صفر تا صد انهدام پیش رونده
در این مقاله چه چیزهایی یاد میگیریم؟
انهدام پیش رونده چیست؟
آیا تا به حال ریختن دومینوها را دیدید؟ در مهندسی سازه هم دقیقا همچین پدیده ای وجود دارد؛ با این تفاوت که نگاه کردن به آن اصلا لذت بخش نیست. بر اساس تعریف ASCE؛ انهدام پیش رونده (Progressive collapse) پدیده ای هست که با تخریب یک المان سازه ای اولیه شروع می‌شود و منجر به یک تخریب کلی (یا یک بخش بزرگ از سازه) می‌شود.
تصور کنید سقف طبقه آخر از ستون ها و تیر ها جدا شده و بیفتد. چندین تن وزن از ارتفاع چند متری سقوط میکند. محکم به سقف پایینی برخورد میکند. سقف پایینی نیز از تیر ها و ستون ها جدا شده و این فرایند تا نزدیک ترین سقف به فونداسیون پیش برود. به این خرابی، خرابی پیش رونده یا progressive collapse می‌گویند.
حال این سوال به وجود می‌آید که چه چیزی باعث تخریب و سقوط اولین المان می‌شود. آیا یک سقف با خرابی (failure) تنها یک عضو باید فرو بریزد؟ اگر در محل اتصال یک ستون بتنی به سقف، ترک رشد کند و باعث خرابی عضو شود؛ خرابی کل سقف توجیه پذیر است؟
دلایل رخداد انهدام پیش رونده
- خطاهای طراحی و ساخت
بهترین طراحی، طراحی ای است که با حذف یک المان (ستون یا دیوار باربر) سایر المان ها جای خالی آن را پر کنند.
- بارهای شدید محیطی
صریح ترین مثال این اتفاق، تجمع بیش از حد افراد روی یک سقف و فروریزش آن است(مثل عروسی ارسطو در سریال پایتخت).
- آتش سوزی های شدید
این عامل عمدتا منجر به انهدام پیشرونده در سازه های فولادی می‌شود. در سازه های فولادی وقتی دمای محیط به ۶۰۰ الی ۷۰۰ درجه می‌رسد؛ المان فولادی از محل اتصال شروع به جاری شدن میکند. تا جایی که در محل اتصال گسیختگی رخ می‌دهد و فاجعه آغاز می‌شود. درست مثل فاجعه پلاسکو
- بارگذاری های غیر عادی(مثل انفجار و برخورد وسایل نقلیه)
در طول تاریخ اتفاقاتی مثل برخورد هواپیما (حادثه ۱۱ سپتامبر) و انفجارهای تروریستی بارها باعث انهدام پیش رونده شده اند.
انوع انهدام پیشرونده
انهدام پیشرونده بر اساس شکل رخداد به ۳ نوع زیر تقسیم می‌شوند:
- انهدام پن کیکی
خرابی اولیه المان‌های باربر عمودی یا از بین رفتن خاصیت باربری عمودی المان
جدایی جزئی و کلی المان و سقوط آن، بصورت حرکت جسم صلب در راستای قائم
اصابت اعضای جداشده و خراب شده بر روی باقی سازه
پیشروی خرابی در جهت قائم
- انهدام زیپی
این نوع انهدام در سازه های کابلی رخ می‌دهد. با پارگی اولین کابل، کابل ها یکی پس از دیگری پاره می‌شوند
- خرابی دومینویی
واژگونی اولیه یک المان
افتادن المان به صورت حرکت زاویه ای جسم صلب حول یک گوشه از جسم
ضربه جانبی گوشه بالای المان به المان مجاور که ترکیبی از نیروهای استاتیکی و دینامیکی را ایجاد میکند.
پیش رفتن خرابی در جهت واژگونی
چند نمونه از انهدام پیش رونده در تاریخ
- ساختمان آپارتمان point Ronan، انگلستان، لندن، ۱۹۶۸ May، كه انفجار اجاق گاز در طبقه ۱۸ ام اين ساختمان بتني ۲۴ طبقه، ديوار باربر خارجي را به بيرون پرتاب كرد كه در اثر عملكرد زنجيري باعث فرو ريزش طبقات تا سطح زمين شد.
- ساختمان تجاري plaza line Sky، ۱۹۷۳ March ، كه به هنگام بتن ريزي در طبقه ۲۴ ام، يك خرابي پيشرونده در كل ارتفاع برج رخ مي دهد و هم چنين در اثر ضربه‌هاي مخروبه ها، خرابي پيشرونده افقي در كل گاراژ پاركينگ كنار برج اتفاق مي افتد.
- برج هاي دو قلو تجاري، آمريكا ، ۲۰۰۱ september ، برخورد دو هواپيما به اين برج ها باعث خرابي آن‌ها و هم چنين خرابي كلي و جزئي ۱۰ ساختمان مجاور آن‌ها شد كه ضعف اين سازه ها را در هنگام رويارويي با بارگذاري غير عادي و پيش بيني نشده نشان مي دهد.
- ويراني ساختمان در زلزله پاكستان، بظاهر اين ساختمان مهندسي ساز بود و بعلت ضعف سازه، گسيختگي بصورت پيشرونده گسترش يافته و ساختمان بطوركلي ويران شد
تحلیل انهدام پیشرونده
تحلیل انهدام پیشرونده در etabs ، sap ، opensees امکان پذیر است. به طور کلی برای تحلیل انهدام پیش رونده باید یک عضو که بحرانی است را به طور ناگهانی حذف نموده و رفتار سازه را بعد از حذف با ترکیب بار ۱.2D + 0.5L بررسی کرد. آموزش تصویری کامل کنترل و تحلیل انهدام پیش رونده در ایتبس را می‌توانید در ویدئوی زیر مشاهده کنید.
در تحلیل انهدام پیشرونده، دو شاخص بسیار مهم وجود دارد.
اولا شاخص β که برابر است با:
نسبت نیروی محوری ستون مجاور ستون حذف شده به نیروی محوری همان ستون قبل از حذف =β
دوما شاخص λ که برابر است با:
جابجایی قائم نهایی نقطه بالای ستون حذف شده پس از حذف به جابجایی قائم همان نقطه قبل از حذف =λ
هر چقدر این مقادیر بزرگتر باشند نشان دهنده بحرانی تر بودن ستون حذف شده است.
برای تشخیص عضو بحرانی، به قضاوت مهندسی نیاز است. اما بررسی شرایط زیر الزامی است:
درحالت حذف ستون باید حداقل سه ستون زیر حذف و تحلیل شوند:
- ستون های نزدیک به وسط بعد کوچک پلان
- ستون های نزدیک به وسط بعد بزرگ پلان
- ستون های گوشه پلان
اما اگر پلان سازه به گونه ای بود که ستون های بحرانی دیگری نیز وجود داشت (مثل تغییر ناگهانی در ابعاد پلان)، بررسی آن ها نیز الزامی است.
در حالت حذف ستون، کلیدی ترین ستون، ستون گوشه است.
درحالت حذف دیوار نیز باید حداقل سه دیوار زیر حذف و تحلیل شوند:
- دیوارهای نزدیک به وسط بعد کوچک پلان
- دیوارهای نزدیک به وسط بعد بزرگ پلان
- دیوارهای گوشه پلان
اما اگر پلان سازه به گونه ای بود که دیوارهای بحرانی دیگری نیز وجود داشت ، بررسی آن ها نیز الزامی است.
در یک تحقیق که توسط قدمیان و علیرضایی صورت گرفت، نشان داده شد که در پلان های نامنظم، ستون هایی که در موقعیت مشابه شکل مقابل قرار دارند، بسیار بحرانی هستند. این ستون‌ها پتانسیل شروع تخریب پیشرونده را دارند و در صورتی که از مدار سیستم باربری خارج شوند بقیه تیرها، قادر به تحمل بار اضافی ایجاد شده نخواهند بود و سازه دچار تخریب پیشرونده خواهد شد.
راه های مقابله با انهدام پیش رونده
در آیین نامه های ایران هیچ الزام صریحی برای کاهش احتمال خرابی پیش رونده وجود ندارد. اما استراتژی هایی به صورت کلی در آن لحاظ شده است. مثل کنترل ضابطه ۲۵ درصد ۵۰ درصد، ایده ستون قوی تیر ضعیف.
به طور کلی؛ هرچه در طراحی سازه، پیوستگی بیشتر، نامعینی بیشتر و همچنین شکل پذیری بیشتری داشته باشیم، احتمال انهدام پیش رونده بیشتر کاهش می‌یابد. اما تکنیک های کلی برای کاهش انهدام پیش رونده شامل موارد زیر است:
- علاج واقعه قبل از وقوع؛ یعنی مانع ایجاد عواملی که باعث انهدام پیش رونده می‌شوند، شویم. مثلا دیوارهایی را اطراف سازه اجرا کنیم تا از برخورد ماشین آلات سنگین به آن جلوگیری کنیم (دیوار محافظ یا ضربه گیر). یا اینکه آشپزی با گاز را در آسمان خراش ها ممنوع کنیم.
- طراحی اعضای کلیدی برای تحمل بار تصادفی
- کاهش فاصله ستون ها
- کاهش ارتفاع طبقه
- مسیر جایگزین انتقال بار؛ که در این تکنیک، سازه را باید به گونه ای طراحی کنیم تا بعد از حذف یک المان باربر، بار، مسیر جایگزینی را برای طی کردن بیابد. به عبارت دیگر، سایر المان ها باید بتوانند جای خالی المان حذف شده را پر کنند. حتما مقاله “مسیر بار در سازه و مفهوم زنجیره باربری” را بخوانید.
- افزایش ضخامت دال
- افزایش میلگردهای دال
- افزایش عمق تیر
- افزایش میلگردهای تیر
- استفاده از المان‌هایی که رفتار غیرارتجاعی و جذب انرژی خوبی دارند. مثل مهاربند کمانش تاب
در بررسی مدل‌های مختلف نشان داده شده که قاب خمشی ویژه، الزاما عملکرد بهتری نسبت به قاب خمشی معمولی در برابر خرابی پیش رونده ندارد.
سال ۹۴؛ در تهران فاجعه پلاسکو با پدیده‌ی progressive collapse فرو ریخت. سقف های بالایی بر اثر حرارت زیاد از ستون ها جدا شده و روی سقف های پایینی افتادند. این روند؛ تا خرابی کل سازه پیش رفت و …
