موضوع مقاله: شکست سازه‌ها | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شکست سازه‌ها | مقدمه: یکپارچگی و شکست سازه جنبه‌ای از مهندسی است که به توانایی یک سازه در تحمل بار سازه‌ای طراحی‌شده ( وزن ، نیرو و غیره) بدون شکست می‌پردازد و شامل مطالعه شکست‌های سازه‌ای گذشته به منظور جلوگیری از شکست در طرح‌های آینده است. | ## بخش 1: شکست سازه‌ها | یکپارچگی سازه‌ای، توانایی یک قطعه - چه یک جزء سازه‌ای و چه سازه‌ای متشکل از اجزای متعدد - برای حفظ یکپارچگی خود تحت بار، از جمله وزن خود، بدون شکستگی یا تغییر شکل بیش از حد است. این امر تضمین می‌کند که سازه، عملکرد طراحی شده خود را در طول استفاده معقول، تا زمانی که طول عمر مورد نظر آن باشد، انجام خواهد داد. قطعات با یکپارچگی سازه‌ای ساخته می‌شوند تا از خرابی فاجعه‌بار که می‌تواند منجر به جراحات، آسیب شدید، مرگ و/یا خسارات مالی شود، جلوگیری شود. شکست سازه‌ای به از دست دادن یکپارچگی سازه یا از دست دادن ظرفیت باربری سازه در یک جزء سازه‌ای یا خود سازه اشاره دارد. شکست سازه‌ای زمانی آغاز می‌شود که یک ماده فراتر از حد مقاومت خود تحت تنش قرار گیرد و باعث شکستگی یا تغییر شکل‌های بیش از حد شود. یکی از حالت‌های حدی که باید در طراحی سازه در نظر گرفته شود، مقاومت نهایی شکست است. در یک سیستم با طراحی خوب، یک شکست موضعی نباید باعث فروپاشی فوری یا حتی پیشرونده کل سازه شود. یکپارچگی سازه‌ای، توانایی یک سازه در تحمل بار مورد نظر بدون شکست ناشی از شکستگی، تغییر شکل یا خستگی است. این مفهومی است که اغلب در مهندسی برای تولید اقلامی استفاده می‌شود که اهداف طراحی شده خود را برآورده کرده و برای یک عمر مفید مطلوب، عملکردی باقی می‌مانند. برای ساخت یک قطعه با یکپارچگی سازه‌ای، یک مهندس ابتدا باید خواص مکانیکی ماده، مانند چقرمگی ، استحکام ، وزن، سختی و خاصیت ارتجاعی را در نظر بگیرد و سپس اندازه و شکل لازم برای مقاومت ماده در برابر بار مورد نظر برای یک عمر طولانی را تعیین کند. از آنجایی که اعضا نه می‌توانند بشکنند و نه بیش از حد خم شوند، باید هم سفت و هم چقرمه باشند. یک ماده بسیار سفت ممکن است در برابر خم شدن مقاومت کند، اما اگر به اندازه کافی سفت نباشد، ممکن است برای تحمل بار بدون شکستن، بسیار بزرگ باشد. از سوی دیگر، یک ماده بسیار الاستیک حتی اگر چقرمگی بالای آن مانع از شکستگی شود، زیر بار خم می‌شود. علاوه بر این، یکپارچگی هر جزء باید با کاربرد منحصر به فرد آن در هر سازه باربر مطابقت داشته باشد. تکیه‌گاه‌های پل به استحکام تسلیم بالایی نیاز دارند، در حالی که پیچ‌هایی که آنها را نگه می‌دارند به استحکام برشی و کششی خوبی نیاز دارند. فنرها به خاصیت ارتجاعی خوبی نیاز دارند، اما ابزار تراشکاری به استحکام بالایی نیاز دارد. علاوه بر این، کل سازه باید بتواند بار خود را بدون شکست ضعیف‌ترین اتصالات خود تحمل کند، زیرا این امر می‌تواند فشار بیشتری بر سایر عناصر سازه‌ای وارد کند و منجر به شکست‌های آبشاری شود. این هرم از نقص‌های ساختاری زیادی رنج می‌برد که در نهایت باعث شد در طول ساخت و ساز فرو بریزد، که یکی از اولین درس‌های شناخته شده در ساخت و ساز در مقیاس بزرگ را فراهم کرد. ابزارها باید به اندازه کافی قوی و محکم می‌بودند تا بتوانند کار خود را انجام دهند. سازندگان، آهنگران، نجاران و بناها برای ساختن سازه‌های ایمن و محکم به سیستم آزمون و خطا (یادگیری از شکست‌های گذشته)، تجربه و کارآموزی متکی بودند. از نظر تاریخی، ایمنی و طول عمر با جبران بیش از حد تضمین می‌شد، به عنوان مثال، استفاده از ۲۰ تن بتن در حالی که ۱۰ تن کافی بود. گالیله یکی از اولین کسانی بود که در سال ۱۶۳۸، در رساله خود با عنوان «گفتگوهای دو علم جدید» ، استحکام مواد را در نظر گرفت. با این حال، روش‌های ریاضی برای محاسبه چنین خواصی از مواد تا قرن نوزدهم شروع به توسعه نکردند. از دهه ۱۹۴۰، شکست‌های بدنام چندین فناوری جدید، روشی علمی‌تر را برای تحلیل شکست‌های سازه‌ای ضروری ساخت. در طول جنگ جهانی دوم ، بیش از ۲۰۰ کشتی فولادی جوش داده شده به دلیل شکستگی شکننده، ناشی از تنش‌های ایجاد شده از فرآیند جوشکاری، تغییرات دما و تمرکز تنش در گوشه‌های مربعی دیواره‌ها ، از وسط نصف شدند. انفجار دیگ‌های بخار ، ناشی از شکست در مخازن دیگ‌های بخار تحت فشار، یکی دیگر از مشکلات رایج در این دوران بود و خسارات شدیدی را به بار آورد. این نیاز به ساخت سازه‌هایی با یکپارچگی سازه‌ای منجر به پیشرفت‌های بزرگی در زمینه‌های علوم مواد و مکانیک شکست شد. شکست سازه‌ای می‌تواند در اثر انواع مختلفی از مشکلات رخ دهد که اکثر آنها منحصر به صنایع مختلف و انواع سازه‌ها هستند. اول اینکه سازه به دلیل اندازه، شکل یا انتخاب جنس، به اندازه کافی قوی و محکم نیست که بتواند بار را تحمل کند. اگر سازه یا جزء به اندازه کافی قوی نباشد، هنگامی که سازه فراتر از سطح تنش بحرانی خود تحت تنش قرار گیرد، می‌تواند شکست فاجعه‌باری رخ دهد. نوع دوم شکست، ناشی از خستگی یا خوردگی است که در اثر ناپایداری در هندسه، طراحی یا خواص مصالح سازه ایجاد می‌شود. این شکست‌ها معمولاً زمانی شروع می‌شوند که ترک‌هایی در نقاط تنش، مانند گوشه‌های مربعی یا سوراخ‌های پیچ که خیلی نزدیک به لبه ماده هستند، ایجاد شوند. این ترک‌ها با تنش و باربرداری مکرر ماده (بارگذاری چرخه‌ای) رشد می‌کنند و در نهایت به یک طول بحرانی می‌رسند و باعث می‌شوند سازه در شرایط بارگذاری عادی ناگهان دچار شکست شود. نوع سوم خرابی ناشی از خطاهای تولید، از جمله انتخاب نادرست مواد، اندازه نادرست، عملیات حرارتی نامناسب، عدم رعایت طرح یا کیفیت پایین ساخت است. | ## بخش 2: شکست سازه‌ها | این نوع خرابی نیز غیرقابل پیش‌بینی است، زیرا ممکن است مواد به طور نامناسب تولید شده باشند یا در اثر استفاده قبلی آسیب دیده باشند. این نوع خرابی می‌تواند در اثر وقایعی مانند خرابکاری، خرابکاری یا بلایای طبیعی ایجاد شود. همچنین اگر افرادی که از سازه استفاده و آن را نگهداری می‌کنند، آموزش کافی ندیده باشند و بیش از حد به سازه فشار وارد کنند، می‌تواند رخ دهد. این پل به دلیل ساخته شدن از چدن بی‌کیفیت و همچنین به دلیل عدم در نظر گرفتن بار باد توسط مهندس توماس بوچ، فرو ریخت. ریزش آن منجر به جایگزینی چدن با سازه فولادی و طراحی مجدد کامل پل فورث در سال ۱۸۹۰ شد که به اولین پل کاملاً فولادی در جهان تبدیل شد. این تحقیق نتیجه گرفت که طراحی سازه اساساً دارای نقص است، زیرا آهن فرفورژه، چدن را تقویت نکرده و ریخته‌گری به دلیل خم شدن مکرر شکست خورده است. (1994) p.81 پل اوّل تای مقالۀ اصلی: فاجعه پل اوّل تای فاجعه پل دی با تعدادی از ریزش‌های پل چدنی ، از جمله ریزش اولین پل تی بر روی خور تی در اسکاتلند در ۲۸ دسامبر ۱۸۷۹، همراه بود. این پل به دلیل ساخته شدن از چدن بی‌کیفیت و همچنین به دلیل عدم در نظر گرفتن بار باد توسط مهندس توماس بوچ، فرو ریخت. ریزش آن منجر به جایگزینی چدن با سازه فولادی و طراحی مجدد کامل پل فورث در سال ۱۸۹۰ شد که به اولین پل کاملاً فولادی در جهان تبدیل شد. پل اوّل تاکوما ناروز مقالۀ اصلی: فاجعه پل اوّل تاکوما ناروز فروپاشی پل اصلی تاکوما ناروز در واشنگتن ، ایالات متحده، در سال ۱۹۴۰، گاهی اوقات در کتاب‌های درسی فیزیک به عنوان نمونه‌ای کلاسیک از رزونانس توصیف می‌شود، اگرچه این توصیف گمراه‌کننده است. ارتعاشات فاجعه‌باری که پل را ویران کرد، نه به دلیل رزونانس مکانیکی ساده، بلکه به دلیل نوسان پیچیده‌تری بین پل و بادهای عبوری از آن بود که به عنوان فلاتر آیروالاستیک شناخته می‌شود. اسکنلان ، یکی از پیشگامان درک آیرودینامیک پل، مقاله‌ای در مورد این سوءتفاهم نوشت. پل رودخانه می‌سی‌سی‌پی I-35W (که رسماً با نام پل ۹۳۴۰ شناخته می‌شود) یک پل قوسی خرپایی فولادی هشت خطه بود که بزرگراه بین ایالتی 35W را از روی رودخانه می‌سی‌سی‌پی در مینیاپولیس ، مینه‌سوتا، ایالات متحده عبور می‌داد. این پل در سال ۱۹۶۷ تکمیل شد و نگهداری آن توسط وزارت حمل و نقل مینه‌سوتا انجام می‌شد. این پل در ساعت شلوغی عصر در ۱ آگوست 2007 به طرز فاجعه‌باری فرو ریخت و به رودخانه و کناره‌های رودخانه در زیر آن فرو ریخت. پس از فروپاشی، اداره بزرگراه‌های فدرال به ایالت‌ها توصیه کرد که ۷۰۰ پل آمریکایی با ساختار مشابه را بررسی کنند پس از کشف یک نقص طراحی احتمالی در پل، مربوط به ورق‌های فولادی بزرگ به نام صفحات اتصال که برای اتصال تیرها به یکدیگر در سازه خرپایی استفاده می‌شدند. مقامات در مورد بسیاری از پل‌های دیگر در ایالات متحده که از همین طرح استفاده می‌کنند ابراز نگرانی کردند و این سوال را مطرح کردند که چرا چنین نقصی در بیش از ۴۰ سال بازرسی کشف نشده است. ساختمان‌ها فروریختن ساختمان در تانه در ۴ آوریل ۲۰۱۳، ساختمانی در زمین‌های قبیله‌ای در ممبرا ، حومه شهر تانه در ماهاراشترا ، هند، فرو ریخت. این حادثه بدترین حادثه فروریختن ساختمان در این منطقه نامیده شده است؛ [ nb ۱ ] ۷۴ نفر، از جمله ۱۸ کودک، ۲۳ زن و ۳۳ مرد، جان باختند، در حالی که بیش از ۱۰۰ نفر زنده ماندند. این ساختمان در حال ساخت بود و برای ۱۰۰ تا ۱۵۰ ساکن کم‌درآمد تا متوسط خود گواهی سکونت نداشت ؛ تنها ساکنان آن کارگران ساختمانی محل و خانواده‌هایشان بودند. گزارش شده است که این ساختمان به صورت غیرقانونی ساخته شده است زیرا شیوه‌های استاندارد برای ساخت و ساز ایمن و قانونی، تملک زمین و سکونت ساکنان رعایت نشده است. تا ۱۱ آوریل، در مجموع ۱۵ مظنون از جمله سازندگان ، مهندسان، مقامات شهرداری و سایر افراد مسئول دستگیر شدند. سوابق دولتی نشان می‌دهد که دو دستور برای مدیریت تعداد ساختمان‌های غیرقانونی در این منطقه وجود داشته است: دستور ایالت ماهاراشترا در سال ۲۰۰۵ برای استفاده از سنجش از دور و دستور دادگاه عالی بمبئی در سال ۲۰۱۰. در ۹ آوریل، شهرداری تان کمپینی را برای تخریب ساختمان‌های غیرقانونی در این منطقه، با تمرکز بر ساختمان‌های «خطرناک»، آغاز کرد و یک مرکز تماس برای پذیرش و پیگیری شکایات مربوط به ساختمان‌های غیرقانونی راه‌اندازی کرد. در همین حال، اداره جنگلبانی قول داد که به تجاوز به زمین‌های جنگلی در منطقه تان رسیدگی کند. ریزش ساختمان ساوار در ۲۴ آوریل ۲۰۱۳، ساختمان تجاری هشت طبقه رانا پلازا در ساوار ، یکی از توابع منطقه داکا بزرگ ، پایتخت بنگلادش ، فرو ریخت. این حادثه به عنوان مرگبارترین حادثه کارخانه پوشاک در تاریخ و همچنین مرگبارترین شکست تصادفی سازه در تاریخ مدرن بشر در نظر گرفته می‌شود. این ساختمان شامل کارخانه‌های پوشاک، یک بانک، آپارتمان‌ها و چندین مغازه دیگر بود. مغازه‌ها و بانک در طبقات پایین بلافاصله پس از کشف ترک‌هایی در ساختمان تعطیل شدند. هشدارهایی مبنی بر عدم استفاده از ساختمان پس از ظاهر شدن ترک‌ها در روز قبل نادیده گرفته شده بود. به کارگران پوشاک دستور داده شد که روز بعد برگردند و ساختمان در ساعات شلوغی صبح فرو ریخت. فروشگاه بزرگ سامپونگ فرو ریخت در ۲۹ ژوئن ۱۹۹۵، فروشگاه پنج طبقه سامپونگ در منطقه سئوچو سئول ، کره جنوبی، فرو ریخت و منجر به مرگ ۵۰۲ نفر و محبوس شدن ۱۴۴۵ نفر دیگر شد. در آوریل ۱۹۹۵، به دلیل وجود یک واحد تهویه مطبوع روی سقف ضعیف سازه ضعیف، ترک‌هایی در سقف طبقه پنجم ضلع جنوبی فروشگاه ظاهر شد. صبح روز ۲۹ ژوئن، با افزایش چشمگیر تعداد ترک‌های سقف، مدیران فروشگاه طبقه آخر را بستند و تهویه مطبوع را خاموش کردند، اما نتوانستند ساختمان را تعطیل کنند یا دستور تخلیه رسمی صادر کنند، زیرا خود مدیران به عنوان یک اقدام احتیاطی محل را ترک کردند. | ## بخش 3: شکست سازه‌ها | پنج ساعت قبل از فروریختن ساختمان، اولین صدای انفجار از چندین صدای بلند از طبقات بالا شنیده شد، زیرا لرزش تهویه مطبوع باعث شد ترک‌های موجود در دال‌ها بیشتر شود. در بحبوحه گزارش‌های مشتریان مبنی بر لرزش در ساختمان، تهویه مطبوع خاموش شد، اما ترک‌های موجود در طبقات به ۱۰ عدد رسیده بود. حدود ساعت ۵ بعد از ظهر به وقت محلی، سقف طبقه پنجم شروع به فرو ریختن کرد و ساعت ۵:۵۷ بعد از ظهر، سقف ترک برداشت و دستگاه تهویه مطبوع به طبقه پنجم که از قبل هم بیش از حد شلوغ بود، برخورد کرد. رونان پوینت در ۱۶ مه ۱۹۶۸، برج مسکونی ۲۲ طبقه رونان پوینت در منطقه نیوهام لندن، زمانی فرو ریخت که یک انفجار گاز نسبتاً کوچک در طبقه هجدهم باعث جدا شدن یک پنل دیواری سازه‌ای از ساختمان شد. این برج از بتن پیش‌ساخته ساخته شده بود و شکست پنل منفرد باعث فرو ریختن یک گوشه کامل از ساختمان شد. این همچنین به این معنی بود که بارهای حمل شده توسط پنل نمی‌توانست به سایر پنل‌های مجاور توزیع شود، زیرا مسیری برای دنبال کردن نیروها وجود نداشت. در نتیجه این فروپاشی، مقررات ساختمانی برای جلوگیری از فروپاشی نامتناسب مورد بازنگری قرار گرفت و درک جزئیات بتن پیش‌ساخته بسیار پیشرفت کرد. بمب‌گذاری در شهر اکلاهما سیتی در ۱۹ آوریل ۱۹۹۵، ساختمان فدرال ۹ طبقه با اسکلت بتنی آلفرد پی. مورا در شهر اوکلاهما ، ایالات متحده، مورد اصابت یک کامیون بمب‌گذاری شده قرار گرفت و باعث فروریختن جزئی آن شد که منجر به مرگ ۱۶۸ نفر شد. بمب تمام شیشه‌های جلوی ساختمان را شکست و یک ستون بتن مسلح طبقه همکف را کاملاً خرد کرد (به brisance مراجعه کنید). در طبقه دوم، فاصله ستون‌ها بیشتر بود و بارهای ستون‌های طبقه بالا توسط تیرهای طبقه دوم به ستون‌های کمتری در زیر منتقل شدند. حذف یکی از ستون‌های طبقه پایین باعث شد ستون‌های همسایه به دلیل بار اضافی شکست بخورند و در نهایت منجر به فروریختن کامل قسمت مرکزی ساختمان شد. این بمب‌گذاری یکی از اولین مواردی بود که نیروهای شدیدی را که بار انفجار ناشی از تروریسم می‌تواند بر ساختمان‌ها وارد کند، برجسته کرد و منجر به افزایش توجه به تروریسم در طراحی سازه ساختمان‌ها شد. تالار عروسی ورسای تالار عروسی ورسای ( ) واقع در محله تالپیوت اورشلیم ، محل وقوع پرشورترین فاجعه مدنی در تاریخ اسرائیل است. ساعت ۲۲:۴۳ پنجشنبه شب، ۲۴ مه ۲۰۰۱، در جریان عروسی کرن و آصف درور، بخش بزرگی از طبقه سوم ساختمان چهار طبقه فرو ریخت و ۲۳ نفر کشته شدند. برج‌های ۱، ۲ و ۷ مرکز تجارت جهانی در حملات ۱۱ سپتامبر ، دو هواپیمای تجاری عمداً به برج‌های دوقلوی مرکز تجارت جهانی در شهر نیویورک کوبیده شدند. ضربه، انفجار و آتش‌سوزی‌های ناشی از آن باعث شد هر دو برج در کمتر از دو ساعت فرو بریزند. این ضربه‌ها ستون‌های بیرونی را قطع و به ستون‌های اصلی آسیب رساندند و بارهایی را که این ستون‌ها تحمل کرده بودند، دوباره توزیع کردند. این توزیع مجدد بارها تا حد زیادی تحت تأثیر خرپاهای کلاهی در بالای هر ساختمان قرار داشت. ضربه‌ها مقداری از عایق‌های نسوز را از فولاد جدا کردند و آن را در معرض گرمای آتش قرار دادند. دما به اندازه‌ای بالا رفت که ستون‌های اصلی را تا نقطه خزش و تغییر شکل پلاستیک زیر وزن طبقات بالاتر تضعیف کرد. گرمای آتش‌سوزی‌ها همچنین ستون‌ها و کف‌های پیرامونی را تضعیف کرد و باعث شد کف‌ها فرو بریزند و نیرویی به سمت داخل به دیوارهای خارجی ساختمان وارد کنند. این آسمان‌خراش ۴۷ طبقه در عرض چند ثانیه به دلیل ترکیبی از آتش‌سوزی بزرگ در داخل ساختمان و آسیب ساختاری سنگین ناشی از فروپاشی برج شمالی فرو ریخت. برج‌های شامپلین در ۲۴ ژوئن ۲۰۲۱، ساختمان مسکونی ۱۲ طبقه چمپلین تاورز جنوبی در سرفساید، فلوریدا ، ایالات متحده، تا حدی فرو ریخت و باعث ده‌ها زخمی و ۹۸ کشته شد. یک نفر از زیر آوار نجات یافت، و حدود ۳۵ نفر در ۲۴ ژوئن از قسمت فرو نریخته ساختمان نجات یافتند. تخریب طولانی مدت سازه‌های پشتیبان بتن مسلح در پارکینگ زیرزمینی، به دلیل نفوذ آب و خوردگی فولاد تقویت کننده، به عنوان عاملی در - یا علت - فروریختن در نظر گرفته شده است. این مشکلات در سال ۲۰۱۸ گزارش شده و در آوریل ۲۰۲۱ به عنوان "بسیار بدتر" ذکر شده بودند. کلیسای جامع اول، نیو لندن، کنتیکت در ۲۴ ژانویه ۲۰۲۴، مناره این کلیسای سنگی گوتیک در نیو لندن، کنتیکت ، ایالات متحده، فرو ریخت و سقف آن فرو ریخت و به سازه آسیب جبران‌ناپذیری وارد کرد. از آنجایی که همه کارگران قبل از انجام مراحل تعویض، دکل را ترک کرده بودند، برخلاف سقوط مشابه برج WLBT در سال ۱۹۹۷، هیچ تلفاتی رخ نداد. این فروریختن به دلیل تغییر دیرهنگام در طراحی، تغییر روش اتصال میله‌های نگهدارنده راهروها به آنها و دو برابر شدن ناخواسته نیروهای وارد بر اتصال بود. این شکست، نیاز به ارتباط خوب بین مهندسان طراح و پیمانکاران و بررسی دقیق طرح‌ها و به ویژه تغییرات پیشنهادی پیمانکار در طراحی را برجسته کرد. این شکست یک مطالعه موردی استاندارد در دوره‌های مهندسی در سراسر جهان است و برای آموزش اهمیت اخلاق در مهندسی استفاده می‌شود. | ## جمع‌بندی | شکست‌های ساختاری مکرر در همان نوع هواپیما در سال ۱۹۵۴ رخ داد، زمانی که دو هواپیمای جت مسافربری دی هاویلند کامت سی۱ به دلیل افت فشار ناشی از خستگی فلز سقوط کردند، و در سال‌های ۱۹۶۳-۱۹۶۴، زمانی که پایدارکننده عمودی چهار بمب‌افکن بوئینگ بی-۵۲ در هوا شکست.