خرابی پیش‌رونده را می‌توان به عنوان یک واکنش زنجیره‌ای یا انتشار خرابی تعریف کرد که در آن تحت عللی خاص، صدمه موضعی در ناحیه نسبتاً کوچکی از سازه رخ می‌دهد و در شرایطی این صدمه موضعی، به بخش‌های دیگری از سازه گسترش‌یافته و در نهایت به خرابی کلی سازه، منتهی می‌شود؛ به عبارت دیگر بعضی مواقع خرابی محلی عضو، به صورت موضعی باقی نمانده و در کل سازه منتشر می‌شود]12[.

خطرات احتمالي و بارهاي غيرعادي كه می‌تواند موجب خرابی پیش‌رونده شود، شامل اين موارد می‌باشند: خطاي طراحي يا ساخت، آتش‌سوزی، انفجار گازها، اضافه‌بار تصادفي، تصادف وسايل نقليه، انفجار بمب‌ها و غيره. چون احتمال وقوع اين خطرات كم است، در طراحي سازه‌ای آن‌ها را در نظر نمی‌گیرند يا با اندازه‌گیری‌های غیرمستقیم به آن‌ها می‌پردازند. اكثر آن‌ها ويژگي كنش طي مدت زمان نسبتاً كوتاه را دارند و به پاسخ‌های ديناميكي مي‌انجامند]13[.

خرابی پیش‌رونده در ابتدا توجه محققين را در دهه 70 ميلادي، پس از گسيختگي جزئي برجي در رونان پوينت انگلستان به خود جلب كرد. پس از حملات تروريستي مركز تجارت جهاني در 11 سپتامبر 2001، علاقه مجدد به بررسي گسيختگي پیش‌رونده ايجاد گرديد.

فلسفه فعلی اکثر آیین‌نامه‌های موجود ساختماني، طراحي سازه‌ها براي بارهای قابل قبولی است كه ممكن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازه‌ها را معمولاً براي حوادث غیرطبیعی كه می‌توانند موجب خرابی‌های فاجعه‌آمیز شوند طراحي نمی‌کنند. اكثر آیین‌نامه‌های رايج فقط داراي توصیه‌های كلي براي تعديل تأثیر پیش‌رونده در سازه‌هایی هستند كه فراتر از بارهاي طراحی‌شان بارگذاري می‌شوند]14[.

 

 

 

 

2-2- تاریخچه‌ای از خرابی پیش‌رونده

 

با توجه به تاریخچه تخریب ناگهانی سازه‌های مهم و بلندمرتبه در جهان ، مشاهده می شود که عامل فروپاشی بسیاری از آن‌ها، تخریب جزئی قسمتی از سازه بر اثر یک حادثه همچون انفجار، برخورد هواپیما و… و گسترش آن به تمام سازه بوده است. شباهتی که تمام این فروپاشی‌ها باهم داشته این است که جزئی از سازه تحت نوعی بارگذاری قرارگرفته که در مرحله طراحی، توسط طراح سازه قابل پیش‌بینی نبوده است. در ادامه به نمونه‌هایی از خرابی‌های پیش‌رونده که وقوع آن‌ها سبب پیشرفت تصحیح و تألیف آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌های سازه‌ای زمان خود شده است، اشاره می‌شود.

 

 

1- تخریب ساختمان رونان پوینت

 

می‌توان گفت که تاریخچه مساله فروپاشی پیش‌رونده به عنوان یک معضل مهندسی، ریشه در تخریب ساختمان رونان پوینت در سال 1968 دارد.

رونان پوینت یک ساختمان جدید 22 طبقه بود که از پانل‌های باربر پیش‌ساخته‌ای که توسط پیچ به یکدیگر متصل می‌شدند، تشکیل می‌شد. کمی پس از اسکان ساکنین در ساختمان، در اثر انفجار گاز طبیعی در طبقه 18 تنها یکی از پانل‌های دیوار باربر در آن طبقه تخریب گردید. این تخریب منجر به از دست رفتن تکیه‌گاه سقف بالای آن و متعاقباً باعث ریزش سقف‌های فوقانی بر روی کف طبقات تحتانی در قالب یک تخریب پیش‌رونده گردید و تا تراز پایین ساختمان ادامه یافت]9[.

در شکل )2-1) پلان این ساختمان و خرابی اتفاق افتاده در آن مشاهده می شود.

 

 

 

 

 

 

شکل )2-1): محل شروع فروپاشی پیش‌رونده در ساختمان رونان پوینت – لندن ]15[

 

این واقعه منجر به ایجاد تغییرات مهمی در قوانین ساختمانی انگلستان گردید. پس از آن طبق مقررات ساختمانی انگلستان، اعضای سازه‌ای می‌بایست به حد کافی به یکدیگر کلاف می‌شدند و اعضایی که در پایداری سازه نقش بحرانی داشتند می‌بایست برای مقاومت در برابر فشار مضاعف انفجار ناشی از احتراق گاز طبیعی طراحی می‌گردیدند. این فشار معادل ²N/m 34000 و به صورت استاتیکی فرض می‌شد]15[.

 

2- فروپاشی ساختمان 16 طبقه در بستون1  

 

در 25 ژانویه سال 1971 حدود دو سوم از یک آپارتمان 16 طبقه در حال ساخت در بستون فروریخت و 4 نفر در اثر این تخریب جان باختند. این ساختمان که بیش از 6 سال در حال ساخت و تکمیل بود، تنها در چند دقیقه فروریخت. مطالعات ثانویه نشان داد که در اثر سقوط یکی از تجهیزات در حال نصب از جرثقیل حامل آن همان طور که در شکل )2-2)مشاهده می‌کنید، سقف پشت‌بام فروریخته و باعث شروع خرابی پیش‌رونده گردیده است.

 

 

 

شکل )2-2): فروپاشی ساختمان در بستون ]16[

 

کمیته بررسی مشخص کرد که ساختمان دارای نقایص مختلفی در محاسبات و اجرا بوده که مهم‌ترین آن، کمبود شمع در زیر دال سقف بام و مقاومت پایین بتن سقف بوده است. همچنین کمیته مشخص کرد که در طراحی، حداقل ضخامت دال سقف رعایت نشده است]16[.

 

 

 

 

1 Boston

3- فروپاشی سقف استادیوم های ورزشی هارتفورد1 و کاناس سیتی2             

 

در سال 1978 سقف استادیوم ورزشی هارتفورد که یک خر پای فضایی فلزی با دهانه‌های 110 و 95 متر بود، به دلیل ترکیب برف و باران با باری حدود 814 پاسکال که البته زیر 60 درصد بار طراحی بود، به طور کامل فروریخت (شکل 2-3). علت این فروپاشی تخریب کمانشی اعضای فشاری قوس سقف به دلیل طراحی غلط و گسترش این مکانیسم به صورت افقی در سقف بود[17].

 

 

شکل )2-3): فروپاشی سقف استادیوم ورزشی هارتفورد]17[

 

در سال 1979 پس از حادثه‌ی هارتفورد، بخش اعظم سقف استادیوم ورزشی شهر کاناس سیتی در ایالت میسوری3 به دلیل ترکیب باد و باران فروریخت(شکل 2-(4. این دو حادثه تأسف‌بار، باعث گردید تا تحقیقات وسیعی در این زمینه انجام شود. نکته حائز اهمیت این بود که هر دو سازه از آیین‌نامه‌های زمان خود پیروی کرده بودند و کیفیت ساخت مناسبی داشتند. به همین دلیل می‌بایست عوامل این نوع فروپاشی بررسی‌شده و آیین‌نامه‌های سازه‌ای مورد بازبینی قرار می‌گرفتند[17].

 

  1 Hartford

2 Kanas City

3 Missoury

 

 

 

شکل )2-4): فروپاشی سقف استادیوم ورزشی در ایالت میسوری ]17[

 

از این دو واقعه به بعد کتاب‌های زیادی در مورد گسیختگی و تخریب سازه‌ها تألیف شد و تحقیقات زیادی انجام گرفت. در صدر این مو لفان، انجمن مهندسین خاک و پی آمریکا و انجمن بتن امریکا (ACI)1 قرار دارند. این تحقیقات کمک شایانی به پیشرفت و تصحیح آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌های سازه‌ای زمان خود کرد که اثر آن در کاهش چشمگیر این نوع گسیختگی‌ها در سال‌های بعد مشهود است ]17[.

 

 

4- فروپاشی ساختمان فدرال در اوکلاهاما 2

 

در حادثه دیگری در سال 1995 بر اثر انفجار یک بمب قوی در داخل ماشینی نزدیک به ساختمان فدرال آلفرد مورا3 تقریباً نصف ساختمان در اثر فروپاشی پیش‌رونده فروریخت. این حادثه از این جهت اهمیت داشت که تخریب اولیه ناشی از بار انفجار قابل‌ملاحظه نبوده و در حد تخریب چند ستون محدود است. ولی تخریب عمده سازه نه به دلیل انفجار، بلکه به دلیل بیش بارگذاری اعضا پس از انفجار بوده است.

American Concrete Institute    1

  2  Oklahoma

  3  Alfred Murrah

 

به عبارتی پس از تخریب ناشی از انفجار، سازه در حالت پایداری قرار نداشته است و به سرعت فرو ریخته است]9.[

نمای این ساختمان، قبل و بعد از خرابی را در شکل (2-5) می‌توان مشاهده نمود.

 

 

 

شکل )2-5): فروپاشی ساختمان فدرال آلفرد مورا]18[

 

 

5- فروپاشی برج‌های مرکز تجارت جهانی1

 

تأسف‌انگیزترین واقعه از مکانیسم فروپاشی پیش‌رونده سازه‌های بلند، در 11 سپتامبر 2001 و در شهر نیویورک رخ داد. در این روز دو برج 101 طبقه بر اثر برخورد دو هواپیمای مسافربری به طور کامل تخریب شدند.

 

 

شکل )2-6): فروپاشی پیش‌رونده در برج‌های تجارت جهانی نیویورک ]19[

 

  1  WTC (World Trade Center)

 

جالب توجه است که این برج‌ها، برای برخورد احتمالی هواپیما نیز طراحی‌شده بودند. ولی در آن زمان بزرگ‌ترین هواپیمای مسافربری، بوئینگ 707 بوده است که حدود 336000 پوند وزن و نزدیک به 23000 گالن ظرفیت بنزین داشته است. حال آنکه در 11 سپتامبر این برج‌ها مورد اصابت هواپیمای بوئینگ 767 قرار گرفتند که حدود 395000 پوند وزن و دارای ظرفیت حمل بنزین 24000 گالن بوده است [19].

همان طور که مشهود است پیش‌بینی رشد تکنولوژی کاری دشوار و گاهی غیرقابل دستیابی می‌باشد. اینجاست که پیشرفت سریع تکنولوژی به عاملی خلاف جهت اطمینان مهندس طراح تبدیل می‌گردد.

در این حادثه 2830 نفر جان‌باخته و همچنین 10 ساختمان مجاور این دو برج، دچار خرابی کلی و جزئی شدند که ضعف این سازه‌ها را در هنگام رویارویی با بارگذاری غیرعادی و پیش‌بینی‌نشده نشان می‌دهد.

ساختمان بنکر تراست1 در مجاورت برج تجارت جهانی قرار داشت که در اثر ضربات مخروبه‌های ناشی از فروپاشی، دچار خرابی زیادی در نمای ساختمان شد(شکل 2-7)؛ اما این سازه توانست در مقابل فروپاشی کلی مقاومت کند]19[.

 

 

شکل )2-7): ساختمان بنکر تراست [19]

 

  1  Bankers Trust

 

6- پدیده فروپاشی پیش‌رونده در ایران

 

مطالبی که در قسمت قبل ارائه شد توضیحی بود در مورد یک نوع مکانسیم خرابی سازه‌ها که در آن میزان تخریب بسیار فراتر از اثر عامل پدیدآورنده آن بوده است. همچنین مثال‌هایی دراین‌باره ذکر گردید و عملکرد نهادهای مرتبط و مسئول در این کشورها به این موضوع ارائه شده است.

در عصر کنونی، به یاری پیشرفت‌های تکنولوژی علم مهندسی سازه با سرعت زیادی در حال گسترش است که حاصل آن ساختمان‌هایی سبک تر، بادوام بیشتر و پیچیدگی‌های معماری افزون تر از پیش می‌باشد. علیرغم نیاز ایران به عنوان یک کشور در حال توسعه به چنین سازه‌هایی در آینده‌ی نزدیک، هنوز ضعف تحقیقات سازه در کشور محسوس است. اهمیت این موضوع با توجه به کیفیت نامناسب اجرای اکثر ساختمان‌ها و استفاده از روش‌های اجرای قدیمی ساختمان‌سازی در ایران، دو چندان می‌شود. به عنوان مثال می‌توان به فاجعه فروریختن ساختمان هفت‌طبقه سعادت‌آباد تهران (شکل 2-8) اشاره کرد که در آن 17 نفر جان باختند ]5[.

 

شکل )2-8): فروپاشی پیش‌رونده در ساختمان هفت‌طبقه سعادت‌آباد- تهران  ]5[

 

 

 

2-3 بررسی استانداردهای مرتبط با خرابی پیش‌رونده:

 

از مهم‌ترین آئین نامه‌های طراحی که پدیده خرابی پیش‌رونده را مورد بررسی قرار می‌دهند می‌توان از استاندارد انگلیسی ((BS1، آئین نامه ساختمان ملی کانادا (NBCC)2 استاندارد اروپایی3 (CEN)، انجمن مهندسین عمران آمریکا (ASCE)4 کمیته ایمنی (ISC)5، دپارتمان دفاعی (DOD)6، معیارهای تسهیلات متحد (UFC)7 اداره سرویس‌های عمومی امریکا(GSA)8، نام برد]20[.

در ادامه مقایسه جامعی از مقررات مربوط به خرابی پیش‌رونده در آئین نامه‌های معتبر بین‌المللی ساختمانی در زمینه‌های تعریف خرابی پیش‌رونده و خرابی موضعی، موارد کاربرد الزامات مرتبط با خرابی پیش‌رونده و روش‌های کلی بررسی پدیده خرابی پیش‌رونده همچنین نحوه بارگذاری ارائه شده است.

 

 

2-3-1- تعریف خرابی پیش‌رونده و خرابی موضعی:

 

با استفاده از پدیده دومینو9 می‌توان پیش‌روندگی خرابی را به وضوح نشان داد. شکل(2-1) ‏تعدادی کارت با ارتفاع L‏ را نشان می‌دهد که به فاصله λ از همدیگر قرارگرفته‌اند.

 

 

 

 

  1 British standard

  2  National Building Code of Canada

  3  Comité European de Normalization

  4  American Society of Civil Engineers

  5  Interagency Security Committee

  6  Department Of Defense

  7  Unified Facilities Criteria

  8 General Services Administration

  9 Domino

 

 

 

شکل (2-9): کارت‌ها به ارتفاع L و به فاصلهλ  از یکدیگر[20]

 

فرض می‌کنیم یکی از کارت‌ها در اثر ضربه پایداری خود را از دست داده و خراب شود. وضعیت کارت‌های دیگر را بعد از این خرابی می‌توان در دو حالت بررسی کرد:

حالت اول L≥:λ‏ یعنی وقتی که فاصله کارت‌ها از ارتفاعشان کمتر است. این وضعیت در شکل (2-2) نشان داده شده است. در این حالت ناپایداری کارت اولی باعث گسترش ناپایداری به صورت پیش‌رونده به تمام کارت‌های دیگر خواهد شد وخرابی به صورت پیش‌رونده رخ خواهد داد.

 

 

 

شکل (2-10): حالت اول L λ[20]

 

حالت دوم Lλ ‏: یعنی وقتی که فاصله کارت‌ها، از ارتفاعشان بیشتر است. همان طوری که در شکل (2-3) مشاهده ‏می‌شود، در این حالت ناپایداری اولیه به صورت موضعی در محل شروع خرابی باقی‌مانده و انتشاری واقع نمی‌شود.

 

 

                        

شکل (2-11): حالت دوم L λ [20]

 

هر یک از آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی مرتبط با خرابی پیش‌رونده، تعریف جداگانه‌ای از این پدیده و خرابی موضعی ارائه می‌دهند که در ادامه به آن اشاره می‌شود:

انجمن مهندسین عمران آمریکا خرابی پیش‌رونده را به صورت گسترش خرابي موضعي اوليه از عضوي به عضو ديگر كه سرانجام به گسيختگي تمام سازه يا قسمت بزرگي از آن می‌انجامد، تعريف می‌کند. در صورتی که آسیب به 15 تا 20 درصد طبقه یا مساحت سقف و یا m2100محدود شود و یا کل آسیب به طبقات مجاور و یا به یک دهانه محدود گردد به عنوان آسیب موضعی تلقی می‌شود]8[.

استانداردهای انگلیسی از کلمه‌ پیش‌رونده استفاده نمی‌کنند اما در عوض از اصطلاح  «خرابی سازه‌ای نامتناسب با علت اولیه» بهره می‌گیرند. خرابی موضعی به %15 طبقه یا مساحت کف؛ یاm2 100 هر کدام که کمتر باشد، محدود می‌شود]20[.

 

تعریف آئین نامه GSA از خرابی پیش‌رونده وضعیتی است که خرابی عضوی منجر به خرابی اعضا متصل شده می‌گردد، بطوریکه خسارت کلی با علت اولیه نامتناسب است. محدوده خرابی مجاز برای ملاحظات بیرونی باید به دو مورد محدود گردد:

الف – دهانه‌های سازه‌ای که مستقیم با عضو حذف‌شده در ارتباط‌اند و دقیقاً یک طبقه بالاتر از عضو عمودي حذف‌شده قرار دارند.

ب- 1800 فوت مربع 167) مترمربع (در تراز طبقه‌ای که مستقیماً بالاي عضو عمودي حذف‌شده قرار دارد.

بین این دو، مساحت کوچک‌تر به عنوان محدوده مجاز انتخاب می‌شود.

برای ملاحظات داخلی، محدوده خرابی باید به موارد زیر محدود گردد:

الف- دهانه‌های سازه‌ای که مستقیماً با عضو عمودي حذف‌شده در ارتباط‌اند.

ب- 3600 فوت مربع  334) مترمربع ( در تراز طبقه‌ای که مستقیماً بالاي عضو عمودي حذف‌شده قرار دارد.

بین این دو، مساحت کوچک‌تر به عنوان محدوده مجاز انتخاب می‌شود]21[.

در آئین نامه‌هایDOD و UFC، تحت خرابی پیش‌رونده مساحت خرابی طبقه‌ای که مستقیماً بالای عضو خارجی آسیب‌دیده قرار دارد باید کمتر از m2 70 یا% 15 (هر کدام کمتر) باشد و طبقه‌ای که مستقیماً زیر عضو حذف‌شده قرار دارد نباید تخریب گردد و مساحت خرابی طبقه‌ای که مستقیماً بالای عضو داخلی آسیب‌دیده قرار دارد باید کمتر از m2140 یا %30 مساحت کل طبقه باشد و طبقه‌ای که مستقیماً زیر عضو حذف‌شده قرار دارد نباید تخریب گردد]22[.

در آئین نامه ساختمانی ملی کانادا (NBCC)، خرابی پیش‌رونده پدیده‌ای است که در آن گسترش و انتشار یک تخریب موضعی از یک عضو به عضو دیگر صورت می‌گیرد و منجر به خرابی سازه می‌گردد که نامتناسب با علت اولیه یا خسارت موضعی اولیه می‌باشد. همچنین این آیین‌نامه در طراحی عبارت “بی‌عیب بودن” برای همه ساختمان‌ها را به کار می‌برد. بی‌عیب بودن این‌گونه تعریف شده است: «توانایی ساختمان برای جذب خرابی موضعی بدون گسترش فراگیرآن»]20[.