وبلاگ

روش های کلی بررسی پدیده خرابی پیشرونده

عمده استانداردها به سه روش طراحی برای کاهش خرابی پیشرونده اشاره می‌کنند :

• روش اول، کاهش قرارگیری در معرض صدمات و خسارتها می‌باشد.برای مثال، با اجرا نمودن موانع محافظتی در برابر ضربه‌ی وسایل نقلیه یا افزایش فاصله‌ محافظتی در برابر بمب‌های تروریستی،  یا ممنوع کردن استفاده از گاز آشپزی در ساختمان‌های آسمان خراش.

• روش دوم و سوم ، برای تأمین مقاومت در برابر خرابی پیشرونده مورد استفاده قرار می‌گیرند که روش غیرمستقیم و روش‌های مستقیم می‌باشند [۱۱,۱۲,۱۵].

روش غیر مستقیم[۱] :

در این روش مقاومت در برابر خرابی پیشرونده با ایجاد پیوستگی[۲]، شکل‌پذیری[۳] و افزایش مقاومت با ایجاد درجات نامعینی[۴] بالاتر در سازه فراهم می‌شود که بوسیله جزئیات مناسب بست و اتصالات،  جانمایی صحیح دیوارها و ستون‌ها، صفحات توکار جهت کنترل گسترش خرابی  و همچنین در نظر گرفتن جزئیات لرزه‌ای انجام می گیرد تا ساختمان به صورت یکپارچه عمل کند که در اینصورت انسجام کلی سازه افزایش می‌یابد.

روش‌ مستقیم[۵]:

این روش به میزان زیادی وابسته به روش تحلیل سازه دارد. مقاومت در برابر خرابی پیشرونده، از طریق بالا بردن مقاومت اعضای کلیدی سازه‌ای در برابر بارهای ویژه و یا از طریق پل زدن در عرض ناحیه خرابی موضعی فراهم می‌شود،  که به دو روش تقسیم می‌شوند :

الف) روش مقاومت موضعی ویژه :

در این روش طراح مستقیماً اعضای ساختمانی باربر عمودی بحرانی را برای مقاومت در برابر مقدار مشخص بار طراحی مانند فشار انفجار،  طراحی می‌کنند. این روش به روش طراحی اعضای کلیدی نیز معروف است.

ب) روش مسیر جایگزین انتقال بار :

مهمترین روش که در این گروه برای مدل‌سازی وقوع پدیده خرابی پیشرونده مورد استفاده قرار می‌گیرد،  بر مبنای روش مسیر جایگزین انتقال بار، حذف یک ستون خارجی در طبقه اول سازه بوده  و سازه به گونه‌ای طراحی می‌شود که اگر هر یک از اجزای آن منهدم گردند،  مسیرهای جایگزین برای انتقال بار از آن عضو موجود باشند و اعضای باربر اطراف عضو محذوف بدون وقوع فروریزش کلی، ظرفیت اضافی

 جهت تحمل نیروی آنرا داشته باشند.

علت حذف ستون خارجی علاوه بر ایجاد حالت عدم تقارن در سازه،  مربوط به احتمال بیشتر بروز آسیب‌های عمدی و غیرعمدی در آن‌ ها می‌باشد. تحلیل‌های مورد استفاده در این روش شامل تحلیل استاتیکی خطی،   استاتیکی غیرخطی،  دینامیکی خطی،  دینامیکی غیرخطی  می باشند [۱۱,۱۲,۱۵].

استاندارد ۰۵-۷ انجمن مهندسین عمران آمریکا، تنها استاندارد رایجی است که به مسئله گسیختگی پیشرونده در جزئیات می پردازد.

این آیین نامه بر شدیدترین حوادثی تأکید می کند که می توانند منتج به گسیختگی پیشرونده شوند،  و دو روش طراحی برای مقاومت دربرابر گسیختگی پیشرونده ارائه می دهد: روش طراحی مستقیم و روش طراحی غیر مستقیم. در روش طراحی مستقیم،  مقاومت در برابر گسیختگی پیشرونده را مستقیماً در طول فرایند طراحی از دو طریق در نظر می گیرند: الف- روش مسیر فرعی۱ که به دنبال ارائه مسیر فرعی برای بار پس از وقوع خرابی است،  به نحوی که جلوی آسیب موضعی گرفته شده و از گسیختگی کلی جلوگیری شود،  ب- روش مقاومت موضعی ویژه،  که به دنبال ارائه توان کافی برای مقاومت دربرابر خرابی در محل های بحرانی است.

روش طراحی غیر مستقیم به طور ضمنی مقاومت در برابر گسیختگی پیشرونده را از طریق ضوابط حداقل سطوح توان،  پیوستگی و انعطاف پذیری بررسی می کند. راهبرد هایی را هم برای انسجام کلی سازه و تنش ها و انعطاف پذیری اتصالات ارائه می کند که می توانند در معرض تغییر شکل های بزرگ قرار بگیرند و مقادیر زیاد انرژی را در اثر شرایط غیر طبیعی جذب نمایند.

راهبردهایی برای طراحی در برابر گسیختگی پیشرونده را می توان در اسناد دولتی آمریکا مثل GSA و UFC  مشاهده نمود. راهبردهای  GSAروشی مستقل برای تعدیل امکان گسیختگی پیشرونده سازه ها بر اساس روش مسیر فرعی ارائه کرده است. این رهنمود سناریوهایی را تعریف می کند که طبق آن یکی از ستون های ساختمان برداشته شده و سازه آسیب دیده برای بررسی واکنش های سیستم تحلیل می گردد. این آئین نامه کاربری ساختمان، نوع سکونت، نوع ساختمان، نزدیکی به وسایل نقلیه متحرک یا پارک شده را همانند در نظرگرفتن خصوصیات سازه ای در طرح لرزه ای،  لحاظ مینماید تا به طراح برای تصمیم گیری در لزوم طراحی در برابر خرابی پیشرونده ساختمان کمک کند.

روش UFC هم یک روش طراحی مبتنی بر عملکرد است،  و تا حدی بر اساس ضوابطGSA است.در این آئین نامه دو روش طراحی یعنی روش نیروی اتصال[۶]، روش مسیر فرعی[۷] بیان گردیده است که روش نیروی اتصال یک روش طراحی غیر مستقیم است، که در آن حداقل ظرفیت نیروی اتصال باید در سیستم موجود باشد تا بارها را از قسمت آسیب دیده به باقی سازه انتقال دهد. به عبارت دیگر هدف از روش نیروی اتصال، کمی کردن حداقل شرایط انعطاف پذیری،  پیوستگی و نا معینی است [۱۱, ۱۲].

[۱] -Indirect Design

[۲] -Continuity

[۳] -Ductility

[۴] -Redundancy

[۵]-Direct Design

[۶] -TFM

[۷] –APM

– انواع خرابی پیشرونده

• انهدام از نوع پنکیک[۱] :

مثالی از این نوع انهدام، انهدام پیشرونده برجهای تجارت جهانی است. ضربات هواپیما و آتش سوزی منجر به خرابی های موضعی در ناحیه ضربه هواپیما شد. بعد از از دست رفتن ظرفیت باربری قائم در تعداد محدودی از طبقات،  بخش بالایی سازه شروع به افتادن و انباشت انرژی جنبشی کرد. برخورد با بخش سالم پایینی نیروی ضربه ای بزرگی را سبب می شود که خیلی بیش از ظرفیت های طراحی واقعی سازه است. این ضربه سازه ای منجر به از دست رفتن ظرفیت باربری قائم کل مقاطع برج در ناحیه ضربه گردید. واژه پیشنهادی برای این نوع انهدام بعد از انهدام ساختمانی کوچکتر از برجهای تجارت جهانی استفاده گردید. دال های سقف این ساختمان ها روی یکدیگر انباشته شده توده ای کلوچه مانند ایجاد کردند. این نوع مکانیزم انهدام دارای ویژگی های زیر است :

• خرابی اولیه المان های باربر قائم

• جدا شدن اجزای سازه ای و افتادنشان در حرکت جسم صلب عمودی

• تبدیل انرژی پتانسیل ثقلی به انرژی جنبشی

• ضربه اجزای جدا شده و افتاده روی باقیمانده سازه

• خرابی دیگر المان های باربر قائم بخاطر نیروهای فشاری که از بارگذاری ضربه ای نتیجه می شود

• و در نهایت گسترش خرابی در جهت عمودی [۵و۶].

• انهدام از نوع دومینو[۲] :

مکانیزم این نوع انهدام بصورت زیر است :

• واژگونی اولیه یک المان

• افتادن آن المان بصورت حرکت جسم صلب زاویه ای حول لبه پایینی

• تبدیل انرژی پتانسیل ثقلی به انرژی جنبشی

• ضربه جانبی لبه بالایی المان واژگون شده به نمای جانبی المان مشابه کناری

• واژگونی المان های مجاور بخاطر نیروی هل دهنده افقی ناشی از المان ضربه زننده

• گسترش خرابی در جهت واژگونی[۵و۶]

• 

•  

• انهدام از نوع زیپر[۳] :

مثالی از این نوع انهدام می تواند خرابی یک پل کابلی بر اثر پارگی یک کابل و گسترش خرابی به دیگر کابل ها و در نهایت انهدام کل پل باشد . مکانیزم انهدام نوع زیپر ویژگی های زیر را نشان می دهد :

• خرابی اولیه یک یا چند المان

• باز پخش نیرو های تحمل شده بوسیله این المان ها به باقیمانده سازه

• بارگذاری دینامیکی ضربه ای بخاطر ناگهانی بودن خرابی اولیه و باز پخش نیروها

• پاسخ دینامیکی سازه باقیمانده، به آن بارگذاری دینامیکی ضربه ای

• تمرکز نیروها در المان های باربری که در نوع و عملکرد مشابه هستند و در مجاورت یا نزدیکی المان های خراب شده اولیه هستند

• بارگذاری بیش از حد و خرابی آن المان ها

• پیشرفت خرابی در جهت عرضی نسبت به نیروهای اصلی المان های خراب شده [۵و۶].

• انهدام از نوع ناپایداری[۴] :

خرابی سازه بخاطر ناپایداری بوسیله یک انحراف کوچک (نقص، بارگذاری جانبی)، منجر به تغییر شکل بزرگ یا انهدام می شود. سازه ها طوری طراحی می شوند که انهدام از نوع ناپایداری بطور معمول اتفاق نیفتند. این امر با فراهم کردن اجزا سازه ای اضافی که سازه را مهاربندی و سخت می کنند بدست می آید. در حالت استاتیکی این نوع خرابی کمانش نام دارد.

مکانیزم انهدام نوع ناپایداری مشخصه های زیر را داراست :

• خرابی اولیه المان های مهاربندی یا سخت کننده که المان های باربر را در فشار پایدار کرده اند

• ناپایداری المان های فشاری

• از بین رفتن ناگهانی پایداری این المان های فشاری بخاطر یک انحراف کوچک

• گسترش انهدام یا خرابی[۵و۶]

• انهدام از نوع مرکب :

بعضی از خرابی های پیشرونده،  بطور کامل در طبقه بندی های گفته شده در قبل قرار نمی گیرند. انهدام بخشی از ساختمان آلفرد مورا، نه تنها سناریوی پنکیک را نشان می داد، بلکه برخی مشخصات سناریوی دومینو را نیز دارا بود.شکل ۲-۱ نیز نمونه ای دیگر این نوع خرابی تحت بار زلزله است [۵و۶].

[۱] -Pancake

[۲] -Domino

[۳] -Zipper

[۴] -instability

مقاومت سازه ای در برابر خرابی پیشرونده

به منظور ایستادگی در برابر بارگذاری نامتعارف که باعث خرابی پیشرونده می گردد، چندین مشخصه در طراحی سازه ای و شکل یک سازه می تواند تاثیر مهمی بر مقاومت در برابر انهدام آن داشته باشد. این مشخصه ها بصورت زیر خلاصه شده اند :

• تنومندی[۱] : توانایی سازه برای سالم ماندن در برابر خرابی موضعی است.

• یکپارچگی[۲] : شرایطی است که اعضای سازه ای حتی بعد از وقوع حوادث غیر متعارف متصل به یکدیگر باقی می مانند و به عبارت دیگر سیستم های سازه ای در طول زمان حیات خویش از هم منفصل نشوند.

• پیوستگی[۳] : اتصال داخلی المان های سازه ای در یک سیستم سازه ای است.

• شکل پذیری[۴]: توانایی سازه برای تحمل تغییر شکل بعد از رسیدن به شرایط تسلیم است.

• اضافه مقاومت چند وجهی[۵]: توانایی دیگر اعضای سازه ای برای تحمل بار بیشتر در حالتیکه دیگر اعضا خراب یا منهدم شده اند است. یعنی اگر یک خرابی در یک المان اتفاق افتد، دیگر المان های باقیمانده سیستم سازه ای بتوانند همچنان در برابر بار ایستادگی نمایند[۱۹].

مقاومت سازه در برابر پدیده خرابی پیشرونده ترکیبی از اثرات همه شرایط اشاره شده در بالاست. اگر یک سازه این شرایط را داشته باشد،

 بعنوان سازه ای که آسیب پذیری کمتری نسبت به خرابی پیشرونده دارد در نظر گرفته می­ شود. بنابراین در طراحی سازه در برابر خرابی پیشرونده شخص باید جنبه­ های مختلف اشاره شده در بالا را در نظر گیرد.

یک سازه طراحی شده با در نظر گرفتن مقاومت در برابر بار جانبی زلزله در نواحی فعال لرزه ای ممکن است مشخصه های طراحی مشابهی همانند آنچه برای طراحی در برابر خرابی پیشرونده لازم است داشته باشد. تحقیقات نشان داده اند جزئیات و مقاوم سازی خوب برای رسیدن به مقاومت لرزه ای برای یک سازه می تواند یک سطح ایمنی بالاتری را در برابر پدیده خرابی پیشرونده فراهم کند [۱۹].

۲-۷- عوامل موثر در تنومندی سازه ای

برای کاهش خطر خرابی پیشرونده در هنگام از دست رفتن المان های سازه ای خواص سازه ای زیر باید در طراحی مشارکت داده شوند که مجموعا تنومندی[۶]  را تولید می‌کند که سازه ها را قادر به محدود نمودن گسترش خسارت بخاطر شروع یک حادثه می‌کند[۵].

• اضافه مقاومت چند وجهی

ایجاد مسیر های باربر اضافی در سیستم باربر قائم،  کمک به تضمین مسیر های بار جایگزین قابل دسترس در هنگام خرابی موضعی المان های سازه ای می‌کند[۵].

• مقید کردن[۷]

از دست رفتن المان های سازه ای اصلی، منتج به باز توزیع بار و تغییر شکل اعضا می شود. این فرایند لازم به انتقال بارها از میان سازه بطور عمودی و افقی در مسیرهای باربر دارد. شکل ۲-۸

بخش زیادی از توانایی سازه در باز توزیع یا انتقال بارها در امتداد این مسیرها بر اساس پیوستگی داخلی بین اعضای مجاور هم است[۳۲].

روش های ارزیابی شاخص تنومندی

بعد از انهدام ساختمان رونان پوینت محققان زیادی مقالاتی درباره خرابی پیشرونده ارائه و استانداردها تشویق به طراحی و ساخت ساختمان های تنومند­تر می کنند.

ترکیبی از مفاهیم زیر، برای دستیابی به تنومندی لازم است :

• ایجاد یک پلان خوب که حتی زمانی که یک مولفه کلیدی خراب می شود به مقاومت در برابر بارهای جانبی دست می یابد.

• ایجاد یک سیستم با نامعینی بالا طوری که مسیر های باربری ثانویه زمانی که المان های کلیدی حذف می شوند وجود داشته باشند.

• یک سیستم مقید کننده در میان المان های سازه ای و دور تا دور ساختمان در کل فراهم شود تا کل سازه به یکدیگر نگه داشته شود.

• جزئیات را شکل پذیر کنیم طوری که بتوانند کرنش های زیاد را بدون خرابی کلی تجربه کنند [۲۲و۳۴].

تحقیقات زیادی درباره تنومندی[۱] انجام شده است و پیشنهاداتی برای چگونگی کمی سازی آن ارائه گردیده است. تنومندی می تواند به سه روش مختلف ارزیابی گردد :

• روش غیراحتمالاتی

• روش احتمالاتی

• روش بر اساس ریسک

که در اینجا تنها توضیحی کوتاه در مورد روش غیر احتمالاتی آورده شده است.

اگر بار طراحی در سازه سالم و آسیب دیده یکسان باشد،  R می تواند به کمک کمیتهای مختلف از جمله نیروی برشی مقاوم­سازی،  بصورت زیر نوشته شود :

جاییکه Vdamaged ظرفیت برش پایه ساختمان بعد از حذف المان صدمه دیده و Vintact ظرفیت برشی پایه ساختمان سالم و R شاخص تنومندی است. اگر سازه سالم و آسیب دیده ظرفیت یکسانی داشته باشند،  این مقدار ۱ است. و اگر سازه خسارت دیده هیچ ظرفیتی نداشته باشد صفر است [۲۲].

۲-۹- روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده

در طراحی سازه­هابوسیله سه روش می توان احتمال ایجاد خرابی پیشرونده را کاهش داد :

• کنترل حادثه : که به حفاظت در برابر حادثه ای که ممکن است اتفاق افتد و باعث خرابی پیشرونده گرددد برمی گردد و بطور کلی ملاحظه عملی برای مهندس طراح نیست.

• ۲) طراحی غیر مستقیم : برای جلوگیری از خرابی پیشرونده، بوسیله تعیین حداقل الزامات در مقاومت، پیوستگی و توسعه کافی مسیر باربری جایگزین در صورت خرابی بخشی از سازه استفاده می شود.

• طراحی مستقیم : این روش مقاومت در برابر خرابی پیشرونده و توانایی جذب خسارت را بعنوان بخشی از طراحی در نظر می گیرد. روش مقاومت موضعی مشخص و روش مسیر باربری جایگزین بعنوان دو روش اصلی در روش طراحی مستقیم شناخته می شوند [۲۲].

• روش مقاومت موضعی مشخص[۲] (SLRM) :

یک راه برای اعمال این روش اعمال ضرایب به بارهای معمول است. اما باید اعتراف کرد که افزایش ضریب اطمینان در یک حالت حدی نمی تواند خیلی موثر باشد. طوریکه بارگذاری نامتعارف می تواند سبب تغییر مود خرابی شود. در نتیجه مدل تحلیلی را برای مود خرابی واقعی نا مناسب می سازد. بنابراین موثرتر است که یک بار نا متعارف مشخص تعیین شود و به یک حالت حدی ویژه ارجاع داده شود. این معیار مستقیما برای المان های سازه ای بکار می رود که از دست رفتن آن عملکرد باقیمانده سازه را بخطر می اندازد و ما آن را المان کلیدی[۳] می نامیم.

• روش مسیر باربری جایگزین[۴] (APM) :

این روش روی حالتی از سازه بعد از از دست رفتن بعضی از المان ها بدون در نظر گرفتن دلیل آن تمرکز می‌کند. این روش می تواند با فرض اینکه در بین المان های اولیه سازه، تنها یک المان در یک زمان قادر به تحمل بار نباشد انجام می شود و رفتار سازه ارزیابی می گردد [۸و۱۵].

[۱]–  Robustness

[۲]–  Specific Local Resistance Method

[۳]–  Key element

[۴]–  Alternate Load Path Method

تحلیل خرابی پیشرونده

یک تحلیل خرابی پیشرونده لازم است تا توانایی یک سازه برای مقابله با بارگذاری های غیر معمول تعیین شود.چندین روش وجود دارد که می تواند استفاده شود: تحلیل­استاتیکی­خطی، تحلیل­استاتیکی­غیرخطی، تحلیل­دینامیکی خطی وتحلیل دینامیکی غیر خطی. هر یک از آنها مزایا و معایبی دارند. خلاصه کوتاهی از روش های مختلف تحلیل در اینجا ارائه شده است.

• تحلیل استاتیکی خطی: سریع ترین و آسان ترین روش برای اجراست اما اثرات دینامیکی و غیر خطی بودن هندسی و مصالح را در نظر نمی گیرد.همچنین این تحلیل تنها برای تحلیل سازه های با شکل منظم و ساده قابل کاربرد است.

• تحلیل استاتیکی غیر خطی: که اثرات غیر خطی بودن هندسی و مصالح را در نظر می گیرد ولی اثرات دینامیکی را بطور مستقیم در تحلیل در نظر نمی گیرد. این روش نسبتا ساده است و اطلاعات مهمی درباره رفتار سازه می دهد.

• تحلیل دینامیکی خطی: شامل رفتار دینامیکی پاسخ سازه می شود اما اثرات غیر خطی هندسی و مصالح را در نظر نمی گیرد بنابراین زمانی که سازه تغییر شکل های پلاستیک بزرگی را تجربه کند ممکن است نتایج خوبی ندهد.

• تحلیل دینامیکی غیر خطی: دقیق ترین نتایج را می دهد. و هم اثرات غیر خطی هندسی و مصالح و هم اثرات دینامیکی را شامل می شود. اما این کار پیچیده و وقت گیر است [۳۰].

۲-۱۰-۱- ابزارهای تحلیلی

چندین ابزار برای تحلیل خرابی پیشرونده جهت تعیین توانایی یک سازه در مقابله با بارگذاری نامتعارف وجود دارد. تعداد زیادی نرم افزار در دسترس هستند که می توانند برای این هدف و گزینه های ویژه برای خرابی پیشرونده در سازه ها مفید باشند.

محققان بسته های نرم افزاری اجزای محدود شامل SAP2000,STAAD,PERFORM3D, OPENSEES را برای ارزیابی رفتار خرابی پیشرونده سازه های قابی استفاده می کنند. بسته های نرم  افزاری تحلیل اجزای محدود برای سیستم های پیوسته مثل

 FLEX,ANSYS,ABAQUS, LARSA,DIANA میتواند استفاده شود [۱۹].

۲-۱۱- مروری بر تکنیک های بهسازی ارائه شده برای مقابله با خرابی پیشرونده

دو هدف اصلی برای بهسازی سازه های موجود، مقابله با خرابی موضعی المان های سازه ای و فراهم کردن باز توزیع بار برای جلوگیری از خرابی پیشرونده در کل سازه است. برای نیل به این هدف، تامین پیوستگی[۱]، شکل پذیری[۲] و مقاومت[۳] در کل ساختمان،  المان ها و اتصالات لازم بنظر می رسد. مشخصات کلیدی در طراحی بهسازی توسط (Craw ford 2002) پیشنهاد شده است. نکته کلیدی این است که سازه باید رفتار شکل پذیر و غیر خطی قابل اعتمادی داشته باشد و مسیر های باربری اضافی برای دستیابی به حداکثر حفاظت فراهم شود. چندین تکنیک بهسازی برای سیستم های سازه ای مختلف برای کاهش پتانسیل خرابی پیشرونده برای سازه های موجود ارائه شده است : [۱۲]

۲-۱۱-۱-  نمونه هایی از بهسازی اعضای خمشی

• استفاده از کابل های زنجیره وار[۴]. با نصب کابل هایی دور تا دور ساختمان، زمانی که ستون منهدم می شود و بخشی از سقف شروع به خیز می‌کند، عملکرد زنجیره وار کابل ها، بار را به ستون های مجاور منتقل می‌کند و از انهدام جلوگیری می نماید. آستانه[۵] در سال ۲۰۰۳ درباره این تکنیک بصورت تجربی و تحلیلی بحث کرده و استنباط نمود که در جلوگیری از انهدام سازه های فولادی موثر بوده و هزینه مناسب و نصب آسانی دارد.

• استفاده از کابل برای گره زدن المان های سازه ای به یکدیگر. این روش مناسب برای پانل های پیش ساخته است. جایی که برای گره زدن پانل ها در محل اتصالات استفاده می شود. همچنین پیوستگی و شکل پذیری را نیز فراهم می‌کند. این تکنیک کفایت خود را در ساختمان الکوبار که تحت حمله تروریستی قرار گرفت نشان داد. جاییکه پانل های پیش ساخته در مقایسه با بار وارده خیلی قوی نبودند، اما عملکرد کلی مناسب بود. [۱۴و۱۸]

[۱]–  Continuity

[۲]–  Ductility

[۳]–  Strength

[۴] –  Catenary Cables

[۵]–  Astaneh