ارزیابی عملکرد سازههای ساختمانی در برابر آتش پس از زلزله، پیامدها و راهکارها
- شناسه خبر: 27701
- تاریخ و زمان ارسال: 3 دی 1399 ساعت 17:28
چکیده
یکی از مهمترین عوامل ایجاد خسارت به ساختمانها، آتش پس از زلزله میباشد و از آنجایی که این رخداد یک رویداد معمولی است، در آیین نامههای رایج طراحی، این عامل را در طراحی و محاسبات ساختمانی در نظر نمیگیرند. در مفهوم طراحی براساس عملکرد باید ترکیب محتمل رخدادها را با هم مورد توجه قرار داد. در این مطالعه تحلیلی بر قابهای فولادی ساختمانی تحت اثر بارهای جانبی لرزهای و آتش پس از آن ارائه گردیده است که نشان میدهد، عملکرد قابهای مورد مطالعه در اثر آتش پس از زلزله تحت تأثیر تغییر شکلهای جانبی ناشی از حرکات ارتعاشی زمین میباشد.
کلمات کلیدی: آتش، زلزله، عملکرد، قاب ساختمانی
- مقدمه
از اوایل قرن بیستم و با افزایش جمعیت و مهاجرت از شهرهای کوچک و روستاها به دیگر شهرها رفته رفته کلان شهرها ایجاد شدند. از اینرو جهت استفاده از فضای کم شهری به نسبت جمعیت موجود در کلان شهرها، بلند مرتبه سازی به وجود آمد که مهمترین نکته در این کار، توجه به ایمنی جانی افراد بود.
مطابق با آئین نامههای رایج طراحی، ساختمانها در برابر بارهای ثقلی، بار باد، بار زلزله، بار باران و بار برف طراحی میشوند و امروزه در ساختمانهای مدرن که دارای تراکم جمعیت بالایی هستند و یا از اهمیت خاصی برخوردار هستند، در طراحی آنها بار آتش نیز در نظر گرفته میشود. حال آنکه در طراحی و محاسبات ساختمانی ترکیبات محتملی از بارهای اعمالی فوق را در نظر نمیگیرند [۱۴].
یکی از خطرات مهم پس از زلزلههای شدید، آتش سوزیهای پیرامون آن میباشد. تحقیقات نشان داده است که گاهی مواقع آسیبهای ناشی از زلزله میتواند بسیار شدیدتر از آسیب های ناشی از خود زلزله باشد. زیرا آتش سوزی و زلزله بصورت همزمان دو خطر جدی و مخرب برای ساختمانها در وقوع زلزله میباشند. لذا در این حالت وضعیت واقعی و ایمنی ساختمانها نیاز به بررسی و تجزیه و تحلیل خاص دارد. معمولاً در این خصوص سه نوع خسارت در نظر گرفته می شود: تخریب یا خسارت سازهای، تخریبهای ناشی از آتش سوزی به سازهها و تخریبهای غیر سازهای حاصل از آتش سوزی. از سوی دیگر خطرات ناشی از آتش سوزی ممکن است به سیستم های حفاظت از آتش سوزی در سطح منطقهای در نواحی شهری صدمات جدی وارد نماید .
آتش سوزی پس از زلزله شامل تعداد زیادی آتش سوزی همزمان و پیچیده است که به علت زلزله رخ میدهند و میتوانند باعث وارد آمدن خسارات اجتماعی و اقتصادی وسیع گردند [۱۲] . پس از زلزله، سازه ممکن است تحت خسارتهای قابل توجهی پایدار بماند و مقاوت در برابر آتش آن آسیب دیده باشد. در این مورد، عملکرد سازه مخصوصاً در برابر آتش کاهش مییابد و این شرایط ممکن خطرات جدی برای پایداری سازه، ایمنی جانی ساکنین و مأموران نجات را ایجاد نماید. در نتیجه به نظر مهم است در طراحی ساختمانهایی که در مناطق لرزه خیز ساخته میشوند چنین شرایطی را در طراحی سازهها بخصوص سازههای مهم و سازههای با تراکم بالا، مدنظر قرار داد مخصوصاً جهت در دسترس بودن امکانات پس از فاجعه [۱۴].
سازههای فولادی در برابر خطر آتش آسیب پذیر هستند. مقاومت مکانیکی فولاد به شدت در درجه حرارت بالا کاهش مییابد. در زمینه آتش پس از زلزله، ممکن است قاب ساختمانی و سیستم محافظ در برابر آتش آن آسیب دیده و در نتیجه مقاومت در برابر آتش آن کاهش مییابد [۶]. ساختمانها را معمولا به گونهای برای مقاومت در برابر بارهای ثقلی و جانبی طراحی میکنند که در مقابل مقدار قابل توجه این بارها پایدار بمانند. همچنین در برابر آتش عادی و یا رخدادهای تصادفی آتش نیز جداگانه طراحی میشوند. تجربیات گذشته نشان میدهد که آتش پس از زلزله نقش مهمی را در ایمنی و مدیریت بحران بازی میکند. شایان ذکر است توجه به رفتار سازه تحت آتش پس از زلزله، شرایطی را جهت امدادرسانی به آسیبدیدگان با افزایش مدت زمان دوام سازه در مقابل خرابی کلی و در کل کاهش خسارتهای جانی و مالی میباشد.
از جمله تحقیقاتی که در رابطه با رفتار سازههای فولادی تحت اثر آتش سوزی پس از زلزله انجام شده است، میتوان به مطالعات دلاکورته و همکاران [۶] اشاره نمود. آنها در این مطالعه، به بررسی رفتار و مقاومت قابهای فولادی خمشی در مقابل آتشسوزی پس از زلزله پرداختند. مطالعه تحلیلی دیگری نیز توسط یاسین و همکاران در زمینه عملکرد قابهای فولادی تحت آتش سوزی پس از زلزله، انجام شده است [۱۴]. تحلیل قابهای فولادی ۲D، در این مطالعه نشان داد که رفتار این قابها تحت آتش سوزی پس از زلزله به شدت تحت تأثیر تغییر شکل جانبی است که، در اثر زلزله در این قابها به وجود میآید. در تحقیقات تحلیلی دیگری که توسط الدریگی و همکاران در سال ۲۰۰۹ انجام شد [۲]، یک ساختمان مقاوم در برابر زلزله که قابهای کامپوزیت فولادی – بتنی ساخته شده بود، به لحاظ عملکرد سازهای آن در برابر آتش سوزی پس از زلزله، مورد بررسی قرار گرفت.
- تئوری و پیشینه تحقیق
سوابق تاریخی نشان میدهد خطرات ناشی از آتش سوزی بعد از زلزله گاهی میتواند خیلی شدیدتر و تهدید کنندهتر از زمین لرزه باشد. زلزله ۱۹۰۶ سان فرانسیسکو و زلزله Grat Kanto 1923، که آتش سوزیهای بعد از این زمین لرزهها جزء بزرگترین آتش سوزیها از این نوع میباشند. آتش سوزی سال ۱۹۰۶ سان فرانسیسکو بیش از ۲۸۰۰۰ ساختمان در مساحت ۱۲ کیلومتر مربع تخریب شد. این آتش سوزی خسارتی معادل ۲۵۰ میلیون دلار ایجاد کرد و کشته های این آتش سوزی به بیش از ۳۰۰۰ تن رسید. همچنین در زلزله سال ۱۹۲۳ توکیو، بیش از ۱۴۰۰۰۰ نفر کشته و ۵۷۵۰۰۰ساختمان ویران شد که ۷۷ درصد این خرابیها در اثر آتش سوزی پس از زلزله بود [۱۴].
Corete و Landolfo در سال ۲۰۰۳ در قالب یک مدل ساده، خسارتهای ناشی از زلزله و آتش سوزی ناشی از آن را بررسی و ارائه نمودند. نتایج تحقیقات نشان میداد که سیستمهای حفاظت در برابر آتش جهت جلوگیری از صدمات اضافی به ساختمانها بسیار کارآمد میباشند. از دیگر مواردی که باید در زمان وقوع زلزله مورد توجه قرار گیرد آن است که پس از زلزله احتمال خسارت به خیابانهای اطراف ساختمانها آسیب دیده زیاد میباشد، در همین راستا ممکن است مراکز آتش نشانی نیز آسیب دیده باشند و این امر باعث بروز مشکلات فراوان در امداد رسانی میشود و بسیار ضروری بنظر میرسد که علاوه بر تمهیدات ایمن سازی ساختمانها در برابر آتش نکات ایمنی برای سیستم راهها و حمل و نقل نیز مورد توجه قرار گیرد [۵].
۳٫مواد و روشها
محققین فراوانی بر روی موضوع آتش پس از زلزله و رفتار قابهای ساختمانی تحت شرایط مختلف، کار کردهاند از جمله اسکاتورن و همکاران [۱۲]، آژانس بین المللی محافظت در برابر آتش [۱۱]، دلا کورته و همکاران [۶]، یاسین و همکاران [۱۴]، آلدریگی و همکاران [۲]، کیربای [۹]، برآوری [۳]، مارتین و همکاران [۱۰]، والد و همکاران [۱۳]، مرکز تحقیقات ساختمان و خانه سازی [۴]، استاندارد ایزو ۸۳۴ [۸]، مقررات بین المللی ساختمان ایران [۷] و بسیاری موارد دیگر .
این محققین به وسیله تستهای آزمایشگاهی و شبیه سازیهای متنوع، ابتدا سازه مورد نظر را تحت بار ثقلی قرار داده سپس بار جانبی زلزله را به سازه وارد کرده و در نهایت با استفاده از بارهای آتش تعریف شده در استانداردهای متنوع، بار آتش وارده را تعریف میکنند.
برای مطالعه اثر آتش بر سازههای فولادی، ظرفیت مقاومت در برابر آتش برای المانهای مختلف سازهای باید در نظر گرفته شود. روشهای متعددی برای اعمال بارگذاری آتش بر روی سازهها وجود دارد. در مطالعه نمونه مورد نظر، آتش به صورت افزایش دمای اعضای سازهای، شبیه سازی شده است. اعضای بدون پوشش و اعضای پوششدار که پوشش آنها در زلزله آسیب دیده اند، مستقیماً در معرض آتش قرار گرفتهاند. فرض بر این است که دما به صورت یکنواخت و مطابق با نمودار زمان – دمای ارائه شده در استاندارد ایزو ۸۳۴ (شکل ۱) [۸]، که در آئین نامه یورو کد آورده شده است، افزایش پیدا میکند البته این نکته را باید مورد توجه قرار داد که نمودار ذکر شده بیانگر عمل آتش عادی است و نوع آتش خاصی که در ساختمانهای واقعی ایجاد میشود را شبیه سازی نمیکند.
شکل ۱ : نمودار زمان – دمای استاندارد ایزو ۸۳۴
- نتایج و بحث
قابهای فولادی با استفاده از نرم افزار اجزای محدود مدلسازی شدهاند و مدلها برای بررسی تفاوت عملکرد سازههای فولادی تحت آتش سوزی پس از زلزله و آتش سوزی عادی تحلیل شدهاند. نتایج این تحقیق نشان میدهد که آتش سوزی پس از زلزله اثر مخربتری در مقایسه با آتش عادی دارد و زمان دوام سازه بخصوص در حالتی که مفاصل پلاستیک در ستونها تشکیل شوند کاهش خواهد یافت. برای قاب با پوشش مقاوم در برابر حرارت که تحت آتش سوزی عادی قرار دارد، در مدت زمان در نظر گرفته شده برای تحلیل خرابی اتفاق نیفتاده است. با این حال در حالتی که قاب پوششدار تحت بارگذاری بعد از زلزله قرار گرفته است، اثر استفاده از پوشش مقاوم در برابر آتش کاهش یافته و در زمان در نظر گرفته شده برای تحلیل وقوع خرابی مشاهده گردیده است. با این حال در هر دو حالت آتش عادی و آتش پس از زلزله، عملکرد قاب با پوشش مقاوم در برابر آتش بهتر از عملکرد قاب بدون پوشش بوده است. در حالتی که آتش سوزی پس از زلزله به قاب وارد شده است، قاب بصورت جانبی خراب شده است در صورتی که در آتش عادی قاب به سمت داخل تخریب شده است. دلیل این امر تغییرشکل جانبی پلاستیک در سازه تحت بار زلزله است. در کاربردهای آتش نشانی جهتی که سازه در آن تخریب میشود بسیار با اهمیت است و نتایج این تحقیق در این مورد سودمند خواهد بود.
در نتیجه می توان به این نکته رسید که در صورت در نظر گرفتن خطر آتش پس از زلزله در محاسبات و طراحی سازهها و تعیین رفتار سازههای مختلف در اثر این رخداد، میتوان میزان خسارتهای جانی و مالی را کاهش داده و عمل اطفاء حریق و مدیریت بحران را با برنامهریزی بهتری صورت داد[۱].
۵٫مراجع
- پیغاله، الناز و ضیائی، مسعود و ذوالفقاری، محمدرضا؛ نگارش مقاله برای همایش، ششمین کنگره ملی مهندسی عمران، سمنان، ۱۳۹۰
- Alderighi, E. and Salvatore, W., (2009), “Structural Fire Performance of Earthquake-Resistant Composite Steel-Concrete Frames”, Engineering Structures 31, pp 894-909 doi: 10.1016/j.engstruct.2008.12.001.
- Bravery, P.N.R., (1993), “Cardington large building test facility”, Technical report, Building Research Establishment.
- Building and Housing Research Center, (1999), “Iranian Code of Practice for Seismic Resistant Design of Buildings (Standard 2800)”, Edition 2, 31-57, Building and Housing Research Center, Iran.
- Corte G. Della, Landolfo R., 2001, “Post-earthquake fire resistance of steel structures,”http://www.aidic.it/italiano/congressi/esrel2001/webpapersesrel2001/237.pdf (as of May 31, 2004)
- Della Corte G., Landolfo R. and Mazzolani F.M., (2003), “Post-Earthquake Fire Resistance of Moment Resisting Steel Frames”, Fire Safety Journal 38, pp 593-612doi: 10.1016/S0379-7112(03)00047-X.
- Iranian National Building Code, (2006), “Chapter 10: design and construction of steel structures”, Nashr & Tose-e Iran publication, ISBN: 964-7588-57-7.
- ISO-834 Fire resistance tests-elements, (1975), “elements of building construction, International Standard ISO 834”, Geneva.
- Kirby, B.R., (1998), “Behavior of a multi-storey steel framed building subjected to fire attack, experimental Data”, Technical report, British Steel.
- Martin, D.M., Kirby, B.R. and O’Connor, M.A. , (1998), Behavior of a multi-storey steel framed building subjected to natural fire effects, final report, Technical report, British Steel, Confidential report.
- National Fire Protection Agency (NFPA), (1995), “Earthquake Fire, Kobe, Japan”, January 17, 1995, NFPA, Quincy, Massachusetts.
- Scawthorn, C., Eidinger, J.M and Schiff A.J, (2005), “Analysis and modeling, Fire Following Earthquake”, ۹۹-۱۵۵, ASCE, USA.
- Wald, F., Studecka, P. and Kroupa, L., (2004), “Temperature of Steel Columns under Natural Fire”, Acta Polytechnica, Vol. 44, No. 5-6.
- Yassin, H., Iqbal, F., Bagchi, A. and Kodu,r V.K.R., (2008), “Assessment of Post-Earthquake Fire Performance of Steel-Frame Buildings”, ۱۴th World Conference on Earthquake Engineering, China.
.