تکنیک‌های پیش‌گویی انفجار اغلب به روش‌های تعیین بار انفجاری و تعیین پاسخ تقسیم می‌شوند. هر کدام از این دسته بندی‌ها به خودی خود می‌توانند به دو گروه اصلی و تجربی تقسیم شوند. گروه اصلی به کمک قوانین فیزیک شروع به پیشگویی انفجار می‌کنند، این در حال است که گروه تجربی به کمک آزمایشات این هدف را دنبال می‌کنند.
برای انتشار امواج انفجار به صورت واقعی لازم است شرایط اتمسفری، اثرات مرزی، مواد منفجره و پارامترهای زیاد دیگری را در نظر گرفت که این کار دشواری است. همچنین تغییرات فشار انفجار به دلیل تغییر شکل‌های بزرگ سازه و آسیب‌های موضعی، باید در محاسبات لحاظ شود. به دلیل رفتار غیرخطی سازه تحت بار انفجار باید نتایج تحلیل‌های عددی توسط نتایج آزمایشگاهی تایید شوند. بنابراین تحقیقات صورت گرفته در این زمینه به دو دسته تحلیل عددی و کارهای آزمایشگاهی تقسیم می‌شوند. در این فصل ابتدا به پدیده انفجار به همراه روابط ارائه شده برای محاسبه بار انفجاری معرفی می‌شود و پس از آن به رفتار مصالح در نرخ کرنش بار انفجاری اشاره‌ای می‌شود. در انتهای فصل نیز پیشینه تحقیقات عددی و آزمایشگاهی صورت گرفته، ارائه می‌شود.
 

2-2-معرفی انفجار

انفجار، آزاد شدن بسیار سریع انرژی به صورت نور، گرما، صدا و موج ضربه‌ای می‌باشد. موج ضربه ای شامل هوای بسیار متراکمی‌می‌باشد که به صورت شعاعی (کروی) از منبع انفجار به سمت خارج با سرعت مافوق صوت در حرکت است. با گسترش موج ضربه‌ای، مقدار فشار به سرعت کاهش می‌یابد (متناسب با توان سوم فاصله) پس از برخورد به یک سطح، منعکس شده و مقدار آن ممکن است تا سیزده برابر افزایش یابد[5]. مقدار ضریب انعکاس تابع نزدیکی ماده منفجره و زاویه موج برخوردی می‌باشد فشار همچنین با گذشت زمان به سرعت کاسته می‌شود (به صورت نمایی) در بارگذاری انفجاری زمان اعمال بار، بسیار کوتاه می‌باشد و معمولاً بر حسب هزارم ثانیه میلی ثانیه بیان می‌شود. در آخر پدیده انفجار، موج ضربه ای منفی ایجاد می‌شود که مکش ایجاد می‌کند و درجایی که خلأ ایجاد شده باشد، یک باد قوی یا نیروی کششی بر سطوح ساختمان وارد می‌شود. این باد، آثار مخروبه به جا مانده از انفجار را بر می‌چیند و سبب جابجایی آن‌ها می‌شود. فاز

 منفی کوچک و تدریجی بوده، به طوری که در طراحی سازه های مقاوم در برابر انفجار در اکثر مواقع از آن صرف نظر می‌گردد. سه اثر اصلی که در آنالیز سازه تحت اثر بار انفجار خیلی مهم هستند، عبارت‌اند است از :

1. کل ضربه
2. فشار حداکثر موج انفجار
3. پرتاب اجسام (سرعت، جرم، توزیع)

 
دو مورد اول با علم به نوع مواد منفجره و وزن و شکل مواد منفجره و در نهایت فاصله انفجار تا هدف قابل محاسبه‌اند، اما پرتاب اجسام و آوار قابل بدست آوردن نیست و کاملاً طبیعی اتفاق می‌افتد. مورد آخر از آن جهت اهمیت دارد که موجب برخورد با انسان شده و آسیب می‌زند. در ادامه از بررسی گزینه سوم صرف نظر می‌کنیم[6].
 

2-3- بارگذاری انفجاری

اضافه فشار، فشاریست که به علت انفجار به فشار محیط اضافه می‌شود. هنگامی‌که اضافه فشار ناشی از انفجار در حال کاهش به سمت صفر است درست در لحظه‌ای که وارد فاز منفی می‌شود فشار به یکباره کمی‌افزایش می‌یابد، این به دلیل است که موج قوی از سمت انفجار می‌رسد که فشار را افزایش می‌دهد. با برگشت موج ضعیف شده به سمت انفجار از فشار کاسته شده و دوباره به سمت صفر پیش می‌رود، دوباره با رسیدن موج از سمت انفجار به طور ناگهانی فشار کمی‌افزایش می‌یابد ولی این بار کمتر از مرحله قبل. به نمودار تغییرات فشار در این پروسه که ذکر شد نمودار فشار دینامیکی گویند .فشار دینامیکی همواره مثبت باقی می‌ماند، زیرا ماهیت انرژی جنبشی دارد و از توان دوم سرعت باد بدست می‌آید.
شکل 2-1 تغییرات اضافه فشار و فشار دینامیکی در زمان را نشان می‌دهد. نمودار تاریخچه زمانی فشار رسم شده در زیر برای نقاطی که به محل انفجار نزدیک نیستند صادق است. مقادیر نمودار تاریخچه زمانی فشار به اندازه مواد منفجره و موقعیت آن بستگی دارد. برای مثال حداکثر فشار با افزایش فاصله کاهش می‌یابد و زمان فاز مثبت با افزایش فاصله از محل انفجار افزایش می‌یابد. اما ضربه هر دو این موارد برابر است. از همین نتیجه استفاده می‌شود تا قانون مقیاس که توسط هاپکینگسون[8]مطرح شد به وجود آید. این قانون بیان می‌کند که مواد منفجره با وزن‌های متفاوت و فواصل مختلف می‌توانند اثر یکسانی داشته باشند به شرطی که فاصله مقیاس آن‌ها برابر باشد.
 
(2-1)
در رابطه (2-1) Z فاصله مقیاس و R فاصله از محل انفجار به متر است. W وزن معادل ماده منفجره به TNT به کیلوگرم می‌باشد. چندین روش برای بیان وزن TNT معادل وجود دارد، ولی ساده‌ترین آن‌ها به صورت نسبت انرژی ویژه جرمی‌مواد منفجره واقعی به انرژی ویژه جرمی‌TNT می‌باشد. انرژی ویژه جرمی TNT برابر ۶۷۰۰ کیلوژول بر کیلوگرم می‌باشد[7].
شکل 2-1: منحنی اضافه فشار و فشار دینامیکی[8]
جبهه موج در مسیر خود ممکن است به سطحی برخورد کند و موج انفجار بازتاب شود، موج بازتاب شده با سرعت بیشتری نسبت به موج اولیه (موج برخوردی) حرکت می‌کند، این بدان علت است که موج برخوردی پس از اصابت به سطح فشرده تر شده و داغ‌تر می‌شود در نتیجه می‌توان گفت انرژی‌اش بیشتر شده و این انرژی به صورت انرژی جنبشی به محیط باز می‌گردد، در نتیجه موج بازتاب شده سرعت بیشتری نسبت به موج برخوردی داشته باشد[5]. موج بازتاب شده پتانسیل آن را دارد که با موج برخوردی یکی شود و موجی به نام موج ماخ را بسازند. این موج جدید فشار حداکثر بیشتری نسبت به دو موج برخوردی و موج بازتاب شده دارد.شکل 2-2 این فرایند را نشان می‌دهد.
 
شکل 2-2: انفجار در هوای غیر محصور و نحوی تشکیل موج ماخ [9]
 
فشار حداکثر، تابع میزان مواد منفجره و توان سوم فاصله است برای یک خطر انفجاری که بر حسب وزن ماده منفجره و فاصله بیان می‌شود، فشار حداکثر برخوردی و انعکاس یافته موج ضربه‌ای و سایر پارامترها مثل مقدار ضربه برخوردی و انعکاس یافته، سرعت ضربه و زمان رسیدن موج را می‌توان از چارت‌هایی که توسط ارتش آمریکا تهیه شده است استخراج کرد (این نمودارها به نمودار اسپاگتی نیز مرسوم‌اند). شکل 2-3 یک نمونه از این نمودارها را برای انفجار در فضای باز نشان می‌دهد.
 
 
شکل 2-3: پارامترهای انفجار در هوای آزاد در سطح دریا[10]
 
حرکت موج انفجار در محیط سیال یک پروسه غیرخطی است و اندرکنش موج با سازه یک مسئله پیچیده می‌باشد. پس از اصابت موج انفجار به سازه فشار و ضربه وارده تشدید می‌گردد. مقدار تشدید رخ داده وابستگی زیادی به حداکثر اضافه فشار موج انفجار برخوردی و جهت‌گیری سازه در مقابل موج انفجار دارد. Error! Reference source not found. بازتاب موج انفجار برخورد کرده به سازه را نشان می‌دهد. همچنین اثر تسطیح[9] باعث کاهش فشار بازتابی در نواحی گوشه سازه می‌شود. هنگامی که این اثر رخ می‌دهد، فشار بازتابی به دنبال افت و تسکین به سمت گوشه‌ها پیش می‌رود. همان طور که از شکل پیداست فشار در نقطه B به دلیل نزدیک بودن به لبه‌ها سریع‌تر از نقطه A پراکنده می‌شود. زمان لازم برای نقطه مورد نظر تا تحت اثر تسطیح در لبه‌ها پراکنده شود طبق رابطه (2-2) محاسبه می‌گردد[9].
 
(2-2)
 
که در آن tc ‌زمان بر حسب ثانیه، Sx فاصله از نزدیک‌ترین لبه بر حسب متر وUs ‌ سرعت موج انفجار بر حسب متر بر ثانیه است.
 
شکل 2-4: بازتاب موج انفجار وارد شده به سازه
 
پارامترهای جبهه موج انفجار از اهمیت ویژه‌ای برخورداراند. رانکین[10]حل تحلیلی این پارامترها‌ را برای توصیف شوک‌ انفجار ابتدا برای گاز ایده‌آل بیان‌کردند. این معادلات برای سرعت جبهه موج انفجار Us و ماکزیمم فشار دینامیکی qS به صورت زیر بیان می‌شود[11].
 
[1] -Oklahoma
[2] -Tanzania
[3] -Nairobi
[4] -Fujikura
[5] – Mineta
[6] – Weber fall I-40
[7] – Minnesota
[8] -Hopkingson
[9] -Clearing
[10] -Rankin
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

روش های طراحی لرزه ای کنونی عموما بر اساس تحلیل رفتار الاستیک سازه تحت نیروهای جانبی است. یعنی در این روش ها برش پایه با فرض رفتار الاستیک سازه ارائه می گردد و برای کاهش این نیرو از ضریب اصلاح Rاستفاده می شود (مانند استاندارد2800). که ضریبR بر اساس شکل پذیری سازه می باشد که در کل باعث می شود تعیین نیروی برش پایه با قضاوت مهندس همراه شود. در چنین حالتی که کاهش برش پایه بصورت تقریب می باشد. عملا سازه برای تغییر شکل های غیر الاستیک طراحی نشده و هنگامی که تحت زلزله شدید قرار گیرد، سازه عملکردی غیر قابل پیش بینی دارد یعنی تغییر شکل ها در این حالت تقریبا کنترل نشده است. که باعث شکل پذیری و کاهش اتلاف انرژی در سازه می شود و در نتیجه باعث عدم استفاده از تمام ظرفیت سازه می گردد.
در واقع علاوه بر غیر اقتصادی بودن ممکن است باعث تخریب سازه نیز می گردد.
ضعف روش های فعلی :

1. فرض گارانتی شدن ایمنی یا کاهش خرابی با افزایش نیروی برش پایه:

در زلزله های گذشته واژگونی هایی به علت شکست محلی در ستون ها دیده شده است.

2. فرض توزیع نیروی جانبی در ارتفاع سازه بر اساس رفتار الاستیک:

تحقیقات قبلی نشان داده که توزیع نیروی جانبی فعلی به شدت از جواب حاصل از تحلیل دینامیکی غیر خطی تاریخچه زمانی فاصله گرفته است . نتایج حاصل از آنالیز دینامیکی غیر خطی انجام شده توسط ویلاورد (1991-1997) توزیع نیروهای جانبی بدون در نظر گرفتن این اصل که سازه تحت زلزله شدید وارد ناحیه غیر الاستیک می شود می تواند اولین دلیل برای واژگونی تعداد بسیار زیادی از ساختمان ها در زلزله مکزیکو سیتی (1985) باشد. [1]

3. بدست آوردن نسبت اندازه اعضا بر اساس سختی اولیه آن ها:

بزرگی نیروهای اعضا از رابطه سختی الاستیک اعضای سازه بدست می آید اما تحت زلزله شدید سختی تعداد زیادی از اعضا بشدت تغییر می کند با توجه به ترک خوردگی بتن یا تسلیم شدن فولاد و در حالی که سایر اعضا بدون تغییر باقی می مانند که این امر باعث تغییر در توزیع نیرو در اعضای سازه می شود. نسبت های مناسب اندازه اعضا بدون استفاده از توزیع مناسب تر حاصل نمی گردد طوری که توزیع شامل رفتار غیر الاستیک نیز بشود .

4. تلاش برای پیش بینی جابجایی غیر الاستیک با استفاده از عوامل تقریبی و آنالیز رفتار:

این امر در بسیاری از تحقیقات قبلی انجام شده اثبات گردید[2].
5.تلاش برای حذف تسلیم ستون بوسیله نسبت استحکام تک ستون-به-تیر:
تحقیقات بسیاری نشان داد که روشهای طراحی ظرفیت متعارف برای طراحی ستون ها در قاب خمشی بتن مسلح نمی توانند تسلیم در ستون ها را حذف کنند( دوولی و براچی 2001; کنتز وبرانینگ 2003) در واقع گشتاور تقاضا ستون اغلب دست کم گرفته می شود زیرا گشتاور ستون ها تنها از تیر ها یا دیگر اعضا متصل به ستون حاصل نمی گردد بلکه همچنین از جا بجایی جانبی نیز بدست می آید.[3]
پس سیستم های طراحی لرزه ای فعلی همیشه عملکرد مطلوبی را فراهم نمی کنند و برای رسیدن به طراحی مطلوب باید از طراحی استفاده شود که هم رفتار غیر الاستیک را در نظر بگیرد هم نیروی برش پایه مناسب به همراه توزیع بار جانبی مناسب. همچنین باید مکانیزم تسلیم مطلوب و دریفت مناسب در سطح خطر در طراحی از ابتدای کار در طراحی دخیل باشد.
به این منظور طراحی بر اساس عملکرد پلاستیک یاPBPD توسط پروفسور گل طی دهه اخیر معرفی شده و کامل گشت، در این روش مستقیما رفتار غیر خطی سازه در طراحی نقش داشته و هرگونه قضاوت مهندس و تکرار و سعی و خطا بعد از طراحی اولیه را حذف کرده است.
روشPbPd از دریفت هدف و مکانیزم تسلیم از پیش انتخاب شده بعنوان حالات عددی عملکردی استفاده می کند. هدف اصلی در طراحیPbPd ایجاد ساختمان با عملکرد لرزه ای قابل پیش بینی و کنترل شده می باشد.
برش پایه طراحی برای سطح خطر معین با معادل کردن کار لازم برای هل دادن مونوتونیک سازه تا جابه جایی هدف با انرژی مورد نیاز(Demand) در سیستم یک درجه آزاد الاستوپلاستیک معادل آن سازه برای رسیدن به وضعیت مشابه محاسبه می گردد.
همچنین در این روش توزیع نیروی جانبی در ارتفاع بر اساس توزیع نسبت برش های طبقه ماکزیمم به دست آمده از نتایج پاسخ تحلیلی دینامیکی غیر الاستیک می باشد.
این توزیع بار، وقتی سازه ها در حال پاسخ به زلزله های شدید و تغییر شکل های غیر الاستیک هستند تخمین بسیار خوبی از نیاز ممان ماکزیمم ستون می دهد و اثرات مودهای بالاتر به خوبی در توزیع بار جانبی منعکس می شود.
طراحی اعضاء و اتصالات نیز با استفاده از طراحی پلاستیک، برای رسیدن به رفتار و مکانیزم تسلیم مورد نظر انجام می گردد. در طراحی ستون ها به جای در نظر گرفتن یک گره کل درخت ستون در نظر گرفته می شود.
در این روش در طراحی اعضاء قاب هدف دستیابی به ستون های قوی و تیرهای ضعیف می باشد. در واقع تیرها بعنوان اعضای تسلیم شونده و ستون ها بعنوان اعضای تسلیم نشدنی می باشند که الاستیک باقی می مانند این نوع طراحی باعث اتلاف انرژی بیشتری در سازه می شود.
در کل با مقایسه های صورت گرفته بین ساختمان طرح شده به روش های مرسوم و طرح شده با روشpbpd نتیجه مطلوب تری حاصل شده که با توجه به سعی و خطا که در این روش و عدم بکارگیری برخی از پارامترها مانند R ،I، Cd واضح است که این روش پاسخ دقیق تری را به همراه دارد.
امروزه یکی از روش های ارزیابی عملکرد لرزه ای ساختمان ها از طریق بررسی سطح عملکرد و انجام تحلیل استاتیکی غیر خطی (pushover analysis) می باشد ، که معیار بسیار مناسبی برای بررسی رفتار سازه و میزان جابجایی سازه تحت الگوی بارگذاری جانبی مورد نظر می باشد.
همچنین برای ارزیابی قاب مورد نظر از ساختمان با تعداد طبقات مختلف استفاده می شود که اثرات ارتفاع هم بررسی شود.
بدین صورت از میان قاب های خمشی موجود قاب خمشی بتنی ویژه را برای طراحی انتخاب می کنم که عملکرد بهتری را به هنگام زلزله از خود نشان می دهد و برای ارزیابی روش PBPD بر روی ساختمان با قاب خمشی ویژه بتنی (PBPD RC SMF) سطح عملکرد آن را تحت زلزله با سطوح خطر مختلف (زلزله بهره برداری سطح خطر 1 و زلزله با سطح خطر 2) بر روی ساختمان های 4 ، 8 ، 12 و20 طبقه بررسی می کنیم.
1-2 هدف از انجام تحقیق
هدف اصلی از انجام این تحقیق ارزیابی عملکرد لرزه ای ساختمان ها با قاب خمشی بتنی ویژه طرح شده بر اساس عملکرد پلاستیک می باشد، این روش طراحی منجر به عملکرد مناسب و قابل پیش بینی سازه می شود.
روش طراحی بر اساس عملکرد پلاستیک برای محدوده غیر الاستیک سازه می باشد.
تحقیقات پیشین بر روی قاب خمشی فولادی (SMF) ، قاب های مهار بندی شده کمانش ناپذیر( BRBFs)، قاب با مهاربندی خارج از محور (EBF) ، و قاب خمشی با خرپای ویژه (STMFs)و قاب خمشی بتنی ویژه (RC SMF) نشان دهنده برتری این روش نسبت به روش های طراحی مرسوم می باشد در این تحقیق بر روی ساختمان با قاب خمشی بتنی ویژه کار شده که اخیرا مورد توجه قرار گرفته است و نیاز به بررسی بیشتر دارد که به همین منظور به ارزیابی عملکرد لرزه ای قاب خمشی بتنی ویژه طرح شده بر اساس عملکرد پلاستیک از طریق تحلیل استاتیکی غیر خطی می پردازیم و به تعیین سطح عملکرد قاب ها می پردازیم.
 
 
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

خرابی پیشرونده را به صورت گسترش خرابی موضعی اولیه از عضوی به عضو دیگر كه سرانجام به گسیختگی تمام سازه یا قسمت بزرگی از آن می انجامد تعریف می كنند. خطرات احتمالی و بارهای غیرعادی كه می تواند موجب خرابی پیشرونده 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 كم است، در طراحی سازه ای آنها را در نظر نمی گیرند یا با اندازه گیری های غیر مستقیم به آنها می‌پردازند. اكثر آنها ویژگی كنش طی مدت زمان نسبتاً كوتاه را دارند و به پاسخ های دینامیكی می‌انجامند.خرابی پیشرونده در ابتدا توجه محققین را در دهه 70 میلادی، پس از گسیختگی جزئی برجی در رونان پوینت انگلستان به خود جلب كرد. پس از حملات تروریستی مركز تجارت جهانی در 11 سپتامبر 2001، علاقه مجدد به بررسی گسیختگی پیشرونده ایجاد گردید.
در آیین نامه های موجود ساختمانی، طراحی سازه ها برای بارهای قابل قبولیست كه ممكن است در طول عمر سازه بر آن وارد شود. سازه ها را معمولاً برای حوادث غیر طبیعی كه می توانند موجب خرابی های فراگیر شوند طراحی نمی كنند. اكثر آیین نامه های رایج فقط دارای توصیه های كلی برای تعدیل تأثیرگسیختگی پیشرونده در سازه هایی هستند كه فراتر از بارهای طراحی شان بارگذاری می 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 بر ادبیات فنی و طبقه بندی روش های کاهش خرابی پیشرونده بیان شده است [4].
 
 
 
2-2- مثال­هایی 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 صفحه­های بعد ملاحظه می­شود [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 [1].
شکل 2-1 خرابی پیشرونده در ساختمان آلفرد مورا
2-2-2- ساختمانی آپارتمانی رونان پوینت
رونان پوینت ساختمانی آپارتمانی بود که بین سال های 1966 تا 1968 ساخته شد. در 16 می سال 1968، انفجار گاز زیر پانل دیوار خارجی در طبقه هجدهم، که در گوشه ساختمان 22 طبقه بود اتفاق افتاد، سیستم سازه ای دیوار و سقف پیش ساخته بتن آرمه بود که دیوارها و سقف ها به هم پیچ می شدند و اتصالات با ملات پر می شدند. این بدان معنی است که اگر دیوار نگهدارنده پایینی حذف گردد، سقف ها پتانسیل زیادی برای ایستادگی در برابر خمش نخواهند داشت. بنابراین زمانی که پانل دیوار در طبقه هجدهم بوسیله انفجار به بیرون رانده شد، طبقات بالاتر منهدم شدند و سقوط نخاله های ریخته شده شروع به خرابی طبقات پایین تر تا طبقه همکف نمودند. همانطور که در شکل 2-2 دیده می شود انهدام این ساختمان بدلیل بی بهره بودن ساختمان از نامعینی لازم و ایستادگی اتصال سقف در برابر خمش ناشی از باز توزیع بصورت پیشرونده صورت گرفت. این یك نمونه از خرابی پیشرونده است كه از دست دادن عضو باربر منجر به خرابی كلی سازه گردید [3].
شکل 2- 2 خرابی پیشرونده در ساختمان رونان پوینت
2-2-3- برج الکوبار
کوبار تاورز یکی از چندین ساختمان آپارتمانی در الکوبار نزدیک دهران عربستان سعودی بود. در 25 ژوئن سال 1996 یکی از ساختمان های آپارتمانی به شدت خسارت دید، زمانی که یک بمب سنگین در خیابان روبروی ساختمان منفجر شد. ساختمان، هشت طبقه و پلانی تی شکل داشت. این ساختمان با سیستم دیوارها و سقف پیش ساخته بتن آرمه، ساخته شد. کلیه بارهای قائم و جانبی بوسیله سیستم دیوار پیش ساخته تحمل می شد. انهدام محدود به سمت روبرو و دهانه بیرونی ساختمان شد. اگر چه دیوارهای برشی بوسیله انفجار از بین رفتند ولی انهدام جز در محدوده خسارت اولیه پیشرفت نکرد. بررسی ها نشان داد که سیستم بتن آرمه پیش ساخته شکل پذیری کافی برای مقابله با اتفاقات فوق العاده را داشته است. اتصالات داخل هم سقف و دیوار نیز در اکثر قسمت ها سالم ماندند و دربرابر انهدام مقابله کردند [2].
شکل2-3 برج الکوبار
2-2-4- ساختمان بانکرز تراست
این ساختمان مثالی از یک سازه است که از خرابی پیشرونده سالم ماند. این سازه 40 طبقه اوائل سال 1970 در نیویورک ساخته شد درست جایی که برج تجارت جهانی جنوبی ایستاده بود. سیستم سازه ای شامل قاب فولادی معمولی بود با تیرهایی که در دو جهت با اتصال خمشی به ستون ها متصل بودند. این سازه ضربات نخاله های برج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی را تحمل کرد. بخشی از دیوار های خارجی برج جنوبی در طبقه 23 به این ساختمان برخورد کرد که خسارت شامل خراب شدن سیستم های سقف، تیر های محیطی، بین طبقات 9 تا 23 و خراب شدن ستون های خارجی بین طبقات 9 تا 18 بود. که در شکل 2-4 دیده می شود.
علیرغم از بین رفتن عضو باربر قائم، خرابی بیشتری جزآنچه مستقیما بدلیل نخاله های برج منهدم شده تجارت جهانی جنوبی بوجود آورد ایجاد نشد. بطور واضح قابهای خمشی نامعینی و شکل پذیری کافی برای مقابله با تنش های باز توزیع شده بعد از حذف ستون دارند و انرژی جنبشی ناشی از حذف ناگهانی ستون و افتادن نخاله ها را جذب می کنند [1].
 
 
 
 
 
 
 
شکل 2-4 ساختمان بانکرز تراست
2-2-5- ساختمان تجاری اسکای لاین پلازا
سال 1973، که به هنگام بتن ریزی در طبقه 24، یک خرابی پیشرونده در کل ارتفاع برج رخ می دهد و هم چنین در اثرضربه های مخروبه ها، خرابی پیشرونده افقی در کل گاراژ پارکینگ کنار برج اتفاق می‌افتد[3].
شکل 2-5 ساختمان تجاری اسکای لاین پلازا
 
2-2-6- برج های دو قلوی تجارت جهانی آمریکا
برج های دو قلوی تجاری آمریکا ، 11 سپتامبر2001، برخورد دو هواپیما به این برج ها باعث خرابی آنهاو هم چنین خرابی کلی و جزئی 10 ساختمان مجاور آنها شد که ضعف این سازه ها را در هنگام رویارویی با بارگذاری غیر عادی و پیش بینی نشده نشان می دهد [4] .

• General Service Administration
• Robustness

3- Ronan Point
10– General Service Administration
11– Robustness
-Ronan point
– Progressive /Disproportionate Collapse
– Alfred Murrah
– Transfer girder
– Ronan Point
7- Kobar Towers
– Bunkers Trust
– Sky line plaza
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

زلزله به عنوان یک پدیده مخرب در اکثر مناطق دنیا ایمنی سازه­ها و زندگی ساکنان آن را در معرض تهدید قرار داده است، به طوری که کاهش خسارات جبران­ناپذیر پدیده زلزله همواره هدف نهایی محققین و دانشمندان علم مهندسی زلزله بوده است. عامل زلزله موجب اهمیت طراحی سازه­ها در کشورهای لرزه­خیز می­باشد. اصولاً طرح لرزه­ای سازه­ها بدون داشتن درک درستی از نحوه­ی خرابی‌های ایجاد شده توسط زلزله، غیر ممکن است. طرح لرزه­ای فقط عبارت از تحلیل، محاسبه و برآورده کردن شرایط آیین­نامه نیست بلکه پارامترهای متنوع دیگری نیز در آن دخالت دارند. آگاهی دقیق از رفتار ساختمان­ها در زلزله موضوع اساسی در علم مهندسی زلزله است. بررسی انواع خرابی‌های ایجاد شده بر اثر زلزله­های گذشته، همواره یکی از زمینه­های مهم در مهندسی زلزله بوده است. دلایل این امر عبارتند از روزآمد

 کردن آیین­نامه­های طراحی و نیز آموختن درس­هایی که مانع از خسارت­های مشابه در زلزله­های بعدی شود. وقوع زمین لرزه آزمونی طبیعی برای رفتار سازه بوده و همواره به عنوان مهمترین رخداد در زمینه مهندسی زلزله مورد توجه مهندسان بوده است. آشنایی و توجه دقیق به مکانیزم­های مختلف خرابی و شکست، یکی از ابزار عمده برای روزآمد کردن آیین­نامه­های طراحی است. از این آزمایش طبیعی می­توان برای طراحی و ساخت بهینه سازه­ها استفاده کرد.

ایران نیز به دلیل قرارگیری بر روی کمربند زلزله آلپ-­هیمالیا جزء کشورهای لرزه­خیز محسوب می­شود که هر چند سال یکبار زلزله­ای ویرانگر در نقاط مختلف کشور رخ می­دهد. در بین سال­های 1900 تا 2010 میلادی 13655 زلزله با بزرگای بیش از 4 ریشتر در ایران رخ داده که از این تعداد 117 زلزله با بزرگای بیشتر از 6 ریشتر بوده است. ممکن است گاهی این تصور پیش آید که زلزله قاتل جان انسان­هاست. اما واقعیت چیز دیگری است: این زلزله نیست که جان انسان­ها را می­گیرد، بلکه سازه­های ضعیف مسبب آن هستند. بنابراین باید رفتار سازه­ها را در زلزله بیشتر شناخت و آیین­نامه­ها و روش­های اجرایی را بهبود بخشید.
در اثر زلزله، انرژی زیادی از درون زمین آزاد شده که این انرژی باعث تکان خوردن صفحات پوسته می­گردد. لرزش و تکان زمین باعث به وجود آمدن پارامترهای زمین (جابجایی، سرعت و شتاب) می­شود. در مورد زلزله آنچه که باعث حرکت سازه می­شود تکان­های زمین بوده و هیچ نیروی خارجی به سازه وارد نمی­شود. پس از تکان زمین، ابتدا پی و سپس ستون­ها و در نهایت سقف­ها تکان می­خورند بنابراین انرژی زلزله به صورت جابجایی به پی سازه وارد می­شود و چون سازه­ دارای جرم قابل ملاحظه­ای می­باشد، این جرم سازه است که منجر به ایجاد شتاب، حرکت سازه و نیروی اینرسی در سازه می­گردد. با تکان پی، جابجایی به اندازه Δ در سازه ایجاد می­شود که ابتدا ستون­ها و سپس سقف­ها دچار این جابجایی می­شوند.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
شکل 1-1: نحوه انتقال انرژی زلزله به سازه [22]
 
حال با توجه به این که زلزله­ها همواره در هنگام وقوع، به دنبال نقاط ضعف ساختمان هستند و اثر آنها بر روی این قسمت­ها می­تواند مشکل ساز شود، باید این نقاط ضعیف که معمولاً در اثر تغییرات سریع در سختی، مقاومت و یا شکل­پذیری به وجود می­آیند به طور کامل شناسایی شوند. آنچه که در این پایان­نامه به بررسی اثر آن پرداخته شده است تغییرات سریع در سختی یک طبقه است. مطابق تعریف ویرایش چهارم آیین­نامه 2800 منظور از سختی طبقه جمع سختی جانبی اعضای قائم باربر جانبی است. برای محاسبه این سختی­ها می­توان تغییر مکان جانبی واحدی را در سقف طبقه مورد نظر وارد کرد در حالتی که کلیه طبقات زیرین بدون حرکت باقی بمانند. اگر پس از جابجایی پی به اندازه Δ درستون­های یک طبقه، سختی طبقات دیگر آن قدر زیاد باشد که ستون­ها نتوانند سقف­های بالا و پایین را با خود همراه سازند، آنگاه در ابتدا و انتهای محل اتصال ستون­ها به طبقه یا طبقه­های سخت در اثر جابجایی­های رفت و برگشتی ناشی از زلزله، مفصل پلاستیک ایجاد شده و به علت ایجاد لنگرهای خمشی بزرگ در این مفاصل، طبقه یا دچار تغییر شکل ماندگار و یا دچار ریزش می­شود که در بعضی مواقع ریزش طبقه منجر به پیچش سازه و ریزش کامل سازه نیز می­شود.
 
شکل 1-2: ایجاد تغییر مکان جانبی ماندگار 6 درجه­ای در اثر پدیده نرم.[6]
شکل 1-3: نمونه­ای از خرابی ناشی از پدیده طبقه نرم در ژاپن. [4]
 
شناخت و درك رفتار سازه­های مختلف تحت اثر بارگذاری­های
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)

توانایی سرویس دهی و افزایش ظرفیت باربری مصالح سازه­ای از دیر باز به عنوان یک مسئله­ی مهم اقتصادی محسوب می­شده است.
بتن به عنوان یک ماده­ی سازه­ای پر کاربرد, امروزه به طور گسترده مورد استفاده قرار می­گیرد. از سال 1992 تا 1993 میلادی، تنها در کشور آمریکا 63 میلیون تن سیمان پرتلند برای تولید 500 میلیون تن بتن مصرف شده است؛ که این خود پنج برابر تولید فولاد، به صورت وزنی در مدت مشابه است. در اغلب کشور­های جهان نسبت مصرف بتن به فولاد از 10 به 1 نیز فراتر رفته است[1]. تا کنون تعاریف زیادی از بتن ارائه شده است. بر اساس این تعاریف, بتن از سه ماده­ی اصلی تشکیل شده است. این مواد عبارتند از: مواد سیمانی, آب که مواد سیمانی با آن واکنش داده و خاصیت چسبندگی پیدا می­کنند؛ و مواد پر کننده­ که حجم قابل توجهی از بتن را تشکیل می­دهند.
با وجود ویژگی­های قابل توجه این ماده از جمله شکل­پذیری بالا, مقاومت و عمر زیاد, در دسترس و ارزان قیمت بودن, بتن ماده­ای ترد است و تحت بارهای خمشی و کششی به شدت ضعیف عمل می­کند.
آرماتور­های فولادی, بتن را تحت کشش مسلح می­کنند؛ ولی تقریباً اثری بر روند گسترش ترک ندارند. به عبارت دیگر با رسیدن انتهای ترک به موقعیت آرماتورهای کششی، نرخ افزایش باز­شدگی دهانه­ی ترک و هم­چنین انتشار ترک کاهش یافته و سپس با عبور ترک از آرماتور، توسعه­ی ترک با نرخ بیشتری افزایش می­یابد. علاوه بر آن وجود آرماتور در نواحی خاص کششی، بتن را از حالت همگن و یکنواخت خارج کرده و فرض همگنی بتن در روش­های آنالیز را با اشکال مواجه می­کند ]1[.
به طور کلی خرابی و انهدام بتن به شدت به تشکیل ترک­ها و ریز ترک­ها بستگی دارد. با افزایش بار­گذاری, ریز ترک­ها به هم متصل شده و ترک­ها را تشکیل می­دهند [2]. به‌منظور رفع این مشکل و همچنین ایجاد شرایط همگن، در چند دهه اخیر از یک سری رشته‌های نازک که در تمام حجم بتن گسترده شده، استفاده می‌شود؛ که به آن­ها الیاف گفته می­شود.

1-2-      بتن الیافی

با توجه به تعریف ACI 544.2R-89 [3], بتن الیافی بتنی است كه با سیمان هیدرولیكی, مصالح سنگی ریزدانه و درشت­دانه ساخته شده و به ­وسیله­ی الیاف تقویت می­شود.
كاربرد گسترده­ی بتن الیافی از اواسط سال 1960 برای روسازی جاده­ها، كف سالن­های صنعتی، جداره­ی كوره­ها و غیره, آغاز گردید [4]. مهمترین مشخصه­ی بتن الیافی, خاصیت جذب انرژی و انعطاف پذیری آن است. به همین دلیل امروزه این بتن نقشی بسیار جدی در پیشرفت تکنولوژی بتن ایفا می­کند.
در کل از بتن الیافی می­توان انتظار ارتقای پارامتر­های مرتبط با ضرایب باربری نظیر مقاومت فشاری، کششی، خمشی، برشی و مقاومت در برابر خزش، سایش و فرسایش را داشت.

1-3-      الیاف مورد استفاده در بتن

همان­طور که گفته شد, با رسیدن تنش­های وارده به حداکثر مقاومت ملات, ترک­ها تشکیل می­شوند. در نهایت تجمع این ترک­ها در یک ناحیه باعث انهدام بتن می­شود. در این شرایط استفاده از الیاف باعث جلوگیری از گسترش ترک­ها و اتصال آنها به یکدیگر می­شود.
استفاده از الیاف در بتن از حدود 50 سال پیش شروع شد و روز­ به ­روز بر استفاده از این ماده در طرح­های اختلاط بتن افزوده می­شود. مزایای گوناگون كاربرد الیاف در بتن نظیر افزایش مقاومت خمشی, افزایش مقاومت برشی, افزایش مقاومت كششی, افزایش مقاومت در برابر بارهای ضربه­ای, افزایش میزان جذب انرژی و افزایش مقاومت مقطع در مقابل ترک خوردگی, باعث شده که از الیاف در تقویت و مرمت انواع سازه­های بتنی استفاده شود [5].
انتخاب نوع الیاف، تعیین کننده­ی خواص کامپوزیت­ها است. امروزه به منظور تقویت بتن از الیاف مختلفی منجمله الیاف فولادی, الیاف پلی­پروپیلن, الیاف آرامید (کولار), الیاف کربن و الیاف شیشه استفاده می­شود (شکل 1-1).
الیاف مورد استفاده در بتن را می­توان از نظر جنس به 4 گروه زیر تقسیم کرد [6]:

• مواد مصنوعی آلی مانند پلی­پروپیلن و کربن
• مواد مصنوعی غیر آلی مانند فولاد و شیشه
• مواد طبیعی آلی مانند سلولز
• مواد طبیعی غیر آلی مانند آزبست

شکل ‏1‑1– انواع الیاف کامپوزیتی؛ الف) الیاف شیشه؛ ب) الیاف کربن؛ ج) الیاف پلی­پروپیلن؛ د) الیاف فولاد

1-3-1-      الیاف طبیعی

الیاف طبیعی مانند نارگیل، سیسال، تفاله­ی نیشکر، بامبو، کنف، کتان، چوب و الیاف گیاهی جهت تشخیص خصوصیات مهندسی و احتمال استفاده از آن­ها در ساختمان­سازی در 40 کشور مورد آزمایش قرار گرفتند. هرچند نتایج دلگرم کننده بود, اما به دلیل فعل و انفعال بین ملات سیمان و الیاف, ضعف­هایی در دوام آن­ها مشاهده گردید. الیاف گیاهی استحکام بالایی ندارد و در اثر افزایش بارهای وارده با پارگی الیاف و یا با بیرون کشیده شدن آن­ها از درون ملات بتن، شکست در سازه بتنی ایجاد می­شود [9].
 

1-3-2-      الیاف فولادی

امروزه الیاف فولادی به منظور بهبود بخشیدن به خواص مکانیکی بتن، کاربرد وسیعی را در سازه‌های بتنی و بتن الیافی پیدا کرده­اند. بتن مسلح شده با الیاف فولادی می­تواند به­طور موضعی و یا کلی جایگزین بتن مسلح شده با میلگرد­های فولادی گردد.
الیاف فولادی دارای اشکال متفاوتی می­باشند و به طور معمول بر اساس روش تولید, این الیاف را به 4 دسته تقسیم می­کنند [10]:

• کشیدن و بریدن سیم­های فولادی (الیاف سیمی)
• نورد و برش ورق­های فولادی (الیاف برشی یا نواری)
• استخراج شده از حالت مذاب (الیاف ریخته­گری)
• تراشیدن سطح ورق­های فولادی (الیاف ماشینی)

از جمله­ی موارد استفاده از الیاف فولادی عبارتند از: روکش جاده ها، شمع­ها, پی ماشین آلات, پوشش تونل­ها و سازه­های دریایی [11].
شکل ‏1‑2– استفاده از بتن مسلح به الیاف فولادی در ساخت تونل CTRL در شهر لندن [12]

1-3-3-      الیاف آرامید

آرامید نوعی الیاف مصنوعی از مواد پلیمری است که دارای مدول الاستیسیته­ی بالا است. استفاده از الیاف آرامید به سال 1970 بر­می­گردد. این الیاف اولین بار توسط دوپنت در کشور آلمان با نام کولار ساخته شد [13].
الیاف آرامید تركیب آلی حلقوی از كربن, هیدروژن، اكسیژن و نیتروژن می­باشد. دانسیته­ی کم و مقاومت کششی بالای این الیاف, موجب تشکیل یک ساختار مقاوم در مقابل ضربه می­شود. مدول کششی و استحکام این الیاف با الیاف شیشه قابل مقایسه است. اما به طور معمول دانسیته­ی الیاف آرامید در حدود نصف دانسیته­ی الیاف شیشه می­باشد. بنابراین می­توان از این الیاف به عنوان جایگزین مناسبی برای الیاف شیشه­ای که وزن پایین­تری برای آن مد نظر است, استفاده کرد [14].

1-3-4-      الیاف کربن

الیاف کربن از جمله­ی الیاف مصنوعی است که از سال 1959 به صورت صنعتی تولید شد. از آن زمان تا به امروز, این الیاف در زمینه­­های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. این الیاف به دلیل وزن مخصوص کم, مقاومت بالا در محیط­های قلیایی, مقاومت حرارتی بالا و …., به عنوان یکی از اجزای مهم در تولید مواد کامپوزیت در صنعت هوا فضا, مورد استفاده قرار می­گیرد [15].

1-3-5-      الیاف شیشه

الیاف شیشه به عنوان مشهورترین تقویت کننده­ی مورد استفاده در بتن شناخته می­شود. كاربرد این الیاف از سال 1950 در شوروی و انگلستان به‌طور همزمان آغاز شد [16]. به دلیل مقاومت کششی بالا, وزن مخصوص کم, جذب آب پایین, مدول الاستیسیته و وزن بالا, این الیاف از پتانسیل بالایی برای استفاده در بتن برخوردار است. با توجه به کاربرد­های مختلف الیاف شیشه, این الیاف را به 4 دسته­ی A-GLASS, E-GLASS, S-GLASS و AR-GLASS تقسیم می­کنند [17].
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)