پایان نامه مقایسه رفتار سیستم های مختلف سازه ای تحت اثر خرابی پیشرونده با استفاده از تحلیل دینامیکی

پایان نامه جهت اخذ درجه کارشناسی ارشد

رشته عمران- سازه

زمستان1392

چکیده

در سال های اخیر تعداد ساختمان هایی که در اثر از دست دادن اعضای باربر ثقلی خود دچار خرابی شده اند، افزایش پیدا کرده است. بنابراین طراحی سازه ها به طوری که علاوه بر اثرات زلزله در مقابل خرابی پیشرونده نیز مقاوم باشند، اهمیت پیدا کرده است. یکی از عواملی که در طراحی سازه ها در مقابل خرابی پیشرونده بسیار حائز اهمیت می باشد، نوع سیستم سازه ای و پیکربندی ساختمان و همچنین مقاوم سازی این سازه ها و رفتار سازه مقاوم سازی شده در مقابل خرابی پیشرونده
می باشد. در این تحقیق با استفاده از روش مسیر جایگزین و تحلیل دینامیکی غیر خطی بر اساس آیین نامه UFC به ارزیابی پتانسیل خرابی پیشرونده در دو مدل با سیستم سازه ای ترکیبی قاب خمشی مهاربندی با دو آرایش مهاربندی مختلف که با استفاده از آیین نامه های ایران طراحی شده اند، پرداخته شده است. پس از آن این دو مدل با حضور کمربند خرپایی در طبقه پشت­بام  مورد تحلیل در برابر پدیده خرابی پیشرونده قرار گرفته و نقش مؤثر این نوع مقاوم سازی در کاهش احتمال خرابی سازه در برابر خرابی پیشرونده مورد ارزیابی قرار گرفت. در ادامه همان سازه با سیستم قاب خمشی و همچنین قاب مهاربندی شده با اتصالات مفصلی در حالات دو بعدی و سه بعدی مورد بررسی قرار گرفت پس از مدل سازی و تحلیل انجام شده مشاهده شد که سازه هایی که بر اساس آیین نامه های ایران در برابر زلزله طراحی شده بودند، توانایی مقاومت در برابر خرابی پیشرونده را ندارند و نیاز به مقاوم سازی دارند. پس از مقاوم سازی سازه های مذکور مشاهده شد که سازه با ترکیب مهاربند و کمربند خرپایی توانایی مقابله با خرابی پیشرونده را دارد. با توجه به اینکه در این  روش بادبندهای سازه در عین حالیکه اعضای باربر جانبی هستند مقاومت سازه در برابر خرابی پیشرونده را نیز بالا می برند، میزان افزایش جرم اسکلت سازه مقاوم شده در برابر خرابی پیشرونده نسبت به سازه طراحی شده بر اساس آیین نامه زلزله ایران چندان زیاد نیست.

کلمات کلیدی: خرابی پیشرونده، تحلیل دینامیکی غیرخطی، روش مسیرهای جایگزین، سیستم باربر ترکیبی،
کمربند خرپایی.

فصل اول

کلیات

1-1 مقدمه

بر اساس آیین نامه ASCE7 [1] خرابی پیش رونده به صورت گسترش خرابی در یک سازه از یک المان به المان دیگر به طوری که در نهایت منجر به خرابی کل سازه و یا بخش عمده ای از آن می شود، تعریف می شود عواملی که می توانند منجر به این نوع خرابی شوند، عبارتند از: ضربه اتومبیل، انفجار گاز، برخورد هواپیما، خطای ساخت، آتش سوزی، بارگذاری تصادفی بیش از اندازه روی اعضاء، انفجار و... اکثر این حوادث دارای مدت زمان تأثیر کوتاهی می باشند که در نتیجه منجر به پاسخ های دینامیکی می شوند.

در آیین نامه های سنتی طراحی سازه، بحث خرابی پیش رونده به صورت غیر مستقیم و با تعریف درجه اهمیت برای سازه ها در نظر گرفته می شد، اما اخیراً آیین نامه هایی برای بحث خرابی پیش رونده در سازه ها تدوین شده است. از معتبرترین و جدیدترین این آیین نامه ها می توان به آیین نامه UFC 4-023-03 [2] و GSA2003 [3] اشاره کرد. آیین نامه UFC اولین بار در سال 2005 تدوین شد و پس از آن در سال 2010 میلادی ویرایش
شده است.

وجود دو عامل برای رخ دادن خرابی پیش رونده در یک سازه نیاز می باشد. اولین عامل یک بارگذاری
غیر عادی که بتواند سبب خرابی اولیه در اعضای سازه ای گردد و دومین عامل عدم وجود پیوستگی،
شکل پذیری و درجه نامعینی کافی در سازه که سبب پیشروی خرابی اولیه در اعضای سازه ای گردد به منظور کنترل پدیده خرابی پیش رونده در سازه ها باید یکی از دو عامل فوق کنترل شوند. یعنی یا باید اعضای سازه ای به گونه ای طراحی گردند که در برابر بارگذاری های غیر عادی خراب نشوند و یا سازه به گونه ای طراحی گردد که در صورت خرابی یکی از المان های باربر ثقلی اش، خرابی ها  گسترش پیدا نکنند که این امر نیازمند وجود پیوستگی، شکل پذیری و درجه نامعینی کافی در سازه می باشد.

1-2 هدف

هدف از این پایان نامه این  است که در مرحله اول میزان آسیب پذیری سازه های فولادی با سیستم ترکیبی قاب خمشی و مهاربندی که توسط آیین نامه های ایران طراحی شده اند، در برابر پدیده خرابی پیشرونده بررسی شود در این راستا از دو مدل سازه شش طبقه مهار بندی شده با دو نوع آرایش مهاربندی از نوع مهاربند ضربدری در برابر پدیده خرابی پیشرونده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نتایج آن با هم مقایسه گردید. سازه باید به
گونه ای طراحی گردد که پس از حذف هر یک از المان های باربر ثقلی اش، مسیرهای جایگزین برای تحمل بارهای وارده وجود داشته باشد و سازه ها دچار خرابی نگردد. در این روش پس از حذف المان مورد نظر تغییر
شکل­های به وجود آمده در اعضاء محاسبه می شوند و با توجه به نوع تحلیل با مقادیر مجاز آیین نامه مقایسه
می­شوند و باید تمامی مقادیر در محدوده مجاز آیین نامه قرار بگیرند.

در آیین نامهUFC  برای بررسی این پدیده سه روش تحلیل استاتیکی خطی، استاتیکی غیر خطی و دینامیکی غیرخطی پیشنهاد شده است که در این تحقیق برای تحلیل  مدل ها از روش تحلیل دینامیکی غیر خطی
 استفاده شد.

در قسمت پایانی سازه ها با کمربند خرپایی در طبقه پشت بام مورد بررسی قرار گرفت تا در نهایت بتوان با ترکیبی از سیستم مهاربندی و کمربند خرپایی به سازه ای دست یافت که بیشترین مقاومت در برابر پدیده خرابی پیشرونده را داراست.

1-3 ساختار پایان نامه

این پایان نامه در پنج فصل تهیه و تنظیم شده است که فصل های آن به شرح زیر می باشد:

در فصل دوم این پایان نامه، مبانی خرابی پیش رونده توضیح داده می شود و سپس چگونگی بررسی پدیده خرابی پیش رونده با استفاده از تحلیل استاتیکی غیر خطی و دینامیکی غیر خطی با توجه به معیارهای آیین نامه UFC بیان می شود و همچنین مروری بر کارهای انجام شده در زمینه پدیده خرابی پیش رونده می باشد. در فصل سوم این پایان نامه تحلیل و طراحی، هندسه و بارگذاری سازه و مقاطع مورد استفاده برای مدل ها آورده شده است.

در فصل چهارم از این پایان نامه، نتایج حاصل از تحلیل دینامیکی غیر خطی برای کلیه مدل ها در حالت
مقاوم­سازی شده با کمربند خرپایی مورد بررسی قرار گرفته شده است. فصل پنجم این پایان نامه نیز شامل
نتیجه­گیری و پیشنهادات برای ادامه این موضوع می باشد.

فصل دوم

مبانی خرابی پیش رونده

2-1 مقدمه

خرابی پیش رونده در کتابی که توسط موسسه ملی استاندارد و تکنولوژی آمریکا [4] تدوین شده است به صورت زیر تعریف می گردد:

خرابی پیش رونده اشاره به زنجیره ای از خرابی ها در یک سازه دارد که در اثر خرابی اولیه در سازه پدید آمده اند به طوری که این خرابی پدید آمده در سازه با خرابی اولیه نامتناسب می باشد.

آیین نامه UFC ملزومات طراحی برای ساختمان های موجود و ساختمان های جدید را طوری تعیین می کند تا پتانسیل خرابی پیش رونده در آنها به حداقل برسد و این سازه ها در مقابل حوادث غیرقابل پیش بینی معمول، دچار آسیب سازه ای جزئی و محدود شوند.

2-2 اهمیت بحث خرابی پیش رونده

در  بررسی پدیده خرابی پیش رونده باید ابتدا عامل بارگذاری غیرعادی و خرابی های جزئی ناشی از آن بررسی گردد و پس از آن با توجه به خرابی های پدید آمده، برخی از توانایی ها سازه از جمله پیوستگی، شکل پذیری و درجه نامعینی سازه برای جلوگیری از گسترش خرابی، مورد بررسی قرار گیرد.

پدیده خرابی پیش رونده در اکثر نقاط جهان یک پدیده نادر می باشد، با این وجود در صورتی که این پدیده
 رخ ­دهد، می تواند نتایج بسیار ناگواری از خود بجای بگذارد. با توجه به افزایش حملات تروریستی به ساختمان های مهم در سال هالی اخیر، مطالعه و بررسی دقیق تر این بحث ضروری به نظر می رسد.

به طور مثال در 15 آوریل سال 1995، در بمب گذاری در ساختمان آلفردمورا[1] در شهر اوکلاهما، 168 نفر بر اثر خرابی بخشی از سازه و نه در اثر اثرات مستقیم انفجار، جان خود را از دست دادند و بیش از 800 نفر زخمی شدند. ضلع شمالی این ساختمان 9 طبقه بتن مسلح، در اثر انفجار بمب معادل 4000 پوندTNT ، نتوانست باز پخش عمودی بار را تحمل کند و سرانجام باعث رخ دادن این فروپاشی شد (شکل 2- 1).

( تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

ساختمان آپارتمان رونن پوینت[2] واقع در لندن انگلیس می باشد. ساختمان مذکور یک ساختمان 22 طبقه ساخته شده از پانل های ساختمان در طبقه 18 رخ داد. این انفجار دیوار باربر جلویی و دیوار با برکناری را منفجر کرد و بنابراین تکیه گاه طبقات بالا را از بین برد. عدم پیوستگی بین اجزاء سازه ای و نبود مسیر فرعی حمل بار منجر به گسیختگی همه طبقات بالا و پایین گردید. این یک نمونه از خرابی پیش رونده است که از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی کل سازه گردید (شکل 2-2).

( تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )

در سپتامبر 2001 ، برخورد دو هواپیما به مراکز تجارت جهانی باعث خرابی آنها و همچنین خرابی جزئی و
کلی 10 ساختمان مجاور آنها شد که ضعف سازه ها را در آن هنگام با بارگذاری غیر عادی و پیش بینی نشده نشان می دهد (شکل 2-3).

2-3 تاریخچه تحقیق

در سال های اخیر بحث خرابی پیش رونده مورد توجه قرار گرفته است و محققین مطالعات بسیاری در این رابطه انجام داده اند که در ادامه برخی از کارهای انجام شده مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

یکی از اولین تحقیقاتی که در زمینه خرابی پیش رونده انجام شد توسط ویلیامسون[3] و کاواکوچی[4] [5] در سال 2003 میلادی بود. آن­ ها با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه دو تحلیل استاتیکی و دینامیکی در بحث خرابی پیش رونده پرداختند و به این نتیجه رسید که در تحلیل استاتیکی چون اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون دیده نمی شود، جواب ها دست پایین می باشند. البته باید به این نکته توجه داشت که در زمان انجام تحقیقات آن­ها هنوز آیین نامه ای در  زمینه خرابی پیش رونده تدوین نشده بود چرا که در آیین نامه های خرابی پیش رونده که پس از آن تدوین شدند، در تحلیل­های استاتیکی برای لحاظ کردن تقریبی اثرات دینامیکی ناشی از حذف ستون از ضرایب افزایش بار استفاده شد.

پاول[5] [6] در سال 2005 میلادی با استفاده از یک مدل دو بعدی به مقایسه تحلیل های استاتیکی و دینامیکی پرداخت و به این نتیجه رسید که ضریب افزاینده بار 2 در تحلیل های استاتیکی، منجر به نتایج محافظه­کارانه
می­شود و بهتر است که برای تحلیل خرابی پیش رونده از تحلیل دینامیکی غیر خطی استفاده گردد.

روت[6] و همکارانش [7] در سال 2006 با ادامه کار پاول به این نتیجه رسیدند که استفاده از ضریب افزایش بار
5/1 بجای 2 به خصوص در سازه های قاب خمشی منجر به جواب های دقیق تری می شود.

تسای و لین[7] در سال 2008 [8] با بررسی تحلیل های استاتیکی و دینامیکی غیرخطی بر روی یک سازه بتنی قاب خمشی به این نتیجه رسیدند که در صورتی که برای تحلیل های استاتیکی غیر خطی از ضریب افزایش بار 2 استفاده گردد، نتایج در مقایسه با نتایج تحلیل دینامیکی غیر خطی بسیار محافظه کارانه می شود.

آقایان جینکو کیم و تائیوان کیم[8] [9] در سال 2008 به ارزیابی پتانسیل خرابی پیش رونده خمشی فولادی که بر اساس آیین نامه طراحی سازه های فولادی کره و به روش LRFD طراحی شده بود، پرداختند. در این مطالعه علاوه بر مقایسه نتایج تحلیل خطی و غیر خطی اثر پارامترهایی مانند محل حذف ستون و تعداد طبقات نیز بررسی شد. مدل های مورد بررسی در این مطالعه قاب های سه، شش و پانزده طبقه بودند و لازم به ذکر است که تمامی مدل های به صورت دو بعدی مورد بررسی قرار گرفتند. مدل های مورد بررسی در شکل (2-4) نشان داده
شده اند.آن­ها در تحقیق خود برای بررسی پدیده پیش رونده از روش مسیرهای جایگزین[9] استفاده کردند. در این روش سازه طوری طراحی می گردد که اگر یک عضو از سازه خراب گردد، مسیرهای دیگر برای انتقال بار وجود دارند که به واسطه آنها خرابی در کل سازه رخ نخواهد داد. برای بررسی پدیده خرابی پیش رونده از معیارهای دو آیین نامه GSA2003 و UFC2005 استفاده شده است و در نهایت نتایج با یکدیگر مقایسه شده اند. پس از تحلیل مشاهده شد که قاب های که تنها برای بارهای ثقلی و جانبی طراحی می شوند، لزوماً در مقابل پدیده خرابی پیش رونده مقاوم نیستند. همچنین مشاهده شد که پتانسیل خرابی پیش رونده هنگامی که ستون­های گوشه سازه حذف شوند، افزایش می یابد. از طرف دیگر مشاهده شد که با افزایش تعداد طبقات پتانسیل خرابی پیش رونده در سازه کاهش می یابد. لازم به ذکر است که در این تحقیق کلیه اتصالات به صورت کاملاً صلب در
 نظر گرفته شد.

Abstract

Recently the number of buildings have collapsed because of dismissing their gravity elements has increase, and designing the structures which can resist against progressive collapse is become more important . one of the main factors to designing the structures to resist progressive collapse is the structural system and frame work. In this paper we measure the potential of progressive collapse in two model of moment- braced frame that were designed with Iran designing code with use of nonlinear dynamic analysis and alternate path method. In the next step those two model reinforced with waist band truss in roof story level and have analyzed against progressive collapse and have shown the useful role of this truss in decreasing of the potential of progressive collapse. After analyzing we realize that structures that were designed with Iran earthquake code have not resisted against progressive collapse and needs to reinforce. After reinforcing the structures we realize the structures with combination of brace and waist truss could resist better against progressive collapse. To consider to this point that main brace in this model have two position, which they resist lateral load and useful for decreasing the potential of progressive collapse, In creasing of the mass is not mentionable.

Key Words: progressive collapse, Nonlinear dynamic analysis, alternate path method, steel brace frame, waist truss.

  منابع

[1]ASCE. Minimum design loads for building and other structures
(ASCE 7-05).(2006) New York(NY): American Socity of Civil Engineers.

[2] UFC. United facilities criteria design of buildings to resist progressive collapse (UFC 4-2303). (2010).Washington (DC): Department of Defense.

[3] GSA, Progressive collapse analysis and design guidelines for new pffice buildings and major modernization projects .(2003). The U.S General Services Administration.

[4] National Instiute of Standard and Technology (NIST).(2007). Best practices for reducing the potential for progressive collapse in buildings.

[5] Kaewkulchai , G .,& Williamsin, EB.(2003). Dunamic behavior of planar frames during progressive collapse. In: 16 th ASCE enegineering mechanics conference.

[6] Powell, G., (2005). Progressive collapse; Case study using nonlinear analysis In: Proceedings of the 2005 structures congress and the 2005 forensic enegineering symposium.

[7] Ruth, P., Marchand, K., & Wiliamson, EB.(2006). Static equivalency in progressive collapse alternative path analysis: Reducing conservatism while retaining structural integrity, performance of constructed Facilitties.
20(4), pp.349-364.

[8] Meng, H.,  & Bing, H.(2008). Investigation of progressive collapse resistance and inelastic response for an earthquake-resistant RC building subjected to column failure, Engineering Stures (Elsevier), Vol.30,pp. 349-364.

[9] Jinkoo, K ., & Taewan, K . (2009). Assessment of progressive collapse – resisting capacity of steel moment frames, Journal of Constructional Steel Research (Elsevier), vol.65, pp. 169-179.

[10] Jae- hyounk, Ch .,& Dong –kuk, Ch .(2009). Prevention of progressive collapse for building structures to member disappearance by accidental actions, Loss prevention in the process Industries, vol.22, pp. 1016-1019.

[11] Min, L.(2010). Progressive collapse design of seimic steel frames using structuctural optimization.Journal of Constructional Steel Reasearch (Elsevier), Vol.67, pp.322-332.

[12] Purasinghe, R.,(2010). Cuong Nguyen and Kenneth Gebhart. Progressive collapse analysis of a steel building with pre- northriridge moment connections, The Structural Design of Tall and Special  Buildings (wileyonlinelibray.com). vol.21,pp.465-474.

[13] میر قادری، س ر . و   فهیمی، ف. (1389) بررسی گسیختگی تدریجی سازه با اتصال خورجینی بر
اثر حذف یک ستون در ناحیه تحتانی، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، تهران.

[14] آیین نامه طراحی ساختمان ها در برابر زلزله، استاندارد 2800.(1387). ویرایش سوم، تهران،
مرکز تحقیقات مسکن، چاپ سیزدهم.

[15] مبحث دهم مقرات ملی ساختمان. (1387). دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان، چاپ سوم، نشرتوسعه ایران، تهران.

[16] Fema 356. pre- standard and commentary for Seimic Rehbilitation of Buildings, Building Seismic safety Council Federal Emergency Management Agency, Washington DC(FEMA Publication No.273),2000.

[17] مبحث ششم مقررات ملی ساختمان.(1387). دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان، چاپ سوم، نشر توسعه ایران، تهران.

[18] Computers and Structure Inc.(CSI).(2011). SAP 2000 User Guide.

[19] سرداری، ه .(1388). کلید مدل سازی پیشرفته در SAP2000، انتشارات علم عمران، تهران.