بخشی از مقاله
خلاصه
خرابی پیشرونده پدیده ایست که در آن، خرابی موضعی عضوی از سازه، به اعضای مجاور گسترش پیدا می کند و باعث خرابی کل یا سطح وسیعی از سازه می گردد که با خرابی موضعی اولیه قابل قیاس نمی باشد. برای جلوگیری از خرابی پیشرونده، سازه باید پیوستگی کافی را برای فراهم آوردن مسیر جایگزین و همچنین پایداری سازه، هنگامی که یک عضو از سیستم قائم باربر حذف می شود، داشته باشد. در این تحقیق به منظور بررسی گسیختگی پیشرونده ساختمان 20 و 26 طبقه فولادی با سیستم لولهای طراحی گردید. ساختمان مذکور ساختمانی با پلان مربعی با فاصله دهانه 3 متر میباشد.
ارتفاع طبقات یکسان و برابر 3,5 متر لحاظ گردیده است. ساختمان مورد مطالعه بر اساس مباحث ششم و دهم از مقررات ملی ساختمان ایران و با در نظر گرفتن ملاحظات استاندارد 2800 طراحی گردیده است. قابهای ساختمانی مورد نظر جهت بررسی نیروهای ایجاد شده در اعضای قاب و تغییر مکان گرهها به روش تحلیل تاریخچه زمانی در نرمافزار SAP2000 مدل گردیده است. سپس با توجه به بارهای وارده و مدل اعمال آنها به سازه و حذف ناگهانی عضو، پاسخ دینامیکی سیستم تعیین شده است.
نتایج حاصل از تحلیل نشان میدهد که تغییر مکان بدست آمده و همچنین معیارهای مقاومت طبق دستورالعمل GSA در محدوده مجاز بوده و سازه مورد نظر در برابر پدیده خرابی پیشرونده مقاومت کافی دارد. همچنین نتایج نشان میدهد که حذف تک ستون در یک سازه باعث میگردد بیشتر بارهای تحمل شده ناشی از ستون حذف شده به ستون های مجاور که از طریق تیر متصل شده اند وارد گردد.
-1 مقدمه
بر اساس آیین نامه [1] ASCE7 خرابی پیش رونده به صورت گسترش خرابی در یک سازه از یک المان به المان دیگر به طوری که در نهایت منجر به خرابی کل سازه و یا بخش عمده ای از آن می شود، تعریف می شود. عواملی که می توانند منجر به این نوع خرابی شوند، عبارتند از: ضربه اتومبیل، انفجار گاز، برخورد هواپیما، خطای ساخت، آتش سوزی، بارگذاری تصادفی بیش از اندازه روی اعضاء، انفجار و... اکثر این حوادث دارای مدت زمان تأثیر کوتاهی می باشند که در نتیجه منجر به پاسخ های دینامیکی می شوند.
در آیین نامه های سنتی طراحی سازه، بحث خرابی پیش رونده به صورت غیر مستقیم و با تعریف درجه اهمیت برای سازه ها درظرن گرفته می شد، اما اخیراً آیین نامه هایی برای بحث خرابی پیش رونده در سازه ها تدوین شده است. از معتبرترین و جدیدترین این آیین نامه ها می توان به آیین نامه [2] UFC 4-023-03 و [3] GSA2003 اشاره کرد. آیین نامه UFC اولین بار در سال 2005 تدوین شد و پس از آن در سال 2010 میلادی ویرایش شده است.
وجود دو عامل برای رخ دادن خرابی پیش رونده در یک سازه نیاز می باشد. اولین عامل یک بارگذاری غیر عادی که بتواند سبب خرابی اولیه در اعضای سازه ای گردد و دومین عامل عدم وجود پیوستگی، شکل پذیری و درجه نامعینی کافی در سازه که سبب پیشروی خرابی اولیه در اعضای سازه ای گردد به منظور کنترل پدیده خرابی پیش رونده در سازه ها باید یکی از دو عامل فوق کنترل شوند. یعنی یا باید اعضای سازه ای به گونه ای طراحی گردند که در برابر بارگذاری های غیر عادی خراب نشوند و یا سازه به گونه ای طراحی گردد که در صورت خرابی یکی از المان های باربر ثقلی اش، خرابی ها گسترش پیدا نکنند که این امر نیازمند وجود پیوستگی، شکل پذیری و درجه نامعینی کافی در سازه می باشد.
خرابی پیش رونده در کتابی که توسط موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی آمریکا [4] تدوین شده است به صورت زیر تعریف می گردد: خرابی پیش رونده اشاره به زنجیره ای از خرابی ها در یک سازه دارد که در اثر خرابی اولیه در سازه پدید آمده اند به طوری که این خرابی پدید آمده در سازه با خرابی اولیه نامتناسب می باشد. آیین نامه UFC ملزومات طراحی برای ساختمان های موجود و ساختمان های جدید را طوری تعیین می کند تا پتانسیل خرابی پیش رونده در آنها به حداقل برسد و این سازه ها در مقابل حوادث غیرقابل پیش بینی معمول، دچار آسیب سازه ای جزئی و محدود شوند.
در بررسی پدیده خرابی پیش رونده باید ابتدا عامل بارگذاری غیرعادی و خرابی های جزئی ناشی از آن بررسی گردد و پس از آن با توجه به خرابی های پدید آمده، برخی از توانایی ها سازه از جمله پیوستگی، شکل پذیری و درجه نامعینی سازه برای جلوگیری از گسترش خرابی، مورد بررسی قرار گیرد. پدیده خرابی پیش رونده در اکثر نقاط جهان یک پدیده نادر می باشد، با این وجود در صورتی که این پدیده رخ دهد، می تواند نتایج بسیار ناگواری از خود بجای بگذارد. با توجه به افزایش حملات تروریستی به ساختمان های مهم در سال هالی اخیر، مطالعه و بررسی دقیق تر این بحث ضروری به نظر می رسد.
به طور مثال در 15 آوریل سال 1995، در بمب گذاری در ساختمان آلفردمورا در شهر اوکلاهما، 168 نفر بر اثر خرابی بخشی از سازه و نه در اثر اثرات مستقیم انفجار، جان خود را از دست دادند و بیش از 800 نفر زخمی شدند. ضلع شمالی این ساختمان 9 طبقه بتن مسلح، در اثر انفجار بمب معادل 4000 پوندTNT، نتوانست باز پخش عمودی بار را تحمل کند و سرانجام باعث رخ دادن این فروپاشی شد.
ساختمان آپارتمان رونن پوینت واقع در لندن انگلیس می باشد. ساختمان مذکور یک ساختمان 22 طبقه ساخته شده از پانل های ساختمان در طبقه 18 رخ داد. این انفجار دیوار باربر جلویی و دیوار با برکناری را منفجر کرد و بنابراین تکیه گاه طبقات بالا را از بین برد. عدم پیوستگی بین اجزاء سازه ای و نبود مسیر فرعی حمل بار منجر به گسیختگی همه طبقات بالا و پایین گردید. این یک نمونه از خرابی پیش رونده است که از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی کل سازه گردید.
در سپتامبر 2001، برخورد دو هواپیما به مراکز تجارت جهانی باعث خرابی آنها و همچنین خرابی جزئی و کلی 10 ساختمان مجاور آنها شد که ضعف سازه ها را در آن هنگام با بارگذاری غیر عادی و پیش بینی نشده نشان می دهد. یکی از اولین تحقیقاتی که در زمینه خرابی پیش رونده انجام شد توسط ویلیامسون و کاواکوچی [5] در سال 2003 میلادی بود. آن ها با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی در بحث خرابی پیش رونده پرداختند و به این نتیجه رسید که در تحلیل استاتیکی چون اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون دیده نمی شود، جواب ها دست پایین می باشند.
البته باید به این نکته توجه داشت که در زمان انجام تحقیقات آنها هنوز آیین نامه ای در زمینه خرابی پیش رونده تدوین نشده بود چرا که در آیین نامه های خرابی پیش رونده که پس از آن تدوین شدند، در تحلیلهای استاتیکی برای لحاظ کردن تقریبی اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون از ضرایب افزایش بار استفاده شد. پاول [6] در سال 2005 میلادی با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه تحلیل های استاتیکی و دینامیکی پرداخت و به این نتیجه رسید که ضریب افزاینده بار 2 در تحلیل های استاتیکی، منجر به نتایج محافظهکارانه میشود و بهتر است که برای تحلیل خرابی پیش رونده از تحلیل دینامیکی غیر خطی استفاده گردد.
روت و همکارانش [7] در سال 2006 با ادامه کار پاول به این نتیجه رسیدند که استفاده از ضریب افزایش بار 1/5 بجای 2 به خصوص در سازه های قاب خمشی منجر به جواب های دقیق تری می شود. تسای و لین در سال [8] 2008 با بررسی تحلیل های استاتیکی و دینامیکی غیرخطی بر روی یک سازه بتنی قاب خمشی به این نتیجه رسیدند که در صورتی که برای تحلیل های استاتیکی غیر خطی از ضریب افزایش بار 2 استفاده گردد، نتایج در مقایسه با نتایج تحلیل دینامیکی غیر خطی بسیار محافظه کارانه می شود.
آقایان جینکو کیم و تائیوان کیم [9] در سال 2008 به ارزیابی پتانسیل خرابی پیش رونده خمشی فولادی که بر اساس آیین نامه طراحی سازه های فولادی کره و به روش LRFD طراحی شده بود، پرداختند. در این مطالعه علاوه بر مقایسه نتایج تحلیل خطی و غیر خطی اثر پارامترهایی مانند محل حذف ستون و تعداد طبقات نیز بررسی شد. مدل های مورد بررسی در این مطالعه قاب های سه، شش و پانزده طبقه بودند و لازم به ذکر است که تمامی مدل های به صورت دو بعدی مورد بررسی قرار گرفتند.
مدل های مورد بررسی در شکل - 4-2 - نشان داده شده اند. آنها در تحقیق خود برای بررسی پدیده پیش رونده از روش مسیرهای جایگزین استفاده کردند. در این روش سازه طوری طراحی می گردد که اگر یک عضو از سازه خراب گردد، مسیرهای دیگر برای انتقال بار وجود دارند که به واسطه آنها خرابی در کل سازه رخ نخواهد داد. برای بررسی پدیده خرابی پیش رونده از معیارهای دو آیین نامه GSA2003 و UFC2005 استفاده شده است و در نهایت نتایج با یکدیگر مقایسه شده اند.
پس از تحلیل مشاهده شد که قاب های که تنها برای بارهای ثقلی و جانبی طراحی می شوند، لزوماً در مقابل پدیده خرابی پیش رونده مقاوم نیستند. همچنین مشاهده شد که پتانسیل خرابی پیش رونده هنگامی که ستونهای گوشه سازه حذف شوند، افزایش می یابد. از طرف دیگر مشاهده شد که با افزایش تعداد طبقات پتانسیل خرابی پیش رونده در سازه کاهش می یابد. لازم به ذکر است که در این تحقیق کلیه اتصالات به صورت کاملاً صلب در نظر گرفته شد.
جاهوکو دونگ کوک در سال [10] 2009 دو سازه را که در اثر خرابی پیش رونده دچار واژگونی شده بودند را بررسی نظری کردند و نتایج خود را با نتایج واقعی مقایسه کردند و به این نتیجه رسیدند که نتایجشان تا حد زیادی با واقعیت هماهنگی داشت. اولین سازه مورد بررسی مربوط به ساختمان خط راه آهن در کره بود که علت خرابی اولیه آن بار برف بود و دومین سازه نیز مربوط به ساختمان رونان پوینت واقع در لندن انگلیس می باشد. انفجار گاز در نزدیکی یکی از گوشه های ساختمان گزارش شد. ایشان پس از مقایسه نتایج واقعی و نتایج نظری که تا حد زیادی با هم انطباق داشت، راهکارهایی برای جلوگیری از خرابی پیش رونده در آن سازه ها پیشنهاد دادند.
در سال 2010 آقای مین لیو [11] به طراحی بهینه سازی شده یک قاب خمشی فولادی پرداخت به طوری که این قاب علاوه بر نیروهای جانبی در برابر خرابی پیش رونده نیز مقاوم سازی شده بود. ایشان در تحقیق خود پتانسیل خرابی پیش رونده را توسط روش مسیرهای جایگزین و معیارهای آیین نامه UFC تعیین کردند و در تحلیل قاب از سه روش تحلیل استاتیکی خطی، استاتیکی غیر خطی استفاده شد. طراحی بهینه نیز بر اساس به حداقل رساندن وزن فولاد مصرفی انجام شد. در این تحقیق مشاهده شد که طراحی بهینه بر اساس روش سنتی به حداقل رساندن وزن فولاد، که بحث خرابی پیش رونده را در نظر نمی گیرد، نمی تواند معیارهای آیین نامه UFC را برای بحث خرابی پیش رونده تأمین کند.
