الگوهای فروریزش ناشی از زلزله

ما به طور معمول ریسک بالاتر تخریب در اثر نیروهای طراحی لرزه ای نسبت به سایر بارهای بیشینه قابل قیاس همچون بار بیشینه زنده و یا باد را می پذیریم. نیروهای طراحی لرزه ای متناظر معمولا دارای مقادیر بسیار بالایی هستند که تحمل آن ها در بازه الاستیک پاسخ ماده، مورد انتظار نیست. و معمول است که طراحی برای مقاومت هایی انجام شود، که کسری از آن پاسخ الاستیک باشد، و از سازه انتظار داشته باشیم که توسط تغییر شکل های غیر الاستیک و استهلاک انرژی متناظر با آسیب ماده در برابر زلزله های بزرگ دوام بیاورد.

لرزش ناشی از زلزله است که باعث آسیب به سازه می شود اما این نیروی گرانش است که منجر به فروریزش می شود. درجات نامعینی و رفتار شکل پذیر سازه  می تواند باعث کاهش شدت و یا جلوگیری از فرور یزش شود. از سوی دیگر، رفتار ترد امکان فروریزش و شدت آن را افزایش می دهد.

با افزایش آگاهی از این مهم که مقاومت بیش از حد ضرورت ندارد و یا حتی ضرورتا مطلوب نیست، تاکید  طراحی لرزه ای بر مقاومت در برابر نیروهای لرزه ای بالا به اجتناب از این نیرو ها تغییر یافته است. پاسخ غیر الاستیک سازه یک واقعیت ضروری در ارزیابی طراحی سازه برای بارهای لرزه ای است. تغییر شکل هایی که شکل پذیری را فراهم می کنند، به صورت یک خصوصیت ویژه برای حفظ مقاومت هنگامی که سازه در معرض تغییر شکل های غیرالاستیک بازگشتی ناشی از پاسخ زلزله هستند، در نظر گرفته می شوند. طراحی لرزه ای می بایست مشوق پیکره های سازه ای باشد که دارای ویژگی های شکل پذیری بیشتری نسبت به سایر حالات سازه باشد. بنابراین برای سازه های بتنی، مقاومت برشی فراهم شده می بایست از مقاومت خمشی کنونی بیشتر باشد تا تضمینی باشد که تغییر شکل های برشی غیر الاستیک متناظر با زوال بالای سختی و مقاومت که می تواند منجر به شکست شود، رخ ندهد.

یکی از بیشترین دلایل شکست در زلزله مکانیزم طبقه نرم است. که یک طبقه، معمولا پایین ترین طبقه، ضعیف تر از طبقات فوقانی است، و مکانیزم رانش ستون که دارای نیاز شکل پذیری بالاست، می تواند توسعه یابد. طبقه نرم از این هدف کاربردی مشتق می شود که طبقات پایین تر تا حد امکان با فضای باز تری ساخته می شوند. تحت پاسخ شکل پذیر به زلزله، کرنش های بالای فشاری از اثرات ترکیبی نیروهای محوری و لنگر خمشی انتظار می رود. در صورتی که ارماتور مسلح کننده جانبی به مقدار کافی، نزدیک به هم و با طراحی مناسب در مناطق محتمل به تشکیل مفصل پلاستیکتعبیه نشده باشد، شکست بتن در پی ناپایداری ارماتور فشاری به وجود می آید. در این صورت می بایست درک شود که حتی با وجود فلسفه طراحی تیر ضعیف-ستون قوی که منجر به استهلاک انرژی لرزه ای در مفاصل پلاستیک مناسب در تیر های می شود، ممکن است مفصل پلاستیک کماکان در تراز پایه ستون های به وجود بیاید.

اگرچه که در هر زلزله درس های جدیدی نهفته است اما می توان ادعا کرد اکثریت نکات سازه ای آموخته شده است. اگرچه که هنوز فقدان قدردانی فراگیر از اثار غیر قابل پیش بینی و غیر قابل سنجش زلزله ها بر روی ساختمان ها وجود دارد.

تکنیک های شناخته شده، که برای طراحی سازه ها در برابر بارهای استاتیکی همچون بارهای باد استفاده می شود را نمی توان به سادگی برای شرایطی که از زلزله منتج می شود تعمیم داده و به کاربرد. در طراحی لرزه ای، در نظر گرفتن نیروهای متناظر با تغییر مکان بیشینه لرزه ای اجتناب ناپذیر است.

افزایش سختی غیر تعمدی

یک منبع اصلی آسیب، به ویژه در ستون ها که به دفعات در زلزله ها مشاهده شده است، مداخله تغییر شکل اعضا با المان های صلب غیر سازه ای همچون دیوار های جدا کننده است.

همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است، لبه بالایی دیوار آجری طول موثر یکی از ستونها را کاهش می دهد و بدین وسیله سختی آن را در ارتباط با نیرو های جانبی افزایش می دهد. به این دلیل که نیرو های لرزه ای متناسب با سختی المان ها جذب می شوند، بنابراین ستون نیروهای برشی افقی بیشتری را نسبت به توان مقاومت خود جذب می کند. ممکن است که شکست غیر منتظره چنین المان های اصلی باربر ثقلی منجر به فروریزش کلی ساختمان شود. بنابراین، بسیار مهم است که تغییر شکل های در نظر گرفته شده، شامل مولفه های اصلی باربر لرزه ای در بازه پاسخ لرزه ای غیر الاستیک، بدون دخالت انجام پذیرد.

شکل1- اشکال در ستون ها در اثر سختی اضافه غیر تعمدی

فروریزش اکثر ساختمان ها در اثر فقدان پایداری به وجود می آید. بین معنا که، شکل اصلی در اثر ترکیب نیروها به صورت چشمگیری تغییر می کند. شکل جدید، توانایی باربری بسیار کمتری دارد، بنابراین سازه به سرعت تغییر، تغییر شکل خود را ادامه می دهد تا شکل پایدار جدیدی را پیدا کند. یک مثال معمول از، ار دست دادن پایداری آن است که ستون های لاغر توسط کمانش از دست نیرو رهایی می یابند،  و نیرو بر روی زمین/شالوده متوقف می شود.

مقاومت اتصال

شکست سازه  در اثر جنبش ناشی از زلزله ساختمان هایی که دارای اتصالاتی که به صورت ضعیفی با بتن محصور شده اند، به وجود می آیند. تناوب سازه هنگامی که توسط زلزله تحریک می شود منجر می شود که اتصالات خمشی باز شوند به صورتی که قطعات بتن از قفسه ارماتور فولادی کنده شود. ستون های دیگر قادر به تحمل بار های ثقلی نخواهند بود، و منجر می شود تا سازه به سمت زمین حرکت کند تا زمانی که بر روی زمین و یا طبقات پایین تر که دارای مقاومت کافی برای نگاهداری جرم سقوط کننده را داشته باشند، متوقف شود. (شکل2).

شکل2- شکست اتصالات ستون. بتن موجود در ستون ها به خوبی توسط خاموت ها محصور نشده است که منجر به شکست شده و بتن پاره شده و ارماتور ها کمانش می کنند.

شکست های کششی فشاری

این گونه از شکست ها معمولا  در سازه های بلندتر به وجود می آیند(شکل 3). کششی که در مرز های قاب بتنی و یا دیوار برشی متمرکز می شود می تواند منجر به کاهش سریع پایداری شود. در دیوار ها، در صورتی که ارماتور های فولادی دارای ابعاد مناسب نباشند و یا به صورت ضعیفی تعبیه شده باشند، می تواند موجب شکست آن در کشش شود و یا می تواند منجر به فروریزش سریع توسط واژگونی شود.

شکل3- الگوهای فروریزش. a-مقاومت ناکافی برشی. b- مقاومت ناکافی تیر ستون c-شکست کششی فشاری در اثر واژگونی

شرایط معمول دیگر زمانی اتفاق می افتد که کشش باعث می شود تا اتصالات قاب خمشی بتنی مقاومت خمشی و برشی خود را از دست بدهد. زوال سریع سازه می تواند منجر به فروریزش جزیی و یا کامل مشابه با شکست تیر ستون شود.

الگوهای فروریزش ساختمان های بتنی در اثر زلزله – قسمت 2

در  قسمت بالا برخی از الگوهای فروریزش ناشی از زلزله را،  همچون افزایش سختی غیر تعمدی و مقاومت اتصال را بررسی کردیم. دراین قسمت سایر این الگوهای فرو ریزش لرزه ای یک ساختمان بتنی را بررسی می کنیم.

 شکست اتصالات دیوار به سقف

از آن جا که مهار عمودی سقف و همچنین مهار افقی خارج صفحه از بین می رود، پایداری نیز از دست خواهد رفت. (شکل 1)

شکل1-الگوهای فروریزش

شکست موضعی ستون

شکست موضعی ستون می تواند منجر به از دست رفتن پایداری و یا خرابی پیش رونده سازه مشابه با شکل شماتیک 1 شود. مشاهده می شود که در اکثر فرو ریزش ها، نیروی تخریب کننده نیروی جاذبه ای است که بر روی سازه ای اعمال می شود که در  اثر جابه‌جایی افقی و یا ظرفیت عمودی ناکافی ناپایدار شده است. مضاف آن که، نیروهای جانبی بعدی از پس لرزه ها می تواند جابه‌جایی را افزایش داده و منجر به افزایش ناپایداری شود. معمولا فروریزش سازه به صورت نامنظم انجام می شود. و برخی قسمت ها ممکن است توسط دهانه های تخریب نشده مجاور نگاه داشته شوند.

شکست طبقات سنگین

شکست طبقات سنگین در شکل 2 به صورت شماتیک نشان داده شده است، که به صورت تخریبی نیمه کاره (partial)است. این شکست هنگامی به وجود می آید که ستون ها یا دیوار ها، توسط جنبش زمین ناشی از زمین لرزه تضعیف شده و قادر به مهار کف های سنگین نیستند. سازه های قاب خمشی بلند، که در آن ها برگشت کشش به فشار منجر به شکست انفجاری ستون های خارجی می شود، ممکن است واژگون شوند، اغلب بیشتر، در اثر نیروهای ثقلی بالا درون مرزهای پلان خود فرو می ریزند. بسیاری از سازه های قاب بتنی که به صورت جزیی فروریخته اند شامل قسمت هایی از دال و یا دیوار هستند که از یک قسمت فرونریخته آویزان شده است. این مسئله در ساختمان های واقع شده در گوشه ها مشاهده می شود که به دلیل آثار پیچش تنها دهانه های مجاور با خیابان فروریخته است. و یا ساختمان های طویل که دارای بال ها متعدد هستند که برخی از دهانه فرو نریخته است.

شکل2-شکست ناشی از کفهای سنگین. نیروی عمده در اینرسی سقف ها نهفته است که درتراز هر طبقه متمرکز شده است. در صورتی که ستون ها ترک خورده و بشکنند، کف های سنگین فروخواهند ریخت.

آثار پیچش

اثار پیچش ممکن است در سازه های قابی رخ دهد که یک دیوار توپر در بین ستون ها تعبیه شده است. این دیوار ها از سایر قسمت های ساختمان سخت تر می شوند و یک شرایط موقتی، برون محور ایجاد می کنند، که ممکن است منجر به فرو ریزش شود.(شکل 3)

شکل3-اثر پیچش: دیوار های خطوط مرزی که در یک سمت ساختمان قرار گرفته اند، منجر به ایجاد شرایط برون محوری می شوند که ممکن است منتج به فروریزش شود.

 شکست طبقه نرم

شکست طبقه نرمدر ساختمان هایی اتفاق می افتد که به گونه ای پیکر بندی شده اند که دارای سختی بسیار کمتری هستند، به این دلیل که تعداد کمتری ویا هیچ دیواری در طبقه اول در مقایسه با طبقات بالا فراهم نشده است(شکل 4). فروریزش اغلب در یک طبقه محدود می شود، به صورتی که ساختمان یک طبقه کوتاه تر می شود.

شکل4- شکست طبقه نرم، طبقه پایینیکهتوسط بازشوهای زیادی تضعیف شده است ویران(rack)[تبدیل مستطیل به متوازی الاضلاع] می شود، این مهم به دلیل عدم سازگاری مقاومت و تقاضای نیرویی منجر به شکست ستون های این طبقه می شود.

شکست طبقه میانی

این شکست هنگامی به وقوع می پیوندد که طبقه میانی به گونه ای پیکر بنده شده است که دارای سختی کاملا متفاوتی نسبت به طبقات بالاتر یا پایین تر خود می باشد. به طور نمونه هنگامی که یک طبقه دارای دیوار نبوده و طبقات بالا و پایین دارای دیوار های متعدد است، و یا هنگامی که یک طبقه دارای ستون های سخت و کوتاه بوده و طبقات بالا و پایین دارای ستون های با ارتفاع بیشتر و منعطف تر ی هستند.

کوبش(ضربه زدن)

شکست ناشی از ضربه زدن و یا کوبش هنگامی اتفاق می افتد که دو ساختمان مجاور دارای طبقاتی است که در تراز های متفاوتی قرار گرفته باشند. یک لبه خیلی سخت/مقاوم یکی از ساختمان ها ممکن است منجر به آسیب و یا حتی فروریزش ستون های ساختمان مجاور در هنگام کوبش یا ضربه شوند.

اثر P-Δ

هنگامی که ساختمان های منعطف در معرض بار های جانبی قرار می گیرند، به دلیل جابه جایی بار ثقلی تغییر مکان های به وجود آمده افقی منجر به به وجود آمدن لنگر های واژگونی اضافه  می شوند. بنابراین در مدل ساده طره ای اشکال 5 تا 7 لنگر خمشی کلی برابر با :

M_ub=V_uH+P_uΔ

معادله1

بنابراین، علاوه بر لنگر واژگونی که توسط بار جانبی به وجود می آید، V_u، ممان ثانویه P_uΔ نیز می بایست مقاومت شود. این لنگر افزوده در نوبه خود منجر به به وجود آوردن تغییر مکان جانبی اضافی می شود و در نتیجه  Δ بیشتر افزایش می یابد. در سازه های بسیار منعطف، ناپایداری منتج به فروریزش ممکن است رخ دهد.

شکل5- آثار P-Δ؛ مدل طره ساده. M_u = V_uH + W_gΔ

واجب است تا در هنگام ارزیابی نیروهای طراحی لرزه ای اهیمت اثار P-Δ تشخیص داده شود که این آثار در سازه های واقع شده در خطر لرزه ای کم تا متوسط دارای اهمیت بیشتری نسبت به سازه های واقع شده در مناطق با خطر لزه ای زیاد که در آن ها نیروهای جانبی طراحی متناظرا بیشتر در نظر گرفته می شود، می باشد. بنابراین، در اکثر شرایط، به ویژه در مناطقی که نیاز است تا نیروهای طراحی لرزه ای بیشتری در نظر گرفته شود، آثار P-Δ حاکم بر طراحی قاب نشود.

شکل6-آثار P-Δ:سیستم قاب-دیوار برشی

همان طور که انتظار می رود، پدیده P-Δ باعث افزایش رانش(drift) می شود، اما تحلیل قاب های ساختمانی معمول نشان داده است که این آثار هنگامی که رانش بیشینه میان طبقاتی کمتر از 1% است دارای مقدار اندکی است. اگرچه برای دریفت های بیشتر میان طبقاتی، آثار P-Δ منجر به افزایش تشدید این رانش ها می شود.
می بایست درک کرد که تا جایی که رفتار غیر خطی مورد توجه است، افزایش مقاومت یک قاب نسبت به افزایش سختی در کنترل دریفت موثرتر است. این مسئله به این دلیل است که هر چه قاب باشدت بیشتری در بازه غیرالاستیک پاسخ بدهد، اهمیت سختی کمتر می شود.  

شکل7-شکست ناشی از آثار P-Δ

منبع:

«دپارتمان سازه سامانه کارگشا»

————————————————————————————————————————————–

برای بهره مندی از خدمات محاسبات طراحی سازه به شرح لیست زیر، در خواست خود را در لینک مشاوره فنی و مهندسی ثبت نمایید.

1-طراحی اسکلت فولادی و شالوده

2-طراحی اسکلت بتنی و شالوده

3-سبک سازی و بهینه سازی محاسبات طراحی

4- کنترل مضاعف محاسبات طراحی

3-طراحی سقف کامپوزیت عرشه فولادی و کامپوزیت سنتی

4-طراحی دال پس کشیده

5- طراحی دال بتنی مشبک

6-طراحی دال های بتنی

7- بهسازی لرزه ای و مقاوم سازی

8-طراحی سوله

9-طراحی سازه های با اسکلت LSF

10- مباحث تکمیلی و پژوهشی سازه

با تشکر

امیر فکور