بخشی از مقاله
بررسی آسیب پذیری ساختمان های فولادی در برابر خرابی پیشرونده بر اساس آیین نامه GSA
چکیده
در این مطالعه اصول اساسی مربوط به حداقل رساندن پتانسیل وقوع خرابـی پیشـرونده در طراحـی سـاختمان های فولادی مطابق آیین نامه GSA مورد بررسی قرار گرفته است. هدف اصلی این آیین نامه، ارزیابی پتانسیل وقوع خرابی پیشرونده و کاهش وقوع آن در سازه هایی است که در معرض بارهای غیرعادی می باشند و بـدین منظور سه روش مختلف برای تحلیل خرابی پیشرونده در آن معرفی شده است. علاوه بـر ایـن جزئیـاتی نظیـر ضوابط بارگذاری و معیارهای پذیرش آیین نامه GSA نیز در این مطالعه مورد بررسی قرار گرفته اسـت. بـرای جلوگیری از خرابی پیشرونده، در طراحی لرزه ای ساختمان ها بایستی مقادیر کافی از پیوستگی و شکل پذیری برای ساختمان ها فراهم شود تا بدین ترتیب مسیرهای باربری جایگزین بتوانند فقدان عضو یـا اعضـای حـذف شده را جبران کنند. همچنین این مقاله نتایج حاصل از تعدادی از مطالعاتی را که در آن ها، تحلیـل و ارزیـابی پتانسیل وقوع خرابی پیشرونده در سازه های فولادی، مطابق آیین نامه GSA صورت گرفته اسـت را معرفـی و مورد بررسی قرار می دهد.
واژههای کلیدی: خرابی پیشرونده، آیین نامه GSA، بارهای غیرعادی، روش مسیر جایگزین
-1 مقدمه
امروزه جلوگیری از گسیختگی پیشرونده در سازه ها به یک ضرورت بلامنازع در مهندسی سازه تبدیل شده و بسیاری از کشورها با انجام تحقیقات متعدد، انتشار ضوابط و دستورالعمل های لازم و صرف هزینه های فراوان سعی در جلوگیری از این پدیده، با هدف کاهش خسارت های جانی و مالی دارند.
خرابی پیشرونده حالتی از خرابی می باشد که در آن خرابی موضعی عضو سازه ای اصلی موجب خرابی اعضای مجاور یکی پس از دیگری شده و در نهایت منجر به خرابی کلی می گردد. بنابراین می توان به این نتیجه دست یافت که خرابی کلی نسبت به خرابی موضعی اولیه نامتناسب است .[1] می توان گفت که تاریخچه مساله گسیختگی پیشرونده به عنوان یک معضل مهندسی ریشه در تخریب ساختمان رونان پوینت در سال 1968 درشرق شهر لندن، دارد. رونان پوینت یک ساختمان جدید 22 طبقه بود که از پنل های باربر پیش ساخته ای که توسط پیچ به یکدیگر متصل می شدند، تشکیل می شد. کمی پس از اسکان ساکنین در ساختمان، در اثر انفجار گاز طبیعی در طبقه 18 تنها یکی از پانل های دیوار باربر در آن طبقه تخریب گردید. این تخریب منجر به از دست رفتن تکیه گاه سقف بالایآن و متعاقباً باعث ریزش سقف های فوقانی برروی کف طبقات تحتانی در قالب یک تخریب پیشرونده گردید و تا تراز پایین ساختمان ادامه یافت. این واقعه منجر به ایجاد تغییرات مهمی در قوانین ساختمانی انگلستان گردید. پس از آن واقعه طبق مقررات ساختمانی انگلستان، اعضای سازه ای می بایست به حد کافی به یکدیگر کلاف می شدند و اعضایی که در پایداری سازه نقش بحرانی داشتند می بایست برای مقاومت در برابر فشار مضاعف انفجار ناشی از احتراق گاز طبیعی طراحی می گردیدند. این فشار معادل 34 کیلونیوتن بر متر مربع و به صورت استاتیکی فرض می شد. در شکل (1) ساختمان رونان پوینت پس از تخریب نشان داده شده است. بنابراین کشور انگلستان اولین کشوری بود که ضوابط و مقررات در زمینه جلوگیری از خرابی پیشرونده در طراحی های سازه ای به کار برد .[2]
-2 انواع روش های مورد استفاده در طراحی سازه ها در برابر خرابی پیشرونده
استاندارد های انگلیس برای جلوگیری از خرابی پیشرونده از سه روش Tie Force، Alternate Load Path یا مسیر بارجایگزین و روش مقاوم سازی محلی ویژه استفاده می کنند .[3]
-1-2 روش Tie Force
مقاومت کششی که برای انتقال بار از ناحیه آسیب دیده سازه به دیگر قسمت های آسیب ندیده سازه استفاده می شود Tie Force نامیده می شود شود و می تواند با استفاده از المان های سازه ای موجود که با روشهای طراحی معمول و برای تحمل بارهای متعارف طراحی شده اند ایجاد شود Tie Force .روشی است که پیوستگی ، شکل پذیری و قید های اضافی ساختمان را بوسیله کلاف ها (کش ها) افزایش میدهد و در صورت ورود یک بارگذاری غیر عادی کل ساختمان با هم عمل میکند و به شکل اتوماتیک با هم کش می آید و مسیرهای فرعی دیگری برای توزیع بار ایجاد می شود. این روش ساده بوده و در آن طراحی و مدل سازی پیچیده ای مورد نیاز نیست. در عین حال بر مبنای قواعد استاتیکی از قبیل تعادل و سازگاری تغییر شکل ها است که در سازه آسیب دیده بکار می رود. برای تامین نیازمندی های این روش می توان از سیستم کف و یا اعضای افقی سازه استفاده کرد.
-2-2 روش Alternate Load Path
در روش مسیر جایگزین از ابتدا، مسیرهای جدید برای انتقال بار تعیین می شود و برخلاف روش مقاوم سازی محلی ویژه، امکان وقوع خرابی محلی در سازه ها داده می شود، ولی مسیرهای جایگزین بار، طوری فراهم می شوند که صدمه اولیه جذب و از پیشرفت آن جلوگیری شود. در این روش، سازه به گونه ای طراحی می شود که بتواند خرابی موضعی پیش آمده را جذب کرده و مسیر جدیدی برای انتقال بارها بوجود آورد. در این روش، تنها حذف یک المان اصلی و بحرانی مورد بررسی قرار می گیرد و سازه برای تعیین اثر حذف این المان، آنالیز می شود. وقتی یک المان سازه ای برداشته می شود، 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.
-3-2 روش مقاوم سازی محلی ویژه
در روش مقاوم سازی محلی ویژه، مقاومت کافی برای ایستادگی در برابر حوادث در المان های بحرانی فراهم می شود. به عبارت دیگر، بعد از مشخص کردن المان های بحرانی، آن ها باید به گونه ای طراحی شوند که سازه بتواند به طور کامل در برابر حوادث غیر عادی، مقاومت کند. در روش مقاوم سازی ویژه، المان های بحرانی در مقابل بارهای غیرعادی به صورت مقاوم طراحی می شوند. این المان ها باید مقاومت و سختی کافی برای ایستادگی در برابر بارهای غیرعادی را داشته باشند.
در حادثه دیگری در سال 1995 بر اثر انفجار یک بمب قوی در داخل ماشینی نزدیک به ساختمان فدرال آلفرد مورا تقریبا نصف ساختمان در اثر گسیختگی پیشرونده فرو ریخت. در این حادثه، انفجار بمب ابتدا باعث تخریب تعدادی از ستون های خارجی و دیوارهای خارجی ساختمان شد که در نتیجه آن و با یک مکانیسم خرابی پیش رونده کف طبقات روی یکدیگر آوار شدند و در نهایت منجر به تخریب نیمی از طبقات ساختمان گردید. همانند حادثه ساختمان رونان پوینت، در این حادثه هم عامل شروع گسیختگی، انفجار بود. این حادثه از این جهت اهمیت داشت که تخریب اولیه ناشی از بار انفجار قابل ملاحظه نبوده و در حد تخریب چند ستون محدود بود. ولی تخریب عمده سازه نه به دلیل انفجار، بلکه به دلیل بیش بارگذاری اعضا پس از انفجار بوده است. به عبارتی پس از تخریب ناشی از انفجار، سازه در حالت پایداری قرار نداشته است و به سرعت فرو ریخته است .[4]
پس از این حادثه فعالیت های تحقیقاتی مفصلی در این زمینه صورت گرفت و قوانین موجود در طراحی اصولی و دقیق، بازنگری شد و به ویژه در آمریکا دستورالعمل های متنوع و جدیدی برای کاهش اثر خرابی پیشرونده تدوین گردید. اگرچه سرخط هایی کلی برای کاهش خرابی پیشرونده در آیین نامه های ساختمانی و استاندارد های کلی و استاندارد های خصوصی طراحی در آمریکا وجود دارد. ولیکن در این خصوص در آمریکا دو آیین نامه دولتی مختص این بحث وجود دارد. اولین آنها GSA می باشد که برای ساختمان های فدرال شکل گرفته است و بعدی UFC که برای ساختمان های نظامی تهیه شده و در قسمت دفاعی ارتش آمریکا بکار می رود و به همین جهت گاهی این آیین نامه به نام DoD نیز شناخته می شود. فلسفه فعلی اکثر آیین نامه های موجود ساختمانی، طراحی سازه ها برای بارهای قابل قبولیست که ممکن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازه ها را معمولاً برای حوادث غیر طبیعی که می توانند موجب خرابی های فراگیر شوند طراحی نمی کنند. اکثر آیین نامه های رایج فقط دارای توصیه های کلی برای تعدیل تأثیرگسیختگی پیشرونده در سازه هایی هستند که فراتر از بارهای طراحی شان بارگذاری می شوند .[6] استاندارد ASCE یا انجمن مهندسین عمران آمریکا [7]، نیز استاندارد رایجی است که به مسئله گسیختگی پیشرونده در جزئیات می پردازد. این استاندارد بر نیاز به محافظت از سازه در برابر شدیدترین حوادثی تأکید می کند که می توانند منتج به گسیختگی پیشرونده شوند. در این تحقیق اصول اساسی مربوط به حداقل رساندن پتانسیل وقوع خرابی پیشرونده در طراحی ساختمان های فولادی مطابق آیین نامه GSA مورد بررسی قرار گرفته است.
-3 تحلیل خرابی پیشرونده از دیدگاه آیین نامه GSA
-1-3 دیدگاه کلی
هدف کلی دستورالعمل ها و مقررات وضع شده در این آیین نامه، کاهش و یا جلوگیری از خرابی پیشرونده در ساختمان های موجود و نیز ساختمان های در حال ساخت می باشد. از دیدگاه GSA احتمال وقوع خرابی پیشرونده در یک سازه فولادی که دارای درجه نامعینی کافی (redundancy) بوده و از شکل پذیری (ductility) و پیوستگی (continuity) مناسبی نیز برخوردار است بسیار کم می باشد. این آئین نامه کاربری ساختمان، نوع سکونت، نوع ساختمان، نزدیکی به وسایل نقلیه متحرک یا پارک شده را همانند خصوصیات سازه ای مانند طراحی لرزه ای لحاظ می نماید، تا به طراح برای تصمیم گیری در لزوم طراحی در برابر خرابی پیشرونده ساختمان کمک کند.
برای طراحی در برابر خرابی پیشرونده، توصیه های کلی زیر ارائه شده است:
استفاده از جزئیات و اعضای عمودی جانبی اضافی به منظور افزایش درجه نامعینی سازه طراحی در برابر گسیختگی برشی طراحی در برابر حذف ستون های ستون های مختلف
طراحی برای مقاومت در برابر تکرار بار برای مکان های عمومی با پارکینگ های حفاظت نشده لحاظ نمودن اثرات سه بعدی در طراحی و تحلیل های مورد بررسی
-2-3 روش های تحلیل
همان طور که اشاره گردید GSA به منظور کاهش احتمال خرابی پیشرونده در سازه ها استفاده از روش مسیر بار جایگزین را توصیه می کند و دو روش تحلیل استاتیکی خطی و دینامیکی غیرخطی را برای تحلیل سازه معرفی نموده است.
-1-2-3 تحلیل استاتیکی خطی
مطابق ضوابط ارائه شده در آئین نامه GSA برای ساختمان های تا حدود ده طبقه می توان از تحلیل استاتیکی الاستیک خطی استفاده کرد. به منظور اطمینان از نتایج روش مذکور، سازه بایستی از الگوی نسبتا ساده ای برخوردارباشد، تا اثرات غیرخطی و پاسخ دینامیکی آن به نحو روشنی قابل پیش بینی گردد. از این رو کاربرد این تحلیل برای سیستم های مرکب از قاب و دیوار و همچنین اعضای باربری که دچار عدم پیوستگی اند و حتی سازه با پلان نامنظم و ابعاد متفاوت دهانه ها از قابلیت اطمینان بالایی برخوردار نبوده و استفاده از آنالیزهای دقیقتر در این موارد غیرقابل اجتناب است .[8] با وجود اینکه انجام تحلیل استاتیکی الاستیک خطی نسبتا ساده بوده و محاسبات آن توسط کامپیوتر به سادگی قابل انجام است و بررسی صحت نتایج در آن معمولا از طریق یک سری محاسبه دستی امکان پذیر است، اما اثرات دینامیکی از قبیل ضریب بزرگنمایی، استهلاک انرژی و نیروهای اینرسی را لحاظ نکرده و رفتار غیرخطی مصالح را نیز مورد توجه قرار نمی دهد .[9] جهت مدلسازی در نرم افزار، در این آنالیز پدیده آسیب آغازگر به صورت حذف ناگهانی نیروهای داخلی ستون بحرانی منظور می شود. بدین منظور ابتدا سازه تحت اثر بارهای ثقلی تحلیل شده و نیروهای انتهایی ستونی که قرار است حذف شود، بدست می آید. سپس، ستون حذف شده و نیروهای داخلی آن به عنوان عکس العمل، در بالای آن به سازه اعمال میگردد. توجه به این نکته ضروری است که نتایج تحلیل سازه در این مرحله، مشابه نتایج تحلیل اولیه سازه است. در نهایت، به منظور مدلسازی حذف لحظه ای ستون، نیروهایی برابر و مخالف با نیروی اعمالی مرحله قبل، به صورت ناگهانی به سازه وارد میگردد و آنالیز دینامیکی روی آن انجام می شود.
-2-2-3 تحلیل استاتیکی خطی
این آنالیز به صورت گسترده ای برای تحلیل سازه ها در برابر بارهای جانبی کاربرد دارد، زیرا با درگیر شدن بسیاری از اعضا در مسئله طراحی، طرح بهینه گردیده و در آن به اعضای سازه ای اجازه داده می شود تا رفتار غیرخطی داشته باشند. از طرفی به کمک این روش میتوان از طریق یافتن نسبت حداکثر تغییرمکان به تغییرمکان جاری شدن، میزان شکل پذیری سیستم را تعیین نمود. کاربرد این روش برای تحلیل خرابی پیشرونده، نیاز به کمی اصلاح دارد، به نحوی که تا زمان رسیدن به بار یا تغییرمکان حداکثر در سیستم، بارهای عمودی به صورت گام به گام افزایش یابند.
البته در بیشتر موارد به دلیل اینکه قبلا سازه تحت اثر بارهای سرویس معمولی طرح شده است، حالت بار کنترل کننده پیش می آید. ازآنجاکه خرابی پیشرونده در اکثر موارد با یک آسیب کوچک آغاز میگردد، آنالیز پوش آور عمودی به احتمال زیاد به جاری شدن تعداد محدودی از اعضا منجر شده و اعضایی که از محل آسیب آغازگر به نسبت دور هستند، ممکن است به نحوه درستی در پدیده دخالت نکنند. همچنین به دلیل قابل توجه نبودن نرخ تغییرات کرنش محوری در ستون های بالای ستون محذوف، در بیشتر موارد نتایج این تحلیل منجر به گسیختگی کلیه تیرهای بالای آن ستون تا بالاترین طبقه شده و براین اساس، خرابی پیشرونده به وقوع خواهد پیوست. بنابراین آنالیز مذکور برای پیشگیری از خرابی پیش رونده منتج به پاسخ های بسیار محافظه کارانه می شود. از این گذشته، چنین آنالیزی علاوه بر زمان بر بودن تنها برای سازه هایی که الگوی رفتار دینامیکی آنها به راحتی قابل تشخیص است، مناسب می باشد . نتیجه اینکه علی رغم مفید بودن انجام آنالیز پوش آور برای بدست آوردن الگوی فروریزش سازه های پیچیده که تشخیص الگوی غیرخطی آنها به آسانی امکان ندارد، به طور کلی انجام چنین تحلیلی فقط به عنوان مکمل تحلیل استاتیکی الاستیک خطی، فاقد توجیه است .[1]
