روش کاهش خرابی

از آن‌جا که محل، اندازه و مقدار بارهای غیرعادی وارد بر سازه معلوم نمی ­باشد آیین نامه ­ها با ارائه روش ­های کلی سعی در کاهش پتانسیل سازه در برابر خرابی پیش­رونده دارند. به طور کلی آیین نامه ­ها سه روش عمده در برابر خرابی پیش رونده ارائه کرده ­اند که شامل روش کنترل وقوع حادثه، روش‌های مستقیم و روش های غیرمستقیم می‌شوند.

روش کنترل وقوع حادثه شامل روش ­هایی است که از وقوع حوادثی که موجب آسیب به سازه‌ می‌گردد جلوگیری می‌نمایند.

روش­ های غیرمستقیم با ارائه روش ­های کلی و با افزایش یکپارچگی و شکل پذیری و درجه نامعینی سازه و با هدف افزایش ظرفیت سازه برای باز توزیع نیروها و بدون در نظر گرفتن بارهای غیرعادی وارد به سازه می‌باشد.

روش ­های مستقیم با هدف افزایش ظرفیت سازه، جذب انرژی در اثر بارهای غیرعادی را به صورت موضعی تعمیم داده تا از فروریزش کلی سازه جلوگیری به عمل آید.

در ادامه درباره روش ­های کاهش خرابی به تفصیل توضیح داده خواهد شد.

کنترل وقوع حادثه

هدف از روش کنترل وقوع حادثه جلوگیری از رویداد بارهای غیر عادی برای سازه می ­باشد. این روش با ممانعت از نگه­داری مواد قابل انفجار و ارائه شرایطی جهت جلوگیری از انفجار گاز و هم­چنین با قراردادن ضربه گیر روی ستون­ها خطرات انفجار و برخورد وسایل نقلیه را کاهش می­ دهد . برای ساختمان ­ها با ریسک بالای حملات تروریستی برای جلوگیری از انفجار در نزدیکی ساختمان با در نظر گرفتن شرایط خاصی از نزدیک شدن وسایل نقلیه در محدوده ساختمان جلوگیری به عمل می‌آید. از آن‌جا که این روش شامل موارد سازه‌ای نمی ­شود در حوزه کاری مهندسین سازه قرار نمی‌گیرد.

روش های غیر مستقیم

روش غیرمستقیم بدون در نظر گرفتن بارهای غیرعادی و فقط با ارائه ضوابط کلی جهت یکپارچگی سازه سعی در کاهش پتانسیل خرابی پیش رونده دارند. این روش شامل ایجاد یکپارچگی در محل اتصال و افزایش درجه نامعینی و شکل پذیری در سازه می‌باشد. از جمله روش­ های غیرمستقیم، روشی است که در آن با یکپارچگی سازه و به وجود آوردن قیود نیرویی، از طریق نیروی کششی در اعضا بارها را از قسمت آسیب دیده به سایر نقاط سازه انتقال می‌دهد. در حقیقت این روش با ارائه حداقل­ های ظرفیت کششی برای تیرها سعی دارد رفتار زنجیره­ ای را در سازه گسترش دهد. در شکل ذیل به صورت شماتیک عملکرد Tie force برگرفته از آیین نامه  UFC (2009)نمایش داده شده است.

از جمله توصیه ­های آیین نامه ACI(2005) برای سازه ­های بتنی ارائه ضوابطی از جمله به کارگیری قاب خمشی و یا استفاده از مهار مکانیکی در محل وصله میلگرد و یا یکپارچگی میلگردهای لایه پایینی در تیرها در روش غیرمستقیم می‌باشد.

آیین نامه UFC (2009) توصیه به استفاده از Tie force جهت به وجود آوردن پدیده زنجیره­ای در سازه می‌کند تا سازه بتواند در تغییر شکل­ های بزرگ جذب انرژی نماید. آیین نامه GSA استفاده از یکپارچگی اتصالات تیر به ستون و تقویت خمشی و پیچشی در اتصال را در این روش پیشنهاد داده است.

از معایب این روش این است که هیچ­گونه بار غیرعادی در طراحی سازه در نظر گرفته نمی ­شود در نتیجه سطح ایمنی سازه در برابر بارهای غیرعادی معلوم نمی باشد. علاوه بر این از آن­جا که این روش نیاز به آنالیز سازه ندارد، مهندس سازه هیچ گونه اطلاعی درباره رفتار واقعی سازه در اثر خرابی اولیه نخواهد داشت.

در ساختمان ­هایی که نیاز به سطح بالایی از مراقبت دارند اغلب ترکیبی از روش های غیرمستقیم و مستقیم جهت طراحی استفاده می‌گردد. موضوع مهم دیگری که در زمینه رفتار Tie forceدر سازه وجود دارد این است که، در صورتی که بر اثر خرابی موضعی اولیه قسمتی از سازه فرو بریزد در صورتی که اعضا به صورت قوی به یکدیگر مقید شده باشند امکان دارد باعث فروریزش سایر قسمت ­های سازه نیز شود. این پدیده در برج ­های تجارت جهانی هنگامی که ستون ­های داخلی بر اثر آتش سوزی تخریب شدند، سبب شد تا کل سازه را به سمت پایین بکشد.

روش های مستقیم

در این روش مهندس طراح به طور مشخص به بررسی رخ داد خرابی پیش‌رونده می‌پردازد. این روش به این صورت است که با در نظر گرفتن بار غیرعادی تأثیر آن بر سازه بررسی می­شود و یا با فرض خرابی اولیه یک المان بدون در نظر گرفتن بار غیر عادی عملکرد سازه بررسی می‌گردد. برای دستیابی به این هدف دو روش مسیر جایگزین بار و مقاومت موضعی ویژه پیش بینی گردیده است که در ادامه به تفصیل درباره آن­ها توضیح داده می‌شود.

روش مسیر جایگزین بار

در آنالیز مسیر جایگزین بار با توجه به ضوابط آیین‌نامه­ ها المان ­های بحرانی تعیین و فرض می‌گردد که این المان­ ها پیش از آنالیز سازه تخریب شده و از سازه حذف ­گردند. در این روش با باز توزیع نیروی­ موجود در المان محذوف بین سایر المان­ های سازه‌ای و بررسی ظرفیت باربری سایر المان­ ها پتانسیل سازه در برابر خرابی پیش­رونده بررسی می­گردد.

در این روش المان ­های بحرانی شامل ستون در نواحی مختلف سازه، با توجه به تیپ­ بندی سازه تعیین می­ گردد. در سازه­ ها با پلان و هندسه غیرمتعارف المان ­های دیگر سازه­ای نیز مورد بررسی قرار می‌گیرند. آیین نامه­ های پیش­گام در طراحی خرابی پیش رونده UFC (2009)  و GSA (2003) با تعریف سطوح خرابی، با توجه به موقعیت ستون وضعیت فروریزش سازه را تعیین می‌کنند.

در آیین نامه GSA (2003) برای ستون­ های محیطی سازه سطح تخریب را ft۲ ۱۸۰۰و برای ستون‌های داخلی ft۲ ۳۶۰۰در نظر گرفته است. هم­چنین در UFC (2009)  این سطوح برای ستون خارجی ۱۵% و برای ستون داخلی ۳۰% نسبت به سطح سازه در نظر گرفته شده است. مطابق این آیین‌نامه‌ها در صورتی که خرابی سازه فراتر از این مقادیر باشد، فرض می‌گردد که سازه تخریب شده است. تجربیات گذشته نشان می‌دهد برخورد و ضربه نواحی تخریب شده بیش­ترین تلفات جانی را به دنبال داشته است از این لحاظ مساحت ناحیه تخریب شده در سازه اهمیت پیدا می‌کند.

شایان ذکر است در این روش فرض بر این است که کلیه المان­ های سازه سالم بوده و فقط یک المان بر اثر بار غیرعادی گسیخته شده و از سازه حذف می­ گردد. با توجه به فرضیات این روش، می‌توان گفت این روش نیز برای بررسی پتانسیل سازه در خرابی پیش­رونده تکیه بر بازتوزیع نیروها دارد و به بررسی سطح و نوع خاصی از بارگذاری­ های غیرمعمول سازه­ای نمی ­پردازد.

از نقاط ضعف این روش این است که بارگذاری غیر معمول در سازه امکان دارد چند المان اصلی سازه­ای را تخریب کند که بررسی این احتمال در این روش پیش بینی نگردیده است.

تحقیقات صورت گرفته نشان می‌دهد آیین نامه ­ها در روش مسیر جایگزین بار سعی در استفاده از المان ­های باربر بیش­تر با مقطع کم­تر دارند این در حالی است که نسبت به حالت المان ­ها با فاصله بیش­تر و مقطع بزرگتر، نسبت به انفجار آسیب پذیرتر می‌باشند. به هر حال این روش به عنوان یک روش مستقل از حادثه شناخته شده است.

روش مقاومت موضعی ویژه

روش دوم در طراحی مستقیم روش مقاومت موضعی ویژه است. هدف این روش شناسایی المان‌های باربر اصلی سازه و جلوگیری از تخریب این المان­ها بر اثر یک رخ داد خاص و جلوگیری از شروع خرابی پیش­رونده می‌باشد. آیین‌نامه ASCE(7-05) یک سری ترکیب بارهای خاص و بارهای تصادفی برای این روش معرفی کرده است.

از جمله معایب این روش این است که اگر چه رفتار و پاسخ سازه برای یک بارگذاری خاص معلوم می‌باشد ولی در مورد سایر بارهای غیرمعمول هیچ پیش­بینی در سازه صورت نگرفته است. این روش اغلب جهت تقویت موضعی در سازه ­های موجود به کار می‌رود و استفاده از این روش برای افزایش مقاومت موضعی در هر نقطه از سازه غیراقتصادی است.