برج های دو قلوی تجارت جهانی آمریکا

برج های دو قلوی تجاری آمریکا ، ۱۱  سپتامبر۲۰۰۱، برخورد دو هواپیما به این برج ها باعث خرابی آنهاو هم چنین خرابی کلی و جزئی ۱۰ ساختمان مجاور آنها شد که ضعف این سازه ها را در هنگام رویارویی با بارگذاری غیر عادی و پیش بینی نشده نشان می دهد [۴] .

۲-۳- مروری بر خرابی پیشرونده در اسناد و استانداردها

۲-۳-۱- تعاریفی از خرابی پیشرونده/نا متجانس

تعاریف مختلفی از خرابی پیشرونده در ادبیات فنی موضوع می توان یافت. برخی محققان از واژه پیشرونده استفاده می‌کنند ولی از آنجاییکه تقریبا همه خرابی های سازه ای شامل درجه خاصی از گسترش هستند ترجیح می‌دهند از واژه نامتجانس استفاده نمایند.که این واژه تا حدی مبهم است و استانداردها و دستورالعمل ها و دیگر منابع معمولا از واژه خرابی پیشرونده استفاده می کنند. چند تعریف از خرابی پیشرونده که در استانداردها آمده است به شرح ذیل می باشد :

• استاندارد اروپا^[۱] :

استاندارد اروپا،  استاندارد جداگانه ای برای خرابی پیشرونده ارائه نمی‌کند، اما در استاندارد کنش های تصادفی^[۲] تعریفی از تنومندی^[۳] ارائه می‌کند :

“توانایی یک سازه برای ایستادگی در برابر حوادثی چون آتش سوزی،  انغجار،  ضربه یا نتایج خطای انسانی،  بدون خسارت دیدن بخشی نامتجانس نسبت به دلیل اصلی”

• موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی ایالات متحده^[۴] (NIST) :

این موسسه در نشریه بهترین شیوه برای کاهش پتانسیل خرابی پیشرونده در ساختمانها چنین تعریفی را پذیرفته است:

” خرابی پیشرونده،  گسترش یک خرابی موضعی از یک حادثه اولیه از المانی به المان دیگر است که در نهایت منجر به انهدام کل سازه یا بخش نا متجانس بزرگی از آن می شود که همچنین خرابی نامتجانس شناخته می شود”[۲].

• مدیریت تعمیرات کلی ایالات متحده^[۵] (GSA) :

مدیریت تعمیرات کلی ایالات متحده در راهنمای طراحی وتحلیل در برابر خرابی پیشرونده در سال ۲۰۰۳،  خرابی پیشرونده را بصورت زیر تعریف می‌کند :

” موقعیتی که خرابی موضعی یک مولفه اولیه سازه ای منجر به انهدام اعضای متصل به آن ودر نتیجه انهدام اضافی شود  توجه شود که خرابی کلی،  نسبت به علت اولیه نامتجانس است”[۱].

• حداقل بارهای طراحی ساختمانها و دیگر سازه های ایالات متحده(ASCE/SE 7-05) :

این استاندارد خرابی پیشرونده را بصورت زیر تعریف می‌کند :

“گسترش یک خرابی موضعی اولیه از المانی به المان دیگر که در نهایت منجر به انهدام کل سازه یا بخش نامتجانس بزرگی از آن می شود”

[۱]– Euro Code

[۲] -Accidental Actions

[۳] – Robustness

[۴]– National Institute of Standard and Technology

۱۸- U.S.General Services Administration

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 آن‌ها 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 فرعی^۱ 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