پایان نامه بررسی تخریب پیش رونده ساختمان های منظم و نامنظم فولادی مهاربندی شده هم مرکز

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

 ”M. Sc“مهندسی عمران -سازه 

چکیده

تخریب پیش رونده یک پدیده غیرخطی است که از آسیب دیدگی قسمتی اسازشروع شده وبه کل سازه و تخریب کلی آن ختم می شود . لذا بررسی این پدیده دسازه های بلند مرتبه وبااهمیت ضمن ایمن کردن آن باعث اطمینان اطراحی سازه نیخواهدشد. در این مطالعه به بررسی تخریب پیشرونده در قاب مهار بندی شده هم محورمنظم و نامنظم در ارتفاع پرداخت شده است . تخریب پیشرونده معمولا دسازه به دلیل از بین رفتن یکی ازعضو های اصلی دسازه که معمولاستون مورد نظر می باشدصورت می گیرد. باحذف ناگهانی یکستون در سازه ،در گره ای که ستون اسازحذف شده است ، تغییر مکانی که ماهیت لرزه ای دارد به وجود می آید . این تغییر مکان به وجود آمده وهمین طور باز توزیع نیرو، ناشی احذف ستون بر روی دیگر المان ها در تحلیل دینامیکی مورد نظر است . بررسی می شود که ستون های کناری ستون حذف شده توانایی تحمل بارِ توزیع شده رادارند یاپس از توزیع بار بر روی ستون ها بر اث کمانش وگسیختگی از بین می روند. برای این منظوشش مدل که شامل سه مدل قاب نامنظم بادبندی شده وسه مدل قاب منظم بادبندی شده د ۵و۱۰و۵طبقه ، مدل شده وسپس مطالعات موردی روی ستون های حذف شده صورت می گیرد . در این حالت تغییر مکان های دینامیکی بدست آمده وتوزیع بار وبررسی پتانسیل تخریب پیشرونده بر روی سازه مورد بررسی قرار می گیرد.

روند انجام آنالیز استاتیکی ودینامیکی غیخطی دسازه با استفاده از نرم افزار SAP2000 بیان می گردد.  مبنای بارگذاری وتحلیل سازه باتوجه به آیین نامه UFC2009 می باشد. نتایج بدست آمده از آنالیز نشان می دهدکه در آنالیز دینامیکی پتانسیل تخریب پیشرونده ،در قاب های نامنظم در ارتفاع برای حذف یکستون ، پایین ارزیابی می شود. توزیع بار بعد احذف ستون در همه ستون هصورت می گیرد ومختص به ستون های کناری ستون حذف شده وستونی خاص نمی باشد. درقاب منظم توزیع بار بعد احذف ستون فقط مختص به ستون - های بادبندی شده می باشد. تغییر مکان جانبی در قاب های نامنظم به علت حذف ستون وبعد احذف آن ، در مقایسه با قاب های منظم بسیار کم است . باتوجه به بررسی قاب ها در آنالیز استاتیکی غیرخطی ملاحظ می شود که ضریب افزایش بار ۲ درحالت استاتیکی غیخطی ضریب بسیار بزرگ ومحافظه کارانه می باشد.

آیین نامه UFC پیشنهاداتی برای حذف ستون در پلان و ارتفاع بیان کرده است ا در این پایان نامه برای پیش بینی حذف ستون در هنگام زلزله از آنالیز  PUSH OVERاستفادشده است .

 کلمات کلیدی : تخریب پیشرونده ، روش مسیر بار، تحلیل استاتیکی غیرخطی ، تحلیل دینامیکی غیر خطی ، قاب مهار بندی شده هم محورمنظم در ارتفاع ، قاب مهاربندشده نامنظم در ارتفاع

مقدمه

باپیشرفت دانش طراحی ساختمان ،آیین نامه ها و استاندارده های مختلف به جهت طراحی و ایمن سازی ساختمان ها دائما درحال تغییر می باشند.پارامتر های مختلفی برای طراحی ساختمان و البته بر حسب اهمیت ساختمان مطرح می گردد. باپیشرفت آیین نامه های زلزله متمرکز بر روی بار گذاری جانبی می باشندو به بار گذاری ثقلی توجه زیادی نمی شود.اما بعد ازحوادثی از قبیل تخریب شدن مرکز تجارت جهانی در نیویرک وساختمان RONAN POINTدرلندن ودیگرساختمان هکه بر اثر ازبین رفتن یک یچندستون تمامی ساختمان ، دچار تخریب وفرو پاشی شد،آیین نامه ها این مطلب را مورد بررسی قرار دادند. یکی از مسائلی که با عث ایمن سازی و اطمینان ازطراحی سازه می شود بررسی مسیر بار درسازه است .این مسئل برای جلوگیری از تخریب پیشرونده درساختمان ها مطرح می شود. روش های زیادی برای جلوگیری از تخریب پیشرونده درسازه وجود دارد اما روش APMیکی ازبهترین روش ها برای بررسی مسیر بار درسازه و اطمینان از ایمنی سازه می باشد.در این روش انواع تحلیل های استاتیکی خطی وغیرخطی ودینامیکی غیرخطی مورد بررسی قرار می گیرد. آیین نامه هایی که به طور تخصصی در مورد تخریب پیشرونده مطرح می شوند ،دو آیین نامه ٠٣-٠٢٣-٤ UFCو

GSA2003می باشد. در این آیین نامه ها انواع روش های تحلیل وطراحی برای مقابله با تخریب پیشرونده مطرح می شوند.

فصل اول

مقدمه و مبانی

۱-۱-مقدمه

بسیاری از مهندسین با تجربه و محققین مشتاق بررسی علت تخریب کلی آپارتمان رنان پوینت

(ronan point)،در اثر انفجارجذبی گاز درسال ۱۹۶۸و همین طور علت تخریب ساختمان فدرال آمریکا در اثر بمب گذاری در کنار آن درسال ۱۹۹۵ وهمچنین علت تخریب کل ساختمان مرکز تجارت جهانی ، بر اثر برخورد هواپیما در ۱۱سپتامبر می باشند. درحوادث گوناگونی از این قبیل ،  به واسطه تخریب جزئی سازه ، آسیب کلی به سازه واردشده است . بحث های متنوعی در ارتباط با نوع بارگذاری و نوع طراحی ونوع تحلیل در این ساختمان ها (که معمولا از نوع ساختمان های با اهمیت زیاد هستند) صورت گرفته است . انواع روش های تحلیل خطی و غیرخطی برای آن بیان شده است . استانداردهای

AISC وACI به طورصریح و دقیق در مورد تخریب پیشرونده نکاتی بیان نکرده بودند لذا استاندارد هایی برای طراحی این ساختمان ها ایجادشده اند ازجمله این استانداردها را می توان به استاندارد

UFCو GSA اشاره کرد.  این استانداردهاروند مرحله به مرحله تحلیل تخریب پیشرونده را بیان کرده - اند. البته بحث برسرساختمان های با قاب خمشی بیشتر می باشد.  بحث راجع به  مفید یا غیرمفید بودن این مسائل ،  در مورد سازه های موجود وسازه هایی که درحال ساخت هستند توسط آقایان مرجانیشولی واگنیو (AGNEW, MARJANISHVILI )  [۲ ], [۱]صورت گرفته است .

 [۳] مطالعات نشان می دهد که طراحی لرزه ای ساختمان ها می تواند برای جلو گیری از تخریب پیشرونده کمککند. سوالاتی که مطرح شد باعث بوجود آمدن مطالعات بسیاری در مورد تخریب

پیشرونده شده  است .  ازجمله این مطالعات عبارتند از:

 ۱- ارزیابی پتانسیل تخریب پیشرونده درپانل کف در اثرحذف ستون گوشه [۴]؛

 ۲- ارزیابی ظرفیت مقاومت قاب خمشی فولادی در تخریب پیشرونده  [۵] ؛

 ۳- تحلیل رفتار انواع اتصالات لرزه ای در قاب های خمشی فولادی [۶] ؛

 ۴- ارزیابی بررسی عملکرد زنجیره ای درشکم دادگی (catenary ction) قاب های خمشی فولادی در کاهش پتانسیل تخریب پیشرونده  [۷]

 ۵- بررسی اتصالات نیمه صلب وآسیب دیده روی تخریب پیشرونده در قاب های خمشی  [۸]؛

 ۶)ارزیابی مقاومت وپاسخ غیر الاستیک  یکساختمان بتنی طراحی شده برای زلزله برای حذف ستون درتخریب پیشرونده  ۳] و غیره رامی توان نام برد.

بررسی های مختلف ، درمقالات آقای jinkoo kimصورت گرفتکه از مراجع اصلی پایان نامه می باشد.

ازجمله این مقالات ، عملکردساختمان های نامنظم در تخریب پیشرونده  [۹]می باشد که  در این مقاله دوساختمان ۳۰طبقه با انحراف درجهت قائم (بانمای مثلثی ) باهسته مهاربندشده ویکساختمان بتنی با هسته بتن مسلح طراحی شده است و با یکساختمان  منظم با تعدادطبقه یکسان ،مقایسه می گردد. در این حالت باتوجه به نتایج تحلیل درسازه های نامنظم عملکرد تخریب پیشرونده وابسته به

 ۴محل حذف ستون می باشد. درسازه ای که نامنظم است مفصل ها  نه فقط در دهنه ای که ستون از آن حذف شده شکل گرفته اند، بلکه در دهنه های مجاور نیز این مفاصل شکل گرفته است . هنگامی که حذف ستون ازسمت انحرافی سازه صورت گیرد پتانسیل تخریب پیشرونده بسیار بالا می رود. درمقاله مقاومت تخریب پیشرونده در قاب مهاربندی شده [۱۰] مقاومت هشت نوع قاب مهاربندی شده با قاب خمشی ویژه تحت بار های یکسان مقایسه شده است که باتوجه به نتایج  pushdown اکثر قاب های دارای  مهاربند که با آیین نامه   GSAطراحی شده عملکرد مطلوبی درمقابل تخریب پیشرونده در اثر حذف ستون داخلی طبقه پایین داشته اند. در اکثر مدل ها، بر اثر کمانش مهار ها وستون ها ، مد شکست تردصورت گرفته است . درقاب های مهاربندی شده نوع شورون یا بادبند هشتی رفتارشکل پذیر مطلوبی در مقابل تخریب پیشرونده ازخود نشان می دهند.  نتایج تحلیل نشان می دهدکه همه قاب های بادبندی شده درشرایط  تعادل برای حذف ستون ،دارای تغییر مکان قائم کمتری نسبت به  قاب خمشی می باشد. در مقاله ای تحت  عنوان ارزیابی تخریب پیشرونده قاب خمشی فولادی [۵] بررسی شده است که تحلیل دینامیکی پاسخ بزرگتری از تحلیل استاتیکی می دهد ودرضمن بسیار متکی بر محل حذف ستون و بار های به کار رفته در روی آن و تعدادطبقات است . در مقاله ارزیابی عملکرد زنجیر ه ای (واکنش زنجیر وار) در مقاومت تخریب پیشرونده برای قاب خمشی [۷] نتایج زیر قابل بررسی است .  توزیع عمل (c. a)catenary  action  باتوجه به تعدادطبقات ،افزایش  می یابد.  در قاب های مهار بندی شده تاثیر این عمل به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.  درضمن در تحلیل دینامیکی غیرخطی ،حداکثر تغییر مکان که باعث حذف ناگهانی ستون می باشد هنگامی که عملکرد(c. a)رادر نظر می گیریم کاهش می یابد. در مقاله تحلیل تخریب پیشرونده برای قاب مهاربندی شده طراحی شده به صورت لرزه ای [۱۱] دو نوع قاب مهاربندی شده SCBFو EBFبررسی شده اندکه نتایج تحلیل بیان می کند که قاب مهاربندی شده EBF مقاومت بالاتری از قاب SCBF دارد.

البته تاثیرجهت بار گذاری ، بر روی قاب SCBF نیز در ارائه نتایج نقش داشته است ودر واقع شرایط بار گذاری برای دو بادبند یکسان نبوده است .  در این مقاله با توجه به مدل وآزمایش هایی که انجام شده است ، اطلاعاتی برای بادبند هشتی هم مرکز، درشکل (۱-۱) نشان داده شده است .

(تصاویر و نموداردر فایل اصلی موجود است)

 ۱-۲-مبانی

۱-۲-۱)تخریب پیشرونده

تخریب پیشرونده عبارت است ازحذف یک یاچند عضو اصلی سازه ای به دلیل بار هایی از  قبیل ضربه ، تصادف ، انفجار،زلزله وغیره  که به واسطه حذف این جزء یا اجزاء،ساختمان دچار تخریب  پی در پی درطول زمان وسبب تخریب کلی سازه خواهدشد و یابه عبارتی انتشار گسیختگی محلی اولیه از المانی به المان دیگر وتخریب کل یایک قسمت بزرگی ازساختمانمی باشد.

۱-۲-۲-کاربرد تخریب پیشرونده

تخریب پیشرونده داری کاربرد های زیر می باشد:

۱-تحلیل بار انفجار درساختمان .

۲-تحلیل آتش سوزی درساختمان حذف عناصری که امکان از بین رفتن آنها دسازه زیاد است .

۳-تحلیل ضربه در اثر برخورد وسایل وماشین آلات باستون های کناری ساختمان .

۴-تحلیل ساختمان درزلزله های شدید.

۵-تحلیل ساختمان های مهم وحیاتی در اداره کشور.

۶-تحلیل تخریب ستون ها درساختمان در اثر برخورد دوساختمان (pounding)

۷-شناخت ومقاوم سازی  عضوهای مهم سازه ای که تخریب آن هاباعث تخریب کلی سازه می شوند.

۸- استفاده در مهندسی تخریب ، به عنوان نمونه تخریب یکساختمان ۱۰۰طبقه ،درصورتیکه به طور قائم تخریب شود.

به طور کلی هر گونه تحلیل وتحلیلی که بر اثر آن قرار است قسمتی ازسازه تخریب شده وبررسی و تحلیل برروی آن صورت گیرد،  ازاین تحلیل استفاده می شود.

۱-۳- مروری برساختمان های آسیب دیددر اثر تخریب پیشرونده

۱-۳-۱-ساختمان RONAN POINT

معرفی ساختمان :

ساختمان  RONAN POINT دومین سازه ازشش سازه بلند بتنی صفحه تخت پیش ساخته بوکه در لندن بین سال های ۱۹۶۶ تا۱۹۶۸ بعد ازجنگ جهانی دوم ساخته شد. این ساختمان ، ۲۲طبقه ۶۴ متر ارتفاع و۱۱۰ واحد آپارتمانی بود.ساخت این سازه ،کمتر از دوسال به طول انجامید ودر کمتر از سه ماه مسکونی شدسازه با استفاده ازسیستم  NEILSEN–ARSEN ساخته شده بود.شروع این نوع سیستم ساختمانی درسال ،۱۹۴۸دردانمارک بوده است .  این سیستم مرکب از اجزای بتنی پیش ساخته در کارخانه است که برای کمترین کارساختمانی در پای سازه طراحی شده ودر آن دیوار ها و کف ها وپلکان ها همگی پیش ساخته هستند.  دراین تکنیک، ویژگی اتصالات وپانل ها، روش مونتاژ پانل ها و روش های ساخت مشخص شده اند. در این نوع سیستم سازه ای هر کف توسط دیوارهای باربر ثقلکه در زیر آن قرار دارد، نگهداری می شود دیوارها وکف ها روی هم قرار می گیرند وبهم پیچ می شوند وبه وسیله مقداری ملات خشک کوبیده وبرای ایمنی اتصال پر می شوند. از این سیستم به علت راحتی درساخت ، درسازه RONAN POINT استفاده شده بود. این سازه با استفاده از پانل های بتنی پیش ساخته ایجادشده بود که به وسیله جرثقیل بر روی هم مونتاژ گردیده وسپس بهم پیچ شده بودند، لذساختمان فاقد نامعینی برای توزیع بار در برابرشکست موضعی بود.

علت تخریب :

درصبحگاه ۱۶ می ۱۹۶۸ در واحد آپارتمانی شماره ۹ که درطبقه ۱۸ واقع در گوشه جنوب غربی ساختمان بود،گاز آشپزخانه منفجرشد. نیروی انفجار پانل دیوارخارجی این طبقه را که تکیه گاه زیرین دیوار های بالای آن بود، ازبین برد ودر نتیجه ، کف های طبقات ۱۹ تا۲۲شروع به تخریب پیشرونده کرد. آوارچهارطبقه بالا بر روی طبقه ۱۸ واردشد و این آغاز فاز دوم تخریب پیشرونده بود. بار دینامیکی که به سبب سقوط آوار بر روی کف طبقه ۱۸ به وجود آمدسبب تخریب پیشرونده ازطبقات

۱۷ تاسطح زمین شد. در اثر این حادثه چهار نفر کشته وهفده نفر زخمی شدند.

بررسی علت تخریب :

پس از فاصله کوتاهی از فرو ریزش این سازه ، استانداردساختمانی بریتانیا توجه زیادی به این موضوع کرد و راه حل هایی برای پیشگیری از تخریب پیشرونده ارائه داد و در آن تاکید کردکه المان های سازه ای برای ایجاد پیوستگی و نامعینی باید با هم عمل کرده و کش آیند. فشار افکار عمومی ، دولتمردان را واداکرد تا یک تیم را برای ارزیابی علت فرو ریزش برج RONAN POINT تشکیل دهند.

مشخص شد نشت گاز موجب انفجار و فرو ریزش ساختمان شد. فشار ناشی از این انفجار بین ۱۴ کیلو پاسکال تا۱۸کیلو پاسکال تخمین زده شد. همچنین آزمایشاتی به وسیله موسسه تحقیقاتی ساختمان ودانشگاه پادشاهی لندن انجام شد تظرفیت سازه را ارزیابی کند.  نتایج نشان داد که دیوار آشپزخانه و اتاق نشیمن در فشاری حدود ۷Kpa .۱۱شکسته خواهدشد. درحالیکه دیوارخارجی در فشاری معادل   ۷Kpa. ۲۰شکسته می شود.  علت اصلی فرو ریزش سازه فقدان نامعینی دانسته شد.

این سازه داری مکانیزم شکست امن نبود ومسیر دیگری برای توزیع نیرو های حاصل از دیوار بار بر از بین رفته ، وجود نداشته است .

ارزیابی فرو ریزش  RONAN POINT، دیگرجنبه های جالب توجه طراحی را نشان داد ومشخص کرکه باد های قوی ویا اثرات آتش هم می تواند موجب تخریب پیشرونده شود.  این سازه برای فشار بادی درحدود Kpa  ۵۷۰طراحی شده است . درطراحی این ساز از استانداردطراحی ۱۵سال قبل استفاده شده است که اثرات ارتفاع در آن در نظر گرفته نشده است . استاندارد فعلی بریتانیا توصیه می کند که ساختمان باید برای طراحی در برابر بار برابر با۱.۵ درصد بار مرده سازه مقاومت کند.[۱۲]

۱-۲۳-ساختمان فدرال A. P. MURRAH

معرفی ساختمان :

این ساختمان درای ۹طبقه و یکسازه اداری دولتی بوده که درسال ۱۹۷۰ تا۱۹۷۶ درشهر

Oklahoma ساخته شده بودسیستم سازه از نوع قاب خمشی معمولی و از بتن مسلح ساخته شده بود. ابعدساختمان ۶۷متر د۳۰.۵ متر بود .فاصله بین ستون ها درطبقه او تسوم حدود ۱۲.۲ متر و ازطبقه سه به طبقه بام این فاصله ۶.۱ بود.این ستون ها ازطبقه سوم تاطبقه بام بر روی یک شاهتیر قرار داشتند. تکیه گاه شاهتیر نیزستون های طبقه سوم بود .

علت تخریب :

بر اثر انفجار بمب در داخل یک کامیون که در فاصله ۴.۹ متری ازساختمان قرار داشت ستون های طبقه سوم دچاکمانش موضعی شده وبر اثر آن از بین رفتند وبر اثرحذف این ستون ها ،شاهتیر نیز ازبین رفت .باحذف شاهتیر تمامی ستون های بالای آن تطبقه بام تخریب شدند.فرو ریزش تا عرض

۲۱.۳ متری ازساختمان رخراب کرد.

بررسی علت تخریب :

نتایج نشان داکه قاب خمشی معمولی بتن مسلح که طبق استاندارد 71-318-ACIطراحی شده است نمی تواندسطح شکل پذیری مورد نیاز را برای توزیع بار ناشی ازحذف ستون ایجاد کند. آنها پیشنهاد کردند، درصورتی که از قاب خمشی ویژه که در مناطق لرزه ای استفاده می شود، برای اتصالاتشان استفاده کنندسطح فرو ریزش را بین ۵۰ تا۸۰ درصد کاهش می دهند.[۱۲]

۱-۳۳-ساختمان BANKERS TRUST

معرفی ساختمان :

این ساختمان یکسازه فولادی ۴۰طبقه بود که درجلوی برج دو قلوی WTCقرار داشت سیستم سازه ، قاب خمشی معمولی در دوجهت بود .

علت تخریب :

برخورد دیوارخارجی برج WTCوضربه آن به کف طبقه ۲۳ساختمان وسبب خرابی تیر های محیطی بین کف ۹ تا۲۳وستون های ۹ تا۱۸شد.

بررسی علت تخریب :

در این ساختمان با وجود اینکه اعضای بار بر قائم حذف شدند. اما آسیب به دیگر قسمتهای سازه گسترش نیافت .  این سازه نشان داد که قاب خمش ، نامعینی وشکل پذیری کافی را برای باز پخش تنش هایی که به دنبال حذف ستون ایجاد می شوند، دارند و انرژی جنبشی که ناشی ازحذف ستون و ریزش آوار است راجذب می کنند

Abstract

In this study, progressive collapse, the structure is examined. In a progressive collapse of structural

elements such as columns or brace, is deleted, delete this element may occur for any reason. More in

this discussion due to severe impact and moderate earthquakes in the structure, elements have been

removed and therefore a non-linear static analysis of structures (push over) elements that must be

removed from the structure are obtained. It is assumed that the structure is designed for earthquakes.

Due to the removal of this element in the structure, initially removed from a dynamic effect element

comes into existence at a given time from the elimination of structural elements, whether or not to be

redistributed and that shift there in place to remove structural elements increases or decreases, are

discussed. Here it is to try different ways to frame analysis for progressive collapse, so we examine the

methods of static and dynamic nonlinear analysis based on the standard interpretation is UFC2009 is

expressed. Structural Evaluation and Structural capacity curves and the formation of joints, shift and

review various strategies and articles from the UFC standard for analyzing nonlinear dynamic and

nonlinear static and analyze the strengths and weaknesses are checked. Using nonlinear dynamic

analysis and shift the distribution at the column to remove a particular element of the column and load

distribution on the path and shaping plastic joints have been investigated. Using non-linear static

analysis of structural capacity curves have been obtained. The load tolerated by the structural element

removed, the structure is redistributed or the formation of joints in structural analysis of progress and

eventually will converge on the structure whether it will review the two methods.

Keyword: Progressive Collapse, APM , Nonlinear Static