بخشی از مقاله
چکیده:
خرابی پیش رونده عبارت است از انتشار اسیب اولیه ناشی از یک واقعه اغازگر از یک جز به اجزای دیگر که عموما در بخش نسبتا کوچکی از سازه اتفاق می افتد. با وجود اینکه احتمال وقوع این پدیده زیاد نمی باشد اما در مواقع رخداد انهدام پیش رونده خسارات مالی، جانی و امنیتی جدی وارد می شود که این باعث اهمیت بیشتر پیشگیری از وقوع حوادثی از این قبیل خواهد گردید . در این مقاله یک ساختمان بتن آرمه قاب خمشی مطابق آئین نامه های مقررات ملی ایران طراحی و سپس همان سازه در برابرخرابی پیش رونده طراحی می شود .
روش های تحلیلی ایین نامه ای بر اساس حذف عضو باربر از سازه استوار هستند لذا اثر انهدام ستون های کناری، گوشه و میانی در طبقه اول بررسی شده است. سپس خرابی پیش رونده سازه مورد مطالعه در شرایط بحرانی ارزیابی می شود و در نهایت عملکرد و اقتصادی بودن طرح بررسی شده تا بتوان این نیاز را پوشش داد.
پس از ارزیابی نتایج دریافتیم که کاربری سازه در حساسیت آن در خرابی پیش رونده نقش مهمی ایفا می کند و در مدل بررسی شده اگر چه معیار های پذیرش انالیز دینامیکی غیر خطی تایید شده است ولی تیرهای قاب های غیرکناری نقطه اتصال به ستون دوم از ابتدا و انتهای قاب و تکیه گاه های کناری سازه با توجه به نتایج آنالیز استاتیکی غیر خطی نیاز به اصلاح و تقویت را نشان می دهند . با استناد به نزدیک بودن برآورد تغییر شکل سازه و لنگر های تیرها در آنالیز استاتیکی خطی و غیر خطی با آنالیز دینامیکی غیر خطی، اندازه های برش های به دست امده در تیر ها از تحلیل دینامیکی غیر خطی بسیار کمتر از سایر تحلیل ها می باشد .
-1 مقدمه:
عموما وقتی در اثر انفجار یا حوادث پیش بینی نشده تصادفی، یکی از اعضای باربر اصلی ساختمان مانند ستون یا دیوار باربر آن که جزو اعضای کلیدی ساختمان تلقی می شوند تخریب می گردد، این تخریب تمام اعضای سازه ای را که به نوعی به آن عضو کلیدی متکی بودند، متاثر می سازد، برای مثال با انهدام ستون، سقف طبقه فوقانی که عضو کلیدی ستون در نقش تکیه گاه آن بود نیز تخریب می شود، این تخریب به نوبه خود منجر به آسیب به سایر قسمت های سازه می گردد و این توالی ممکن است آنقدر ادامه پیدا کند که منجر به تخریب کل سازه یا بخش زیادی ار آن گردد.
در صورتی که المان های مجاور ظرفیت این بازتوزیع بار را داشته باشد، خرابی اولیه گسترش پیدا نمی کند اما در صورت گسیختگی المان های مجاور، دوباره، بار این اعضا به همراه بار ناشی از خرابی اولیه به تیرها و ستون های دورتر منتقل می شود و در این مرحله اعضای دورتر در معرض بازتوزیع مجدد بار و ممان قرار می گیرند که در صورت عدم مقاومت کافی، خرابی گسترده تری به وقوعمی پیوندد و خرابی اولیه به خرابی پیش رونده تبدیل می شود.
انهدام پیش رونده به لحاظ فیزیکی کاملا فهمیده شده است. با این حال، تمثال ریاضیاتی آن هنوز نیازمند روشنگری، توضیحات و بهبود است. در این مقاله، ما تلاش می کنیم از طریق ساده سازی و با انجام چهار تحلیل متفاوت پدیده انهدام پیش رونده را به لحاظ مفهومی توضیح دهیم : استاتیکی خطی، استاتیکی غیرخطی، دینامیکی خطی و دینامیکی غیرخطی. این کار از تحلیل یک ساختمان قاب خمشی بتن آرمه پنج طبقه با از دست دادن یک ستون از طبقه اول انجام می شود. تحلیل با استفاده از نرم افزار تجاری SAP2000 انجام می شود هرچند که روندهای مشخص شده در این مقاله می توانند با هر نرم افزار کامپیوتری المان محدود که توانایی تحلیل دینامیکی غیرخطی را دارد، دنبال شود.
تحلیل انهدام پیش رونده با حذف ناگهانی یک یا چند عضو از المان های باربر و تحلیل توانایی باقی مانده سازه جهت جذب آسیب انجام می شود. این موضوع نیازمند آن است که برنامه کامپیوتری توانایی انجام چنین تحلیل هایی را داشته باشند. حال آنکه نرم افزارهایی با چنین قابلیتی بسیار گران قیمت هستند. به عنوان جایگزین، مرجانیش ویلی و بوسمی1 در سال 2005 نشان دادند که می توان تحلیل انهدام پیش رونده را با شرایط اولیه توسط نرم افزار های کامپیوتری انجام می شود.
موضوع کلیدی در انهدام پیش رونده فهم آن است که این واقعه دینامیکی می باشد و حرکت، با آزاد کردن انرژی داخلی در اثر از دست دادن لحظه ای عضو سازه ای، شروع می شود. این از دست دادن عضو تعادل اولیه بارهای خارجی و نیروهای داخلی را از بین می برد و سازه سپس دچار ارتعاش می شود تا زمانی که جایگاه تعادل جدیدی پیدا شود یا تا زمانی که سازه منهدم شود.
با وجود اینکه چهار روش تحلیل ارائه شده در این مطالعه می توانند مستقلا به کار برده شوند، با توجه به اینکه مکمل یکدیگر هستند توصیه می شود روش ترکیبی تحلیل انهدام پیش رونده استفاده شود. برای این کار ابتدا از متد ساده تر استاتیکی شروع می کنیم و پس از آن پیچیدگی در روش تحلیل به مقدار مورد نیاز افزایش می یابد تا جایی که احتمال انهدام پیش رونده پایین تعیین شود و یا همه روش های مهندسی موجود مستهلک شوند.
-2 هدف:
هدف اصلی این مقاله فراهم کردن روند گام به گام برای چهار روش به ترتیب پیچیدگی جهت تحلیل انهدام پیش رونده با استفاده از نرم افزار تحلیل سازه تجاری SAP2000 می باشد. هدف ما این است که توضیحات گام ها آنقدر روشن باشد که به راحتی فهمیده شوند و مهندسان مجری از آن استفاده کنند و در نهایت مقایسه ای بین روش های تحلیل انهدام پیش رونده و تفاوت تحلیل با پیروی از الزامات آئین نامه های متفاوت می باشد. رویکرد به شرح زیر است :
.1 تحلیل و طراحی ساختمان های نمونه با استفاده از آئین نامه های طراحی ایران
.2 تحلیل ساختمان نمونه با استفاده از آئین نامه های انهدام پیش رونده داخلی و خارجی با چهار روش تحلیل متفاوت :
استاتیکی خطی، استاتیکی عیرخطی، دینامیکی خطی، دینامیکی غیرخطی.
.3 مشخص کردن مزایا و معایب و محدودیت های هر یک از چهار روند بر اساس تحلیل نمونه
.4 مشخص کردن نقاط ضعف سازه های نمونه با استفاده از هر یک از آئین نامه ها و تقویت سازه برای مقابله با انهدام پیش رونده
.5 مشخص کردن روش تحلیل منتج به محافظه کارانه ترین پاسخ می شود.
.6 نتیجه گیری و توصیه هایی برای روش تحلیل ارجح بر اساس دقت و سادگی عملکرد
-3 ساخت هندسه و سناریوی حذف :
ساختمان های مورد بررسی دو سازه موجود از نوع قاب خمشی معمولی با اسکلت بتنی 5 طبقه هستند که پلان آن ها در شکل 1 مشاهده می شود. ارتفاع طبقه اول 4/45 متر، ارتفاع بام 2/8 متر و ارتفاع سایر طبقات سازه برابر 3/6 متر است. ابعاد دهانه ها 3 ، 5 و 6 متر و سقف از نوع دال یک طرفه لحاظ می گردد.
شکل .1 پلان سازه های مورد بررسی
در ساختمان های مورد مطالعه، بتن مصرفی دارای مقاومت فشاری بتن ’ =250kg/cm2 و کلیه آرماتورهای به کار رفته در سازه از نوع A3 با مقاومت جاری شدن =4000kg/cm2 و مقاومت گسیختگی =6000kg/cm2 هستند. پارامتر مدول الاستیسیته بتن و فولاد نیز به ترتیب برابر با =2.37×105kg/cm2 و =2.039×106kg/cm2 انتخاب شده است.
برای تحلیل انهدام پیش رونده، آئین نامه های [1] UFC و [2] GSA چندین سناریوی حذف الزام می دارند. با این حال، تنها حذف یک المان در هر بار الزامی است. بنابراین هر یک از ستون ها را به ترتیب حذف و نتایج بررسی می شوند. تحلیل مستقل از تهدید انجام می شود و به این معنا است که علت شکست المان در نظر گرفته نشده است. تنها عامل مرتبط این است که المان ناگهان قابلیت تحمل بار را از دست می دهد. در ارتباط با یکی از سناریوهای لازم جهت حذف عضو باربر در ساختمان A، حذف ستون را در مرکز نمای جلو مطابق شکل 2 در نظر گرفته شده است.
شکل .2 تغییر شکل سازه پس از حذف ستون C1 در طبقه اول از ساختمان A
