الگوهای فروریزش سازه های بتن مسلح تحت بارهای غیرعادی

28 اکتبر , 2018

۰ زمان تقریبی مطالعه 5 دقیقه

فروریزش ناشی از تندبادها

سازه هایی مهندسی شده مناسب، به گونه ای طراحی شده اند که توسط عملکرد الاستیک خود در برابر بار های باد مقاومت کنند(بر خلاف پاسخ غیر الاستیک که در طراحی لرزه ای فرض می شود)، بنابراین غیر عادی است که ساختمان هایی داشته باشیم که متحمل آسیب قابل ملاحظه ناشی از باد باشند. موج های خروشان به ویژه مربوط به تندباد های ساحلی می تواند منجر به آسیب و حتی فروریزش شود، اما معمولا سازه های سبکتر دچار چنین آسیب هایی می شوند.

آثار انفجار

مقدار فشاری که به ساختمان ها در اثر انفجار تحمیل می شود، دارای مرتبه ای چندین برابر، 5000 Psi یا بالاتر، از فشار طرحی معمول می باشد، اما مدت زمان آن در بازه میلی ثانیه است. فشار های منتج به صورت معکوس متناسب با مکعب فاصله از مرکز منبع می باشند. آسیب های وارده به سازه ممکن است شدید باشد، اما تنها به اندزه کسری از آن چه که فشار استاتیکی متناسب می تواند به وجود آورد، می باشند. هنگامی که سطوح بزرگی درگیر فشاری های ناشی از انفجار می شوند، همان طور که موج انفجار عبور می کند، انها حرکت می کنند، اما راستای نیروی خالص(برکنش اولیه-فوق فشار) توسط پیچیدگی های مسیر موج و زمان مشخص می شود. احتمال بیشتری وجود دارد که ستون های سنگین دوام بیاورند، اما مشکل آنجاست که کف هایی که آن ها را از لحاظ جانبی مهار کرده اند، آسیب دیده اند. صفحات دیوار و کف در ساختمان دارای سطوح بزرگی هستند که اکثر فشار انفجار را می گیرند. محتمل است که آن ها از اتصالات خود کنده شوند، که منجر به فروریزش قسمت های حداقلی از سازه می شود.(به اشکال 1 تا 3 دقت شود. )

انفجار خارجی در سازه شکل1- انفجار خارجی

انفجار در سازه شکل2- آسیب های ناشی از انفجار خارجی. a- پنجره ها، ستون ها و دیوار های بیرونی b-دال های سقف و کف c- رانش ساختمان ناشی از تکان ناگهانی زمین

انفجار در سازه شکل3- انفجار داخلی : هنگامی که انفجار هایی در سازه رخ می دهد، فشار در فضاهای محدود به وجود می آید، که منجر به ترکیدن دیوار ها، کف و سقف های متصل شده سبک شود.

خرابی پیش رونده

نمونه برجسته از یم خرابی موضعی که به خرابی غیر متناسب کل ساختمان تعمیم پیدا کرد، فاجعه Ronan Point بود، که توجه متخصصین را به موضوع یکپارچگی سازه جلب کرد. این ساختمان آپارتمانی 22 طبقه با استفاده از پنل های باربر بتن پیش ساخته در انگلیس ساخته شده بود. در مارچ 1986، یک انفجار گاز در طبقه 18ام باعث انهدام دیوار اتاق پذیرایی شد. از بین رفتن دیوار منجر به فرویزش کل گوشه ساختمان شد. آپارتمان های بالای طبقه 18ام، که به صورت ناگهانی مهار خود را در تزاز زیرین از دست داده بودند، و دارای ارماتور های کافی نبودند، یکی پس از دیگری فرو ریختند. خرابه های در حال سقوط به ترتیب منجر به انهدام کف ها و دیوار های زیر طبقه 18ام شده و شکست تا سطح زمین ادامه پیدا کرد. در صورت وجود پیوستگی و شکل پذیری بهتر مقدار آسیب کاهش می یافت.

شکل4- خرابی پیش رونده در ساختمان رونان پوینت

یک مثال دیگر از خرابی پیش رونده ساختمان فدرال Alfred P. Murrah در اکلاهاما است. در اپریل 1995 ، یک کامیون حاوی 4000Ib از مواد منفجره در نزدیکی پیاده رو و در کنار یک ساختمان اداری 9 طبقه بتن مسلح پارک شده بود. سمتی که در مقابل انفجار قرار داشت دارای ستون های گوشه و 4 ستون پیرامونی دیگر بود(شکل5).

موج انفجار منجر به جدایی یک از ستون های محیطی با ابعاد 20*36 in کرد و منجر به شکست ترد 2 ستون دیگر شد. شاهتیر انتقال در طبقه سوم بالای این ستون ها شکسته شده، و کف های طبقات بالاتر به صورت پیش رونده ای فروریختند. تقریبا 70% ساختمان در معرض فورریزش بیش از حدی را تجربه کرد. (شکل6). این اتفاق منجر به مرگ 168 نفر شد، که بسیاری از ان ها نتیجه مستقیم خرابی پیش رونده بود. در صورتی که ساختمان برای مهار طبقات فوقانی متکی به شاهتیر انتقالی نبود، و اگر دارای ابعاد اعضا و ارماتور های مسلح کننده بهتر برای شکل پذیری بهتر و درجه نامعینی بیشتر و یا مقاومت در برابر بارهای برکنش بر روی دال های کف طبقات بود، متحمل آسیب کمتری می شد.

شکل 5-ساختمان الفرد مورا پیش از انفجار

شکل6- خرابی پیش رونده ساختمان الفرد مورا

گزینه های طراحی برای کاهش خرابی پیش رونده

برای حصول مقاومت در برابر خرابی پیش رونده تعدادی روش وجود دارد که مهترین آن ها در ادامه بیان می شود:

1. در حین روند طراحی، از طریق فراهم کردن مقادیر حداقل مقاومت، پیوستگی، و شکل پذیری در برابر خرابی پیش رونده برای مقاومت در نظر گرفته شود.

2. مسیر های بار جایگزین تامین شده تا آسیب جذب شده و از فروریزش اصلی جلوگیری شود.

3. مقاومت کافی برای مقابله با شکست های ناشی از تصادفات یا سوء استفاده به وجود بیاید.

4. در مناطق دارای ریسک بالا برای ایجاد مقاومت کافی در برابر بارهای غیر عادی، مقاومت موضعی فراهم شود تا برای سازه در حالت کلی مسیر های جایگزین به وجود بیاید.

راهنمایی هایی برای حصول یکپارچگی سازه

1. عموما، اتصالات بین مولفه های سازه می بایست شکل پذیر باشد و دارای ظرفیت برای تغییر شکل های بزرگ و جذب انرژی تحت اثرات شرایط غیر عادی را داشته باشد.

2. چهار چوب پلانی مناسب: یک عامل مهم در حصول یکپارچگی قالب بندی پلانی مناسب دیوار ها و ستون هاست. در سازه های متکی به دیوار، می بایست ترتیبی از دیوارهای طولی داخلی وجود داشته باشد تا دهانه مقاطع طویل از دیوار های عبوری را مهار کرده و کاهش دهد، تا منحصرا پایداری هر دیوار و کل سازه را ارتقابخشد.

3. در المان های اصلی سیستم سازه ای سیستم یکپارچه ای از خاموت ها فراهم شود. این خاموت ها ممکن است منحصرا به صورت مولفه های سیستم باربر ثانویه، که اغلب می بایست تغییر شکل های بسیار بزرگ در حین اتفاقات سازه ای را تحمل کنند، در نظر گرفته شوند.

4. یکپارچگی دیوار ها: یکپارچگی دیوار های داخلی و بیرونی منجر به پایداری بشتر آن ها می شود.

5. تغییر راستاهای دهانه دال طبقه: هنگامی که دال کف یک طرفه مسلح شده تا راستای اصلی را بپوشاند، ظرفیت پوشش در راستای ثانویه نیز فراهم شود، شاید بتوان از ضریب اطمینان کمتری استفاده کرد. با این روش، از فروریزش دال ممانعت شده و مخروبه های حاصل از سایر قسمت های سازه کمینه می شود. اغلب، فولادی افت و حرارت برای ایجاد ظرفیت دال در راستای ثانویه کفایت می کند.

6. تیغه های داخلی باربر: دیوار های داخلی می بایست توانایی باربری به حد کفایت را داشته باشند تا بتوانند تغییر راستای ظرفیت را در دال ها طبقات متحمل شوند.

7. عملکرد زنجیری دال طبقات. هنگامی که دال نتواند راستای ظرفیت خود را تغییر دهد، در صورتی که دیوار تکیه گاهی میانی برداشته شود ظرفیت افزایش می یابد. در این حالت، در صورتی که ارماتور کافی و پیوستگی کافی و تقید در دال وجود داشته باشد، ممکن است دال توانایی باربری را توسط عملکرد زنجیری داشته باشد، اگر چه که تغییر شکل های بسیار بزرگی به وجود می آید.

سایر عوامل عبارتند از :

8. عملکرد تیری دیوار ها

9. سیستم های سازه ای نامعین

10. طراحی شکل پذیر