خرابی پیش رونده

خرابی پیش رونده (progressive destruction)

ایمنی سازه مهم ترین فاکتور در طراحی پروژه های مهندسی است. یکی از مکانیزم های خرابی سازه که اخیرا مورد توجه طراحان و مهندسان قرار گرفته، خرابی پیش رونده است. مسئله ی مهمی که در خرابی پیش رونده با آن مواجه هستیم، بروز مشکلات جدی بر اساس آیین نامه های اخیر طراحی است. و مواردی مشاهده شده  که خرابی پیش رونده منجر به انهدام کل سازه شده است. هر گونه ضعف و اشکال در سازه ها ممکن است باعث بوجود آمدن پدیده ی خرابی پیش رونده در حین بارگذاری انفجار یا لرزه ای شود. امروزه در مباحث مقاوم سازی ضرورت هرچه بیشتر مطالعه و بررسی خرابی پیش رونده احساس می شود.

خرابی پیش رونده به عنوان یک پدیده مهم در حیطه سازه های مهندسی عمران در حال رشد است که به صورت خرابی تمام یا بخش وسیعی از یک سازه بر اثر شکست ایجاد شده در بخش کوچکی که توسط بارهای غیرعادی ایجاد می­ شود تعریف می گردد عوامل زیادی مانند آتش­ سوزی، برخورد وسایل نقلیه، خطاهای ناشی از ساخت و ساز، همچنین انفجار ناشی از گاز یا حملات تروریستی منابع اصلی بارگذاری غیرعادی محسوب می­ شوند.

 

انواع مختلف خرابی پیشرونده

1- خرابی پن کیکی

مهم ترین پروتوتایپ برای این نوع، خرابی برج‌های تجارت جهانی می­ باشد. برخورد هواپیماها و آتش­ سوزی متعاقب آن باعث ایجاد خرابی­ های موضعی در محل اصابت شد و به دنبال آن کاهش باربری عمودی اتفاق افتاد (شکل 1). در پی این کاهش باربری، بار اضافی بین مقاطع باربر سالم برج تقسیم شد. در هنگام خرابی طبقات بالاتر شروع به سقوط کرده و انرژی جنبشی آنها به صورت تجمعی زیاد شد. با برخورد طبقات خراب شده که انرژی جنبشی افزاینده ای را دارا بودند به طبقات سالم، و ایجاد نیروهایی بیش از مقاومت آنها خرابی تشدید شده و انرژی جنبشی افزایش یافت. خرابی به همین صورت پیش رفت و در نهایت باعث خرابی کلی سازه شد.

 

 

این نوع خرابی بصورت کلی زیر است:

• • خرابی اولیه المان­های باربر عمودی یا از بین رفتن خاصیت باربری عمودی المان­ه
  • جدایی جزئی و کلی المان و سقوط آن، بصورت حرکت جسم صلب در راستای قائم
  • تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی
  • اصابت اعضای جداشده و خراب شده بر روی باقی سازه
  • از بین رفتن خاصیت باربری المان­های دیگر بر اثر اصابت
  • پیشروی خرابی در جهت قائم

   

  خرابی زیپی (Pancake – type)

  بر اساس آیین ­نامه­ های طراحی پل­ های معلق، با پاره شدن یک کابل سازه نباید پایداری خود را از دست بدهد. در این مواقع نباید خرابی یک کابل و اضافه بار آن بر روی کابل ­های مجاور باعث پاره شدن آن ها شود. درصورتی که طراحی درست صورت نگرفته باشد این مساله باعث پارگی کابل­ های دیگر و ایجاد خرابی پیشرونده می­ شود. البته این نوع خرابی برای دیوارهای حائل مهار شده نیز می­ تواند اتفاق بیفتد.

 

مشخصات این نوع خرابی:

• خرابی اولیه یک یا تعداد کمی از اجزای سازه
• بازپخش نیروها
• بارگذاری ضربه­ای بر اثر پارگی ناگهانی اولیه
• پاسخ دینامیکی باقی سازه به بارگذاری ضربه­ای
• ترکیب بارهای استاتیکی و دینامیکی در المان­های باربر مجاور المان آسیب­دیده و پخش بارها
• پیشروی خرابی

 

خرابی دومینویی(Domino – type)

مکانیسم این نوع خرابی به صورت زیر می­ باشد:

• واژگونی اولیه یک المان
• افتادن المان به صورت حرکت زاویه ای جسم صلب حول یک گوشه از جسم
• تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی
• ضربه جانبی گوشه بالای المان به المان مجاور که ترکیبی از نیروهای استاتیکی و دینامیکی را ایجاد میکند.
• پیش رفتن خرابی در جهت واژگونی

 

خرابی مقطع

یک تیر تحت خمش یا آرماتور تحت نیروی محوری کششی را در نظر بگیرید. وقتی قسمتی از مقطع می برد نیرو بین باقی سطح مقطع پخش می­ شود. بر این اساس افزایش نیروی مقطع می ­تواند باعث گسیختگی مقطع شود. این نوع خرابی تقریبا شبیه خرابی زیپی است. بر اساس مکانیک شکست، تنش ­ها در اطراف ترک با کمترشدن فاصله به سمت بینهایت میل می­ کنند. البته در سیستم سازه­ ای المان­ ها از هم فاصله دارند و فواصلشان صفر نیست. ولی با این حال تمرکز نیرو در اعضای مجاور عضو آسیب دیده وجود دارد.

 

خرابی به علت ناپایداری

به طور معمول سازه­ ها طوری طراحی می­ شوند که ناپایدار نشوند. شکست المان­ های مهاربندی می ­تواند باعث ناپایداری سازه و ایجاد خرابی شود. این حالت می ­تواند در خرپا یا تیر سازه ­هایی اتفاق بیفتد که المان ­های مهاربندی که برای پایداری المان ­های فشاری بکار می­روند دچار شکست شوند. حالت دیگر، خرابی پلیت سخت­ کننده است که باعث ناپایداری موضعی و در نهایت منجر به خرابی کلی می ­شود. در این حالت یک اتفاق کوچک منجر به خرابی گسترده می­ شود. البته کمانش ستون نیز می­ تواند باعث ناپایداری کلی سازه شود و در پی آن خرابی کل سازه اتفاق بیفتد.

 

این نوع خرابی به صورت زیر پیش می­ رود:

• خرابی اولیه در اعضای مهاربندی المان­های باربر فشاری
• ناپایداری عضو فشاری
• شکست ناگهانی این عضو تحت کوچکترین تحریک
• گسترش خرابی

خرابی ترکیبی

خرابی­ های پیشرونده­ ای که تاکنون پیش افتاده کاملا بر یکی از گونه­ های گفته شده منطبق نیست. در بسیاری از موارد خرابی ترکیبی از چند حالت مختلف خرابی است.

انواع تحلیل­ های خرابی پیشرونده

در اداره سرویس ­های عمومی ایالات متحده (GSA) [اداره سرویس ­های عمومی، 2003]، اطلاعات دقیق و راهنمایی­ هایی در رابطه با متدلوژی مقاومت در برابر خرابی پیشرونده سازه­ های ساختمانی تهیه شده است. در میان دیدگاه­ های متفاوت برای طراحی سازه­ ها در برابر خرابی پیش رونده، راهنمایی­ های عمومی روش مسیرفرعی پیشنهاد شده است. در این رویکرد، سازه به ­گونه ­ای طراحی می ­شود که اگر یکی از مولفه ­ها دچار شکست شد، راه­ های فرعی برای بار در دسترس باشد و خرابی کلی اتفاق نیفتد. این رویکرد از نظر سادگی و صراحت مفید است. در رایج­ ترین کاربرد، طراحی برای تکرار پذیری نیازمند این است که سازه ساختمانی قادر به تحمل حذف هر یک از ستون ­ها بدون فروریختگی باشد[کیم و همکاران، 2009].

 

فرایند آنالیز توسط این رهنمود ها برای روش مسیرفرعی، روش های استاتیکی الاستیک خطی (LS) و دینامیک خطی (LD)، استاتیک غیرخطی (NS) و دینامیک غیرخطی (ND) پیشنهاد شده است.

گسیختگی پیش رونده در ابتدا توجه محققین را در دهه 70 میلادی، پس از گسیختگی بخشی از برجی در رونان پوینت  انگلستان به خود جلب کرد (شکل 2). آپارتمان مذکور از یک ساختمان 22 طبقه ساخته شده از پانل­ های پیش­ ساخته از کف و دیوار باربر غیرمسلح بود. در 16مه 1968، انفجار گاز در نزدیکی یکی از گوشه ­های ساختمان در طبقه 18 رخ داد. این انفجار دیوار غیرباربر جلویی و دیوار باربر کناری را منفجر کرد و بنابراین تکیه ­گاه طبقات بالا را از بین برد. پس از حملات تروریستی مرکز تجارت جهانی  و پنتاگون  در 11 دسامبر 2001، علاقه مجدد به بررسی گسیختگی پیشرونده ایجاد گردید.

 

 

پس از حادثه ساختمان رونان برخی کشور ها نظیر بریتانیا و کانادا استاندارد هایی برای جلوگیری از خرابی پیش رونده، تنظیم نمودند. در سال 1976 دستورالعمل های ساختمانی بریتانیا الزام نمود ساختمان ها طوری طراحی شوند که خرابی های نامتناسب را با یکپارچه کردن اعضای سازه ­ای، افزودن درجه نامعینی و فراهم کردن مقاومت کافی برای مقابله با بارهای غیرعادی، تحمل کرده و در برابر آن مقاومت کنند. این الزامات به منظور ساخت و سازه­ های مقاوم، شکل­ پذیر و با توانایی بازتوزیع بارهای وارده تنظیم گردید.

 

تحقیقات انجام شده در زمینه ی خرابی پیش رونده:

از تحقیقاتی که در زمینه ضریب تصحیح دینامیکی سازه ها تحت خرابی پیشرونده صورت گرفته مربوط به مقاله مین لیو (2013) می باشد. در این تحقیق سعی شده است تا با استفاده از مدل سازی عددی بین نسبت لنگر بدون ضریب اعضا تحت بارهای ناشی از وزن به لنگر مقاوم نهایی عضو یک منحنی برای تخمین ضریب تصحیح دینامیکی ارائه دهد. ازدین (2008) یک چهارچوب ساده برای ارزیابی خرابی پیشرونده ساختمان های چند طبقه که در معرض حذف ناگهانی ستون در سناریو طراحی بودند ارائه داد. در این روش پاسخ غیر خطی استاتیکی و اثرات دینامیکی محاسبه شده مورد تحلیل قرار می گیرند. او یک روش برای ارزیابی نیرومندی ساختمان در سطوح مختلف ارائه داد[1].

هارتاتو و ویبورو (2009) نشان دادند که خرابی پیشرونده تحت زلزله نیز محتمل است بنابراین فقط به بارهای ثقلی و بار انفجار محدود نمی شود. در ادامه ویبورو و لیو بر روی اثرات لرزه ای بر رفتار خرابی پیشرونده سازه متمرکز شدند. آن ها نتیجه گرفتند که خرابی پیشرونده ناشی از حرکات لرزه ای با اصلاح روش های فعلی می تواند مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد[2].

توکلی و رشیدی الشتی (2012) سیستم سازه ای فولادی MRF را که بر اساس آیین نامه لرزه ای طراحی شده بود را برای مقاومت در برابر حذف ستون در موقعیت های مختلف و تاثیر آن در خرابی پیشرونده را مورد بررسی قرار دادند. بر اساس مطالعات انجام شده به این نتیجه رسیدند که هر چه تعداد دهانه ها و طبقات افزایش یابد مقاومت سازه در برابر خرابی پیشرونده بر اثر بارهای جانبی افزایش می یابد[2].

پتانسیل خرابی پیشرونده اساسا وابسته به موقعیت حذف ستون است و حذف ناگهانی ستون پاسخ کلی سازه را در بارگذاری انفجار خارجی مورد تاثیر قرار می دهد. در ساختمان های قاب خمشی حذف ستون گوشه باعث خرابی بیشتری می شود و در ساختمان های دارای مهاربند، حذف ستونی که دارای مهاربند است خرابی بیشتری را ایجاد می کند. با توجه به وابستگی پتانسیل خرابی پیشرونده به محل خرابی موضعی در این پژوهش به بررسی نقش نامنظمی در پلان در پتانسیل خرابی کل سازه پرداخته شده است.

کیم و پارک (2008) طراحی پلاستیک را روی یک قاب خمشی 3 طبقه با 3 دهانه برای جلوگیری از خرابی پیشرونده انجام دادند. به این ترتیب یکی ازستون های داخلی حذف شده و با تعیین گشتاور پلاستیک تیر و بدست آوردن میزان چرخش برای تیرها در دهانه ای که خرابی اتفاق می افتد مقاطع اعضای سازه ای بدست آمدند. [1]

ایرانی و همکاران با مساوی قرار دادن کار انجام شده توسط بار خارجی با سطح زیر منحنی بار – تغییر مکان تیر های موجود در دهانه شامل ستون حذف شده ، به رابطه سازی یک روش تقریبی برای تحلیل خرابی پیشرونده قاب های فولادی و تغییر مکان نقطه بالای ستون حذف شده با استفاده از منحنی بار- تغییر مکان پرداختند[2].

اژدری مقدم و همکاران به بررسی ایجاد پتانسیل خرابی پیشرونده جهت تخریب کنترلی در سازه های فولادی قاب خمشی طراحی شده بر اساس استاندارد 2800 و مبحث دهم مقررات ملی و بررسی سطح عملکرد سازه ناشی از حذف ستون ها توسط تحلیل پوش عمودی و حذف مرحله ای دینامیکی اعضا در تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی پرداختند. عسگریان و همکاران، ستون های بحرانی و مهاربندی های مرتبط (در صورت وجود) را در یک سیستم قاب فولادی مهار بندی شده CBF به صورت همزمان از مدل عددی حذف کردند و توانایی سازه برای جبران این نقصان را مورد بررسی قرار دادند. نتایج تحلیل دینامیکی حاکی از آن است که حذف ستون های گوشه در ساختمان مهاربندی شده نسبت به حذف ستون های میانی حالت بحرانی تری است. همچنین نشان داده شد که برای اعضایی که نیروی محوری در آنها تعیین کننده می باشد، حذف ستون در طبقات پایین، حالت بحرانی تری را برای ساختمان پدید می آورد؛ اما در مورد لنگر خمشی عکس این موضوع صادق می باشد[2].

محاسبه گام به گام ضریب دینامیکی

منابع :

1. Administration, U.S.G.S., Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects. (GSA 2003): Washington, D.C.
2. Criteria, U.F., Design of buildings to resist progressive collapse. (UFC 2005), Dept. of Defense: Washington, D.C.
3. Fu, F., Progressive collapse analysis of high-rise building with 3-D finite element modeling method. Journal of Constructional Steel Research 2009. 65: p. 1269-1278.
4. Jinkoo Kim, T.K., Assessment of progressive collapse-resisting capacity of steel moment frames. Journal of Constructional Steel Research, 2009. 65: p. 169-179.
5. Khandelwal, K.,2008, Multi-scale computational simulation of progressive collapse of steel framesUniversity of Michigan