بررسی خرابی پیشرونده به کمک میراگر تسلیمی

بررسی خرابی پیشرونده به کمک میراگر تسلیمی

(بررسی خرابی پیشرونده)

 مقدمه

خرابی پیش رونده را به صورت گسترش خرابی موضعی اولیه از عضوی به عضو دیگر که سرانجام به گسیختگی تمام سازه یا قسمت بزرگی از آن می انجامد تعریف می کنند. خطرات احتمالی و بارهای غیر عادی که می تواند موجب خرابی پیش رونده شود، شامل این موارد می باشند: خطای طراحی یا ساخت، آتش سوزی، انفجار گازها، اضافه بار تصادفی، تصادف وسایل نقلیه، انفجار بمب ها و غیره.

چون احتمال وقوع این خطرات کم است، در طراحی سازه ای آنها را در نظر نمی گیرند یا با اندازه گیری های غیر مستقیم به آنها می پردازند. اکثر آنها ویژگی کنش طی مدت زمان نسبتاً کوتاه را دارند و به پاسخ های دینامیکی می انجامند.

خرابی پیش رونده در ابتدا توجه محققین را در دهه 70 میلادی، پس از گسیختگی جزئی برجی در رونان پوینت انگلستان به خود جلب کرد.

(شکل 1-1). آپارتمان مذکور یک ساختمان 22 طبقه ساخته شده از پانل های پیش ساخته از کف و دیوار باربر غیر مسلح بود. در سال1968، انفجار گاز در نزدیکی یکی از گوشه های این ساختمان در طبقه 18 رخ داد. این انفجار دیوار غیر باربر جلویی و دیوار باربر کناری را منفجر کرد و بنابراین تکیه گاه طبقات بالا را از بین برد. عدم پیوستگی بین اجزاء سازه ای و نبود مسیرفرعی حمل بار منجر به گسیختگی همه طبقات بالا و پایین گردید.

این یک نمونه از خرابی پیش رونده است که با از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی کلی سازه گردید. پس از حملات تروریستی مرکز تجارت جهانی در 11 سپتامبر 2001، علاقه مجدد به بررسی گسیختگی پیش رونده ایجاد گردید. در آیین نامه های موجود ساختمانی، طراحی سازه ها برای بارهای قابل قبولیست که ممکن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازه ها را معمولاً برای حوادث غیر طبیعی که می توانند موجب خرابی های فراگیر شوند طراحی نمی کنند. (بررسی خرابی پیشرونده)

اکثر آیین نامه های رایج فقط دارای توصیه های کلی برای تعدیل تأثیر گسیختگی پیش رونده در سازه هایی هستند که فراتر از بارهای طراحی شان بارگذاری می شوند.

در این فصل ابتدا به مقایسه جامعی از مقررات مربوط به خرابی پیش رونده در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی پرداخته می شود. همچنین به ملاحظات مربوط به بهسازی ساختمان ها در برابر خرابی پیش رونده]2[ و تحقیقات انجام شده در این زمینه اشاره خواهد شد و در پایان چگونگی بررسی خرابی پیش رونده با استفاده از تحلیل دینامیکی غیر خطی با توجه به معیارهای آیین نامه UFC اشاره خواهد شد.

2-2- بررسی استاندارد های مرتبط با خرابی پیش رونده

آئین نامه های طراحی که پدیده خرابی پیش رونده را مورد بررسی قرار می دهند عبارتند از: استاندارد انگلیسی، استاندارد اروپایی، آئین نامه ساختمان ملی کانادا، جامعه مهندسین آمریکا، دستورالعمل های ساختمانی شهر نیویورک،کمیته ایمنی، دپارتمان دفاعی6، معیارهای تسلیحات متحد7، اداره سرویس های عمومی.

در این قسمت مقایسه جامعی از مقررات مربوط به خرابی پیش رونده  است .

در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی در زمینه های تعریف خرابی پیش رونده و خرابی موضعی، موارد کاربرد، الزامات مرتبط با خرابی پیش رونده و روش های کلی بررسی پدیده خرابی پیش رونده و همچنین نحوه بارگذاری ارائه شده است]2[.(بررسی خرابی پیشرونده)

2-2-1- تعریف خرابی پیش رونده و خرابی موضعی

خرابی پیش رونده را به صورت گسترش خرابی موضعی اولیه از عضوی به عضو دیگر که سرانجام به گسیختگی تمام سازه یا قسمت بزرگی از آن می انجامد، تعریف می کنند.

در صورتیکه آسیب به 15 تا 20 درصد طبقه یا مساحت سقف و یا 100 محدود شود، و یا کل آسیب به طبقات مجاور و یا به یک دهانه مشخص سازه ای محدود گردد به عنوان آسیب موضعی تلقی می شود.

استاندارد های انگلیسی از کلمه خرابی پیش رونده استفاده نمی کنند اما در عوض از اصطلاح«خرابی سازه نامتناسب با علت اولیه» بهره می گیرند.

خرابی موضعی به %15 طبقه یا مساحت کف، یا  100 هر کدام که کمتر باشد، محدود می شود.(بررسی خرابی پیشرونده)

در آئین نامه ساختمانی ملی کانادا(NBCC)، خرابی پیش رونده پدیده ای است که در آن گسترش و انتشار یک تخریب موضعی از یک عضو به عضو دیگر صورت می گیرد و منجر به خرابی سازه می گردد که نامناسب با علت اولیه یا خسارت موضعی اولیه می باشد. همچنین یکپارچگی سازه ای توانایی سازه برای جذب خرابی موضعی بدون گسترش آن می باشد. این تعاریف همانند تعریف خرابی پیش رونده در استاندارد انجمن مهندسین عمران آمریکا ASCE 7-05  می باشد.

تعریف آئین نامه GSA از خرابی پیش رونده وضعیتی است که خرابی عضوی منجر به خرابی اعضا متصل شده می گردد بطوریکه خسارت کلی با علت اولیه نامتناسب است]4[.

در کد ساختمانی شهر نیویورک(NYCBC) ، خرابی پیش رونده گسترش نامتناسب تخریب موضعی اولیه است که برروی بیش از 3 طبقه به صورت عمودی توسعه می یابد و از لحاظ افقی برروی مساحتی بیش از 100 یا 20% مساحت افقی ساختمان (هرکدام کمتراست)، گسترش می یابد.

در آئین نامه های UFC وDOD، تحت خرابی پیش رونده مساحت خرابی طبقه ای که مستقیماً بالای عضو خارجی آسیب دیده (ستون خارجی یا دیوار باربر خارجی) قرار دارد باید کمتراز 70 یا 15% (هرکدام کمتر) باشد و طبقه ای که مستقیماً زیر عضو حذف شده قرار دارد نباید تخریب گردد و مساحت خرابی طبقه ای که مستقیماً بالای عضو داخلی آسیب دیده (ستون داخلی یا دیوار باربر داخلی) قرار دارد باید کمتر از 140 یا 30% مساحت کل طبقه باشد و طبقه ای که مستقیماً زیر عضوحذف شده قرار دارد نباید تخریب گردد]5[.(بررسی خرابی پیشرونده)

2-2-2- موارد کاربرد ملاحظات مرتبط با خرابی پیش رونده

استاندارد انگلیسی:

ساختمان های با 5 طبقه یا بیشتر نیازمند بررسی حذف عضو باربر یا پیش بینی بست و اتصالات مناسب یا هر دو می باشند.

آئین نامه های DOD و UFC:

ساختمان هایی با 3 طبقه یا بیشتر نیازمند ملاحظاتی در برابر خرابی پیش رونده در زمینه تهدید های تروریستی   می باشند]5 و2[.

کد اروپایی:

در این آئین نامه خرابی پیش رونده در چهارگروه بررسی می گردد:

گروه1: این گروه شامل ساختمان های مسکونی با 3 طبقه یا کمتر می باشد و هیچ ملاحظاتی برای در نظر گرفتن این حوادث مورد نیاز نیست.

گروه2: این گروه شامل ساختمان های مسکونی بین 3 تا 6 طبقه، ساختمان های اداری کمتر از 4 طبقه می باشد و هیچ ملاحظاتی فراتر از مقررات پایداری و مقاومت که در کد اروپایی ارائه شده است مورد نیاز نمی باشد.

گروه3: ساختمان هایی با ده طبقه یا کمتر که تحلیل ساده استاتیکی معادل بر اساس دستورالعمل های طراحی مربوطه ضروری است.

گروه4: در ساختمان ها با بیش از 10 طبقه، باید تحلیل دینامیکی غیر خطی با در نظر گرفتن تقابل سازه – بار انجام گیرد.

آئین نامه GSA:

با لحاظ نمودن نوع کاربری ساختمان، سکونت، مجاورت با وسایل نقلیه متحرک یا پارک شده، طراحی لرزه ای و ملاحظات مربوطه در نظر گرفته شود]4[.

2-2-3- روش های کلی بررسی پدیده خرابی پیش رونده

عمده استانداردها به سه روش طراحی برای کاهش خرابی پیش رونده اشاره می کنند:

روش اول:کاهش قرار گیری در معرض صدمات و خسارتها می باشد. برای مثال، با اجرا نمودن موانع محافظتی در برابر ضربه ی وسایل نقلیه یا افزایش فاصله محافظتی در برابر بمب های تروریستی، یا ممنوع کردن استفاده از گاز آشپزی درساختمان های آسمان خراش.

دو روش دیگر که برای تأمین مقاومت در برابر خرابی پیش رونده مورد استفاده قرار می گیرند روش غیر مستقیم و روش های مستقیم می باشند]6و7و8[.

روش غیر مستقیم:

در این روش مقاومت در برابر خرابی پیش رونده با ایجاد پیوستگی، شکل پذیری و افزایش مقاومت با ایجاد درجات نامعینی بالاتر در سازه فراهم می شود که بوسیله جزئیات مناسب و اتصالات، جانمایی صحیح دیوارها وستون ها، صفحات توکار جهت کنترل گسترش خرابی و همچنین در نظر گرفتن جزئیات لرزه ای انجام  می گیرد تا ساختمان به صورت یکپارچه عمل کند که در اینصورت انسجام کلی سازه افزایش می یابد.(بررسی خرابی پیشرونده)

روش های مستقیم:

این روش به میزان زیادی وابسته به روش تحلیل سازه دارد. مقاومت در برابر خرابی پیش رونده، از طریق بالا بردن مقاومت اعضای کلیدی سازه ای در برابر بارهای ویژه و یا از طریق پل زدن در عرض ناحیه خرابی موضعی فراهم

می شود، که به دو روش تقسیم می شوند:

الف) روش مقاومت موضعی ویژه

در این روش طراح مستقیماً اعضای ساختمانی باربر عمودی بحرانی را برای مقاومت در برابر مقدار مشخص بار طراحی مانند انفجار، طراحی می کنند.

این روش به روش طراحی اعضای کلیدی نیز معروف است.

ب) روش مسیر جایگزین انتقال بار

مهمترین روش که در این گروه برای مدل سازی وقوع پدیده خرابی پیش رونده مورد استفاده قرار می گیرد،    بر مبنای روش مسیر جایگزین انتقال بار، حذف یک ستون خارجی در طبقه اول سازه بوده و سازه به گونه ای طراحی می شود که اگر هریک از اجزای آن منهدم گردند، مسیرهای جایگزین برای انتقال بار از آن عضو موجود باشند و اعضای باربر اطراف عضو محذوف بدون وقوع فروریزش کلی، ظرفیت اضافی جهت تحمل نیروی آن را داشته باشند.

علت حذف ستون خارجی علاوه بر ایجاد حالت عدم تقارن در سازه، مربوط به احتمال بیشتر بروز آسیب های عمدی و غیر عمدی در آن ها می باشد.

تحلیل های مورد استفاده در این روش شامل تحلیل استاتیکی خطی، استاتیکی غیر خطی، دینامیکی خطی، دینامیکی غیر خطی می باشند]6و7و8[.(بررسی خرابی پیشرونده)

استاندارد 05- 7 انجمن مهندسین عمران آمریکا، تنها استاندارد رایجی است که به مسئله گسیختگی پیش رونده در جزئیات می پردازد. این آیین نامه بر شدیدترین حوادثی تأکید می کند که می توانند منتج به گسیختگی پیش رونده شوند، و دو روش طراحی برای مقاومت در برابر گسیختگی پیش رونده ارائه می دهد: روش طراحی مستقیم و روش طراحی غیر مستقیم. در روش طراحی مستقیم، مقاومت در برابر گسیختگی  پیش رونده را مستقیماً در طول فرایند طراحی از دو طریق در نظر می گیرند:الف- روش مسیر فرعی که به دنبال ارائه مسیر فرعی برای بار پس از وقوع خرابی است، به نحوی که جلوی آسیب موضعی گرفته شده و از گسیختگی کلی جلوگیری شود، ب- روش مقاومت موضعی ویژه، که به دنبال ارائه توان کافی برای مقاومت در برابر خرابی در محل های بحرانی است.

روش طراحی غیر مستقیم به طور ضمنی مقاومت در برابر گسیختگی پیش رونده را از طریق ضوابط حداقل سطوح توان، پیوستگی و انعطاف پذیری بررسی می کند.

راهبرد هایی را هم برای انسجام کلی سازه و تنش ها و انعطاف پذیری اتصالات ارائه می کندکه می توانند در معرض تغییرشکل های بزرگ قرار بگیرند و مقادیر زیاد انرژی را در اثر شرایط غیر طبیعی جذب نمایند

انتخاب ستون و يا ديوارهايي كه بايد حذف شوند

در اين قسمت نيز بايد براساس حداقل هاي موجود در آيين نامه UFC، تعداد و محل ستون هايي كه بايد حذف شوند، مشخص شوند. به طور مثال آيين نامه UFC معيارهاي زير را براي حذف ستون ها بيان مي كند.(بررسی خرابی پیشرونده)

البته همين آيين نامه در ادامه تأكيد مي كند كه اين معيارها، حداقل هستند و مهندس مي تواند بر اساس قضاوت مهندسي خود ستون هاي ديگري را نيز حذف كند.

براساس آيين نامه UFC ستون هاي زير از سازه بايد به طور جداگانه حذف شوند و سازه در مقابل خرابي پيش رونده تحليل شود:

• در سمت كوتاه تر سازه، ستون نزديك به وسط سازه حذف شود.
• در سمت بلندتر سازه، ستون نزديك به وسط سازه حذف شود.
• ستون هاي گوشه سازه نيز بايد حذف شوند.
• در محل هايي كه طول دهانه به صورت ناگهاني تغيير محسوسي مي كند.
• در محل هايي كه بار به صورت ناگهاني تغيير محسوسي مي كند.

در شكل 2-7  تعدادي از اين حالات نشان داده شده اند:

شکل( 2-7)  تعدادی از محل های حذف ستون

میراگرهای مایع لزج(Viscous fluid dampers)

شکل(2-13) نمای کلی از میراگر مایع لزج

میراگر ویسکوز مایع یکی از سیستم های جاذب انرژی می باشد که درمقایسه با اندازه ی فیزیکی خود از توانایی جذب انرژی بالایی برخوردار است.

همانند میراگرهای اصطکاکی، ایده ی این دسته از میراگرها نیز از ترمز اتومبیل گرفته شده است.

سیستم تعلیق اتومبیل از یک فنر و یک کمک فنر(میراگر) استفاده می کند که در تعامل با یکدیگر، ضربات وارد به اتومبیل از سوی زمین را جذب و انرژی آنها را تلف می کنند.

اگر ستون های یک سازه را به عنوان فنردرنظر بگیریم، درواقع با ایجاد کمک فنر(میراگر) درکنارآنها می توانیم انرژی وارد به سازه دراثر زلزله را اتلاف کنیم.(بررسی خرابی پیشرونده)

ساختمان میراگر های مایع لزج عموماً از یک پیستون و دوسیلندر تشکیل شده است. پیستون مرکزی با سرعت زیادی درمحفظه ی پراز سیال حرکت می کند،به این ترتیب مایع لزج داخل سیلندر با سرعت زیادی توسط پیستون فشرده می شود.

لذا تقریباً تمام انرژی فشاری بالادست جریان تبدیل به انرژی جنبشی می شود.

باتوجه به اینکه درون پیستون، سیلندر دیگری وجود دارد که بوسیله سوراخ های ریزی می تواند مایع را به درون پمپ کند.

بااعمال فشار به سیستم، مایع لزج با سرعت کمی بین دوسیلندر مبادله می شود و انرژی جنبشی آن از دست رفته و به حالت متلاطم در می آید.

این حرکت رفت و برگشتی سبب ایجاد اختلاف فشار و درنتیجه نیروی زیادی شده که دربرابر حرکت میراگر مقاومت می کند.

سیال ضربه گیر نوعی روغن سیلیکن(روغن حاوی اکسیژن و کوارتز) است. این روغن ضمن ساکن و پایدار ماندن برای مدت طولانی، غیرقابل اشتعال و غیرسمی است.

شکل(2-14) جزئیات میراگرمایع لزج

نیروی تولید شده به اندازه و شکل روزنه ها و همچنین سرعت حرکت وابسته می باشد.

این نیروهای میرا تا90درصد خارج از مرحله تولید تغییر مکان به وسیله ی نیروهای محرک ایجاد می شوند و این بدان معناست که نیروهای میراکننده تاثیری درافزایش نیروهای لرزه ای منجر به افزایش تغییر شکل سازه ندارند.

افزایش سیال میرا به سازه می تواند خاصیت استهلاک سازه را به چیزی بیش از30% حدنهایی و بحرانی خود برساند که این مقدار دربعضی ازموارد بیشترهم هست.

افزودن سیال میراکننده به یک سازه موجب کاهش شتاب افقی طبقه و تغییر شکل های جانبی تا 50% و گاهی بیشتر می شود.(بررسی خرابی پیشرونده)

این میراگرها برای کاهش ارتعاشات لرزه ای سازه ها به تعداد زیاد درسرتاسرجهان مورد استفاده قرار گرفته اند.

درتلاش برای بهبود عملکرد میراگرهای ویسکوز مدل های قابل کنترلی از این میراگرها به نام میراگرهای ویسکوز نیمه فعال ارائه شده است. این میراگرها بسیار شبیه به نوع غیرفعال آن می باشند .

بااین تفاوت که میراگرهای ویسکوز نیمه فعال مجهز به یک حلقه ی عبوری خارجی می باشند که مایع داخل سیلندر هیدرولیکی رادرطرفین کلاهک پیستون به یکدیگر مرتبط می سازد.

این حلقه عبوری شامل یک دریچه قابل تنظیم می باشد که عبور جریان درداخل میراگر راکنترل می کند .

بدین ترتیب، این میراگرها فشار داخل مایع را درهنگام حرکت پیستون افزایش داده و درنتیجه قادر به تولید نیروهای میرایی بسیار بزرگی می باشند. ازاین رو می توانند میزان قابل توجهی از انرژی زلزله را مستهلک نمایند.

شکل(2-15) محل نصب میراگر ویسکوز در سازه

افزودن این میراگرها به سازه اغلب به تغییر شکل سازه منجر نخواهد شد و درخود سازه نیز تغییری به وجود نخواهد آورد.

میراگرهای مایع لزج به طرق متعددی به عنوان اعضای قطری قابل نصب هستند. دمپرها باید درطبقات مجاور نصب شوند تاتغییر شکل یکنواخی درساختمان به وجود آید.

استفاده از این میراگرها درطراحی سیستم سازه ای موثرهستند به این صورت که سازه به سختی ومقاومت معینی نیاز دارد تا دربرابر نیروهای جانبی مقاومت کند و پایدار بماند.

این میراگرها می توانند جایگزین این سختی اضافی شوند تا باجذب انرژی لرزشی پاسخ های سازه را کاهش دهند .

تا دیگر اعضای سازه ها در محدوده الاستیک باقی بمانند.(بررسی خرابی پیشرونده)

میراگر ویسکوز نیرویی را تامین می کند که همیشه درمقابل حرکت سازه مقاومتمی کند. این نیرو متناسب با سرعت نسبی بین دو انتهای میراگر می باشد:

F= C                                                                                                                      (7-2)

که در آن Fنیروی میراگر، Vسرعت نسبی پیستون و Cضریب میرایی می باشد. آلفای ضریب میرایی عدد ثابتی، عدد ثابتی است که براساس قطر میراگر و سطح روزنه تعیین می شود.

کاتالوگ میراگر ویسکوز معمولاً توسط سازندگان برای چندین مقدار ⍺ فرهم می شود. معمولاً مقدار ⍺ انتخاب شده برای طراحی زلزله کوچکتر از مقدار آن برای طراحی دربرابر باد است. ⍺ تابع نمایی سرعت می باشد که می تواند مقداری درحد 0.3 تا 1.95 داشته باشد.

مقدار ⍺ برای کاربردهای سازه ای در حد 0.3 تا 1 پیشنهاد داده شده است.

میراگربا =1⍺ یک میراگر ویسکوز خطی نامیده می شود که درآن نیروی میراگرمتناسب با سرعت نسبی میراگر می باشد.

میراگر با ⍺ کوچکتر از یک، میراگز ویسکوز غیرخطی نامیده می شود که به ازای یک سرعت نسبی کوچک، نیروی میرایی بزرگتری ایجاد می کند.

نیروی میراگر ویسکوز وابسته به سرعت است بنابراین نیروی حداکثر میراگر درزلزله همیشه با جابه جایی اختلاف فاز  ایجاد می کند وسرعت بیشینه درزمانی اتفاق می افتد که جابه جایی صفراست.

این امر از مزیت های این میراگرها می باشد زیرا زمانی که سازه دراثرجا به جایی ناشی از زلزله تحت نیروهای داخلی شدید قرار دارد، فشار مضاعفی برسازه وارد نمی کند.

بنابراین بهتر از سایر میراگرها می تواند برش طبقه، شتاب و برش پایه را کاهش دهد. علت این امر نیز شکل ویژه این وسایل و همچنین محل قرارگیری آنها می باشد که عموماً دربادبندها جاسازی می گردند.

این وسایل را به سادگی می توان در سازه های موجود جاسازی و یادرصورت لزوم بعد از بارگذاری (رخداد زلزله) تعویض نمود.

(بررسی خرابی پیشرونده)

چند مزیت مهم برای استفاده از میراگرهای ویسکوز وجود دارد:

• این میراگر حساسیتی نسبت به تغییرات حرارتی نداشته و به دلیل عدم وجود ساختمان جامد مورد اثر پدیده های خستگی و اثر باوشینگر قرار نخواهد گرفت.

• این میراگرها جایگزین مناسبی برای روش جداسازی از پایه به شمار می روند، زیرا هم هزینه کمتری دارند و هم راه اندازی و اجرای راحت تری دارند.

• میراگر مایع لزج قابلیت طراحی برای سازه های جدید و سازه های ساخته شده را دارد و با توجه به کوچکی اندازه ی این قطعات وقتی به سازه اضافه می شوند، تغییری در شکل سازه به وجود نمی آورند. این مسئله دربازسازی ابنیه ی تاریخی بسیار حائز اهمیت است.
• یکی از ویژگی های این نوع میراگرها پویایی و قدرت تطبیق بارفتارسازه به منظور مقاومت دربرابر نیروهای زلزله می باشد. بدین ترتیب که در لحظه ی وقوع زلزله نیروهای زلزله را تشخیص داده ومطابق با آن نیروهای لازم را اعمال می کنند. لذا بهتر می توانند دربرابر این نیروها مقاومت کنند.

• میراگر ویسکوز یک وسیله مهر و موم شده است و این موجب تمایل کمتر آن به خطرات جوی می شود که میراگر اصطکاکی باید تحمل کنند.

• دراین میراگرها انرژی خارجی فقط برای تنظیم دریچه به کار می رود. بنابراین این میراگرها به منبع بزرگ انرژی خارجی نیاز ندارند و از این رو بسیار قابل اعتماد می باشند.
• معادله میرایی ویسکوز مشابه برای همه سطوح فرکانس معتبر است.(بررسی خرابی پیشرونده)

معایب:

• طول عمر آننسبت به طول عمر سازه کم است.

• میراگرهای ویسکوز باید دریک ماتریس جدامطرح شوند. ماتریس ضرایب میرایی جز لاینفک روند حل است و اگر میراگرها به صورت ناهمسانی درسازه قرار بگیرند تجزیه سیستم برای تحلیل سخت می شود.
• به علت فشردگی کم سیال ویسکوز، شروع به کارکردن با ضربه ای درمیراگر ویسکوز همراه است.

برای مشاهده مطالب بیشتر به سایت فرزدان مراجعه نماید.