بررسی چگونگی وقوع خرابی پیش رونده در قاب بتن مسلح

خرابی پیش رونده به دنبال حوادث ناگهانی که باعث آسیب جزئی و موضعی سازه میشود، اتفاق میافتد. عدم توانایی اعضای مجاور عضو آسیب دیده در بازتوزیع اضافه بار ناشی از حذف المان باعث میشود خرابی به صورت زنجیروار در جهت عمودی و افقی گسترش یابد تا این که به خرابی موضعی گسترده یا کلی سازه منتج شود این گونه  است که خرابی تناسبی با آسیب موضعی اولیه نخواهد داشت.

 خطرات احتمالی و بارهای غیر عادی که میتواند موجب خرابی پیش رونده شود غالبأ احتمال وقوع کمی دارند و بنابر ملاحظات اقتصادی در طراحی لحاظ نمیشوند مانند بار ناشی از انفجار، احتراق و ضعف در طراحی و ساخت سازه.

وجود مسیرهای بار جایگزین برای انتقال اضافه بار ناشی از حذف المان اهمیت ویژه ای دارد بنابراین از جمله روش های متداول آیین نامه ای در تحلیل خرابی پیش رونده روش MPA یا مسیر بار جایگزین  است؛ در این پژوهش چگونگی وقوع خرابی پیش رونده در قاب های خمشی بتن مسلح با  استفاده از روش تحلیل مسیر بار جایگزین و نحوه شکل گیری عملکرد زنجیره ای به منظور انتقال اضافه بار ایجاد شده بر اثر حذف المان کلیدی، بررسی شده  است.

 با بررسی تغییرمکان قائم در محل المان محذوف تحت سناریو های متفاوت حذف المان و دوران انتهای تیرهای مجاور المان آسیب دیده ملاحظه شد که پتانسیل خرابی پیش رونده در قاب ها وابسته به محل قرارگیری ستون یا المان محذوف  است.

پتانسیل خرابی بر اثر حذف ستون گوشه چه در طبقات بالا و چه در طبقات پایینی زیاد  است و تغییر مکان بیشتری ایجاد میکند؛ همچنین اگر ستون یا المان کلیدی در طبقات بالاتر حذف شود مقدار تغییر مکان بیشتر خواهد بود که دلیل آن وجود مسیرهای بار جایگزین کمتر  است به عبارت دیگر اعضای کمتری در جذب انرژی جنبشی ناشی از حذف المان دخیل میشوند.

خرابی پیش رونده به دنبال یک آسیب جزئی و موضعی ناشی از وقوع یک بار ناگهانی تشکیل میشود. آسیب دیدگی فراتر از آن  است که پیوستگی و قابلیت شکل پذیری سازه تحمل کند بنابراین خرابی به صورت زنجیروار در جهت عمودی و افقی گسترش می یابد تا این که به خرابی موضعی گسترده یا کلی سازه منتج شود این گونه  است که خرابی تناسبی با آسیب موضعی اولیه نخواهد داشت.

بررسی و مطالعه عملکرد سازه در برابر خرابی پیش رونده و همچنین دیدگاه آیین نامه های طراحی با وقوع حادثه 11 سپتامبر برجهای تجارت جهانی دچار تحوالت زیادی شد.در بحث طراحی سازه توجه به افزایش درجه نامعینی برای ایجاد مسیرهای بار متعدد جهت مقابله با خرابی پیش رونده از اهمیت بالایی برخوردار  است

 سازه های با مشخصه افزونگی بالا که ناشی از درجه نامعینی بالای این سازه ها  است خرابی جزئی اولیه را به خوبی تحمل میکنند در مقابل سازه ها با دهانه های بزرگ، دیوارهای باربر یا دال های بتنی پیشساخته و کفهای فوالدی متکی بر دیوارهای بنایی در برابر خرابی پیش رونده آسیب پذیرند چرا که از شکل پذیری و پیوستگی کافی برخوردار نیستند.

 یکی از مکانیزمهای کلیدی برای به تعادل رسیدن سازه آسیب دیده عملکرد زنجیره ای میباشد.این روش توصیف کننده توسعه نیروی کششی در دال و تیرها به علت تغییرشکل ناشی از آسیب دیدن عضو تکیه گاهی |ستون|  است که در شکل 1 نشان داده شده  است. ظرفیت دورانی اتصالات و همچنین ظرفیت کششی بالا در عملکرد زنجیره ای حائز اهمیت  است

با توجه به موارد ذکر شده آیین نامه ها برای بررسی وقوع خرابی و طراحی سازه ها در برابر خرابی پیش رونده روش تحلیل مسیر 1 را پیشنهاد می بار جایگزین کنند. در این روش المان کلیدی |ستون یا دیوار باربر| به صورت ناگهانی حذف میشود باید توجه داشت که در یک زمان تنها امکان حذف یک المان وجود دارد

تمامی ساختمان ها با درجات متفاوتی از خطر در معرض وقوع خرابی پیش رونده قرار دارند به همین جهت در سالهای اخیر توجه به این مسئله در آیین نامه های طراحی و جامعه مهندسین به چشم میخورد. از جمله پژوهش هایی که در زمینه خرابی پیش رونده سازه های بتنی صورت گرفته  است می توان به موارد زیر اشاره کرد:

موسسه NIST در سال 2111 آزمایشهایی بر روی سازه های با ابعاد واقعی و مدل سازی عددی در زمینه خرابی پیش رونده سازه های بتنی پیش ساخته انجام داده  است

 Le & Xueدر سال 2112 با مدل سازی عددی آسیبپذیری سازه های بتنی در برابر خرابی پیش رونده را ارزیابی کرده اند. Xiao و همکاران، Orton و همکاران Weigandو همکاران در سال 2112 در زمینه سناریوهای متفاوت حذف ستون و تاثیر آن بر خرابی پیش رونده سازه های بتنی پژوهش هایی داشته اند.

در این پژوهش سعی شده  است که چگونگی وقوع خرابی پیش رونده در قاب های خمشی بتن مسلح با  استفاده از روش تحلیل مسیر بار جایگزین و نحوه شکل گیری عملکرد زنجیره ای به منظور انتقال اضافه بار ایجاد شده بر اثر حذف المان کلیدی، مورد بررسی قرار گیرد.

تغییرمکان قائم در محل المان محذوف تحت سناریوهای متفاوت حذف المان و دوران انتهای تیرهای مجاور المان آسیب دیده بررسی شده  است.

1.مشخصات مدل های انتخابی

دو قاب منظم دو بعدی 3 و 4 دهانه 4 طبقه با دهانه های به طول 4 متر و ارتفاع طبقات 3 متر و یک قاب نامنظم دو بعدی 4 دهانه بتن مسلح با همان تعداد طبقات مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته  است. نمای سازه های مورد مطالعه در شکل 2 نشان داده شده  است

مقاطع اعضا و نحوه قرارگیری آنها در شکل3 و جدول1 آمده است:

2.جزییات طراحی

طراحی قاب های مطالعاتی طبق  استاندارد MCA318 انجام شده  است و به منظور تحلیل مسیر بار جایگزین خرابی پیش رونده، ترکیب بار ثقلی 2LD.1+5DD.5 پیشنهاد شده در آیین نامه ASM2013 به صورت بار گسترده به تیرها اعمال شده  است. بار مرده و زنده اعمال شده به سازه طبق  استاندارد ملی ساختمان ایران |مبحث ششم مقررارت ملی ساختمان| برای تمام 2 طبقات و بام m2/t 2.5و بار پارتیشن m2/t 15.5  است.

به دلیل عدم در نظر گیری اثر دال ها در طراحی و 5.53 t/m قاب های دو بعدی مقدار 45 %ترکیب بار 2LD.1+5DD.5 به قاب ها اعمال میشود تا نتایج حاصل از صحت کافی برخوردار باشند. میرایی سازه به صورت کلاسیک متناسب با پریود سازه لحاظ شده و مقدار ضریب میرایی برابر 5 = %ξ  است. از آنجا که مدت زمان خارج شدن ستون از تحلیل برپاسخ دینامیکی سازه تأثیرگذار خواهد بود؛ طبق پیشنهاد. آیین نامه ASM این مدت 1.5 پریود پاسخ سازه مربوط به مود حرکت قائم دهانه بالای ستون حذف شده لحاظ شده  است. همچنین در آیین نامه CFCپیشنهاد شده  است که حذف المان ستون در نواحی زیر انجام شود:

1. اولین طبقه بالای تراز زمین
2. طبقه زیرین بام
3. طبقه میانی در ارتفاع
4. طبقه بالایی محلی که ستون جوش خورده یا ابعاد آن تغییر کرده است.

3.حذف المان های کلیدی و تحلیل دینامیکی سازه

در پژوهش حاضر ستونهای گوشه و میانی در طبقه اول، سوم و چهارم در هر سه قاب حذف شده و تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی انجام شده  است. نتایج به صورت زیر میباشند:

در شکل 1 محل حذف ستون ها نمایش داده شده  است. شکل 4 تغییرمکان قائم در محل ستون محذوف را نمایش میدهد؛ با توجه به شکل4-الف حذف ستون گوشه در قاب 4 دهانه تغییر مکان قائم کمتری نسبت به قاب 3 دهانه ایجاد میکند همچنین با مقایسه تغییر مکان قائم در محل حذف ستون گوشه قاب 4 دهانه منظم و نامنظم شکل4-ب میتوان دریافت که نامنظمی پاسخ دینامیکی سازه را بر اثر حذف ناگهانی المان کلیدی افزایش میدهد.

با توجه به شکل 5 ،6 و 7 میتوان دریافت که حذف ستون گوشه چه در طبقات بالا و چه در طبقات پایین حالت بحرانیتری نسبت به حذف ستون میانی  است. با مقایسه تغییرمکان قائم گره محل حذف ستون قاب 3 و 4 دهانه منظم ملاحظه میشود افزایش تعداد دهانه ها مقدار واکنش سازه به حذف المان کلیدی را به مقدار قابل توجه ی کاهش میدهد به عبارت دیگر مسیرهای جایگزین انتقال اضافه بار ناشی از حذف المان افزایش می یابد. همچنین در قاب 4 دهانه نامنظم مشاهده میشود که اختالف میان تغییرمکان قائم گره در حالت حذف ستون میانی و گوشه برخالف دو قاب دیگر زیاد  است.

حذف ستون گوشه در طبقات بالا |طبقه زیرین بام| به دلیل عدم وجود مسیر جایگزین برای انتقال بار ستون محذوف واکنش سازه ای شدیدتری در پی خواهد داشت این پدیده در شکل7 -پ مشهود  است.

در شکل 8 -الف مشاهده میشود که درصورتی که اندازه دهانه ها یکسان باشد تفاوت چندانی در واکنش سازه به حذف ستون گوشه، میانی و مرکزی وجود ندارد اما زمانی که دهانهای بزرگتر از دیگری باشد با حذف ستون آن دهانه واکنش سازه ای شدیدتر خواهد بود؛ همانطور که در شکل8 -ب مشهود  است حذف ستون مرکزی طبقه اول که به دهانه های کوچک نزدیک  است تغییرمکان قائم کمتری ایجاد میکند.

با توجه به شکل9 میزان افزایش نیروی محوری ستون مجاور المان محذوف با افزایش تعداد دهانه ها و بالا رفتن افزونگی سازه افزایش می یابد در قاب 3دهانه نسبت نیروی محوری بیشینه به نیروی محوری قبل از حذف ستون گوشه برابر 45.1و برای دو قاب 4 دهانه منظم و نامنظم به ترتیب 6.1 و 86.1  است.

در جدول 2 نسبت بیشینه نیروی محوری به نیروی محوری المان مجاور ستون محذوف قبل از حذف المان برای هر سه قاب و دو حالت حذف ستون گوشه و میانی نشان داده شده  است

در قاب های مطالعاتی ستون های داخلی به نسبت ستونهای گوشه سهم بیشتری از نیروی محوری دارند در نتیجه با حذف ناگهانی ستون میانی، المان های باقی مانده نیروهای داخلی بزرگی را متحمل میشوند اما توجه به این نکته ضروری  است که مسیرهای جایگزین برای انتقال بار در حالت حذف ستون میانی بیشتر خواهد بود به عبارتی سازه در این حالت در برابر خرابی مقاومتر  است.

با توجه به جدول 3 حذف ستون گوشه دوران بیشتری برای تیر متصل به المان محذوف ایجاد میکند که علت آن کم بودن مسیرهای جایگزین انتقال بار  است. شایان ذکر  است که با  استفاده از اطالعات جدول 2 و 3 میتوان دریافت که حذف کدام ستون حالت بحرانی تری برای سازه ایجاد میکند.

همچنین میتوان موقعیت آسیب بعدی سازه را مشخص کرد این اطالعات میتواند در طراحی سازه در برابر خرابی پیش رونده مفید واقع شود

4.نتیجه گیری

در پژوهش حاضر سه قاب بتن مسلح با  استفاده از روش مسیر بار جایگزین و تحلیل دینامیکی غیرخطی تاریخچه زمانی مورد ارزیابی قرار گرفتند، نتایج تحلیل به صورت زیر  است

1. حذف ستون گوشه در تمام طبقات حالتی بحرانی از خرابی پیش رونده است چرا که مسیرهای جایگزین برای انتقال اضافه بار ناشی از حذف المان نسبت به حذف المان های میانی کمتر  است
2. دوران تیرهای متصل به المان محذوف در حالت حذف ستون گوشه بیشتر از حالت حذف ستون میانی است.
3. حذف ستون میانی در تمام طبقات نسبت نیروی محوری بزرگتری نسبت به حذف ستون گوشه ایجاد میکند.
4. در طبقات بالاتر مقادیر تغییرمکان و دوران بزرگ را میتوان ناشی از مسیرهای بار جایگزین کمتر نسبت به طبقات پایینتر دانست
5. با مقایسه قاب 3 و 4 دهانه با آرایش پالن منظم میتوان دریافت که قاب 3 دهانه در برابر خرابی پیش رونده آسیب پذیرتر است. در نتیجه با افزایش تعداد دهانه ها و درجه نامعینی، سازه در برابر خرابی مقاوم میشود.
6. بررسی تغییرمکان و دوران قاب نامنظم نشان میدهد که وجود ناهماهنگی در توزیع اضافه بار ناشی از حذف المان مقاومت سازه در برابر خرابی را بهشدت کاهش میدهد
7. در قاب 4 دهانه نامنظم حذف المان در دهانه های کوچکتر خسارت کمتری به سازه وارد میکند. بنابر این در بحث خرابی پیش رونده ابعاد دهانه ها از اهمیت بالایی برخوردارند.

محقق و نویسنده: مهسا تعاونی طارمسری

دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی عمران دانشگاه خوارزمی، ir.ac.khu@taavoni_std