وبلاگ

وقوع خرابی پیشرونده در سازه‌ها در هنگام زلزله و حتی در یک انفجار نزدیک به سازه به چالشی مهم تبدیل شده است. خرابی پیش‌رونده وضعیتی است که در آن بروز یک خرابی موضعی در یک عضو سازه‌ای منجر به شکست اعضای مجاور آن و فروریزش‌های اضافی در ساختمان می‌گردد.

بطور کلی ساختمان‌ها برای شرایط بارگذاری با احتساب انفجارهای گاز، انفجارهای بمب،  برخوردهای وسایل نقلیه، طوفان، گردباد و از این قبیل بارها طراحی نمی‌شوند. ازاینرو زمانی که ساختمان‌ها در معرض چنین بارهای غیرمعمولی قرارمی‌گیرند،  ممکن است متحمل آسیب‌های بزرگی شوند [۱].

مثال ها از سازه هایی که خرابی پیشرونده به صورت جزیی یا کامل در آنها اتفاق افتاده است، اندک و کم سابقه است و درواقع توجه جامعه مهندسی بعد از انهدام بخشی از ساختمان مشهور آپارتمانی رونان پوینت[۱] در لندن در سال ۱۹۶۸ به این موضوع معطوف شد و بعد از حادثه ی انهدام ساختمان‌های تجارت جهانی در ۱۱ سپتامبر سال ۲۰۰۱ بود که چندین کمیته استاندارد سازی برای بهبود استانداردهای روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده شروع بکار کردند و توجه ویژه­ای به  بحث خرابی پیشرونده در ساختمان های با اهمیت بیشتر، صورت

 گرفت و از آن تاریخ به بعد بارگذاری ویژه ی خرابی پیشرونده در طراحی ها لحاظ گردید و لازم دانسته شد که ساختمان‌ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند خرابی موضعی را با یکپارچه‌کردن اعضای سازه‌ای، بهبود بازپخش انرژی و توزیع مجدد بارها (با ایجاد مسیرهای جایگزین انتقال بار) محدود نموده و در مقابله با بارهای غیرمعمول مقاومت کنند [۱].

۱-۲- تعریف مساله

بطور کلی ساختمانها برای شرایط بارگذاری خاص مانند انفجار، آتش سوزی و . . . طراحی نمیشوند و حتی زمانی که برای بارگذاری باد و یا زلزله طراحی می گردند، تمهیدات درست و کاملی برای حالت گسیختگی های موضعی در نظر گرفته نمی­شوند از اینرو ساختمان ها زمانی که در معرض چنین بارهایی قرار میگیرند، ممکن است دچار آسیب های جدی شوند [۱].

خرابی پیشرونده می تواند بخاطر خطراتی چون (انفجار، ضربه اتومبیل و آتش سوزی و…..) یا خطراتی طبیعی چون زلزله باشد. نیروی زلزله می تواند نیروهای جانبی و تنش های پرقدرتی را ناشی شود. تاثیر این بار می تواند اعضای سازه ای را بیش از حد بارگذاری نماید که در نهایت به از دست رفتن یک یا چند عضو باربر منجر شود و امکان دارد که باعث خرابی اعضای سازه‌ای بیشتری شود. مشاهده خسارات زلزله در زمین لرزه­های گذشته نشان می دهد که بارهای لرزه‌ای می تواند سبب خساراتی شود که باعث از دست رفتن تکیه گاه ها شود و خرابی اولیه المان­های سازه­ای می تواند به دیگر اعضای باربر در مسیر های مختلف گسترش یابد.

این پدیده همچنین می‌تواند برای سازه‌های طراحی ‌شده بر اساس آئین‌نامه‌های جاری حین رخداد زلزله های شدید نیز مشکلاتی را بوجودآورد و حتی منجر به ویرانی کل سازه گردد. به عبارت دیگر،  هر گونه ضعف در طراحی و یا اجرای المان های سازه ای ممکن است باعث بوجود آمدن پدیده خرابی پیشرونده در سازه‌ها حین بارگذاری لرزه ای نیز گردد. لذا مطالعه و بررسی تأثیر این پدیده در سازه­ها ضروری به‌نظر می‌رسد [۲].

۳-  Ronan Point

هدف

با مطالعات انجام شده و بررسی های بعمل آمده در زمینه ی احتمال آسیب پذیری ساختمانهای امروزی در سطح شهرها در برابر خرابی پیشرونده  ̜و اینکه اکثر قریب به اتفاق ساختمانهای موجود یارای مقابله با چنین پدیده ای را نداشته و در برابر خرابی پیشرونده آسیب پذیر می باشند ̜لذا این مهم نیاز شد تا با ارائه راهکارهایی به دنبال بهبود این وضعیت بوده و بتوان به کمک ساختمانهایی شتافت که احداث شده اند، اما در طراحی هایشان  بارگذاری ویژه ی خرابی پیشرونده لحاظ نشده و توانایی مقابله با آن را ندارند ̜بنابراین با ارائه راهکار به تقویت این ساختمانها پرداخت تا به نوعی از عمق فاجعه کاسته شود.

هدف اصلی این پایان نامه، ارائه­ راهکاری به منظور مقابله­ی سازه­ی احداث شده، با پیشرفت خرابی موضعی در سازه و تبدیل شدن آن به خرابی کلی و منهدم شدن آن میباشد یعنی سازه­ی مورد نظر در صورت از دست دادن یکی از ستون­های بحرانی­اش، قادر به تحمل وزن خود و بارهای ثقلی­اش بوده و بتواند تعادل خود را حفظ کند.همچنین در این پایان نامه سعی شده است تا حد امکان در معماری سازه تغییری ایجاد نشده و ساختمان کلیت خود را حفظ کرده و در برابر خرابی پیشرونده تنومندی آن کاهش نیابد.بدین منظور روش تحلیل استاتیکی غیر خطی مورد استفاده قرار گرفت.

طبیعتا همه روش ها بر اساس چندین فرض و سطوحی از ایده آل سازی هستند. لذا غیبت روش های محاسباتی در استانداردها جهت بررسی خرابی پیشرونده، تمرکز بر روش مسیر باربری جایگزین تحت سناریوی حذف یک ستون بحرانی را ناگزیر می سازد.

بدین منظور با بهره­ گیری از دستورالعمل­های آیین­نامه [۱]GSA[31] مبنی بر کاهش خسارت­های ناشی از خرابی پیشرونده با بهره گرفتن از

 روش مسیر باربری جایگزین، به بررسی تاثیر خرپای کمره­ای در بام ساختمان­های فولادی پنج طبقه، هشت طبقه و دوازده طبقه قاب خمشی با کمک نرم­افزار SAP2000 [27]و بصورت سه بعدی پرداخته و این ارزیابی­ها با کمک تحلیل استاتیکی غیرخطی انجام و نتایج بصورت جداول و نمودارهایی ارائه شده است که شامل نحوه­ تشکیل مفاصل پلاستیک اعضا در هر سه سازه، مقایسه­ تنومندی[۲] سازه­ها و ارزیابی جابجایی قائم گره بالای محل حذف ستون مورد نظر و همچنین بررسی تغییر مکان جانبی نسبی طبقات سازه­ها می­باشد.

۱-۴- ساختار پایان نامه

این پایان نامه در ۵ فصل تهیه و تنظیم شده است که به شرح زیر می باشد :

فصل اول شامل تعریف مسئله، اهداف دنبال شده در این پایان نامه و همینطور شیوه و روند تحقیق انجام شده می باشد.

در فصل دوم به مقایسه ای کوتاه از مقررات و تعاریف مربوط به خرابی پیشرونده در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی پرداخته می شود. همچنین ملا حظات مربوط به بهسازی ساختمان ها در برابر خرابی پیشرونده و خلاصه ای از مطالعات انجام شده ارائه شده است.

فصل سوم به بیان مدل ها و فرضیات،  مدل سازی غیر خطی سازه می پردازد.

در فصل چهارم به نحوه اعمال بارگذاری در تحلیل استاتیکی غیر خطی وبررسی نتایج حاصل از این تحلیل پرداخته می شود.

فصل پنجم نیز به نتیجه گیری و بحث پیرامون نتایج و در نهایت ارائه پیشنهادات جهت تحقیقات آتی می ­پردازد.

در انتهای این مجموعه نیز مراجع ارائه شده است.

۱۰– General Service Administration

۱۱– Robustness

خرابی پیشرونده را به صورت گسترش خرابی موضعی اولیه از عضوی به عضو دیگر که سرانجام به گسیختگی تمام سازه یا قسمت بزرگی از آن می انجامد تعریف می کنند. خطرات احتمالی و بارهای غیرعادی که می تواند موجب خرابی پیشرونده شود، شامل این موارد می باشند: خطای طراحی یا ساخت، آتش سوزی، انفجار گازها، اضافه بار تصادفی، تصادف وسایل نقلیه، انفجار بمب ها و غیره. چون احتمال وقوع این خطرات کم است، در طراحی سازه ای آنها را در نظر نمی گیرند یا با اندازه گیری های غیر مستقیم به آنها می‌پردازند. اکثر آنها ویژگی کنش طی مدت زمان نسبتاً کوتاه را دارند و به پاسخ های دینامیکی می‌انجامند.خرابی پیشرونده در ابتدا توجه محققین را در دهه ۷۰ میلادی، پس از گسیختگی جزئی برجی در رونان پوینت[۱] انگلستان به خود جلب کرد. پس از حملات تروریستی مرکز تجارت جهانی  در ۱۱ سپتامبر  ۲۰۰۱، علاقه مجدد به بررسی گسیختگی پیشرونده ایجاد گردید.

در 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.

در این فصل، به مقایسه جامعی از مقررات مربوط به خرابی پیشرونده در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی پرداخته شده و ملاحظات مربوط به بهسازی ساختمان ها در برابر خرابی پیشرونده ارائه میشود برای ادامه دادن به این بخش چندین تعریف برای واژه خرابی پیشرونده/نامتجانس[۲] مرور شده است که با برخی مثالها همراه است سپس انواع خرابی پیشرونده و نگاهی کوتاه بر آیین نامه های معتبر به همراه مروری بر ادبیات فنی و طبقه بندی روش های کاهش خرابی پیشرونده بیان شده است [۴].

۲-۲- مثال­هایی از خرابی پیشرونده

نمونه هایی از سازه هایی که بصورت کلی یا جزئی دچار خرابی پیشرونده شده اند در واقع خیلی کم و دارای فاصله زمانی هستند. خرابی پیشرونده پدیده ایست که تدریجا در استانداردهای طراحی در نظر گرفته می شود و تمایل به سمت آن بعد از حادثه انهدام ساختمانهای تجارت جهانی در ۱۱ سپتامبر ۲۰۰۱ افزایش شدیدی یافت. در اینجا مختصرا به چند نمونه از خرابی پیشرونده  اشاره شده است که در صفحه­های بعد ملاحظه می­ شود [۱].

۲-۲-۱- ساختمان فدرال آلفرد مورا[۳]

این ساختمان بین سال های ۱۹۷۰ تا ۱۹۷۶ در شهر اوکلاهاما طراحی و ساخته شد، که یک ساختمان اداری دولتی ایالات متحده بود. در ۱۹ آوریل ۱۹۹۵ هدف حمله یک کامیون با مواد منفجره در ضلع شمالی قرار گرفت.سیستم سازه ای شامل قاب بتن آرمه در نه طبقه بود. ویژگی خاص آن وجود شاهتیر انتقالی[۴] در طبقه سوم در سمت شمالی بود طوریکه فاصله بین ستونهای طبقه همکف دو برابر دیگر طبقات بالاتر از خود بود.

سه ستون بطور ناگهانی بر اثر انفجار تخریب شدند و همه سقف بالای سر خود را به سمت انهدام پیش بردند،  همانطور که در شکل ۲-۱ نشان داده شده است. این حادثه بعنوان مثالی در خرابی پیشرونده بخاطر عدم ظرفیت سیستم قاب و شاهتیر انتقالی برای مقابله با لنگرها و برش های افزایش یافته کنار سه ستون حذف شده در طبقه همکف نگریسته می شود [۱].

[۱]  -Ronan point

[۲]–   Progressive /Disproportionate Collapse

[۳] – Alfred Murrah

[۴] –  Transfer girder

– ساختمانی آپارتمانی رونان پوینت[۱]

رونان پوینت ساختمانی آپارتمانی بود که بین سال های ۱۹۶۶ تا ۱۹۶۸ ساخته شد. در ۱۶ می سال ۱۹۶۸، انفجار گاز زیر پانل دیوار خارجی در طبقه هجدهم، که در گوشه ساختمان ۲۲ طبقه بود اتفاق افتاد، سیستم سازه ای دیوار و سقف پیش ساخته بتن آرمه بود که دیوارها و سقف ها به هم پیچ می شدند و اتصالات با ملات پر می شدند. این بدان معنی است که اگر دیوار نگهدارنده پایینی حذف گردد، سقف ها پتانسیل زیادی برای ایستادگی در برابر خمش نخواهند داشت. بنابراین زمانی که پانل دیوار در طبقه هجدهم بوسیله انفجار به بیرون رانده شد، طبقات بالاتر منهدم شدند و سقوط نخاله های ریخته شده  شروع به خرابی طبقات پایین تر تا  طبقه همکف نمودند. همانطور که در شکل ۲-۲ دیده می شود انهدام این ساختمان بدلیل بی بهره بودن ساختمان از نامعینی لازم و ایستادگی اتصال سقف در برابر خمش ناشی از باز توزیع بصورت پیشرونده صورت گرفت. این یک نمونه از خرابی پیشرونده است که از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی کلی سازه گردید [۳].

۲-۲-۳- برج الکوبار[۲]

کوبار تاورز یکی از چندین ساختمان آپارتمانی در الکوبار نزدیک دهران عربستان سعودی بود. در ۲۵ ژوئن سال ۱۹۹۶ یکی از ساختمان های آپارتمانی به شدت خسارت دید، زمانی که یک بمب سنگین در خیابان روبروی ساختمان منفجر شد. ساختمان، هشت طبقه و پلانی تی شکل داشت. این ساختمان با سیستم دیوارها و سقف پیش ساخته بتن آرمه، ساخته شد. کلیه بارهای قائم و جانبی بوسیله سیستم دیوار پیش ساخته تحمل می شد. انهدام محدود به سمت روبرو و دهانه بیرونی ساختمان شد. اگر چه دیوارهای برشی بوسیله انفجار از بین

 رفتند ولی انهدام جز در محدوده خسارت اولیه پیشرفت نکرد. بررسی ها نشان داد که سیستم بتن آرمه پیش ساخته شکل پذیری کافی برای مقابله با اتفاقات فوق العاده را داشته است. اتصالات داخل هم سقف و دیوار نیز در اکثر قسمت ها سالم ماندند و دربرابر انهدام مقابله کردند [۲].

۲-۲-۴- ساختمان بانکرز تراست[۳]

این ساختمان مثالی از یک سازه است که از خرابی پیشرونده سالم ماند. این سازه ۴۰ طبقه اوائل سال ۱۹۷۰ در نیویورک ساخته شد درست جایی که برج تجارت جهانی جنوبی ایستاده بود. سیستم سازه ای شامل قاب فولادی معمولی بود با تیرهایی که در دو جهت با اتصال خمشی به ستون ها متصل بودند. این سازه ضربات نخاله های برج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی را تحمل کرد. بخشی از دیوار های خارجی برج جنوبی در طبقه ۲۳ به این ساختمان برخورد کرد که خسارت شامل خراب شدن سیستم های سقف،  تیر های محیطی،  بین طبقات ۹ تا ۲۳ و خراب شدن ستون های خارجی بین طبقات ۹ تا ۱۸ بود. که در شکل ۲-۴ دیده می شود.

علیرغم از بین رفتن عضو باربر قائم،  خرابی بیشتری جزآنچه مستقیما بدلیل نخاله های برج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی بوجود آورد ایجاد نشد. بطور واضح قابهای خمشی نامعینی و شکل پذیری کافی برای مقابله با تنش های باز توزیع شده بعد از حذف ستون دارند و انرژی جنبشی ناشی از حذف ناگهانی ستون و افتادن نخاله ها را جذب می کنند [۱].

۲-۲-۵- ساختمان تجاری اسکای لاین پلازا[۴]

سال ۱۹۷۳،  که به هنگام بتن ریزی در طبقه  ۲۴، یک خرابی پیشرونده در کل ارتفاع برج رخ می دهد و هم چنین در اثرضربه های مخروبه ها، خرابی پیشرونده افقی در کل گاراژ پارکینگ کنار برج اتفاق می‌افتد[۳].

برج های دو قلوی تجارت جهانی آمریکا

برج های دو قلوی تجاری آمریکا ، ۱۱  سپتامبر۲۰۰۱، برخورد دو هواپیما به این برج ها باعث خرابی آنهاو هم چنین خرابی کلی و جزئی ۱۰ ساختمان مجاور آنها شد که ضعف این سازه ها را در هنگام رویارویی با بارگذاری غیر عادی و پیش بینی نشده نشان می دهد [۴] .

۲-۳- مروری بر خرابی پیشرونده در اسناد و استانداردها

۲-۳-۱- تعاریفی از خرابی پیشرونده/نا متجانس

تعاریف مختلفی از خرابی پیشرونده در ادبیات فنی موضوع می توان یافت. برخی محققان از واژه پیشرونده استفاده می‌کنند ولی از آنجاییکه تقریبا همه خرابی های سازه ای شامل درجه خاصی از گسترش هستند ترجیح می‌دهند از واژه نامتجانس استفاده نمایند.که این واژه تا حدی مبهم است و استانداردها و دستورالعمل ها و دیگر منابع معمولا از واژه خرابی پیشرونده استفاده می کنند. چند تعریف از خرابی پیشرونده که در استانداردها آمده است به شرح ذیل می باشد :

• استاندارد اروپا[۱] :

• 

•  

استاندارد اروپا،  استاندارد جداگانه ای برای خرابی پیشرونده ارائه نمی‌کند، اما در استاندارد کنش های تصادفی[۲] تعریفی از تنومندی[۳] ارائه می‌کند :

“توانایی یک سازه برای ایستادگی در برابر حوادثی چون آتش سوزی،  انغجار،  ضربه یا نتایج خطای انسانی،  بدون خسارت دیدن بخشی نامتجانس نسبت به دلیل اصلی”

• موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی ایالات متحده[۴] (NIST) :

این موسسه در نشریه بهترین شیوه برای کاهش پتانسیل خرابی پیشرونده در ساختمانها چنین تعریفی را پذیرفته است:

” خرابی پیشرونده،  گسترش یک خرابی موضعی از یک حادثه اولیه از المانی به المان دیگر است که در نهایت منجر به انهدام کل سازه یا بخش نا متجانس بزرگی از آن می شود که همچنین خرابی نامتجانس شناخته می شود”[۲].

• مدیریت تعمیرات کلی ایالات متحده[۵] (GSA) :

مدیریت تعمیرات کلی ایالات متحده در راهنمای طراحی وتحلیل در برابر خرابی پیشرونده در سال ۲۰۰۳،  خرابی پیشرونده را بصورت زیر تعریف می‌کند :

” موقعیتی که خرابی موضعی یک مولفه اولیه سازه ای منجر به انهدام اعضای متصل به آن ودر نتیجه انهدام اضافی شود  توجه شود که خرابی کلی،  نسبت به علت اولیه نامتجانس است”[۱].

• حداقل بارهای طراحی ساختمانها و دیگر سازه های ایالات متحده(ASCE/SE 7-05) :

این استاندارد خرابی پیشرونده را بصورت زیر تعریف می‌کند :

“گسترش یک خرابی موضعی اولیه از المانی به المان دیگر که در نهایت منجر به انهدام کل سازه یا بخش نامتجانس بزرگی از آن می شود”

[۱]– Euro Code

[۲] -Accidental Actions

[۳] – Robustness

[۴]– National Institute of Standard and Technology

۱۸- U.S.General Services Administration