Progressive Collapse Resistant Design of Structures خرابی پیشرونده و طراحی مقاوم سازه ها در برابر آن Progressive Collapse Resistant Design of Structures كريم عابدي

Part 3

FIRE EFFECTS Catenary effect Cardington studies

PROGRESSIVE COLLAPSE DUE TO FIRE

Gesztely bridge (Hungary) 1988 IMPACT EFFECTS Strike of a crane arm Gesztely bridge (Hungary) 1988 local failure global failure impact

IMPACT+EXPLOSION+FIRE WORLD TRADE CENTER PROGRESSIVE COLLAPSE 11September 2001 New - York

PROGRESSIVE COLLAPSE Collapse of beams

COLLAPSE OF HANSHIN EXPRESSWAY – KOBE, 1995 initial collapse

خرابی پیش رونده پل هانگ جو در سئول در حین ساخت در سال 1992با خرابی ایجاد شده در تیر اصلی یکی از دهانه ها که منجر به خرابی پیش رونده در طول 800 متر از پل گردید .

موارد خطاهای اجرایی و طراحی ‏

Collapse of Hyatt Regenary (Kansas City) walkways, 1981 HUMAN ERRORS Collapse of Hyatt Regenary (Kansas City) walkways, 1981 due to modification of suspension details

Changing of designed solution. P 2P Local failure Designed Erected

COLLAPSE OF SAMPOONG STORE – SEUL – KOREA,1995 Modification of structure without the accord of original contractor. the destination as office was changed in department store. cutting of some columns to accommodate escalators; adding of a new storey for the restaurant; placing over the last new story a heavy air conditioning unit, exceeding four time the designed load.

در مارس 1973 ، حذف پیش از موعد شمع بندی در ساختمانی در شهر فرفاکس منجر به خرابی پیشرونده گردید . پروژه بصورت ساخت ساختمانی 26 طبقه با سرعت بالا ، با یک طبقه در هفته در نظر گرفته شده بود . در زمان خرابی بتن طبقه 24 ریخته شده بود و شمع بندی نیز تا طبقه 22 برداشته شده بود . که ناگهان خرابی پیش رونده منجر به خرابی طبقات 22 ، 23 ، 24 و باقی طبقات گردید . در این حادثه 14 کارگر ساختمانی کشته و 35 نفر زخمی گردیدند .

بارهای غیرعادی(Abnormal Loading) ‏ معمولا ساختمان ها برای بارهای عادی نظیر مرده، زنده، باد و زلزله طراحی می شوند. با وجود این بارهای دیگری نیز وجود دارند که احتمال وقوع آنها کم است، ولی در صورت اتفاق می توانند منجر به خرابی های وحشتناکی شوند. بار های مذکور، بارهای غیرعادی نامیده می شوند. بارهای غیرعادی در واقع بارهایی هستند که مقدار (Magnitude)، راستا (Direction) و مدت زمان (Duration) آنها غیرقابل پیش بینی است. در مواقعی نیز بارهای غیرعادی به صورت اضافه بار (Overload) اتفاق می افتند. منظور از اضافه بار، همان بار های طراحی هستند با این تفاوت که در بعضی مواقع، با مقدار بیشتری از بارهای در نظر گرفته شده ظاهر می شوند، ‏ به عنوان مثال بار برف، با اینکه در طراحی ها مطابق آیین نامه ها در نظر گرفته می شوند، ‏ولی مواقعی وجود دارد که به علت تغییرات جوی، مقدار بارش برف از مقدار در نظر گرفته شده در طراحی بیشتر می شود و در نتیجه یک بار غیرعادی به صورت اضافه بار (Over Load) به سازه اعمال می گردد.

طبقه بندی بارهای غیرعادی ‏1- تغییرات شدید در فشار هوا، نظیر: انفجار بمب، انفجار گاز، انفجار مواد سوختی، انفجارات خارج ساختمان . 2- برخورد های تصادفی، نظیر: برخورد وسایل نقلیه موتوری با ساختمان ، برخورد هواپیما با ساختمان. 3- بارهای غیرعادی ناشی از نشست های پیش بینی نشده 4- فشارهای غیرعادی ناشی از ایجاد گودال در زمین مجاور

استراتژی های طراحی: احتمال خرابی سازه ها به علت وقوع بار غير عادی، می تواند با استفاده از رابطه زير مورد بررسی قرار گيرد: P(F) =P(F/A) . P (A) = P(F) احتمال خرابی سازه. =P(F/A) احتمال اينکه بار غير عادی باعث خرابی سازه شود. = P(A) احتمال وقوع يک بار غير عادی بنابر اين با توجه به رابطه مذکور، برای کاهش احتمال خرابی سازه ها می توان به دو روش زير عمل کرد: روش اول – کاهش احتمال وقوع بار غير عادی ( P(A) ) . روش دوم – در اين روش طراحی سازه به گونه ای انجام گيرد که احتمال خرابی کاهش يافته و درحد قابل قبولی باشد. روش اول روش کار آمدی به نظر نمی رسد، چون بارهای غيرعادی زيادی وجود دارند که خارج از کنترل طراح می باشند. ولی روش دوم، يعنی کاهش احتمال خرابی سازه ها، روش منطقی تری به نظر می رسد، چون در کنترل طراح می باشد.

( Event Control Method ) روش طراحی غير مستقيم روش های متنوعی برای کاهش احتمال خطر خرابی پيشرونده، در سازه ها پيشنهاد شده است که مهم ترين و عمده ترين اين روش ها عبارتند از : روش کنترل حادثه ( Event Control Method ) روش طراحی غير مستقيم (Indirect Design Method ) روش طراحی مستقيم ( Direct Design Method )

روش کنترل حادثه : در بعضی موارد، احتمال خرابی به علت حوادث غيرعادی از قبيل انفجار گاز يا برخورد وسايل نقليه را می توان با استفاده از روش های زير کاهش داد: 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 ستون ها و ديوارهايي که در معرض برخورد وسايل نقليه هستند. کاهش اثر حادثه: به طور مثال با تهيه سوراخ برای اينکه فشار ايجاد شده، توسط انفجار را کاهش دهند. روش کنترل حادثه، چون مقاومت سازه را در مقابل خرابی پيشرونده افزايش نمی دهد و از طرفی به عواملی بستگی دارد که از کنترل طراح خارج می باشند، لذا کمتر مورد استفاده قرار می گيرد.

نکته مهم: دو روش باقيمانده يعنی روش طراحی غيرمستقيم و روش طراحی مستقيم در کنترل طراح می باشند. اين دو روش بايستی در طراحی اصل زير را برآورده کنند: ً سازه ها بايستی طوری طراحی شوند که وقتی صدمه محلی اتفاق افتاد، بدون توجه به علت خرابی، احتمال قابل قبولی وجود داشته باشد که صدمه مذکور به ساير بخش های سازه گسترش پيدا نکرده و باعث خرابی کلی نگردد.

روش طراحی غير مستقيم: در اين روش با مشخص کردن ترازهای (Levels) مينيمم مقاومت (Strength) ، پيوستگی (Continuity) و شکل پذيری (Ductility) برای اتصالات، اعضا و مصالح، بر روی مقاومت سازه در مقابل خرابی پيشرونده تاکيد می شود، يعنی اگر مقاومت، پيوستگی وشکل پذيری اجزاء تشکيل دهنده از مقادير معمول تعيين شده در آيين نامه ها بيشتر باشد، خرابی پيشرونده اتفاق نخواهد افتاد. به عنوان مثال برای انجام اين کار در هنگام طراحی می توان از افزايش ضرايب اطمينان برای تمام اعضا نام برد. معمولاً برای توصيف روش غير مستقيم از عبارت“ تماميت عمومی سازه ای(General Structural Integrity )“ استفاده می شود. منظور از تماميت عمومی سازه ای، قابليت رضايت بخش سازه برای ايجاد ارتباط روی ناحيه آسيب ديده و محدود کردن صدمه اوليه می باشد.

روش طراحی مستقيم: روش طراحی مستقيم به هنگام فرايند طراحی برای خرابی پيشرونده، به طور صريح بر روی مقاومت کل سازه تاکيد می کند. دو روش طراحی مستقيم عبارتند از: روش مقاوم سازی محلی ويژه (The Specific Local Resistance Method) روش مسير جايگزين (The Alternate Path Method)

روش مقاوم سازی محلی ويژه در روش مقاوم سازی محلی ويژه، مقاومت کافی برای ايستادگی در برابر حوادث را در المان های بحرانی فراهم می شود. به عبارت ديگر بعد از مشخص کردن المان های بحرانی، آنها بايد به گونه ای طراحی شوند که سازه بتواند به طور کامل در برابر حوادث غير عادی، مقاومت کند.

در روش مقاوم سازی ويژه، المان های بحرانی در مقابل بارهای غيرعادی به صورت مقاوم طراحی می شوند. اين المان ها بايد مقاومت و سختی کافی برای ايستادگی در برابر بارهای غيرعادی را داشته باشند. روش مقاوم سازی می تواند به چندين صورت انجام گيرد. احتمالاً افزايش ضرايب بار، می تواند يکی از آسان ترين روش ها باشد. اين کار بايستی همراه با محافظه کاري های مناسب، برای حفاظت در برابر بارهای غيرعادی صورت گيرد. در اين روش، ابتدا بايستی يک بار غيرعادی تعيين شود، به گونه ای که مقاومت نهائی به يک حالت حدی ويژه ای دلالت نمايد. معيارهای طراحی مورد استفاده در روش مقاوم سازی محلی ويژه، فقط بايد در طراحی المان های بحرانی به کار روند، يعنی المان هايي که از دست رفتن آنها، عملکرد سازه باقيمانده (Remaining Structure) را در معرض خطر قرار می دهد. نکته مهم، تعيين المان های بحرانی، در سازه های مختلف می باشد.

به عنوان يک نمونه، معادله طراحی زير برای روش مقاوم سازی محلی ويژه ارائه شده است: که در آن داريم: ضريب مقاومت که بستگی به مصالح ساخت و ضريب ايمنی مورد نظر دارد. مقاومت اسمی بار مرده بار زنده بار غير عادی مثلاً انفجار گاز.

روش مقاوم سازی محلی ويژه به علل زير کمتر مورد استفاده قرار می گيرد: الف) اطلاعات کمی راجع به اثر ديناميکی بارهای غير عادی موجود است، ب) يک روش غيراقتصادی است، پ) در اين روش به جای تاکيد بر مقاومت کل سازه، بر مقاومت المان های بحرانی تاکيد می شود، ت) کم بودن اطلاعات در مورد حادثه آغازگر خرابی. با اين وجود، در بعضی طرح ها مجبور به استفاده از اين روش هستيم و آن در مواقعی است که نتوانيم مسير جايگزينی را برای انتقال بار پيدا کنيم.

روش مسير جايگزين (Alternate Path Method ) در روش مسير جايگزين از ابتدا، مسيرهای جديد برای انتقال بار تعيين می شود و برخلاف روش مقاوم سازی محلی ويژه، امکان وقوع خرابی محلی در سازه ها داده می شود، ولی مسيرهای جايگزين بار، طوری فراهم می شوند که صدمه اوليه جذب و از پيشرفت آن جلوگيری شود.

در روش مسير جايگزين، سازه به گونه ای طراحی می شود که بتواند خرابی موضعی پيش آمده را جذب کرده و مسير جديدی برای انتقال بارها بوجود آورد. در اين روش تنها حذف (Removal) يک المان اصلی و بحرانی مورد بررسی قرار گيرد و سازه برای تعيين اثر حذف اين المان، آناليز می شود. وقتی يک المان سازه ای برداشته می شود، سازه باقيمانده (Remaining Structure) 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.

روش مسير جايگزين هم مثل روش مقاوم سازی در هنگام طراحی در مقابل خرابی پيشرونده روی افزايش مقاومت تاکيد می کند. تنها تفاوت اين دو روش را می توان به اين صورت بيان کرد که در روش مقاوم سازی محلی ويژه، المان های بحرانی، بعد از تشخيص به گونه ای طراحی می شوند که خرابی محلی در آنها اتفاق نيافتد. ولی در روش مسير جايگزين، از همان ابتدای طراحی احتمال وقوع خرابی محلی در نظر گرفته می شود ولی با جستجوی مسيرهای جديد تعادل برای انتقال بار، از پيشرفت آن جلوگيری می شود. لازم به يادآوری است که در روش مقاوم سازی محلی ويژه، بارهای باد يا زلزله- بسته به نوع سازه و مکانی که در آن احداث می شود- در نظر گرفته نشده بودند. چون احتمال وقوع مشترک بارهای غيرعادی و باد ( و يا زلزله) قوی ناچيز فرض می شود. اما در روش مسير جايگزين چون از سازه آسيب ديده انتظار می رود برای يک مدت زمان مشخص، وظيفه باربری خود را انجام بدهد، بايستی بار باد ( يا زلزله) نيز در نظر گرفته شود.

به عنوان یک نمونه، معادله طراحی زير را برای روش مسير جايگزين ارائه داده اند: ضريب مقاومت که بستگی به مصالح ساخت و ضريب ايمنی مورد نظر دارد. مقاومت اسمی بار مرده بار زنده بار باد

نکته مهمی که در اينجا بايستی ذکر شود، در نظر گرفتن اثر بارهای غيرعادی، به وسيله حذف المان می باشد. به عبارت ديگر اثرات بارهای غيرعادی به سازه با حذف اعضا و المان های بحرانی متوازن می شود. روش کار به اين صورت است که در ابتدا سازه آناليز شده و مقدار نيروهای اعضا بدست می آيد. با توجه به اين نيروها می توان اعضای بحرانی را مشخص کرد. بعد از مشخص کردن اعضای بحرانی، آنها را يک به يک حذف کرده و برای هر حذف رفتار سازه آسيب ديده مورد بررسی قرار می گيرد. 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 می شود، می توان برای ايجاد پايداری بعضی از المان ها را تقويت کرد. تقويت می تواند شامل عضو بحرانی و يا اعضای مجاور آن باشد.

تحلیل مورد استفاده در روش مسير جايگزين می تواند به دو صورت انجام شود: تحلیل استاتيکی. تحلیل ديناميکی. اگر خرابی عضو به صورت تدريجی و آرام باشد، بازتوزيع نيروها ( Redistribution of Forces) هم به صورت تدريجی و آرام خواهد بود. بنابر اين در اين حالت، تحلیل استاتيکی کافی است. ولی اگر خرابی عضو به صورت ناگهانی باشد بايستی اثرات ديناميکی نيز به حساب آورده شوند، يعنی تحلیل ديناميکی انجام شود. به عبارت ديگر، چون پديده خرابی ناگهانی اعضا، ماهيتاً يک پديده ديناميکی می باشد بنابراين، تحلیل استاتيکی مسير جايگزين تنها يک شبيه سازی تقريبی از رفتار واقعی بوده و برای بررسی دقيق رفتار، انجام يک تحليل ديناميکی ضروری می باشد.

مقايسه روش های طراحی: روش کنترل حادثه: اين روش مقاوم سازی چون توجهی به افزايش مقاومت نمی نمايد و از طرف ديگر به عواملی بستگی دارد که از کنترل طراح خارج می باشند، روش کارآمدی به نظر نمی رسد. روش طراحی غير مستقيم : اين روش نمی تواند برای هر بافتار سازه ای مورد استفاده قرار گيرد. از طرف ديگر، چون ضريب اطمينان برای همه اعضا در نظر گرفته می شود، يک روش غير اقتصادی می باشد. روش طراحی مستقيم: الف) روش مقاوم سازی محلی ويژه : در اين روش المان های بحرانی، طوری تقويت می شوند که خرابی محلی اتفاق نيافتد. اين روش به علت غيراقتصادی بودن و نبود اطلاعات راجع به اثر ديناميکی بارها، کمتر مورد استفاده قرار می گيرد. از محدوديت های ديگر اين روش، می توان به معين کردن يک بار غيرعادی ويژه در استخراج معادلات طراحی اشاره کرد. با اين وجود، در بعضی مواقع مجبور به استفاده از اين روش می باشيم و آن حالتی است که نتوانيم مسير جايگزينی برای بارها پيدا کنيم. ب) روش مسير جايگزين : اين روش برای جلوگيری از خرابی پيشرونده منطقی ترين و جامع ترين روش به نظر می رسد. چون هم پايداری کل سازه را مورد بررسی قرار ميدهد و هم يک روش اقتصادی می باشد.

با تشکر از توجه شما …