روش های ارزیابی شاخص تنومندی

بعد از انهدام ساختمان رونان پوینت محققان زیادی مقالاتی درباره خرابی پیشرونده ارائه و استانداردها تشویق به طراحی و ساخت ساختمان های تنومند­تر می کنند.

ترکیبی از مفاهیم زیر، برای دستیابی به تنومندی لازم است :

• ایجاد یک پلان خوب که حتی زمانی که یک مولفه کلیدی خراب می شود به مقاومت در برابر بارهای جانبی دست می یابد.

• ایجاد یک سیستم با نامعینی بالا طوری که مسیر های باربری ثانویه زمانی که المان های کلیدی حذف می شوند وجود داشته باشند.

• یک سیستم مقید کننده در میان المان های سازه ای و دور تا دور ساختمان در کل فراهم شود تا کل سازه به یکدیگر نگه داشته شود.

• جزئیات را شکل پذیر کنیم طوری که بتوانند کرنش های زیاد را بدون خرابی کلی تجربه کنند [۲۲و۳۴].

تحقیقات زیادی درباره تنومندی^[۱] انجام شده است و پیشنهاداتی برای چگونگی کمی سازی آن ارائه گردیده است. تنومندی می تواند به سه روش مختلف ارزیابی گردد :

• روش غیراحتمالاتی

• روش احتمالاتی

• روش بر اساس ریسک

که در اینجا تنها توضیحی کوتاه در مورد روش غیر احتمالاتی آورده شده است.

اگر بار طراحی در سازه سالم و آسیب دیده یکسان باشد،  R می تواند به کمک کمیتهای مختلف از جمله نیروی برشی مقاوم­سازی،  بصورت زیر نوشته شود :

جاییکه V_damaged ظرفیت برش پایه ساختمان بعد از حذف المان صدمه دیده و V_intact ظرفیت برشی پایه ساختمان سالم و R شاخص تنومندی است. اگر سازه سالم و آسیب دیده ظرفیت یکسانی داشته باشند،  این مقدار ۱ است. و اگر سازه خسارت دیده هیچ ظرفیتی نداشته باشد صفر است [۲۲].

۲-۹- روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده

در طراحی سازه­هابوسیله سه روش می توان احتمال ایجاد خرابی پیشرونده را کاهش داد :

• کنترل حادثه : که به حفاظت در برابر حادثه ای که ممکن است اتفاق افتد و باعث خرابی پیشرونده گرددد برمی گردد و بطور کلی ملاحظه عملی برای مهندس طراح نیست.

• ۲) طراحی غیر مستقیم : برای جلوگیری از خرابی پیشرونده، بوسیله تعیین حداقل الزامات در مقاومت، پیوستگی و توسعه کافی مسیر باربری جایگزین در صورت خرابی بخشی از سازه استفاده می شود.

• طراحی مستقیم : این روش مقاومت در برابر خرابی پیشرونده و توانایی جذب خسارت را بعنوان بخشی از طراحی در نظر می گیرد. روش مقاومت موضعی مشخص و روش مسیر باربری جایگزین بعنوان دو روش اصلی در روش طراحی مستقیم شناخته می شوند [۲۲].

• روش مقاومت موضعی مشخص^[۲] (SLRM) :

یک راه برای اعمال این روش اعمال ضرایب به بارهای معمول است. اما باید اعتراف کرد که افزایش ضریب اطمینان در یک حالت حدی نمی تواند خیلی موثر باشد. طوریکه بارگذاری نامتعارف می تواند سبب تغییر مود خرابی شود. در نتیجه مدل تحلیلی را برای مود خرابی واقعی نا مناسب می سازد. بنابراین موثرتر است که یک بار نا متعارف مشخص تعیین شود و به یک حالت حدی ویژه ارجاع داده شود. این معیار مستقیما برای المان های سازه ای بکار می رود که از دست رفتن آن عملکرد باقیمانده سازه را بخطر می اندازد و ما آن را المان کلیدی^[۳] می نامیم.

• روش مسیر باربری جایگزین^[۴] (APM) :

این روش روی حالتی از سازه بعد از از دست رفتن بعضی از المان ها بدون در نظر گرفتن دلیل آن تمرکز می‌کند. این روش می تواند با فرض اینکه در بین المان های اولیه سازه، تنها یک المان در یک زمان قادر به تحمل بار نباشد انجام می شود و رفتار سازه ارزیابی می گردد [۸و۱۵].

[۱]–  Robustness

[۲]–  Specific Local Resistance Method

[۳]–  Key element

[۴]–  Alternate Load Path Method

تحلیل خرابی پیشرونده

یک تحلیل خرابی پیشرونده لازم است تا توانایی یک سازه برای مقابله با بارگذاری های غیر معمول تعیین شود.چندین روش وجود دارد که می تواند استفاده شود: تحلیل­استاتیکی­خطی، تحلیل­استاتیکی­غیرخطی، تحلیل­دینامیکی خطی وتحلیل دینامیکی غیر خطی. هر یک از آنها مزایا و معایبی دارند. خلاصه کوتاهی از روش های مختلف تحلیل در اینجا ارائه شده است.

• تحلیل استاتیکی خطی: سریع ترین و آسان ترین روش برای اجراست اما اثرات دینامیکی و غیر خطی بودن هندسی و مصالح را در نظر نمی گیرد.همچنین این تحلیل تنها برای تحلیل سازه های با شکل منظم و ساده قابل کاربرد است.

• تحلیل استاتیکی غیر خطی: که اثرات غیر خطی بودن هندسی و مصالح را در نظر می گیرد ولی اثرات دینامیکی را بطور مستقیم در تحلیل در نظر نمی گیرد. این روش نسبتا ساده است و اطلاعات مهمی درباره رفتار سازه می دهد.

• تحلیل دینامیکی خطی: شامل رفتار دینامیکی پاسخ سازه می شود اما اثرات غیر خطی هندسی و مصالح را در نظر نمی گیرد بنابراین زمانی که سازه تغییر شکل های پلاستیک بزرگی را تجربه کند ممکن است نتایج خوبی ندهد.

• تحلیل دینامیکی غیر خطی: دقیق ترین نتایج را می دهد. و هم اثرات غیر خطی هندسی و مصالح و هم اثرات دینامیکی را شامل می شود. اما این کار پیچیده و وقت گیر است [۳۰].

۲-۱۰-۱- ابزارهای تحلیلی

چندین ابزار برای تحلیل خرابی پیشرونده جهت تعیین توانایی یک سازه در مقابله با بارگذاری نامتعارف وجود دارد. تعداد زیادی نرم افزار در دسترس هستند که می توانند برای این هدف و گزینه های ویژه برای خرابی پیشرونده در سازه ها مفید باشند.

محققان بسته های نرم افزاری اجزای محدود شامل SAP2000,STAAD,PERFORM3D, OPENSEES را برای ارزیابی رفتار خرابی پیشرونده سازه های قابی استفاده می کنند. بسته های نرم  افزاری تحلیل اجزای محدود برای سیستم های پیوسته مثل FLEX,ANSYS,ABAQUS, LARSA,DIANA میتواند استفاده شود [۱۹].

۲-۱۱- مروری بر تکنیک های بهسازی ارائه شده برای مقابله با خرابی پیشرونده

دو هدف اصلی برای بهسازی سازه های موجود، مقابله با خرابی موضعی المان های سازه ای و فراهم کردن باز توزیع بار برای جلوگیری از خرابی پیشرونده در کل سازه است. برای نیل به این هدف، تامین پیوستگی^[۱]، شکل پذیری^[۲] و مقاومت^[۳] در کل ساختمان،  المان ها و اتصالات لازم بنظر می رسد. مشخصات کلیدی در طراحی بهسازی توسط (Craw ford 2002) پیشنهاد شده است. نکته کلیدی این است که سازه باید رفتار شکل پذیر و غیر خطی قابل اعتمادی داشته باشد و مسیر های باربری اضافی برای دستیابی به حداکثر حفاظت فراهم شود. چندین تکنیک بهسازی برای سیستم های سازه ای مختلف برای کاهش پتانسیل خرابی پیشرونده برای سازه های موجود ارائه شده است : [۱۲]

۲-۱۱-۱-  نمونه هایی از بهسازی اعضای خمشی

• استفاده از کابل های زنجیره وار^[۴]. با نصب کابل هایی دور تا دور ساختمان، زمانی که ستون منهدم می شود و بخشی از سقف شروع به خیز می‌کند، عملکرد زنجیره وار کابل ها، بار را به ستون های مجاور منتقل می‌کند و از انهدام جلوگیری می نماید. آستانه^[۵] در سال ۲۰۰۳ درباره این تکنیک بصورت تجربی و تحلیلی بحث کرده و استنباط نمود که در جلوگیری از انهدام سازه های فولادی موثر بوده و هزینه مناسب و نصب آسانی دارد.

• استفاده از کابل برای گره زدن المان های سازه ای به یکدیگر. این روش مناسب برای پانل های پیش ساخته است. جایی که برای گره زدن پانل ها در محل اتصالات استفاده می شود. همچنین پیوستگی و شکل پذیری را نیز فراهم می‌کند. این تکنیک کفایت خود را در ساختمان الکوبار که تحت حمله تروریستی قرار گرفت نشان داد. جاییکه پانل های پیش ساخته در مقایسه با بار وارده خیلی قوی نبودند، اما عملکرد کلی مناسب بود. [۱۴و۱۸]

[۱]–  Continuity

[۲]–  Ductility

[۳]–  Strength

[۴] –  Catenary Cables

[۵]–  Astaneh

مروری بر مطالعات انجام شده در زمینه خرابی پیشرونده

در سالهای اخیر تحقیقات گسترده ای در خصوص ارائه طرح تقویت برای قسمت های مختلف سازه صورت گرفته است :

در سال ۲۰۱۱  آقایان محمد هادی و طاهر سعید ^[۱]  [ ۶ ] به دنبال پیدا کردن مسیری برای انتقال بار به هنگام بروز خرابی پیشرونده روشی را بدین صورت پیشنهاد کردند که با قرار دادن خرپایی در بام ساختمان و متصل کردن آن بوسیله ی کابل به تیر طبقات، می توان از آن  به هنگام حذف ستون، به عنوان مسیری جایگزین برای انتقال بار و حفظ پایداری سازه بهره جست.

مین یو و ژیائوژینگ ژا ^[۲]  [ ۷ ] در سال ۲۰۰۹ بر روی اثر دال سقف های کامپوزیتی در سازه های فولادی در برابر خرابی پیشرونده مطالعاتی را صورت دادند که نتایج نشان داد تقویت سازه بوسیله ی کابل های پیش تنیده ̜بسیار می تواند ظرفیت مقاومتی سقف ها را در مقابل خرابی پیشرونده ̜افزایش دهد.

جینکو کیم و داوون آن^[۳] [ ۸ ]  در سال ۲۰۰۹، اثر عملکرد زنجیره وار در پتانسیل خرابی پیشرونده در ساختمان های فولادی با قاب خمشی را بررسی کردند. تحلیل های دینامیکی و استاتیکی غیر خطی در مدل های سه و شش طبقه با مهاربند و بدون مهاربند با استفاده از روش APM پیشنهاد شده توسط راهنمای GSA2003 انجام شد و نتایج مقایسه گردید. زمانی که عملکرد زنجیره وار در تحلیل استاتیکی غیر خطی در نظر گرفته شد. اثرات زنجیره وار همانند دهانه ها و مهاربندهای اضافی حرکات جانبی را کاهش دادند ولی تغییر در تعداد طبقات بر عملکرد زنجیره وار تاثیر قابل توجهی ندارد.

جینکو کیم و  تای وان کیم^[۴]  [ ۹ ]   در سال  ۲۰۰۸، در تحقیقی ظرفیت مقاوم در برابر خرابی پیش‌رونده در قاب‌های خمشی فولادی را مورد بررسی قرار داده اند. در این تحقیق روش‌های تحلیلی استاتیکی و دینامیکی خطی و غیرخطی بر طبق آئین‌نامه‌های GSA‌۲۰۰۳ و‌DOD2005 برای مقایسه ارائه شده است. با مقایسه نتایج تحلیل ها،  نتیجه می شود که تحلیل­های غیرخطی ابزاری دقیق برای ارزیابی پتانسیل خرابی پیش‌رونده در سازه های ساختمانی می‌باشد.

روبرت سیم لوویتس^[۵]  [۱۰]   در سال ۲۰۰۰ به بررسی روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده پرداخته است و سه روش طراحی در برابر خرابی پیش‌رونده را توصیه نموده که عبارتند از:

– روش غیرمستقیم

۲- روش مستقیم مسیر جایگزین انتقال بار

۳- روش مستقیم مقاومت محلی مخصوص

در این روش یک عضو بحرانی را در اثر بارگذاری ناهنجار حذف کرده و سازه نیازمند این است که بار ثقلی عضو آسیب دیده  را در المان‌های سازه‌ای خراب نشده باقی مانده، پخش کند.

احمد سعد و  اینگ تیان^[۶] [ ۱۱ ]   درسال۲۰۰۸،  چندین روش برای ارزیابی آسیب‌پذیری سازه‌ها در برابر خرابی پیش‌رونده ارائه وسیستم‌های مختلف سازه‌ای بتنی و فولادی را مورد ارزیابی قرار داده اند. هم‌چنین تکنیک‌هایی را برای بهسازی سازه‌ها جهت کاهش پتانسیل خرابی پیش‌رونده مورد ارزیابی قرار داده اند.

احمد ساعد و علی سعید^[۷]  [ ۱۲ ]   در سال ۲۰۰۸  مروری بر روشهای طراحی، تحلیل و تکنیک های بهسازی در برابر خرابی پیشرونده انجام دادند.

ولاسیس و ایزودین^[۸] و همکارانشان [ ۱۳ ] توانستند در سال ۲۰۰۸ به بررسی خرابی پیشرونده ی ساختمان های با چندین طبقه که در آنها با سقوط یک سقف بر روی سقف دیگر و بدین ترتیب انتشار خرابی ناشی از ضربه ی آن در کل ساختمان ̜پرداختند و برای آن طرح تقویت پیشنهاد دادند.

پورفلاح و ماهری^[۹] [ ۱۴ ] از دانشگاه شیراز در سال ۲۰۱۲ در مورد تقویت لرزه ای دال های طاق ضربی به این نتیجه رسیدند که ̜با اجرای یک لایه بتن مسلح بر روی این نوع از سقف ها ̜مقاومت خارج از صفحه ی دال را افزایش میدهند.

آقایان الشاکرو تاویل^[۱۰] [ ۱۵ ] در سال ۲۰۱۰ بر روی میزان ظرفیت سقف های کامپوزیتی و مقاومت آن در برابر خرابی پیشرونده مطالعاتی را صورت دادند.

در سال ۲۰۱۲ روبرت ماسارلی ^[۱۱]و همکارانش [ ۱۶ ] بر روی تقویت سقف ها با عرشه ی فولادی ̜ ̜با انجام یک کار آزمایشگاهی به نتایج جالبی دست یافتند.

آقایان کیم و همکارانش^[۱۲]  [ ۱۷ ]   در سال ۲۰۱۰ تحقیق خود را بر روی ساختمان ۳۶ طبقه فولادی انجام دادند بدین ترتیب که از خرپاهایی در طبقه­ی آخر ساختمان استفاده نمودند و تحلیل نشان داد با حذف ستون مقاومت ماکزیمم تنها به ۲۰٪ بارهای مشخص شده در آیین­نامه­ی  GSA رسید.

یکی از اولین افرادی که در زمینه تکنیک های کاهش خرابی پیشرونده فعالیت نمود و اغلب کارهای مربوط به خرابی پیشرونده به آن ارجاع داده می شود الینگوود و لیندکر^[۱۳]  [ ۱۸ ]   در سال ۱۹۷۸ است که نویسندگان سه روش پیشنهادی بررسی خرابی پیشرونده را بحث می کنند و پیشنهاد می نمایند از یک یا دو روش مسقیم علاوه بر روش غیر مستقیم استفاده شود.

آقای ویبوو و لااو^[۱۴]  [ ۱۹ ]   در سال ۲۰۰۹ مروری کوتاه بر پدیده خرابی پیشرونده در سازه ها را ارائه کردند. روش ها و الزامات چندین استاندارد برای جلوگیری از خرابی پیشرونده بحث شد. محدودیت ها و مزایای روش های تحلیل در دسترس برای ارزیابی خرابی پیشرونده سازه ها خلاصه گردید. اهمیت تاثیر بار لرزه ای در رفتار خرابی پیشرونده سازه ها نیز بحث گردید. استنباط شد که خرابی پیشرونده لرزه ای سازه ها می تواند با اصلاح روش های جاری تحلیل گردد.

بهروز عسگریان و فرشاد هاشمی[ ۲۰ ]    در سال ۱۳۸۹  به بررسی خرابی پیشرونده در قاب های فولادی مهاربندی شده پرداختند. نتایج تحلیل بر اساس روش مسیر باربری جایگزین نشان داد که حذف ستون های گوشه در ساختمان های مهاربندی شده نسبت به ستون میانی حالت بحرانی تریست.

کپیل کاندلوال و شریف تاویل^[۱۵] در سال ۲۰۰۹ [ ۲۱ ]   خرابی پیشرونده در قاب های مهاربندی شده فولادی طراحی شده بر اساس معیار های لرزه ای را مورد بررسی قرار دادند. مدل های دو بعدی ده طبقه از قاب های مهاربندی شده محبوب شامل SCBF و EBF استفاده گردید و با استفاده روش APM مقاومت در برابر خرابی پیشرونده این قاب ها مقایسه گردید. شبیه سازی ها نشان داد که قابهای مهاربندی با سیستم EBF که برای خطر لرزه ای زیاد طراحی شده اند نسبت به سیستم SCBF طراحی شده برای خطر لرزه ای متوسط نسبت به خرابی پیشرونده پیشرونده ایجاد شده بر اثر بار ثقلی کمتر آسیب می پذیرند. استنباط شد که این امر بعلت شکل پذیری مناسب تر سیستم EBF می باشد.

[۱] – ^{Muhammad Hadi &- Thaer  Saeed}

[۲] – ^{Min Yu &- Xiaoxiong Zha}

[۳]^{– Dawoon An &  Jinkoo kim} 

۵۳- ^{Jinkoo kim  & Taewan kim}  

[۵]^{– Robert Simlowits}

۵۵- Ahmad ^{Saad & Ying Tian}

۵۶- Ahmad Saed & Ali Said

[۸] – ^{Vlassis & Izzuddin}

[۹] – ^{Mahmoud  Maheri & Pourfallah}

[۱۰] –Alshaker & Tavil Ali

[۱۱] –Robert Masarelli

۶۱- J^{.kim & Y.Jun & J.Park}

[۱۳]–  Elingwood & Leyendeker

[۱۴] -Wibowo & Lau

[۱۵]– Kapil Khandelwal & Sherif El-Tawil