2-3-31بارهای غیرعادی

 

معمولاً ساختمان‌ها برای بارهای عادی نظیر مرده، زنده، باد و زلزله طراحی می‌شوند. با وجود این بارهای دیگری نیز وجود دارند که احتمال وقوع آن‌ها کم است. ولی در صورت اتفاق می‌توانند منجر به خرابی‌های وحشتناکی شوند. بارهای مذکور بارهای غیرعادی نامیده می‌شوند. بارهای غیرعادی در واقع بارهایی هستند که مقدار راستا و مدت زمان آن‌ها غیرقابل‌پیش‌بینی است. به عنوان مثال در بارگذاری انفجاری به عنوان یکی از بارهای غیرعادی، زمان اعمال بار بسیار کوتاه می‌باشد و معمولاً بر حسب میلی‌ثانیه (هزارم ثانیه) بیان می‌شود که این با زلزله و تندباد که بر حسب ثانیه بیان می‌شود و یا باد و سیل مداوم که بر حسب ساعت بیان می‌شود، متفاوت است[23].

در مواقعی نیز بارهای غیرعادی به صورت اضافه‌بار2 اتفاق می‌افتند. منظور از اضافه‌بار همان بارهای طراحی هستند با این تفاوت که در بعضی مواقع، با مقدار بیشتری از بارهای در نظر گرفته‌شده ظاهر می‌شوند. ‏

 

  1 Abnormal Loading

2 Overload

 

به عنوان مثال بار برف، مواقعی وجود دارد که به علت تغییرات جوی، مقدار بارش برف از مقدار در نظر گرفته‌شده در طراحی بیشتر می‌شود.

 

 

2-3-32 طبقه‌بندی بارهای غیرعادی]23[

 

‏1- تغییرات شدید در فشار هوا، نظیر:

انفجار بمب، انفجار گاز، انفجار مواد سوختی، انفجارت خارج ساختمان.

2- برخوردهای تصادفی، نظیر:

برخورد وسایل نقلیه موتوری با ساختمان، برخورد هواپیما با ساختمان.

3- بارهای غیرعادی ناشی از نشست‌های پیش‌بینی‌نشده

4- فشارهای غیرعادی ناشی از ایجاد گودال در زمین مجاور

و…

 

 

2-3-4– موارد کاربرد ملاحظات مرتبط با خرابی پیش‌رونده

 

استاندارد انگلیسی:

ساختمان‌های با 5 طبقه یا بیشتر نیازمند بررسی حذف عضو باربر یا پیش‌بینی بست و اتصالات مناسب یا هر دو می‌باشند]20[.

 

آئین نامه‌  DOD:

ساختمان‌هایی با 3 طبقه یا بیشتر نیازمند ملاحظاتی در برابر خرابی پیش‌رونده در زمینه تهدیدهای تروریستی می‌باشند .[22]

 

آئین نامه‌  اروپایی:

در این آئین نامه خرابی پیش‌رونده در چهار گروه بررسی می‌گردد:

گروه 1: این گروه شامل ساختمان‌های مسکونی با 3 طبقه یا کمتر می باشد و هیچ ملاحظاتی برای در نظر گرفتن این حوادث مورد نیاز نیست.

گروه 2: این گروه شامل ساختمان‌های مسکونی بین 3 تا 6 طبقه، ساختمان‌های اداری کمتر از 4 طبقه می‌باشد و هیچ ملاحظاتی فراتر از مقررات پایداری و مقاومت که در کد اروپایی ارائه شده است مورد نیاز نمی‌باشد.

گروه 3: ساختمان‌هایی با 10 طبقه یا کمتر که تحلیل ساده استاتیکی معادل بر اساس دستورالعمل‌های طراحی مربوطه ضروری است.

گروه 4: در ساختمان‌ها با بیش از 10 طبقه باید تحلیل دینامیکی غیرخطی انجام گیرد]20.[

 

آئین نامهGSA:

با لحاظ نمودن نوع کاربری ساختمان، سکونت مجاورت با وسایل نقلیه متحرک یا پارک شده، طراحی لرزه‌ای و ملاحظات مربوطه در نظر گرفته شود]21.[

 

 

2-3-5– روش‌های کلی بررسی پدیده خرابی پیش‌رونده [24 و 25 و 26]

 

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

 

  • روش کنترل حادثه1
  • روش طراحی غیرمستقیم2
  • روش طراحی مستقيم3

    1-5-3-2 روش کنترل حادثه:

 

در بعضی موارد احتمال خرابی به علت حوادث غيرعادی از قبيل انفجار گاز يا برخورد وسايل نقليه (شکل 12-2) را می‌توان با استفاده از روش‌های زير کاهش داد:

 

  1  Event Control Method

  2  Indirect Design Methods

  3  Direct Design Methods

 

  • حذف حادثه: به طور مثال به وسيله عدم استفاده از گاز يا عدم ذخيره مواد اشتعال زا.
  • حفاظت در برابر حادثه: به طور مثال با ايجاد حصار برای ستون‌ها و ديوارهايي که در معرض برخورد وسايل نقليه هستند.
  • و…

روش کنترل حادثه، چون مقاومت سازه را در مقابل خرابی پیش‌رونده افزايش نمی‌دهد و از طرفی به عواملی بستگی دارد که از کنترل طراح خارج می‌باشند، لذا کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد [25].

 

 

 

شکل (2-12): خرابی گوشه‌ای از ساختمان در اثر برخورد ماشین – نیویورک [17]

 

 

2-5-3-2روش طراحی غیرمستقیم:

 

در روش طراحی غیرمستقیم با مشخص کردن ترازهای مينيمم مقاومت، پيوستگی و شکل‌پذیری برای اتصالات، اعضا و مصالح، بر روی مقاومت سازه در مقابل خرابی پیش‌رونده تاکيد می‌شود. در این روش مقاومت سازه در برابر خرابی پیش‌رونده به صورت غیرمستقیم تأمین می‌گردد. به عنوان مثال با ایجاد درجات نامعینی بالاتر در سازه که به وسیله جزئیات مناسب بست و اتصالات، جا نمایی صحیح دیوارها و ستون‌ها و… انجام می‌گیرد تا ساختمان به صورت یکپارچه عمل کند که در این صورت انسجام کلی سازه افزایش می‌یابد]24و26[.

 

3-5-3-2روش طراحی مستقيم:

 

روش طراحی مستقيم به هنگام فرايند طراحی برای خرابی پیش‌رونده، به طور صريح بر روی مقاومت کل سازه تاکيد می‌کند.

دو روش طراحی مستقيم عبارت‌اند از:

 

الف) روش مقاوم‌سازی محلی ويژه1

ب) روش مسير جايگزين2

 

1-3-5-3-2روش مقاوم‌سازی محلی ويژه

 

در روش مقاوم‌سازی محلی ويژه مقاومت کافی برای ايستادگی در برابر حوادث در المان‌های بحرانی (يعنی المان‌هایی که از دست رفتن آن‌ها، عملکرد سازه باقيمانده را در معرض خطر قرار می‌دهد) فراهم می‌شود. این روش به روش طراحی اعضای کلیدی نیز معروف است.

به عبارت ديگر بعد از مشخص کردن المان‌های بحرانی، آن‌ها بايد به گونه‌ای طراحی شوند که سازه بتواند به طور کامل در برابر حوادث غیرعادی مقاومت کند.

  1 The Specific Local Resistance Method

  2 The Alternate Path Method

 

اين المان‌ها بايد مقاومت و سختی کافی برای ايستادگی در برابر بارهای غيرعادی را داشته باشند.

در اين روش، بايستی يک بار غيرعادی تعيين شود و همچنین معيارهای طراحی مورد استفاده در روش مقاوم‌سازی محلی ويژه، فقط بايد در طراحی المان‌های بحرانی به کار روند ]24 و 26 .[

 

روش مقاوم‌سازی محلی ويژه به علل زير کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد:

الف) اطلاعات کمی راجع به اثر ديناميکی بارهای غیرعادی موجود است.

ب) يک روش غيراقتصادی است.

پ) در اين روش به جای تاکيد بر مقاومت کل سازه، بر مقاومت المان‌های بحرانی تاکيد می‌شود.

ت) کم بودن اطلاعات در مورد حادثه آغازگر خرابی.

 

 

  2-3-5-3-2روش مسير جايگزين

 

در روش مسير جايگزين سازه به گونه‌ای طراحی می‌شود که بتواند خرابی موضعی پیش‌آمده را جذب کرده و مسير جديدی برای انتقال بارها به وجود آورد. در اين روش حذف المان اصلی و بحرانی مورد بررسی قرار می‌گیرد و سازه برای تعيين اثر حذف اين المان، آناليز می‌شود. وقتی يک المان سازه‌ای برداشته می‌شود، سازه باقيمانده بايستی پايدار باشد تا اينکه بتواند بارهای موجود در آن المان را برای يک مدت زمان کافی (حداقل برای تخليه با امنيت سازه و بازرسی وسعت خرابی) تحمل نمايد]24 و 26[.

نکته مهمی که در اينجا بايستی ذکر شود، در نظر گرفتن اثر بارهای غيرعادی به وسيله حذف المان می‌باشد. به عبارت ديگر اثرات بارهای غيرعادی به سازه با حذف اعضا و المان‌های بحرانی متوازن می‌شود. اگر مسير جايگزين يا حالت تعادل جديدی برای بارها ايجاد شود، سازه پايدار خواهد ماند، در غير اين صورت ناپايدار خواهد شد. در حالتی که سازه ناپايدار می‌شود، می‌توان برای ايجاد پايداری بعضی از المان‌ها را تقويت کرد. تقويت می‌تواند شامل عضو بحرانی و يا اعضای مجاور آن باشد[25].

 

3-3-5-3-2 تفاوت روش‌های مقاوم‌سازی موضعی ویژه و مسیر جایگزین

1) روش مسير جايگزين هم مثل روش مقاوم‌سازی در هنگام طراحی در مقابل خرابی پیش‌رونده روی افزايش مقاومت تاکيد می‌کند. تفاوت اين دو روش را می‌توان به اين صورت بيان کرد که در روش مقاوم‌سازی محلی ويژه، المان‌های بحرانی بعد از تشخيص به گونه‌ای طراحی می‌شوند که خرابی محلی در آن‌ها اتفاق نیفتد. ولی در روش مسير جايگزين از همان ابتدای طراحی احتمال وقوع خرابی محلی در نظر گرفته می‌شود ولی با جستجوی مسيرهای جديد تعادل برای انتقال بار، از پيشرفت آن جلوگيری می‌شود.

2) در روش مقاوم‌سازی محلی ويژه، بارهای باد يا زلزله بسته به نوع سازه و مکانی که در آن احداث می‌شود، در نظر گرفته نمی‌شوند. چون احتمال وقوع مشترک بارهای غيرعادی و باد (و يا زلزله) قوی ناچيز فرض می‌شود؛ اما در روش مسير جايگزين چون از سازه آسیب‌دیده انتظار می رود برای يک مدت زمان مشخص وظيفه باربری خود را انجام بدهد، بايستی بار باد (يا زلزله) نيز در نظر گرفته شود[25].

 

 

 4-5-3-2مقايسه روش‌های طراحی:

 

  • روش کنترل حادثه: اين روش مقاوم‌سازی چون توجهی به افزايش مقاومت نمی‌نماید و از طرف ديگر به عواملی بستگی دارد که از کنترل طراح خارج می‌باشند، روش کارآمدی به نظر نمی‌رسد.
  • روش طراحی غیرمستقیم: يک روش غیراقتصادی است.
  • روش طراحی مستقيم:

الف) روش مقاوم‌سازی محلی ويژه: در اين روش المان‌های بحرانی طوری تقويت می‌شوند که خرابی محلی اتفاق نیفتد. اين روش بنا به محدودیت‌های اشاره‌شده در بخش  (1-3-5-3-2)این پایان‌نامه، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. با اين وجود، در بعضی طرح‌ها مجبور به استفاده از اين روش هستيم و آن در مواقعی است که نتوانيم مسير جايگزينی را برای انتقال بارها پيدا کنيم.

ب) روش مسير جايگزين: اين روش برای جلوگيری از خرابی پیش‌رونده منطقی‌ترین و جامع‌ترین روش به نظر می‌رسد. چون هم پايداری کل سازه را مورد بررسی قرار می‌دهد و هم يک روش اقتصادی می‌باشد.

 

 

2-3-6- روش‌های طراحی در برابر خرابی پیش‌رونده در آیین‌نامه‌های مرتبط با این پدیده

 

استاندارد 05-7 انجمن مهندسين عمران آمريكا]8[، تنها استاندارد رايجي است كه به مسئله گسيختگي پیش‌رونده در جزئيات می‌پردازد.

این استاندارد بر شديدترين حوادثي تأكيد می‌کند كه می‌توانند منتج به گسيختگي پیش‌رونده شوند و دو روش طراحي براي مقاومت در برابر گسيختگي پیش‌رونده ارائه می‌دهد: روش طراحي مستقيم و روش طراحي غیرمستقیم.

 

در روش طراحي مستقيم، مقاومت در برابر گسيختگي پیش‌رونده را مستقيماً در طول فرايند طراحي از دو طريق در نظر می‌گیرند: الف- روش مسير جایگزین، كه به دنبال ارائه مسير فرعي براي بار پس از وقوع خرابي است، به نحوي كه جلوي آسيب موضعي گرفته‌شده و از گسيختگي كلي جلوگيري شود، ب- روش مقاومت موضعي ويژه، كه به دنبال ارائه توان كافي براي مقاومت در برابر خرابي در محل‌های بحراني است.

روش طراحي غیرمستقیم به طور ضمني مقاومت در برابر گسيختگي پیش‌رونده را از طريق ضوابط حداقل سطوح توان، پيوستگي و انعطاف‌پذیری بررسي می‌کند. راهبردهایی را هم براي انسجام كلي سازه و تنش‌ها و انعطاف‌پذیری اتصالات ارائه می‌کند كه می‌توانند در معرض تغيير شکل‌های بزرگ قرار بگيرند و مقادير زياد انرژي را در اثر شرايط غیرطبیعی جذب نمايند]8[.

 

راهبردهايي براي طراحي در برابر گسيختگي پیش‌رونده را می‌توان در اسناد دولتي آمريكا مثل GSA ]21[ و UFC ]11[ مشاهده نمود.

 

راهبردهای  GSAروشی مستقل براي تعديل امكان گسيختگي پیش‌رونده سازه‌ها بر اساس روش مسير جایگزین ارائه كرده است. اين رهنمود سناریوهایی را تعريف می‌کند كه طبق آن يكي از ستون‌های ساختمان برداشته‌شده و سازه آسیب‌دیده براي بررسي واکنش‌های سيستم تحليل می‌گردد]21[.

 

روش UFC هم يك روش طراحي مبتني بر عملكرد است. در این آئین نامه دو روش طراحی یعنی روش نیروی اتصال1، روش مسير فرعي2 بیان گردیده است.

روش اول لزوماً یک روش طراحی غیرمستقیم است که در آن حداقل ظرفیت نیروی اتصال باید در سیستم موجود باشد تا بارها را از قسمت آسیب‌دیده به باقی سازه انتقال دهد. [11]

 

آئین نامه DOD ]22[ از روش طراحی مستقیم استفاده کرده و توصیه‌های زیر را مد نظر قرار می‌دهد:

 

 

 

 

    1 TFM

   2  APM

 

 

– استفاده از سیستم سازه‌ای با درجه نامعینی بالا مانند قاب خمشی

– بیشینه فاصله محافظتی1 (برای حداقل نمودن تهدیدات و حملات تروریستی)

– از پیش‌آمدگی‌های سازه‌ای با فضای مسکونی بالای آن‌ها اجتناب گردد.

و…

 

آئین نامه ISC همانند DOD بر روش‌های طراحی مستقیم تاکید می‌کند و رهنمودهای زیر را برای جلوگیری از خسارت ناشی از خرابی پیش‌رونده مدنظر قرار می‌دهد]20[:

– استفاده از فولاد گذاری متقارن هندسی (برای مقابله با انفجار)

– حداقل نمودن فواصل بین ستون‌ها (با حد بالای عملی 9 متر)

– حداقل نمودن ارتفاع طبقه (با حد بالای عملی 5 متر)

و…

 

 

2-3-7- ترکیبات بارگذاری

 

ترکیب بارها احتمال وقوع همزمان با بارهای مرده، بارهای زنده، برف یا باد را منعکس می‌کند. این ترکیبات برای ارزیابی پتانسیل خرابی پیش‌رونده سازه‌ها با توجه به نوع آیین‌نامه انتخابی و روش تحلیل مربوط به آن در جدول (2-1) ارائه شده است.

 

 

 

 

 

 

 

(Stand off)  1  بیانگر فاصله از مرکز ماده منفجره تا جسم مورد نظر می‌باشد.

 

جدول (2-1): ترکیب بار جهت ارزیابی پتانسیل خرابی پیش‌رونده]20 [

 

آئین نامه ترکیب بارها پس از حذف فرضی یک عضو
BS
NBCC
 
 

ASCE

 

با حذف عضو

روش مقاومت موضعی مخصوص

DOD

(2003)

رو به بالای طبقه
 

 

 

UFC(2005)

 

 

تحلیل دینامیکی غیرخطی

 

تحلیل استاتیکی

 

 

 

GSA(2003)

 

تحلیل استاتیکی 2 ×(D+0/25L)

تحلیل دینامیکی D + 0/25L

نیروهای عمودی به سمت پایین

 

D: بار مرده

L: بار زنده

W: بار باد

S: بار برف

Ak: بار غیرعادی

2-3-8- مقایسه آیین‌نامه‌های  UFC و GSA

 

در آیین‌نامه‌های سنتی طراحی سازه‌ها، بحث خرابی پیش‌رونده به صورت غیرمستقیم برای سازه‌ها در نظر گرفته می‌شد. این آیین‌نامه‌ها روش‌هایی مانند تیرچه ریزی شطرنجی، پلان مناسب، بستن دیوارهای عمود بر هم در گوشه‌های سازه و… را توصیه می‌کردند.

اما اخیراً آیین‌نامه‌هایی برای بحث خرابی پیش‌رونده در سازه‌ها تدوین شده است که به صورت جامع و در جزئیات بیشتری، خرابی پیش‌رونده را در طراحی سازه‌ها مدنظر قرار می‌دهند. از مهم‌ترین و جدیدترین آیین‌نامه‌های مرتبط با پدیده خرابی پیشرونده می‌توان به آیین‌نامه‌های  UFC 4-023-03و2003  GSA اشاره کرد.

هر دو آیین‌نامه GSA و UFC ٬ رویکرد تقریباً مشابهی را براي روش مسیر جایگزین ارائه می‌دهند ولی با بررسی جزئیات این دو آیین‌نامه در رابطه با نحوه اعمال روش مسیر جایگزین می‌توان به موارد مهم زیر اشاره نمود [21,11]:

 

1- ناحیه فروریختگی مجاز در UFCکوچک‌تر از ناحیه فروریختگی مجاز در GSA می‌باشد، یعنی محافظه‌کارانه‌تر عمل می‌کند. (محدوده فروریختگی مجاز برای هر دو آیین‌نامه در بخش 1-3-2 پایان‌نامه اشاره شده است.)

 

2- UFC در مقایسه با GSA بار ثقلی بزرگ‌تری را بر سازه اعمال می‌کند و همچنین تأثیر نیروي جانبی را نیز در نظر می‌گیرد. (ترکیبات بارگذاری مربوط به آیین‌نامه  GSA2003 در جدول (2-1) و ترکیب بار UFC 2009 در بخش (3-4-5) پایان‌نامه اشاره شده است.)

لازم به ذکر است که آیین‌نامه UFC در سال 2005 تدوین‌شده و ویرایش دوم آن در سال 2009 چاپ شده است. آخرین ویرایش این آیین‌نامه مربوط به سال 2010 می‌باشد. با توجه به اینکه در این پایان‌نامه برای بررسی خرابی پیش‌رونده از این آیین‌نامه استفاده شده است، در فصل سوم (بخش 3-4) جزئیات مربوط به این آیین‌نامه مانند روش‌های تحلیل و طراحی، ترکیبات بارگذاری و موارد دیگر مربوط به آن به طور کامل بررسی شده است.

 

2-4- مروری بر مطالعات انجام‌شده در زمینه خرابی پیش‌رونده:

 

پس از حملات تروریستی 11 سپتامبر بود که برای اولین بار بحث خرابی پیش‌رونده در طراحی سازه‌ها به صورت جدی در میان محققان مطرح شد. لازم به ذکر است که آیین‌نامه GSA در سال 2003 و آیین‌نامه UFC در سال 2005 تدوین‌شده‌اند. ویرایش اولین آیین‌نامه طراحی سازه‌ها در مقابل خرابی پیش‌رونده در سال 2003 میلادی، تصدیق‌کننده این مطلب می‌باشد.

 

  • سال 2003 میلادی
  • یکی از اولین تحقیقاتی که در زمینه خرابی پیش‌رونده انجام شد توسط ویلیامسون1 و کیا کوچی2 بود. ایشان با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی در بحث خرابی پیش‌رونده پرداخت و به این نتیجه رسید که در تحلیل استاتیکی چون اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون دیده نمی‌شود، جواب‌ها دست پایین می‌باشند]27[.

البته باید ذکر شود که در آیین‌نامه‌های خرابی پیش‌رونده که پس از آن تدوین شدند، در تحلیل‌های استاتیکی برای لحاظ کردن تقریبی اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون از ضرایب افزایش بار استفاده شده است.

 

  • سال 2005

پاول3 با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه تحلیل‌های استاتیکی و دینامیکی پرداخت و به این نتیجه رسید که ضریب افزاینده بار 2 در تحلیل‌های استاتیکی منجر به نتایج محافظه‌کارانه می‌شود و بهتر است که برای تحلیل خرابی پیش‌رونده از تحلیل دینامیکی غیرخطی استفاده گردد]28 .[

Williamson   1

  2 Kaewkulchai

  3 Powell

 

  • سال 2006
  • روت 1و همكارانش با ادامه کار پاول دريافتند كه ضريب افزایش بار 1.5 به جای 2 تأثير ديناميكي را به خصوص براي قاب خمشي فولادي بهتر نشان می‌دهد[29].

 

  • سال 2007
  • رونالد هامبرگر2 به توضیح و تفسیر انواع روش‌های تحلیل بر اساس مسیر جایگزین انتقال بار پرداخته است. روش‌های تحلیلی ارزیابی خرابی پیش‌رونده عبارت‌اند از:

1- روش‌ استاتیکی خطی

2- روش‌ استاتیکی غیرخطی

3- روش‌ دینامیکی خطی

4- روش دینامیکی غیرخطی [30]

 

  • سال 2008
  • خاندلوال3 مقاومت گسیختگی پیش‌رونده قاب‌های مهار بندی شده فولادی را همراه با مدل‌های دو بعدی بررسی کرد. این تحقیق بر روی یک قاب مهار بندی شده هم مرکز و یک قاب مهار بندی شده مختلف المرکز با به‌کارگیری روش مسیر جایگزین روی ساختمان ده طبقه نمونه انجام پذیرفت. قاب‌های مورد مطالعه در این تحقیق در شکل (2-13) نشان داده‌شده‌اند]14[.