامت آن اثر قابل توجهی داشته باشند. این عوامل می بایست حین طراحی سازه، مدنظر مهندس طراح قرار گرفته و بتواند پایداری سازه را در مواجهه با آن تامین نماید. فرو پاشی پیشرونده از آن دسته عواملی است که دلیل وقوع آن، عدم پیش بینی رخداد آن در زمان طرح سازه بوده است و متاسفانه باعث صدمات و فجایع جدی می گردد.

هدف از انجام این تحقیق بررسی رفتار سازه ها تحت اثر وقوع خرابی های پیش رونده است. این حالت خرابی درسازه ها، به دلیل اعمال بارهای فوق العاده به سازه ناشی از عواملی چون انفجار گاز در آشپزخانه، حملات تروریستی، برخورد خودرو با ساختمان و سایر بارهای فوق العاده تصادفی ایجاد می شود که در اثر این بارها تعدادی از اعضای سازه دچار شکست شده و شکست و انهدام این اعضا، خرابی ها و شکست های زنجیره ای را در سایر اعضای ساختمان به وجود می آورد، که نهاتاًی می تواند منجر به خرابی بخشی یا فروریزی کل یک ساختمان شود.

.1 مقدمه

توجه به مسئله خرابی های پیش رونده در سازه ها، از سال 1968 میلادی و حالت خرابی مشاهده شده در ساختمان Ronan Point واقع در شهر لندن آغاز شد. این ساختمان یک برج 22 طبفه بود که در اثر وقوع انفجار گاز در آن، برخی از دیوارهای باربر آن تخریب شده که این تخریب سبب فروپاشی کلی بخشی از ساختمان گردید. نکته جال توجه در این شکست این می باشد که انفجار در طبقه 18 این ساختمان رخ داده و سبب خرابی دیوار باربر همان طبقه شده که تنها بار 4طبقه فوقانی خود را تحمل می کرد، ولی این خرابی به کل طبقات ساختمان گسترش یافت که ضعیف بودن اتصالات دیوارهای باربر به سیستم دال کف ساختمان، دلیل اصلی این رویداد بود.

- شکل. - Agnew E , 2006 - - 1 پس از حمله تروریستی به ساختمان فدرال در شهر اکلاهامای آمریکا در سال 1995، که در آن در اثر وقوع انفجار ناشی از بمب بخش وسیعی از ساختمان فروریخت و خسارات جانی فراوانی به جا گذاشت - شکل - 1، تحقیقات زیادی برای درک خرابی پیش رونده انجام شد - . - American Society of Civil Engineers, 2005 این روند تحقیقاتی با حملات تروریستی که امروزه در سراسر جهان شاهد آن هستیم، سرعت گرفته است تا منجر به طراحی سازه هایی گردد که از ایمنی کافی برای ساکنان خود برخوردارند. همانطور که در ASCE تعریف شده است، خرابی پیش رونده عبارت است از گسترش خرابی های موضعی ناشی از وقوع یک حادثه اولیه و گسترش این خرابی ها به تک تک اعضای سازه ای دیگر ساختمان، بطوریکه نهاتاًی کل سازه و یا بخشی از آن دچار فروریزی گردد .

American Society of Civil Engineers, 2005 - اداره خدمات عمومی آمریکا، خرابی پیش رونده را بدین صورت تعریف کرده است: وضعیتی که در آن وقوع شکست موضعی در یک عضو سازه منجر به فروریزی اعضای مجاور آن عضو شده و این شکست می دهد: "یک سلسه شکست های زنجیره ای به وجود آمده از یک شکست ابتدایی موضعی در ساختمان" . - UFC,2009 - با توجه به این تعاریف وقوع نوعی از خرابی در یک ساختمان که قابلیت گسترش به بخش های بزرگتری از آن ساختمان را دارد و در نتیجه با شکست و فروپاشی آن قسمتها، خسارات جانی و مالی بیشتری برجا می ماند، امری نامطلوب است - Kozlova P,2013 - ، و بنابراین وزرات دفاع و اداره خدمات عمومی آمریکا و اتحادیه اروپا، آیین نامه ها و دستورالعمل هایی را در این زمینه منتشر کرده اند

- . - Li Y, Lu X, Guan H, Ye L,2011 براین اساس دو روش برای طراحی ساختمانهای جدید و ساختمان های موجود دربرابر خرابی پیش رونده توصیه می شود. علاوه براین وزارت دفاع آمریکا، ساختمان ها را برمبنای اهمیتشان از لحاظ محافظت کردن در مقابل این نوع خرابی به چهار گروه طبقه بندی می کند : - HLOP - سطح بالایی از حفاظت، - MLOP - سطح متوسط حفاظت، - LLOP - سطح پایین حفاظت و - VLOP - سطح بسیار پایین حفاظت.

براساس این طبقه بندی در ساختمانهایی که در سطوح بالا و متوسط حفاظتی قرار می گیرند، پیشنهاد شده که تحت این بارهای فوق العاده دوباره تحلیل شده و در ساختمان هایی با سطوح پایین و بسیار پایین حفاظتی فقط اطمینان از مسیر انتقال بار ایمن در سازه ها پیشنهاد شده است Wang H, Su - - Y,2011 برای تجزیه و تحلیل سازه تحت بارگذاری های وارده، چهار روش تحلیل پذیرفته شده است که عبارتند از : تحلیل استاتیکی خطی، تحلیل استاتیکی غیرخطی، تحلیل دینامیکی خطی و غیرخطی. در روش تحلیل استاتیکی خطی بارهای ضریب دار موثر به یکباره بر سازه آسیب دیده وارد می شود. پاسخ سازه پس از حذف بخشی از قسمت های سازه، دینامیکی و غیرخطی است. بنابراین اثر دینامیکی به صورت غیرمستقیم با درنظرگرفتن ضریب تشدید ثابت، در محاسبات این روش تحلیل لحاظ می گردد.

پس از انجام تحلیل استاتیکی نسبت DCR - نسبت تقاضا به ظرفیت - را می توان با تعیین نمودن ناحیه آسیب محاسبه کرد. در حالتی که اعضای سازه ای و اتصالات مقدار DCR کمتر از 2 داشته باشند که به بدین معنی است در سازه ترکها و خسارات متعدد ایجاد شده، روش تحلیل استاتیکی مناسب نمی باشد - . - Urbanised ,2010 از این روش می توان در تحلیل سازه هایی با حداکثر 10 طبقه استفاده کرد. محاسبات روش تحلیل استاتیکی غیرخطی برای رفتار مصالح و هندسه غیرخطی، بک روش گام به گام تکراری بوده و بنابراین روشی زمان بر است.

در این روش تحلیل برمبنای روند افزایشی بارگذاری ضریب دار از مقدار صفر تا مقدار نهایی اش، به صورت تکراری انجام می شود - . - US Department of Commerce2007, NIST, Gaithersburg, MD Fu F,2012, 2006 - Fu - ، رفتار سازه های قابی فولادی را تحت سناریوهای مختلف حذف ستون مطالعه کرده و مشاهده نمود که استفاده از فولاد رده های پایین در ساخت سازه ها، سبب شده تا سازه دارای حداکثر انحراف قائم دینامیکی بوده و در مقابل استفاده از فولادهای رده بالا، به ایجاد ممان خمشی و نیروی محوری بزرگتر در اعضای سازه منجر می شود.

Tsai و - Tsai MH, Huang TC,2011 - Huang، تحلیل های خطی و غیرخطی قاب بتنی را بررسی کرده و مشاهده نمودند که دیوار خارجی ایده بهتری در مقابل دیوارهای پانلی با میزان بازشوی 60 درصد می باشد. ال تاویل و همکاران در سال 2007 در مطالعه ای با استفاده از یک مدل ماکرو به برررسی رفتار اتصال در یک جزء قاب شامل دو تیر و سه ستون از یک قاب خمشی فولادی پرداختند و نشان دادند که مدل سازی ماکرو روش بسیلر مناسبی به منظور مدل سازی دقیق پدیده خرابی پیش رونده در یک جزء قاب می باشد - . - Sherif El-Tawil,2007 وی ژیان یی و همکاران در سال 2011 در مطالعه ای یک قاب دو بعدی بتن مسلح با چهار دهانه و سه طبقه را مورد آزمایش قرار دادند.

طی این آزمایش ستون میانی طبقه پایینی حذف شد. به منظور شبیه سازی بارثقلی ناشی از طبقات بالایی یک بار ثابت قائم بر روی ستون میانی حذف شده اعمال گردید. در این آزمایش مشاهده شدکه شکست قاب در اثر شکست در میلگردهای کششی رخ می دهد. همچنین در طول آزمایش قاب سه فاز را تجربه می کند الف - الاستیک، ب - پلاستیک و ج - فاز زنجیری - Wei-Jian Yi, Quing-Feng He, Yan Xiao.,2011 - گوآ و همکاران در مطالعات خود مشاهده کردند اثر مفاصل پلاستیک و رفتار زنجیره ای، نقش مهمی در تحمل بار داشته اند به جای اینکه در مقابل خرابی پیش رونده مقاومت کنند. آنها مشاهده کردند که سازه قبل از اینکه به مرحله عملکرد زنجیره ای برسد، تحت تاثیر کمی از سختی گیرداری افقی قرار دارد - . - Guo L, Gao S, Fu F, Wang Y. 2013

-2 راهنما های طراحی و کیفیت تحقیق

تحت تاثیر رویدادهای حزن انگیز تحت اثر تخریب پیش رونده ، جامعه مهندسی شروع به تکمیل استانداردهایی جهت پیشگیری از تخریب پیش رونده نمود. اولین استاندارد های که ضوابط تخریب پیشرونده در آن گنجانده شده است، استانداردهای انگلیسی مخصوصا" BS 6399 می باشد. سپس آیین نامه های اروپا - Eurocodes - که شامل ضوابط طراحی ساختمان ها در مقابل شرایط بارگذاری تصادفی و شدید در آن گنجانده شد ، استاندارد ASCE7 - Society of Civil Engineers American - و نیز راهنماهای اداره کل خدمات عمومی ایالات متحده - GSA - می باشد.

استاندارد ASCE به بحث راهبردی کلی برای کاهش پتانسیل تخریب پیش رونده ، بدون فراهم کردن نیازمندی های ویژه می پردازد در حالی که راهنماهای GSA رهنمودهای طراحی متکی بر تکنیک های تحلیل خطی و غیره خطی فراهم می کند. آخرین آیین نامه ای که ضوابط طراحی برای پیش رونده را فراهم می کند آیین نامه UFC 4-023-03 دانشکده دفاع - DOD - ، جهت طراحی ساختمانها برای مقاومت در برابر تخریب پیش رونده می باشد.

UFC 4-023-03 رهنمودهای برای روش های طراحی مضاعف مانند؛ روش نیروی کلاف - قید - - tie force method - ، مقاومت موضعی ارتقا یافته - ELR - و روش متناوب - - alternate path method ارائه می کند. این آیین نامه همچنین یک سیستم طبقه بندی برای ساختمان ها پیشنهاد می کند که نوع روش طراحی مورد استفاده برای تخریب پیشرونده را تعیین می کند. با توسعه آیین نامه UFC 4-023-03 ، استاندارد GSA نیازمندی های اولیه خود را با روندهای این آیین نامه با تمرکز بر روش های تحلیل و طراحی مسیر متناوب alternate path analysis and design method جایگزین کرده است.

ظهور این موضوع همچنین در سالهای اخیر منجر به مطالعاتی شده است که به جنبه های مختلف تخریب پیشرونده نگاه می کنند. تحقیق اولیه در این زمینه ، یک تحقیق موردی بسیار ویژه بود زیرا بر عواملی مانند آتش سوزی و بارگذاری اثر ضربه یا انفجار که باعث آغاز تخریب پیش رونده می شوند ، تمرکز کرده بود. این تحقیق با مطالعات ویژه ساختمان مانند آسیب پذیری ساختمان سفارت ایالات متحده در روسیه ادامه می یابد.

- . - Starossek, 2009 این مطالعات روش های طراحی متفاوتی را بررسی می کند که به عنوان یک اقدام در مقابل تخریب پیش رونده پیشنهاد شده اند. اکثر انتشارات، روش مسیر متناوب را بکار گرفته و رفتار سازه را بعد از حذف یک ستون پیش بینی کرده اند - Kwasniewski , L, 1223-1235 - با استفاده از روش مسیر متناوب ، محققین کارایی روش های تحلیلی ای که در بخش های بعدی این سمینار بحث می شوند ، بحث کرده اند. این روش ها اساسا" بر استفاده از مدلسازی المان محدود دو بعدی یا سه بعدی برای پیش بینی پاسخ سازه ای ساختمان تمرکز کرده اند.