خلاصه پایان نامه بررسی گسیختگی پیشرونده ناشی از خرابی مهاربند در قاب های فولادی مهاربندی شده EBF
پایان‌نامه مقطع کارشناسی ارشد
رشته: عمران - سازه
بررسی گسیختگی پیشرونده ناشی از خرابی مهاربند در قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور (EBF) با استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی، روش مسیر جایگزین و آیین‌نامه UFC 2009؛ پژوهشی درباره ارزیابی آسیب‌پذیری، مقاومت سازه و عوامل مؤثر بر خرابی پیشرونده.
چکیده:
خرابی پیشرونده یکی از مهم‌ترین پدیده‌های مخرب در مهندسی سازه محسوب می‌شود که در آن خرابی اولیه یک عضو سازه‌ای می‌تواند به صورت زنجیره‌ای به سایر اعضا منتقل شده و در نهایت موجب تخریب بخش عمده‌ای از سازه یا حتی فروپاشی کامل آن شود. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که سازه در معرض بارگذاری‌های غیرمتعارف یا شرایطی قرار گیرد که در مرحله طراحی پیش‌بینی نشده‌اند. به همین دلیل، بررسی رفتار سازه‌ها در برابر خرابی پیشرونده طی سال‌های اخیر به یکی از موضوعات مهم پژوهشی در حوزه مهندسی عمران و طراحی لرزه‌ای تبدیل شده است. موضوع این پژوهش، بررسی گسیختگی پیشرونده ناشی از خرابی مهاربند در قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور (EBF) است و تلاش دارد میزان آسیب‌پذیری این سیستم سازه‌ای را در شرایط حذف ناگهانی اعضای باربر ارزیابی کند.
در طراحی متداول ساختمان‌ها، سازه‌ها معمولاً برای بارهای بهره‌برداری، بارهای ثقلی و نیروهای ناشی از زلزله طراحی می‌شوند، اما وقوع حوادثی مانند انفجار گاز، انفجارهای ناشی از عملیات تروریستی، برخورد وسایل نقلیه، برخورد هواپیما، آتش‌سوزی، طوفان و سایر بارهای غیرعادی در اغلب آیین‌نامه‌های طراحی به صورت مستقیم لحاظ نمی‌شود. در نتیجه، اگر یکی از اعضای اصلی سازه تحت چنین شرایطی از بین برود، امکان انتقال ناگهانی نیروها به سایر اعضا وجود دارد و این موضوع می‌تواند منجر به گسترش خرابی در کل سیستم سازه‌ای شود. از این رو شناخت رفتار سازه‌ها در برابر این نوع بارگذاری‌ها و ارائه راهکارهای مناسب برای کنترل خرابی پیشرونده اهمیت فراوانی دارد.
یکی از مهم‌ترین نمونه‌های تاریخی خرابی پیشرونده، فروپاشی ساختمان رونان پوینت در سال ۱۹۶۸ میلادی است. در این حادثه، انفجار گاز طبیعی موجب تخریب یکی از دیوارهای باربر ساختمان شد و حذف این عضو باعث انتقال بار به سایر بخش‌ها و در نهایت فروپاشی قسمت بزرگی از ساختمان گردید. وقوع این حادثه سبب شد توجه جامعه مهندسی به موضوع خرابی پیشرونده افزایش یابد و زمینه تدوین آیین‌نامه‌ها و دستورالعمل‌های جدید برای افزایش ایمنی سازه‌ها فراهم شود. پس از آن نیز وقوع حوادث مختلف، به‌ویژه حملات تروریستی یازدهم سپتامبر و تخریب برج‌های تجارت جهانی، اهمیت بررسی مقاومت سازه‌ها در برابر خرابی پیشرونده را بیش از گذشته آشکار ساخت و موجب توسعه تحقیقات گسترده در این زمینه شد.
مطالعات انجام‌شده نشان می‌دهد که سازه‌هایی که صرفاً بر اساس آیین‌نامه‌های لرزه‌ای طراحی می‌شوند، الزاماً در برابر خرابی پیشرونده عملکرد مناسبی نخواهند داشت. هرچند این سازه‌ها برای تحمل نیروهای ناشی از زلزله طراحی شده‌اند، اما حذف ناگهانی یک عضو باربر، شرایطی کاملاً متفاوت ایجاد می‌کند که ممکن است رفتار سازه را وارد محدوده غیرخطی کرده و موجب تغییر مسیر انتقال نیروها شود. بنابراین لازم است علاوه بر کنترل عملکرد لرزه‌ای، مقاومت سازه در برابر حذف ناگهانی اعضای اصلی نیز مورد ارزیابی قرار گیرد.
با توجه به کاربرد گسترده قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور در ساختمان‌های کشور، بررسی عملکرد این سیستم در برابر خرابی پیشرونده اهمیت ویژه‌ای دارد. این سیستم به دلیل برخورداری از شکل‌پذیری مناسب و ظرفیت جذب انرژی بالا، یکی از سیستم‌های متداول مقاوم در برابر زلزله محسوب می‌شود، اما رفتار آن در شرایط حذف مهاربند یا سایر اعضای اصلی هنوز نیازمند بررسی دقیق است. در این پژوهش تلاش شده است تأثیر جانمایی مهاربندها در دهانه‌ها و ارتفاع ساختمان بر میزان مقاومت سازه در برابر خرابی پیشرونده مورد ارزیابی قرار گیرد.
هدف اصلی این تحقیق، ارزیابی میزان آسیب‌پذیری قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور طراحی‌شده بر اساس آیین‌نامه‌های ایران در برابر پدیده خرابی پیشرونده است. همچنین تأثیر عوامل مختلفی از جمله محل قرارگیری مهاربندها، تغییر آرایش مهاربندی در پلان و ارتفاع ساختمان، محل حذف عضو و طبقه‌ای که حذف عضو در آن رخ می‌دهد، بررسی شده است. پس از شناسایی اعضا و نقاط آسیب‌پذیر، راهکارهایی برای طراحی سازه‌هایی با مقاومت بیشتر در برابر خرابی پیشرونده ارائه شده و عملکرد مدل‌های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است.
در این پایان‌نامه علاوه بر بررسی مبانی نظری خرابی پیشرونده، دستورالعمل‌ها و آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی مرتبط با این پدیده نیز مطالعه شده‌اند. همچنین روش‌های مختلف کاهش احتمال گسترش خرابی و کنترل فروپاشی سازه مورد بررسی قرار گرفته است. یکی از ویژگی‌های این پژوهش، مقایسه چندین مدل ساختمانی با پلان‌های متفاوت و ارتفاع یکسان است؛ در حالی که بسیاری از تحقیقات پیشین تنها از یک پلان با ارتفاع‌های مختلف استفاده کرده‌اند. این موضوع امکان بررسی دقیق‌تر تأثیر نحوه جانمایی مهاربندها بر رفتار سازه را فراهم کرده است.
روش تحقیق بر پایه مدل‌سازی عددی و تحلیل دینامیکی غیرخطی انجام شده است. بدین منظور، یک ساختمان فولادی ۹ طبقه با سیستم دوگانه شامل قاب خمشی فولادی و مهاربندی برون‌محور مطابق مقررات ملی ساختمان ایران طراحی شده است. در فرآیند طراحی، ضوابط مباحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان و همچنین الزامات استاندارد ۲۸۰۰ ایران برای طراحی لرزه‌ای رعایت شده است. طراحی اولیه سازه با استفاده از نرم‌افزار ETABS انجام گرفته و سپس مدل تحلیلی برای بررسی رفتار غیرخطی و پاسخ دینامیکی سازه در نرم‌افزار SAP2000 تهیه شده است.
در تحلیل‌های انجام‌شده، اثر حذف ناگهانی مهاربند و ستون بر اساس روش مسیر جایگزین و مطابق ترکیب بار ویژه آیین‌نامه UFC 2009 مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین نیروهای ایجادشده در اعضای سازه، تغییرمکان گره‌ها، نحوه توزیع مجدد بارها و پاسخ دینامیکی سیستم پس از حذف عضو بررسی شده تا میزان مقاومت سازه در برابر گسترش خرابی مشخص شود. این روش امکان تحلیل رفتار واقعی‌تر سازه در شرایط بحرانی را فراهم کرده و مبنایی برای مقایسه عملکرد مدل‌های مختلف در برابر خرابی پیشرونده ایجاد می‌کند.
خرابی پیشرونده به عنوان یک فرآیند زنجیره‌ای شناخته می‌شود که در آن خرابی موضعی یک عضو سازه‌ای در صورت نبود ظرفیت کافی برای توزیع مجدد نیروها، به سایر بخش‌های سازه منتقل شده و در نهایت موجب تخریب گسترده یا فروپاشی کامل ساختمان می‌شود. این پدیده معمولاً در اثر بارگذاری‌های غیرعادی یا حوادثی ایجاد می‌شود که در زمان طراحی سازه پیش‌بینی نشده‌اند. از جمله مهم‌ترین عوامل ایجادکننده خرابی پیشرونده می‌توان به خطاهای طراحی و اجرا، آتش‌سوزی، انفجار گاز، انفجار ناشی از مواد منفجره، برخورد وسایل نقلیه، برخورد هواپیما، اضافه‌بارهای تصادفی و سایر بارهای غیرمتعارف اشاره کرد. ویژگی مشترک بیشتر این عوامل، اعمال بار در مدت زمانی بسیار کوتاه و ایجاد پاسخ‌های دینامیکی و غیرخطی در سازه است؛ موضوعی که تحلیل این پدیده را نسبت به تحلیل‌های متداول سازه‌ای پیچیده‌تر می‌کند.
مطالعات انجام‌شده در حوزه خرابی پیشرونده نشان می‌دهد که توجه جدی به این پدیده از دهه ۱۹۷۰ و پس از حادثه ساختمان رونان پوینت آغاز شد. این حادثه نشان داد که حذف یک عضو باربر می‌تواند مسیر انتقال نیرو را به طور ناگهانی تغییر داده و باعث شکست پی‌درپی اعضای مجاور شود. پس از آن، وقوع رخدادهای مشابه و به ویژه فروپاشی برج‌های مرکز تجارت جهانی در سال ۲۰۰۱ موجب شد تحقیقات گسترده‌ای درباره رفتار سازه‌ها در برابر حذف اعضای اصلی و تدوین دستورالعمل‌های طراحی مقاوم در برابر خرابی پیشرونده انجام شود. در نتیجه، بسیاری از آیین‌نامه‌های بین‌المللی به تدریج روش‌هایی برای ارزیابی آسیب‌پذیری سازه‌ها و کاهش احتمال گسترش خرابی ارائه کردند.
بررسی تاریخچه این پدیده نشان می‌دهد که ساختمان رونان پوینت یک ساختمان ۲۲ طبقه با دیوارهای باربر پیش‌ساخته بود که اجزای آن به وسیله اتصالات پیچ و مهره به یکدیگر متصل شده بودند. وقوع انفجار گاز طبیعی در یکی از طبقات سبب تخریب تنها یک پانل باربر شد، اما همین خرابی موضعی موجب از بین رفتن تکیه‌گاه سقف، انتقال ناگهانی بار به طبقات پایین‌تر و در نهایت تخریب بخش قابل توجهی از ساختمان گردید. این حادثه اهمیت پیوستگی سازه، ظرفیت انتقال بار و وجود مسیرهای جایگزین برای تحمل نیروها را به خوبی آشکار کرد و مبنای اصلاح بسیاری از ضوابط طراحی سازه‌ها قرار گرفت.
بر اساس مبانی ارائه‌شده در این پژوهش، فلسفه طراحی اغلب آیین‌نامه‌های ساختمانی بر مبنای تحمل بارهای متعارف طول عمر سازه است و معمولاً برای حوادث نادری که احتمال وقوع آن‌ها کم است، طراحی مستقیمی انجام نمی‌شود. با این حال، خسارت‌های ناشی از چنین حوادثی می‌تواند بسیار گسترده باشد؛ بنابراین لازم است در ساختمان‌های مهم و حساس، امکان گسترش خرابی پس از حذف یک عضو اصلی نیز مورد بررسی قرار گیرد. در این راستا، استفاده از تحلیل‌های غیرخطی و دینامیکی می‌تواند رفتار واقعی سازه را با دقت بیشتری شبیه‌سازی کرده و نقاط ضعف سیستم سازه‌ای را مشخص کند.
در این پایان‌نامه، برای ارزیابی رفتار قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور، از روش تحلیل دینامیکی غیرخطی و روش مسیر جایگزین استفاده شده است. این روش بر مبنای حذف ناگهانی یک عضو سازه‌ای و بررسی نحوه توزیع مجدد نیروها در سایر اعضا استوار است. پس از حذف عضو، پاسخ سازه شامل تغییرمکان گره‌ها، نیروهای داخلی اعضا و میزان گسترش خرابی مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین تحلیل‌ها بر اساس ترکیب بار ویژه خرابی پیشرونده مطابق آیین‌نامه UFC 2009 انجام شده تا شرایط واقعی وقوع این پدیده با دقت بیشتری شبیه‌سازی شود.
یکی از ویژگی‌های مهم این تحقیق، بررسی تأثیر جانمایی مهاربندها در دهانه‌های مختلف و همچنین در ارتفاع ساختمان است. برای این منظور، چندین مدل مختلف از یک ساختمان فولادی ۹ طبقه با پلان‌های متفاوت طراحی شده و رفتار هر یک از آن‌ها در برابر حذف ناگهانی مهاربند یا ستون مقایسه شده است. این روش امکان بررسی تأثیر آرایش مهاربندی بر ظرفیت انتقال بار، میزان تمرکز تنش و مقاومت سازه در برابر خرابی پیشرونده را فراهم کرده است. در حالی که بسیاری از تحقیقات پیشین تنها تغییر ارتفاع ساختمان را مورد مطالعه قرار داده‌اند، در این پژوهش تأثیر تغییر پلان نیز به صورت هم‌زمان بررسی شده است.
فرآیند مدل‌سازی سازه با استفاده از نرم‌افزار ETABS انجام شده و طراحی اعضای فولادی شامل تیرها، ستون‌ها و مهاربندها بر اساس مقررات ملی ساختمان ایران و الزامات استاندارد ۲۸۰۰ صورت گرفته است. سپس مدل تحلیلی برای انجام تحلیل تاریخچه زمانی غیرخطی به نرم‌افزار SAP2000 منتقل شده و پاسخ دینامیکی سازه پس از حذف اعضای مختلف بررسی شده است. این تحلیل‌ها امکان ارزیابی رفتار واقعی اعضا در محدوده غیرخطی، تشکیل مفاصل پلاستیک، تغییر مسیر انتقال نیرو و میزان پایداری کلی سازه را فراهم کرده‌اند.
ساختار پایان‌نامه نیز به گونه‌ای تنظیم شده است که تمامی مراحل تحقیق را به صورت منظم پوشش دهد. فصل نخست به معرفی مسئله، بیان اهداف، ضرورت تحقیق و روش انجام پژوهش اختصاص دارد. فصل دوم مبانی نظری خرابی پیشرونده، تاریخچه وقوع این پدیده، بررسی نمونه‌های واقعی و مطالعه آیین‌نامه‌های معتبر بین‌المللی را ارائه می‌کند. در فصل سوم، مفاهیم سطح عملکرد، مفاصل پلاستیک، روش‌های مدل‌سازی و انواع تحلیل‌های مورد استفاده در آیین‌نامه UFC 2009 تشریح شده است. فصل چهارم به نحوه اعمال بارگذاری، اجرای تحلیل دینامیکی غیرخطی و بررسی نتایج اختصاص دارد و در فصل پنجم نیز جمع‌بندی یافته‌ها، نتیجه‌گیری نهایی و پیشنهادهایی برای تحقیقات آینده ارائه می‌شود.
نتایج این پژوهش در راستای شناسایی عوامل مؤثر بر مقاومت قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور در برابر خرابی پیشرونده تدوین شده است. بررسی اثر محل حذف عضو، نوع عضو حذف‌شده، محل قرارگیری مهاربندها، شماره طبقه و نحوه توزیع مهاربندی در پلان و ارتفاع ساختمان، امکان شناسایی نقاط آسیب‌پذیر سازه را فراهم می‌کند. همچنین مقایسه مدل‌های مختلف، مبنایی برای انتخاب آرایش مناسب مهاربندها و افزایش قابلیت اطمینان سازه در برابر بارگذاری‌های غیرعادی خواهد بود.
به طور کلی، این پایان‌نامه نشان می‌دهد که ارزیابی خرابی پیشرونده تنها به طراحی لرزه‌ای محدود نیست و برای دستیابی به ایمنی بیشتر سازه‌ها باید رفتار آن‌ها در برابر حذف ناگهانی اعضای باربر نیز بررسی شود. استفاده از تحلیل دینامیکی غیرخطی، بهره‌گیری از روش مسیر جایگزین، رعایت ضوابط آیین‌نامه‌های معتبر و توجه به نحوه جانمایی مهاربندها می‌تواند نقش مؤثری در کاهش احتمال فروپاشی زنجیره‌ای سازه‌ها داشته باشد. یافته‌های این تحقیق علاوه بر افزایش شناخت رفتار قاب‌های فولادی مهاربندی‌شده برون‌محور، می‌تواند در طراحی سازه‌های مقاوم‌تر، اصلاح ضوابط طراحی و توسعه مطالعات آینده در زمینه خرابی پیشرونده مورد استفاده قرار گیرد.
فهرست پایان نامه بررسی گسیختگی پیشرونده ناشی از خرابی مهاربند در قاب های فولادی مهاربندی شده EBF
فهرست:
ندارد.
منبع:
1 [مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ایران، بارهای وارد بر ساختمان، وزارت مسکن و شهرسازی، معاونت امور مسکن و ساختمان، دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان (ویراست دوم) 1385.
]2 [مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ایران، طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی وزارت مسکن و شهرسازی، معاونت امور مسکن و ساختمان، دفتر تدوین و ترویج مقررات ملی ساختمان،1387.
]3 [آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله، استاندارد 84 – 2800(ویرایش سوم) مرکز تحقیقات ساختمان و مسکن، کمیته دائمی بازنگری آیین‌نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله.
]4 [سرداری، هاتف (1388). کلید مدل‌سازی پیشرفته در SAP 2000، انتشارات علم عمران، تهران.
]5 [میر قادری، رسول; فهیمی، فرانک.1389."بررسی گسیختگی تدریجی سازه با اتصال خرجینی بر اثر حذف یک ستون در ناحیه تحتانی "، پایان‌نامه کارشناسی ارشد عمران دانشکده فنی تهران.
]6 [عسگریان، بهروز ;هاشمی، فرشاد.1389."بررسی گسیختگی پیشرونده در قاب‌های فولادی مهار بندی شده"، پنجمین کنگره ملی مهندسی عمران، دانشگاه فردوسی مشهد اردیبهشت.
[7]"دستورالعمل بهسازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود" دفتر امور فنی تدوین معیارها سازمان مدیریت و برنامه‌ریزی کشور، 1385.
[8] ASCE Standard 7-05, Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7-05/ANSI A58) (2005), American Society of Civil Engineers, Reston, VA.
[9] Reza Jalali Larijani, “Progressive Collapse Analysis of Two Existing Steel Buildings Using Linear Static Procedure”, Eastern Mediterranean University, January 2012,
[10] SAP2000 Version 14.2.2, Analysis Reference Manual. Computers
and Structures, Inc. Berkeley, California, July 2012.
[11] UFC. United facilities criteria design of buildings to resist progressive collapse (UFC 4-023-03). Washington (DC): Department of Defense; 2009. [11] [12] Min Liu, Progressive collapse design of seismic steel frames using structural optimization (2011). Journal of Constructional Steel Research, Vol. 67, pp. 322–332. [12] [13] Jinkoo Kim, Taewan Kim. Assessment of progressive collapse-resisting capacity of steel moment frames. Journal of Constructional Steel Research 65(2009) 169-179. [13] [14] Kapil Khandelwal. Multi-scale computational simulation of progressive collapse of steel frames. Doctoral dissertation, University of Michigan (2008). [14] [12] [15] [15] Behavior and Design of Commertial MultiStory Buildings Subjectedto Blast, Mike P. Byfield, Journal of performance of constructed faculititties, ASCE (2006). [16] [16] S. King , N. Dellate, “Collapse of 2000 CommonWealth Avenue-Punching Shear Case Study”, Journal of performance of constructed faculititties, ASCE (2006). [17] [17] Victor Gioncu, “Progressive Collapse and Explosions”, COST C26, Urban Habitat Constructions under Catastrophic Events. 26-27 October 2007, Timisoara
[18] Dan Dubina, Florea Dinu, “Collapse Prevention Design of Multistory Steel Building Frames Under Extreme Actions”, Nordic Steel 2012 Construction Conference, September 5-7, 2012, Oslo Norway
[19] National Institute of Standards and Technology, NIST, Final Report on the Collapse of the World Trade Center Tower, NCSTAR 1. Gaithersburg:NIST, 2005. [20] [20] Lew, H. and Ellingwood, B.R. and Smilowitz, R. and Carino, N., “Best Practices for Reducing the Potential for Progressive Collapse in Buildings”, 2006. [21] [12] [21]-GSA, Progressive collapse analysis and design guidelines for new federal office buildings and major modernization projects. The U.S. General-Services-Administration,2003. [22] Department Of Defense, DOD, “Design of building to resist progressivecollapse”, 2005. [23] [23] Bruce R. Ellingwood, Ph.D., (2006), "Mitigating Risk from Abnormal Loads and Progressive Collapse," Journal of Performance of Constructed Facilities, pp 315-323. [24] [24] Ahmad Saad, Aly Said and Ying Tian, “Overview Of Progressive Collapse Analysis”, American Society of Civil Engineers, International Committee, Los Angeles Sectıon, 5th International Engineering and Construction Conference, 2008. [25] [25] Lew, H.s., “Analysis Procedures for Progressive Collaps of Building”, 2007. [26] [26] Marjanshvili, S. and Agnew, E., “Comparison of Various Procedure for ProgressiveCollapse Analysis”, Journal of Performance of Constructed Facilities, 2006. [27] [27] Kaewkulchai G, Williamson EB. Dynamic behavior of planar frames during progressive collapse. In: 16th ASCE engineering mechanics conference. 2003.
[28] Powell G. Progressive collapse: Case study using nonlinear analysis. In:Proceedings of the 2005 structures congress and the 2005 forensic engineering symposium. 2005. [29] [29] Ruth P, Marchand KA, Williamson EB. Static equivalency in progressive collapse alternative path analysis: Reducing conservatism while retaining structural integrity. Journal of Performance of Constructed Facilities 2006; 20(4):349–64. [30] [30] Ronald Hamburger, “Alternative Methods of Evaluating and Achieving Progressive Collapse Resistance”, Ovidius University Annals Series: Civil Engineering, 2007. [31] [31] Meng-HaoTsai, Tsuei-Chiang Huang, “Effect of Interior Brick-Infill Partitions on the Progressive Collapse Potential of a RC Building (Linear Static Analysis Results)”, World Academy of Science, Engineering and Technology, 2009. [32] [32] Federal Emergency Management Agency, FEMA, (2000), “Prestandard and Commentary for the Seismic rehabilitation of Buildings.” Rep. No. FEMA 356, Washington, D.C [33] [33] Federal M.J. N. Priestley, G. M. Calvi, and M. J. Kowalsky,(2008), Displacement – based seismic design of structures, IUSS Press, Pavia, Italy.