خرابی پیش رونده در سازه ها و راه های جلوگیری از آن

در این پست ابتدا به تعریف خرابی پیش رونده در سازه ها می پردازیم سپس در ادامه روش های جلوگیری از وقوع این نوع خرابی را در سازه ها مورد بررسی قرار می دهیم، بنابراین با ما همراه باشید.

خرابی پیش رونده در سازه ها چیست ؟

خرابی پیش رونده در سازه ها (Progressive Collapse) را می توان به عنوان یک واکنش زنجیره ای (Chain Reaction) یا انتشار خرابی (Propagation of Failure) تعریف کرد که در آن تحت عللی خاص، صدمه موضعی (Local Damage) در ناحیه نسبتاً کوچکی از سازه رخ می دهد و در شرایطی این صدمه موضعی، به بخش های دیگری از سازه گسترش یافته و در نهایت به خرابی کلی (Overall Collapse) سازه، منتهی می شود. به عبارت دیگر بعضی مواقع خرابی محلی عضو، به صورت موضعی باقی نمانده و در کل سازه منتشر می شود.

پیشنهاد مطالعه : آشنایی با اتصالات گیردار از پیش تایید شده

پدیده دومینو

با استفاده از پدیده Domino یا House of cards می توان خرابی پیش رونده را به وضوح نشان داد. شکل زیر ‏تعدادی کارت با ارتفاع L‏ را نشان می دهد که به فاصله λ از همدیگر قرار گرفته اند.

شکل 1 . پدیده دومینو

فرض می کنیم یکی از کارت ها، در اثر ضربه، پایداری خود را از دست داده ‏و خراب شود. وضعیت کارت های د‏یگر را بعد از این خرابی می توان در دو حالت بررسی کرد :

حالت اول L≥λ ‏: یعنی وقتی که فاصله کارت ها، از ارتفاع شان کمتر است. این وضعیت در شکل زیر ‏ نشان داده شده است. در این حالت، ناپایداری کارت اولی باعث گسترش ناپایداری به صورت پیش رونده به تمام کارت های دیگر خواهد شد، یعنی خرابی به صورت پیش رونده رخ خواهد داد.

شکل 2 . حالت اول

حالت دوم L≤λ ‏:  یعنی وقتی که فاصله کارت ها، از ارتفاع شان بیشتر است. در این حالت ناپایداری اولیه به صورت موضعی در محل شروع خرابی باقی مانده و انتشاری واقع نمی شود.

عوامل ایجادکننده خرابی پیش رونده

شکل 3 . درصد عوامل تخریب پیش رونده

خرابی پیش رونده در سازه ها بیشتر به دو علت زیر اتفاق می افتد :

الف) خطا های طراحی و اجرایی

شکل 4 . نمونه خرابی به دلیل خطا در اجرا

ب) بارهای غیرعادی

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

روش های متنوعی برای کاهش احتمال خطر خرابی پيش رونده، در سازه ها پيشنهاد شده است که مهم ترين و عمده ترين اين روش ها عبارتند از

• روش کنترل حادث
• روش طراحی غير مستقيم
• روش طراحی مستقيم

روش های مقاوم سازی سازه ها در برابر خرابی پیش رونده

روش کنترل حادثه

در بعضی موارد، احتمال خرابی پیش رونده 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 پيش رونده افزايش نمی دهد و از طرفی به عواملی بستگی دارد که از کنترل طراح خارج می باشند، لذا کمتر مورد استفاده قرار می گيرد.

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 پيش رونده تاکيد می شود، يعنی اگر مقاومت، پيوستگی وشکل پذيری اجزاء تشکيل دهنده از مقادير معمول تعيين شده در آيين نامه ها بيشتر باشد، خرابی پيش رونده 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

دو روش طراحی مستقيم عبارتند از :

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 خرابی پیش رونده، 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 مسير جايگزين

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 پيش رونده 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.

منابع:

مقاله بررسي خرابي پيش رونده در قاب های خمشي فولادي فضايی از کریم عابدی، محمد رضا چناقلو و سعید علیرضایی