دیوار برشی
مقدمه
دیوار برشی فولادی برای مقاومسازی ساختمانهای فولادی در حدود 15 سال اخیر موردتوجه خاص مهندسان سازه قرارگرفته است. ویژگیهای منحصربهفرد آن باعث جلبتوجه بیشتر همگان شده است، از ویژگیهای آن اقتصادی بودن، اجرای آسان، وزن کم نسبت به سیستمهای مشابه، شکلپذیری زیاد، نصب سریع، جذب انرژی بالا و کاهش قابلملاحظه تنش پسماند در سازه را میتوان نام برد. تمام دلایل ما را به این فکر آن واداشت که استفاده از آن را درترمیم ساختمانهای بتنی موردمطالعه قرار دهیم. این سیستم دارای وزن کم بوده، به سازه بار اضافی وارد نکرده و حتی با اتصالاتش باعث تقویت تیر و ستونهای اطراف خود میشود. همچنین این سیستم نیازی به تجهیزات خاص ندارد و میتوان بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضا سازهای به بقیه اجزای سازهای وصل شود. البته طراحی این سیستم در ساختمانهای بتنی بهغیراز حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمیآید
با نیروهای جانبی مؤثر بر یک سازه (در اثر باد یا زلزله) به طرق مختلف مقابله میشود که اثر زلزله بر ساختمانها از سایر اثرات وارد بر آنها کاملاً متفاوت میباشد. ویژگی اثر زلزله در این است که نیروهای ناشی از آن بهمراتب شدیدتر و پیچیدهتر از سایر نیروهای مؤثر میباشند. عناصر مقاوم در مقابل نیروهای فوق شامل قاب خمشی، دیوار برشی و یا ترکیبی از آن دو میباشند. استفاده از قاب خمشی بهعنوان عنصر مقاوم در مقابل نیروهای جانبی بخصوص اگر نیروهای جانبی در اثر زلزله باشند احتیاج به جزئیات خاصی دارد که شکلپذیری کافی قاب را تأمین نماید. این جزئیات ازلحاظ اجرایی غالباً دست و پاگیر بوده و در صورتی میتوان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجرا و نظارت در کارگاه خیلی بالا باشد ازلحاظ برتری میتوان گفت که دیوار برشی اقتصادیتر از قاب میباشد و تغییر مکانها را کنترل میکند درحالیکه برای سازههای بلند قاب بهتنهایی نمیتواند در این زمینه جوابگو باشد
در مهندسی سازه، دیوار برشی دیواری است که از قطعات مهاری (قطعات برشی) ساختهشده و وظیفهی خنثی کردن اثر بارهای جانبی واردشده برسازه را بر عهده دارد. دیوار برشی برای مقابله با بارهای جانبی متداولی همچون بار باد و بار زلزله طراحی میشود. طبق آییننامههای ساختمانی، تمام دیوارهای خارجی در سازههایی با اسکلت چوبی و فولادی، باید مهاربندی شوند. برخی از دیوارهای داخلی ساختمان نیز با توجه بهاندازهی ساختمان، باید به شکل مناسبی مهاربندی گردند
روش رایج برای اجرای دیوارهای مهاربندیشده در سازههایی با اسکلت چوبی، استفاده از قطعات مهاری ساختهشده از تخته چوبی چندلایه است. روش مرسوم دیگر عبارت است از به کار بردن مهار چوبی مورب در سرتاسر. استفاده از مهار فلزی تی شکل نیز شیوهٔ جدیدی است؛ اما این روشها مناسب ساختمانهایی با در و پنجرههای متعدد نبوده و در نواحی زلزلهخیز و مناطقی با بادهای شدید استحکام لازم را نخواهد داشت. چنین دیوارهایی میتوانند «باربر» و یا «غیر باربر» باشند
دیوارهای برشی نوعی از سیستمهای سازهای است که مقاومت جانبی ساختمان یا سازه را تأمین میکند. بارهای جانبی در یک صفحه و در طول بعد قائم دیوار اعمال میشوند. ای نوع از بارها، معمولاً بهوسیله اعضای دیافراگم یا جمع کننده یا پسار، به دیوار منتقل میگردند. این دیوارها از چوب، بتن و مصالح بنایی ساخته میشوند
تخته چندلایه، جزو مصالحی است که در ساخت دیوار برشی به کار میرود؛ اما با پیشرفت فناوری و روشهای ساختوساز، مصالح پیشساخته دیگری همچون هاردپنل و دیوارهای محکم سیمپسون عرضهشدهاند که امکان تزریق مواد را به داخل دیوارهای کمپهنا دارند. استفاده از ورقها و پانلهای فولادی بهجای تخته چندلایه در دیوار برشی، مقاومت بیشتری را در مقابل زلزله فراهم میکند
دیوار برشی نامسطح
بسته به شرایط، ممکن است یک طراح بهجای دیوار برشی مسطح مستطیلی یا میلهای، از دیوار برشی غیرمسطح سی شکل یا ال شکل استفاده کند. به کار بردن این نوع از دیوارهای برشی، نیاز به تحلیل سهبعدی و بررسی شرایط محل دارد
:روشهای تحلیل عبارتاند از
الف-روش اجزاء محدود
ب-الگوی پانل آویزان
عناصر مقاوم در برابر نیروهای جانبی شامل قاب خمشی، دیوار برشی یا ترکیبی از آن دو میباشند. دیوار برشی اقتصادیتر از قاب خمشی میباشد و برای سازههای بلند قاب بهتنهایی نمیتواند جوابگو باشد و همچنین باعث افزایش چشمگیر سختی ساختمان میشود
برخی انواع دیوار برشی
ب۱-دیوار برشی فولادی ۲-دیوار برشی مرکب ۳-دیوار برشی مصالح بنایی ۴-دیوار برشی بتن مسلح
ب۱-فولادی: برای مقاومسازی ساختمانهای فولادی، ورقهای فولادی بهعنوان دیوارهای برشی به کار میرود و با اتصالاتش سبب تقویت تیر و ستونهای اطراف میشود؛ و مزایایی چون اجرای آسان، وزن کم، اقتصادی بودن، شکلپذیری زیاد، نصب سریع و جذب انرژی بالا دارد. برای جلوگیری از کمانش موضعی دیوارهای برشی فولادی لازم است از تقویتکنندههای قائم و افقی استفاده شود
دیوارهای برشی فولادی، جهت ایجاد سازهای مقاوم در برابر بارهای جانبی نظیر زلزله و افزایش سختی در ساختمانهای فولادی و بتنی موجود، مورداستفاده قرار میگیرد. جذب انرژی دیوار برشی فلزی بیشتر و جابجایی جانبی آن بهمراتب کمتر از مشابه بتنی خود بوده و لذا در سازهها بسیار اقتصادیتر و شکلپذیرتر میباشد [1]1
ب۲-مرکب: دیوارهای برشی مرکب شامل
الف-ورقهای تقویتشده فولادی مدفون در بتن مسلح
ب-خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح
ب۳-مصالح بنایی: از دیرزمان در ساختمانهای مصالح بنایی از دیوارهای مصالح بنایی توپر غیرمسلح استفاده میشده است ولی روشنشده است که این دیوارها ازنقطهنظر مقاومت در مقابل زلزله ضعف دارند و لذا اکنون بهجای آنها از دیوارهای برشی مسلح نظیر دیوارهای با آجر توخالی و پرشده با دوغاب استفاده میشود
ب۴-بتن مسلح: یکی از مطمئنترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی استفاده از دیوار برشی بتن مسلح است. دیوار برشی بهعنوان یک ستون طره بزرگ و مقاوم در برابر نیروهای لرزهای عمل میکند و یک عضو ضروری برای سازههای بتن مسلح بلند و یک عضو مناسب برای سازههای متوسط و کوتاه میباشد
قرارگیری آن در پلان باید تا حد امکان متقارن باشد. مرکز ثقل هر طبقه در حوالی مرکز صلبیت دیوارهای برشی باشد [2]2
:دو نوع دیوار برشی بتن مسلح وجود دارد
الف-در جا: در دیوار برشی در جا بهمنظور حفظ یکنواختی و پیوستگی میلگردهای دیوار، به قاب محیطی قلاب میشوند
ب- پیشساخته: در دیوارهای برشی پیشساخته یکنواختی و پیوستگی با تهیه کلیههای ذوزنقه شکل در طول لبههای پانل و یا از طریق اتصال پانلها به قاب توسط میخهای فولادی صورت میگیرد. تعبیه بال در دیوارها برای پایداری و شکلپذیری سازه بسیار مفید میباشد
نیروهایی که به دیوارهای برشی وارد میشوند
:بهطورکلی دیوارهای برشی تحت نیروهای زیر قرار میگیرند
ج1-نیروی برشی متغیر که مقدار آن در پایه حداکثر میباشد
ج2-لنگر خمشی متغیر که مقدار آن مجدداً در پای دیوار حداکثر است و ایجاد کشش در یک لبه (لبه نزدیک به نیروها و فشار در لبه متقابل مینماید) با توجه به امکان عوض شدن جهت نیروی باد یا زلزله در ساختمان، کشش باید در هر دو لبه دیوار در نظر گرفته شود
ج3-نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات که روی دیوار برشی تکیه دارد
توجه: درصورتیکه ارتفاع دیوار برشی کم باشد، غالباً نیروی برشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود لیکن اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد لنگر خمشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود. بههرحال دیوار باید برای هر دونیروی فوق کنترل و در مقابل آنها مسلح گردد
مصالح مورداستفاده در دیوار برشی بتنی
الف-آرماتور ب-بتن پ-قالب
پس از اجرای پی و همزمان با بتنریزی ستونها نوبت به اجرای دیوار برشی میرسد
مراحل اجرای دیوار برشی
د۱-آرماتوربندی عمودی و افقی ۲-قالببندی ۳-بتنریزی
مزایای دیوارهای برشی
ه۱: افزایش چشمگیر سختی ساختمان بهنحویکه بر اثرات ثانویه نقش مؤثری دارد. این مزیت خودبهخود موجب افزایش درجه ایمنی در مقابل شکست یا ریزش ساختمان میشود
ه۲: کاهش قابلملاحظه خسارت به عناصر غیر سازهای که در اکثر موارد هزینه آنها کمتر از هزینه اعضای سازهای نیست
ه۳: اثر قابلتوجه در ایجاد آرامش خیال و تأمین امنیت روانی ساکنین ساختمانهای بلندمرتبه در هنگام وقوع زلزله
ه۴: دیوارهای برشی قادرند حتی پس از پذیرش ترکهای زیاد، بارهای ثقلی که برای آنها هم طراحیشدهاند تحمل کنند. این پدیده را بهطور کامل نمیتوان از ستونها انتظار داشت
ه۵: شکلپذیری بالا
معایب دیوار برشی
امکان شکست برشی در صورت عدم طراحی مناسب -ایجاد نیروی بالارانش در صورت عدم تخمین صحیح تعداد دیوارها و قرارگیری نامناسب آنها
:آنچه باید برای دیوارهای برشی موردنظر باشد عبارتاند از
و-مقاومت -شکلپذیری -ظرفیت جذب انرژی -حداقل کاهش در سختی
هر دیوار برشی ممکن است در اثر نیروهای محوری دچار جابهجایی یا تغییر شکل انتقالی و چرخشی شود. اینکه یک دیوار برشی تا چه میزان و چگونه تحت تأثیر لنگر واژگونی، نیروهای برشی یا پیچشی قرار گیرد بستگی دارد به
ز-شکل هندسی -جهت آن در برابر نیروی زلزله -محل استقرار آن در پلان ساختمان
بال: دیوارهایی که در دو انتهای خود دارای بال هستند مقاطع بالدار نامیده میشوند که از پایداری و شکلپذیری زیادی در مقایسه با دیوارهای بدون بال برخوردارند
انواع دیوار برشی ازلحاظ شکل مقطع
ر۱-دیوار برشی مستطیل شکل با آرماتور گذاری یکنواخت در سراسر مقطع
ر۲-دیوار برشی مستطیل شکل با آرماتور گذاری متمرکز در دو انتهای دیوار
ر۳-دیوار برشی دمبلی شکل یا آی شکل
در دیوارهای برشی دارای بازشو اگر دیوار در پایینترین قسمت خود دارای یک یا چند بازشو باشد، هر یک از اجزای دیوار در طرفین بازشو را پایههای دیوار برشی و بخشی از دیوار را که بین بازشوی بالائی و پائینی واقع است تیر همبند یا کوپله مینامند
جهت ایجاد عملکرد سازهای واحد برای دو دیوار سازهای مجاور و مجزا و یا برای اجزای دو طرف بازشو در دیوارهای شامل بازشوهای بزرگ، از تیرهای رابط با شکلپذیری زیاد به نام تیرهای همبند استفاده میشود. در این حالت دیوارهایی را که به هم متصل میشوند، دیوارهای همبسته میگویند. درهرحال عرض تیر همبند حداقل ۲۰۰میلی متر است
انواع تیرهای کوپله
و-تیر کوپلهی بتنی -تیر کوپلهی پیشتنیده -تیر کوپلهی کامپوزیتی -تیرکوپله متشکل از صفحات برشی -تیر کوپله با محدودیت حداکثر بار قابلتحمل -تیر کوپلهی پیش ساخته
انواع شکستها در دیوارهای برشی
و۱: شکست ناشی از شکست خود دیوارهای برشی: در تخریبهای انجامشده در دیوارهای برشی طی زمینلرزههای گذشته مشخصشده كه غالباً چهار نوع ضعف موجب چنین تخریبهایی میشوند كه باید در طراحی، آنها را شناسایی و تدابیر لازم جهت جلوگیری از آن اتخاذ نمود این تخریبها عبارتاند از
الف- تخریب خمشی
ب- تخریب برشی
ج- تخریب لغزندگی
د- تخریب چرخشی پایه شالوده
در تخریب خمشی، مفصل یا لولای خمیری در پای دیوار تشكیل میشود كه محل حداكثر نیروی برشی نیز میباشد. منطقه اصلی مفصل خمیری در ارتفاعی است كه به آن طول لولای خمیری میگویند. برای كنترل برش طول این ناحیه را معمولاً بین یك تا یك و نیم برابر طول دیوار در نظر میگیرند. در تخریب ناشی از برش، ترکهای ناشی از خمش در منطقه مفصل پلاستیك در ضخامت و طول بزرگتر شده و سپس با ترکهای ناشی از كشش قطری تركیب میشوند كه نهایتاً پس از چند تناوب، بتن دیگر قادر به تحمل برش نمیباشد و تمامی برش باید توسط آرماتورها تحمل شود. در تخریب لغزندگی، دیوار در جهت افقی دچار حركت میشود كه در محل درزهای اجرایی نیز اتفاق میافتد. تخریب ناشی از چرخش شالوده موجب بلند شدن فونداسیون میشود كه از قدرت استهلاك انرژی بهشدت میکاهد و موجب به وجود آمدن تخریبهای دیگر در سازه نیز میشود
و۲: شكست ناشی از شكست تیرهای كوپله: درواقع مهمترین ضعف در دیوارهای برشی دارای بازشو، تیرهای كوپله هستند. این تیرها دارای طولی كوتاه و عمقی زیاد هستند و اگر ضخامت آنها كم باشد، تبدیل به تیر عمیق میشوند كه رفتار مطلوبی ندارند. تیرهای كوپله معمولاً از دیوارها ضعیفترند و براثر حركت جانبی-خمشی دیوارها، چرخش قابلملاحظهای در محل اتصال دیوارها به تیرها اعمال میگردد و همین چرخش موجب تولید لنگر قابلتوجه و نهایتاً جاری شدن مقاطع تیرها میشود. اغلب سه نوع تخریب در تیرهای كوپله مشاهده میشود كه به ترتیب عبارتاند از
الف- تخریب خمشی
ب- شكست كششی قطری
ج- شكست قطری فشاری و كششی
طراحی دیوارها باید به نحوی باشد كه از تشكیل لولای خمیری (جاری شدن آرماتورها) مطمئن باشیم بهنحویکه شكست قطری كششی كه شكستی ترد است، نه در دیوار و نه در تیرهای كوپله رخ ندهد و بهطورکلی دیوارها به نحوی رفتار كنند كه لولای خمیری ابتدا در تیرهای كوپله و سرانجام در دیوارها تشكیل شود
سختی در طبقه و مقاومت زیاد، ساختمانهای با این سیستم را مناسب مهاربندی (در برابر بارهای جانبی) تا ۳۵ طبقه مینماید. یکی از جاهای مناسب برای قرار گرفتن دیوار برشی محل تکیهگاههای جانبی یا محیطی راهپلهها و اتاق آسانسور میباشد [3]3
سیستمهای قالب صلب خالص برای ساختمانهای مرتفعتر از 30 طبقه عملی نمیباشد. در چنین مواردی یکی از انواع دیوار برشی نیز در قاب بهکاربرده میشود تا بارهای جانبی را مقاومت کند. دیوارهای برشی یا بتنی میباشند و یا از مهاربندی فولادی مشبک (خرپایی) تشکیل میگردند. این دیوارها ممکن است هستههای داخلی، بسته مانند هستههای دور محوطههای آسانسورها و پلهها، یا دیوارهای موازی در داخل ساختمان و یا خرپاهای نمایی قائم باشند
سیستمهای مرکب از قاب و دیوار برشی بر اساس رفتارشان تحت بارگذاری جانبی دستهبندی میشوند که ممکن است یک از سه نوع زیر باشند
و1- سیستمهای مرکب از قاب مفصلی و دیوار برشی
در این سیستم چون اتصالشان تیرهای قاب به ستونها مفصلی میباشد، قاب فقط میتواند بارهای وزن را تحمل کند. دیوار برشی تمام بارهای جانبی را مقاومت میکند
و2- سیستمهای مرکب از قاب مفصلی، قاب ویراندیل و دیوار برشی
نیروهای جانبی بهوسیله دیوار برشی و قاب صلب ( قاب ویراندیل) مشترکاً مقاومت میگردند. قابهای داخلی و قابهای نمایی طولی فقط بارهای وزن را تحمل میکنند
و3- سیستمهای مرکب از قاب صلب و دیوار برشی
به کار بردن فقط دیوارهای برشی بهمنظور جذب بارهای جانبی برای ارتفاعات بیش از 500 فوت غیرعملی میباشد. برای اینکه هستهها بهاندازه کافی قوی باشند باید ابعاد آنها خیلی بزرگ انتخاب شود که در این صورت دیگر برای دستگاههای حملونقل قائم و توزیع انرژی مناسب نخواهند بود
بهعلاوه تغییر شکل آنها ممکن است چنان زیاد باشد که در دیوارهای جداکننده و پنجرهها ترک ایجاد کند و یا حتی در ساکنین ساختمان واکنشهای روانی ناگوار به وجود آورد. با به کار بردن قاب صلب که برای مقاومت نیروهای جانبی با دیوار برشی سهیم میشود بر صلبیت جانبی ساختمان به مقدار زیادی افزوده میگردد. تغییر شکل کل سیستمهای متشکل از دیوار برشی و قاب صلب که روی یکدیگر اثر متقابل دارند با جمعکردن حالتهای تغییر شکل جداگانه دیوار و قاب به دست میآید
و*تغییر شکل حالت برش قاب صلب
توجه کنید که شیب منحنی تغییر شکل در پای ساختمان درجایی که بیشترین برش اثر میکند حداکثر میباشد
و*تغییر شکل حالت خمش دیوار برشی
دیوار برشی ممکن است یک دیوار بتنی توپر یا یک خر پای فولادی قائم باشد. این دیوار برشی ممکن است یک هسته داخلی، دیوارهای داخلی، دیوارهای داخلی موازی و یا یک دیوار نمایی باشد. دیوار برشی مانند یک تیر طرهای قائم عمل میکند و مانند آن خم میشود. توجه کنید که شیب منحنی تغییر شکل در بالای ساختمان حداکثر میباشد و این دلالت بر این قسمت ساختمان دیوار برشی در ایجاد سختی کمترین سهم را دارد
و*تأثیر متقابل قاب و هسته برشی
برای یافتن اثر متقابل قاب و دیوار برشی تغییر شکلهای دو حالت فوق را باهم جمع میکنیم که یک منحنی اس کشیده حاصل میشود. به علت خصوصیات تغییر شکلی مختلف دیوار برشی و قاب، دیوار برشی بهوسیله قاب در قسمت بالای ساختمان به عقب کشیده میشود و در قسمت پایین ساختمان به جلو رانده میشود. ازاینرو برش ناشی از باد ( زلزله) در قسمت بالای ساختمان اساساً بهوسیله قاب و در قسمت پایین ساختمان اساساً بهوسیله دیوار برشی گرفته میشود
ديوار برشي راهحل مقابله با زلزله
علم مهندسي زلزله ساختمانها در سال 1950 ميلادي همزمان با فعاليتهاي گسترده بازسازي پس از پايان جنگ جهاني دوم شروع گرديد. تلاشهاي اوليه بهمنظور مقاومسازي ساختمانها، بر اساس فرضياتي نهچندان دقيق بر روي واکنش سازه در اثر ارتعاش زمين صورت گرفت که به دلیل کمبود ابزار تحليل مناسب و سوابق اطلاعاتي کافي در مورد زلزله، روشهاي ناقصي بودند. مشاهده عملکرد سازهها در هنگام وقوع زلزله و همچنين مطالعات تحليلي و کارهاي آزمايشگاهي و جمعآوري اطلاعات مربوط به زمينلرزههاي چهار دهه اخير، امکان ارائه روشي مدرن براي طراحي سازههاي مقاومت در برابر زلزله را فراهم آورده است
بااینکه سازههاي ديوار برشي در 30 سال اخير، از فولاد کمتر از مقدار توصیهشده توسط آئيننامههاي فعلي آمريکا برخوردار بودهاند اما بااینوجود در برابر زلزلههاي اين سه دهه بهخوبی مقاومت کردهاند. بررسيهاي انجامشده از سال 1963 به بعد روي عملکرد اين سازهها، هنگام وقوع زلزله، نشان دادهاند که باوجود مشاهده ترکهاي مختلف، حتي يک مورد ويراني يا تلفات جاني در سازههاي با ديوار برشي گزارش نشده است. اغلب خسارات ساختمانهاي با سيستم قاب، در اثر پیچش طبقات (و درنتیجه گسيختگي برشي ستونها) بوده است. البته اين دليل بر عدم مقاومت سازههاي قابي طرحشده به روشهاي جديد، در برابر زلزله نميباشد بلکه هدف نمايش قابليت بالاي ديوارهاي برشي حتي در صورت آرماتور گذاری با شيوههاي قديمي و غیرعلمی است. با مشاهده ويراني ساختمانها تحت زلزلههاي اخير (1972 نيکاراگوئه و 1985 مکزيک و 1988 ارمنستان)، تأکيد بر استفاده از ديوارهاي برشي (مخصوصاً در ساختمانهاي مسکوني) امري معقول به نظر ميرسد و نشان ميدهد که ساخت سازههاي بدون ديوار برشي در مناطق با زلزلهخیزی شديد يک نوع ريسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصيه نميباشد
منابع
-
راغب، مهدی، ۱۳۸۵، بررسی رفتار دیوار برشی فولادی با دیوار برشی بتنآرمه،اولین همایش بینالمللی مقاومسازی لرزهای، تهران
-
صبوری، سعید، سیستمهای مقاوم در برابر بارهای جانبی، مقدمهای بر دیوار برشی فولادی، نشر انگیزه، بهار 1380
-
عناصر و جزییات ساختمان/سیاوش کباری
-
– Astaneh-Asl, A. (2000). “Steel plate shear walls, U. S.Japan Workshop onSeismic Fracture Issues in Steel Structure, San Francisco
-
Seismic Assessment and Strengthening Method of Existing RC Buildings in Response to Code Revision Shun-Tyan Chen -Van Jeng- Sheng-Jin Chen-Cheng-Cheng Chen
نوشته شده توسط تیم تحریریه مهندسین مشاور آرشکو
slot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsaslot online deposit pulsacakrawalarafflesiacakrawala rafflesiacakrawalarafflesia.com/blog/RTP Slotpoker online
