تقویت و مقاوم سازی سازه های موجود در برابر خرابی پیشرونده

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده :
خرابی پیشرونده، خرابی تمام و یا قسمت عمده ای از یک سازه تحت بارگذاریهایی از قبیل زلزله، انفجار، آتش‌سوزی و . . . است که با حذف یک ستون در بخشی از سازه شروع شده و با انتشار گسیختگی به اعضای مجاور می تواند پایداری کل سازه را تهدید نماید و بروز یک خرابی موضعی در یک عضو سازه ای منجر به شکست اعضای مجاور آن و فروریزش های اضافی در ساختمان می¬گردد. با مطالعات انجام شده و بررسی-های بعمل آمده در زمینه ی احتمال آسیب پذیری ساختمان¬های امروزی در سطح شهرها در برابر خرابی پیشرونده  و اینکه اکثر قریب به اتفاق ساختمان¬های موجود یارای مقابله با چنین پدیده ای را نداشته و در برابر خرابی پیشرونده آسیب-پذیر می باشند، لذا هدف از این پایان¬نامه این است که با ارائه راهکاری به دنبال بهبود این وضعیت بوده و بتوان به کمک آن دسته از ساختمان¬ها شتافت که احداث شده اند اما در طراحی¬هایشان  بارگذاری ویژه ی خرابی پیشرونده لحاظ نشده است.
در این پایان¬نامه با بهره¬گیری از دستورالعمل¬های آیین¬نامه  GSA مبنی بر کاهش خسارت¬های ناشی از خرابی پیشرونده با استفاده از روش مسیر باربری جایگزین، به بررسی تاثیر خرپای کمره¬ای در بام ساختمان¬های فولادی پنج ، هشت و دوازده طبقه قاب خمشی با کمک نرم¬افزار SAP2000 و بصورت سه بعدی پرداخته و این ارزیابی¬ها با کمک تحلیل استاتیکی غیرخطی انجام و نتایج بصورت جداول و نمودارهایی ارائه شده است که شامل نحوه¬ی تشکیل مفاصل پلاستیک اعضا در هر سه سازه، مقایسه¬ی تنومندی  سازه¬ها، بررسی جابجایی قائم گره بالای محل حذف ستون مورد نظر و مقایسه بین مدلهای مختلف، همچنین بررسی و کنترل جابجایی نسبی جانبی طبقات می¬باشد.
با بررسی نتایج می¬توان ملاحظه نمود که مواردی مانند : مکان ستون حذف شده و تعداد طبقات تاثیر بسزایی در نتایج حاصله دارد و افزودن خرپا در انتقال ایمن بار¬های مولفه-های آسیب دیده تاثیر بسزایی داشته و باعث موضعی کردن خرابی و جلوگیری از گسترش آن میشود. 
کلمات کلیدی: خرابی پیشرونده، تحلیل استاتیکی غیرخطی،  خرپای کمره¬ای، تنومندی، مفاصل پلاستیک
 
فهرست مطالب

عنوان                                                     صفحه
    فصل اول: پیشگفتار    
1-1-  مقدمه    2        
1-2- تعریف مساله    3         
1-3- هدف    3    
1-4- ساختار پایان¬نامه    5
    فصل دوم : مبانی خرابی پیشرونده    
2-1- مقدمه    7
2-2- مثالهایی از خرابی پیشرونده    8
    2-2-1- ساختمان فدرال آلفرد مورا    8
    2-2-2- ساختمانی آپارتمانی رونان پوینت    9
                  2-2-3- برج الکوبار    10
    2-2-4- ساختمان بانکرز تراست    11
                     2-2-5- ساختمان تجاری اسکای لاین پلازا                        12
        2-2-6- برج های دو قلوی تجارت جهانی آمریکا    13
        2- 3- مروری بر خرابی پیشرونده در اسناد و استانداردها        14                                    21
            2-3-1- تعاریفی از خرابی پیشرونده/نامتجانس    14                     ............................................................................21
      2-4- روش های کلی بررسی پدیده خرابی پیشرونده    15
      2-5- انواع خرابی پیشرونده    18
      2-6-  مقاومت سازه ای در برابر خرابی پیشرونده    20
      2-7- عوامل موثر در تنومندی سازه ای    21
     2-8-روش های ارزیابی شاخص تنومندی    23
    2-9-روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده            25
    2-10- تحلیل خرابی پیشرونده            26
     2-10-1- ابزارهای تحلیلی                               26
    2-11- مروری بر تکنیک های بهسازی ارائه شده برای مقابله با خرابی پیشرونده    27        
    2-11-1-  نمونه هایی از بهسازی اعضای خمشی    27                 
    2-11-2-  نمونه هایی از بهسازی اعضای باربر    28                 
    2-12- مروری بر مطالعات انجام شده در زمینه خرابی پیشرونده          28

            فصل سوم –  مفهوم سطوح عملکرد، مدلسازی و روشهای تحلیل
        3-1-تعیین سطح عملکرد بر اساس دستورالعمل بهسازی و FEMA-356     34         
     3-1-1- تعاریف مقدماتی    34
            3-1-2- سطوح عملکرد اجزای سازه‌ای و غیرسازه‌ای    34    
    3-1-2-1- سطوح عملکرد اجزای سازه‌ای    35
    3-1-2-2- سطوح عملکرد اجزای غیرسازه‌ای    37                                 .............................................45
    3-1-3- سطوح هدف عملکرد ساختمان    38
    3-1-3-1- سطح عملکرد «خدمت‌رسانی بی‌وقفه    38
    3-1-3-1-1- سطح عملکرد 1 برای اجزای سازه‌ای- قابلیت استفاده بی‌قفه    39                                   ..........47
    3-1-3-1-2-سطح عملکرد A برای اجزای غیرسازه‌ای- خدمت‌رسانی بی‌وقفه    39
                       3-1-3-2- سطح عملکرد «قابلیت استفاده بی‌وقفه    39
    3-1-3-3- سطح عملکرد «ایمنی جانی»    39                 ............................49
        3-1-3-3-1- سطح عملکرد 3 برای اجزای سازه‌ای – ایمنی جانی    40
        3-1-3-3-2- سطح عملکرد C برای اجزای غیرسازه‌ای- ایمنی جانی    40
    3-1-3-4- سطح عملکرد «آستانه فروریزش»    40                ......................................49
    3-1-3-4-1- سطح عملکرد 5 برای اجزای سازه‌ای- آستانه فروریزش    40       
         3-1-3-4-2- سطح عملکرد E برای اجزای غیرسازه‌ای- لحاظ‌نشده    41
    3-2-  مفاصل پلاستیک             41
    3-2-1- کلیات    41                     
    3-2-2-مدل سازی غیر خطی سازه واختصاص مفاصل پلاستیک    41                         .............................51
    3-2-2-1-  گروه اول- مفاصل تغییر شکل کنترل    42                                   .................52
    3-2-2-2-  گروه دوم- مفاصل نیرو کنترل    44                                    ........................53
3-3- انواع روشهای تحلیل    44
    3-3-1- تحلیل استاتیکی غیر خطی    44
    3-3-1-1- رسم منحنی ظرفیت (پوش‌آور).     46
    3-3-2- تحلیل دینامیکی غیر خطی    46
    3-4- روش‌های تحلیل خرابی پیش‌رونده در آیین‌نامه GSA    47
    3-4-1-روش غیرمستقیم    47
    3-4-2-روش مستقیم    47
        3-4-2-1- روش مقاومت موضعی    47
        3-4-2-2- روش مسیر جایگزین انتقال بار    47
    3-4-2-2-1- تحلیل استاتیکی خطی    47
    3-4-2-2-2- تحلیل استاتیکی غیرخطی    48
    3-4-2-2-3- تحلیل دینامیکی خطی    48
    3-4-2-2-4- تحلیل دینامیکی غیرخطی     48
    3-5-فرضیات تحلیل و طراحی    49
    3-6-مقاطع مورد استفاده در مدل سازی    50
    3-7-نحوه¬ی مقاوم سازی    51
         3-8-معرفی الگوی بارگذاری وارده     53

    4-5-1- بار گذاری ویژه ی خرابی پیشرونده                            53
        4-2-2- بارگذاری ثقلی و جانبی                  53
     3-9- شاخص تنومندی                   .54

    فصل چهارم- بررسی شاخص¬هایی از تنومندی و سلامت سازه    
    4-1-  تحلیل استاتیکی غیرخطی سازه پنج طبقه    56                                   56
      4-2 -  تحلیل استاتیکی غیرخطی سازه هشت طبقه    69
    4-3-  تحلیل استاتیکی غیرخطی سازه دوازده طبقه    80                      . 83

      فصل پنجم - نتیجه گیری و پیشنهادات    
    5-1        نتیجه گیری    92
    5-2        پیشنهادات    93
    مراجع    94

فصل اول :
 پیشگفتار

1-1- مقدمه
وقوع خرابی پیشرونده در سازه‌ها در هنگام زلزله و حتی در یک انفجار نزدیک به سازه به چالشی مهم تبدیل شده است. خرابی پیش‌رونده وضعیتی است که در آن بروز یک خرابی موضعی در یک عضو سازه‌ای منجر به شکست اعضای مجاور آن و فروریزش‌های اضافی در ساختمان می‌گردد.
بطور کلی ساختمان‌ها برای شرایط بارگذاری با احتساب انفجارهای گاز، انفجارهای بمب،  برخوردهای وسایل نقلیه، طوفان، گردباد و از این قبیل بارها طراحی نمی‌شوند. ازاینرو زمانی که ساختمان‌ها در معرض چنین بارهای غیرمعمولی قرارمی‌گیرند،  ممکن است متحمل آسیب‌های بزرگی شوند [1].
مثال ها از سازه هایی که خرابی پیشرونده به صورت جزیی یا کامل در آنها اتفاق افتاده است، اندک و کم سابقه است و درواقع توجه جامعه مهندسی بعد از انهدام بخشی از ساختمان مشهور آپارتمانی رونان پوینت  در لندن در سال 1968 به این موضوع معطوف شد و بعد از حادثه ی انهدام ساختمان‌های تجارت جهانی در 11 سپتامبر سال 2001 بود که چندین کمیته استاندارد سازی برای بهبود استانداردهای روش های طراحی در برابر خرابی پیشرونده شروع بکار کردند و توجه ویژه-ای به  بحث خرابی پیشرونده در ساختمان های با اهمیت بیشتر، صورت گرفت و از آن تاریخ به بعد بارگذاری ویژه ی خرابی پیشرونده در طراحی ها لحاظ گردید و لازم دانسته شد که ساختمان‌ها باید طوری طراحی شوند که بتوانند خرابی موضعی را با یکپارچه‌کردن اعضای سازه‌ای، بهبود بازپخش انرژی و توزیع مجدد بارها (با ایجاد مسیرهای جایگزین انتقال بار) محدود نموده و در مقابله با بارهای غیرمعمول مقاومت کنند [1].

1-2- تعریف مساله
بطور کلی ساختمانها برای شرایط بارگذاری خاص مانند انفجار، آتش سوزی و . . . طراحی نمیشوند و حتی زمانی که برای بارگذاری باد و یا زلزله طراحی می گردند، تمهیدات درست و کاملی برای حالت گسیختگی های موضعی در نظر گرفته نمی¬شوند از اینرو ساختمان ها زمانی که در معرض چنین بارهایی قرار میگیرند، ممکن است دچار آسیب های جدی شوند [1].
خرابی پیشرونده می تواند بخاطر خطراتی چون (انفجار، ضربه اتومبیل و آتش سوزی و.....) یا خطراتی طبیعی چون زلزله باشد. نیروی زلزله می تواند نیروهای جانبی و تنش های پرقدرتی را ناشی شود. تاثیر این بار می تواند اعضای سازه ای را بیش از حد بارگذاری نماید که در نهایت به از دست رفتن یک یا چند عضو باربر منجر شود و امکان دارد که باعث خرابی اعضای سازه‌ای بیشتری شود. مشاهده خسارات زلزله در زمین لرزه¬های گذشته نشان می دهد که بارهای لرزه‌ای می تواند سبب خساراتی شود که باعث از دست رفتن تکیه گاهها شود و خرابی اولیه المان¬های سازه¬ای می تواند به دیگر اعضای باربر در مسیر های مختلف گسترش یابد.
این پدیده همچنین می‌تواند برای سازه‌های طراحی‌شده بر اساس آئین‌نامه‌های جاری حین رخداد زلزله های شدید نیز مشکلاتی را بوجودآورد و حتی منجر به ویرانی کل سازه گردد. به عبارت دیگر،  هر گونه ضعف در طراحی و یا اجرای المان های سازه ای ممکن است باعث بوجود آمدن پدیده خرابی پیشرونده در سازه‌ها حین بارگذاری لرزه ای نیز گردد. لذا مطالعه و بررسی تأثیر این پدیده در سازه¬ها ضروری به‌نظر می‌رسد [2].
1-3- هدف
با مطالعات انجام شده و بررسی های بعمل آمده در زمینه ی احتمال آسیب پذیری ساختمانهای امروزی در سطح شهرها در برابر خرابی پیشرونده  ̜و اینکه اکثر قریب به اتفاق ساختمانهای موجود یارای مقابله با چنین پدیده ای را نداشته و در برابر خرابی پیشرونده آسیب پذیر می باشند ̜لذا این مهم نیاز شد تا با ارائه راهکارهایی به دنبال بهبود این وضعیت بوده و بتوان به کمک ساختمانهایی شتافت که احداث شده اند، اما در طراحی هایشان  بارگذاری ویژه ی خرابی پیشرونده لحاظ نشده و توانایی مقابله با آن را ندارند ̜بنابراین با ارائه راهکار به تقویت این ساختمانها پرداخت تا به نوعی از عمق فاجعه کاسته شود.
هدف اصلی این پایان نامه، ارائه¬ی راهکاری به منظور مقابله¬ی سازه¬ی احداث شده، با پیشرفت خرابی موضعی در سازه و تبدیل شدن آن به خرابی کلی و منهدم شدن آن میباشد یعنی سازه¬ی مورد نظر در صورت از دست دادن یکی از ستون¬های بحرانی¬اش، قادر به تحمل وزن خود و بارهای ثقلی¬اش بوده و بتواند تعادل خود را حفظ کند.همچنین در این پایان¬نامه سعی شده است تا حد امکان در معماری سازه تغییری ایجاد نشده و ساختمان کلیت خود را حفظ کرده و در برابر خرابی پیشرونده تنومندی آن کاهش نیابد.بدین منظور روش تحلیل استاتیکی غیر خطی مورد استفاده قرار گرفت.
طبیعتا همه روش ها بر اساس چندین فرض و سطوحی از ایده آل سازی هستند. لذا غیبت روش های محاسباتی در استانداردها جهت بررسی خرابی پیشرونده، تمرکز بر روش مسیر باربری جایگزین تحت سناریوی حذف یک ستون بحرانی را ناگزیر می سازد.
بدین منظور با بهره¬گیری از دستورالعمل¬های آیین¬نامه  GSA[31] مبنی بر کاهش خسارت¬های ناشی از خرابی پیشرونده با استفاده از روش مسیر باربری جایگزین، به بررسی تاثیر خرپای کمره¬ای در بام ساختمان¬های فولادی پنج طبقه، هشت طبقه و دوازده طبقه قاب خمشی با کمک نرم¬افزار SAP2000 [27]و بصورت سه بعدی پرداخته و این ارزیابی¬ها با کمک تحلیل استاتیکی غیرخطی انجام و نتایج بصورت جداول و نمودارهایی ارائه شده است که شامل نحوه¬ی تشکیل مفاصل پلاستیک اعضا در هر سه سازه، مقایسه¬ی تنومندی  سازه¬ها و ارزیابی جابجایی قائم گره بالای محل حذف ستون مورد نظر و همچنین بررسی تغییر مکان جانبی نسبی طبقات سازه¬ها می-باشد.

1-4- ساختار پایان نامه
این پایان نامه در 5 فصل تهیه و تنظیم شده است که به شرح زیر می باشد :
فصل اول شامل تعریف مسئله، اهداف دنبال شده در این پایان نامه و همینطور شیوه و روند تحقیق انجام شده می باشد. 
در فصل دوم به مقایسه ای کوتاه از مقررات و تعاریف مربوط به خرابی پیشرونده در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی پرداخته می شود. همچنین ملا حظات مربوط به بهسازی ساختمان ها در برابر خرابی پیشرونده و خلاصه ای از مطالعات انجام شده ارائه شده است.
فصل سوم به بیان مدل ها و فرضیات،  مدل سازی غیر خطی سازه می پردازد.
در فصل چهارم به نحوه اعمال بارگذاری در تحلیل استاتیکی غیر خطی وبررسی نتایج حاصل از این تحلیل پرداخته می شود.
فصل پنجم نیز به نتیجه گیری و بحث پیرامون نتایج و در نهایت ارائه پیشنهادات جهت تحقیقات آتی می¬پردازد.
در انتهای این مجموعه نیز مراجع ارائه شده است.

فصل دوم :
مبانی خرابی  پیشرونده

2-1- مقدمه
خرابی پیشرونده را به صورت گسترش خرابي موضعي اوليه از عضوي به عضو ديگر كه سرانجام به گسيختگي تمام سازه يا قسمت بزرگي از آن مي انجامد تعريف مي كنند. خطرات احتمالي و بارهاي غيرعادي كه مي تواند موجب خرابی پيشرونده شود، شامل اين موارد مي باشند: خطاي طراحي يا ساخت، آتش سوزي، انفجار گازها، اضافه بار تصادفي، تصادف وسايل نقليه، انفجار بمب ها و غيره. چون احتمال وقوع اين خطرات كم است، در طراحي سازه اي آنها را در نظر نمي گيرند يا با اندازه گيري هاي غير مستقيم به آنها مي‌پردازند. اكثر آنها ويژگي كنش طي مدت زمان نسبتاً كوتاه را دارند و به پاسخ هاي ديناميكي مي‌انجامند.خرابی پيشرونده در ابتدا توجه محققين را در دهه 70 ميلادي، پس از گسيختگي جزئي برجي در رونان پوينت  انگلستان به خود جلب كرد. پس از حملات تروريستي مركز تجارت جهاني  در 11 سپتامبر  2001، علاقه مجدد به بررسي گسيختگي پيشرونده ايجاد گرديد.
در آيين نامه هاي موجود ساختماني،  طراحي سازه ها براي بارهاي قابل قبوليست كه ممكن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازه ها را معمولاً براي حوادث غير طبيعي كه مي توانند موجب خرابي هاي فراگير شوند طراحي نمي كنند. اكثر آيين نامه هاي رايج فقط داراي توصيه هاي كلي براي تعديل تأثيرگسيختگي پيشرونده در سازه هايي هستند كه فراتر از بارهاي طراحي شان بارگذاري مي شوند.
در این فصل، به مقایسه جامعی از مقررات مربوط به خرابی پیشرونده در آئین نامه های معتبر بین المللی ساختمانی پرداخته شده و ملاحظات مربوط به بهسازی ساختمان ها در برابر خرابی پیشرونده ارائه میشود برای ادامه دادن به این بخش چندین تعریف برای واژه خرابی پیشرونده/نامتجانس  مرور شده است که با برخی مثالها همراه است سپس انواع خرابی پیشرونده و نگاهی کوتاه بر آیین نامه های معتبر به همراه مروری بر ادبیات فنی و طبقه بندی روش های کاهش خرابی پیشرونده بیان شده است [4].

2-2- مثال¬هایی از خرابی پیشرونده
نمونه هایی از سازه هایی که بصورت کلی یا جزئی دچار خرابی پیشرونده شده اند در واقع خیلی کم و دارای فاصله زمانی هستند. خرابی پیشرونده پدیده ایست که تدریجا در استانداردهای طراحی در نظر گرفته می شود و تمایل به سمت آن بعد از حادثه انهدام ساختمانهای تجارت جهانی در 11 سپتامبر 2001 افزایش شدیدی یافت. در اینجا مختصرا به چند نمونه از خرابی پیشرونده  اشاره شده است که در صفحه¬های بعد ملاحظه می¬شود [1].
2-2-1- ساختمان فدرال آلفرد مورا 
این ساختمان بین سال های 1970 تا 1976 در شهر اوکلاهاما طراحی و ساخته شد، که یک ساختمان اداری دولتی ایالات متحده بود. در 19 آوریل 1995 هدف حمله یک کامیون با مواد منفجره در ضلع شمالی قرار گرفت.سیستم سازه ای شامل قاب بتن آرمه در نه طبقه بود. ویژگی خاص آن وجود شاهتیر انتقالی  در طبقه سوم در سمت شمالی بود طوریکه فاصله بین ستونهای طبقه همکف دو برابر دیگر طبقات بالاتر از خود بود. 
سه ستون بطور ناگهانی بر اثر انفجار تخریب شدند و همه سقف بالای سر خود را به سمت انهدام پیش بردند،  همانطور که در شکل 2-1 نشان داده شده است. این حادثه بعنوان مثالی در خرابی پیشرونده بخاطر عدم ظرفیت سیستم قاب و شاهتیر انتقالی برای مقابله با لنگرها و برش های افزایش یافته کنار سه ستون حذف شده در طبقه همکف نگریسته می شود