دیوار برشی

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

  1. راغب، مهدی، ۱۳۸۵، بررسی رفتار دیوار برشی فولادی با دیوار برشی بتن‌آرمه،اولین همایش بین‌المللی مقاوم‌سازی لرزه‌ای، تهران

  2. صبوری، سعید، سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی، مقدمه‌ای بر دیوار برشی فولادی، نشر انگیزه، بهار 1380

  3. 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 

By |2022-08-05T13:01:39+04:30مارس 11th, 2017|articles, civil|بدون ديدگاه

مهندسی سازه

مهندسی سازه

به‌طورکلی مهندسی سازه در ارتباط با طراحی و آنالیز سازه‌های مختلف مانند ساختمان‌های بلند و کوتاهِ پیچیده، پل‌های بزرگ، تونل‌ها، تأسیسات نفتی، سازه‌های آبی و سدها، سازه‌های صنعتی و نظایر آن‌ها می‌باشد و محور اصلی مباحث تشکیل‌دهندۀ آن، محاسبه تنش‌ها و نیروهای فعال در سازه‌هاست. مهندسی سازه دارای حوزه وسیعی است و لذا موضوعات متنوعی را دربرمی گیرد. رشته کارشناسی ارشد مهندسی عمران گرایش سازه در ارتباط با تحلیل و طراحی انواع سازه‌ها می‌باشد و لذا ازجمله رشته‌هایی است که بیانگر کاربرد علم در ایجاد سازندگی و عمران است. به عبارتی هر چیزی که به آبادانی یک کشور بازمی‌گردد، مانند سد، فرودگاه، جاده، برج، تونل، دکل‌های مخابراتی، ساختمان‌های مقاوم و… به‌نوعی به حوزه سازه‌ها مربوط می‌شود، ازاین‌رو سازه از مهم‌ترین و کاربردی‌ترین گرایش‌های مهندسی عمران محسوب  می‌شود که اکثر زمینه‌های کاری عمرانی را پوشش می‌دهد

تاریخچه مهندسی سازه

تاریخچه مهندسی سازه با آغاز یکجانشینی بشر آغاز شد. اولین تاریخچه مدون مهندسی سازه با ساخت اهرام پله‌ای در مصر توسط آمون هوتپ که اولین مهندسی که با نام شناخته می‌شود بازمی‌گردد. در این دوره سازه‌های عظیمی چون اهرام در مصر، زیگورات چغازنبیل و پارسه (تخت جمشید) در ایران نام برد

ساختار

اگر مهندسی سازه را متشکل از دو بخش تحلیل و طراحی بدانیم، سرسلسله‌ی روابط تحلیلی تئوری الاستیسیته و مرجع بخش طراحی استانداردها و قضاوت‌های مهندسی است. در تئوری الاستیسیته از جبر تانسورها استفاده می‌شود و با استفاده از قانون هوک، دستگاه معادلات دیفرانسیل جزئی تعادل و سازگاری تشکیل می‌شوند. مشهورترین روش حل عددی این دستگاه معادلات، روشی است به نام اجزا محدود

یک مهندس سازه باید در هنگام طرح یک سازه به دو مسئله توجه کند: مسئله‌ی اول بررسی مقاومت سازه در برابر بارهای وارد برسازه که شامل بارهای زنده، بار باد، برف، انسان، اشیا و بار مرده و بار زمین‌لرزه و… است که با طراحی سیستم باربر و محاسبه و کنترل مقاومت کافی اعضای سازه در برابر این بارها است. مسئله‌ی دوم بررسی کارایی سازه است یعنی سازه باید فاقد مواردی مانند لرزش و تغییر شکل‌های خارج‌ازاندازه مجاز آیین‌نامه باشد؛ زیرا این موارد در کاربری سازه مشکل‌زا هستند و باعث مشکلی مانند ترس در کاربران سازه و یا مواردی مانند ترک خوردن دیوارها و نازک‌کاری‌ها می‌شوند

:زمينه‌‌هاي كاري اين رشته شامل سه موضوع زير است
الف– طراحي و مشاوره: اين زمينه كاري، شامل طرح يا مشورت در طراحي يك پروژه است. همان‌طور كه به نظر می‌رسد، اين نوع زمینه کاری به تجربه زياد و مفيد و همچنين به تخصص كافي نياز دارد و معمولاً اين وظيفه بر عهده متخصصين مجرب است. كسي كه چنين وظيفه‌اي به عهده مي‌گيرد، عمدتاً باکارهای دفتري و كار با نقشه‌هاي مختلف سروكار خواهد داشت

ب پيمانكاري و اجرا: اين وظيفه به‌سختی وظيفه مشاوره نيست و آن تخصص لازم را ندارد. يك مجري، طرح و نقشه‌ی در نظر گرفته‌شده براي يك پروژه را دريافت مي‌كند و فقط وظيفه‌اش اين خواهد  بود كه طرح را به‌خوبی اجرا كند. البته اكثر مشكلات سازنده‌اي در همين بخش است، چراکه ممكن است نقشه‌هاي بسيار خوبي طراحي شود و سازه‌ها ازنظر طراحي بدون عيب و نقص باشند، اما كار در اجرا به‌درستی انجام نگيرد. به همين جهت سازه‌هاي ساخته‌شده معمولاً بی‌عیب و نقص است

ج نظارت: مهندس ناظر وظيفه دارد از طرف کارفرما، نظارت بر حسن انجام كارها را بر عهده بگيرد و همچنين وظيفه هماهنگي بين كار‌ها و افراد مختلف را به انجام برساند

:با توجه به جامعیت گرایش سازه، به‌طور کامل‌تر می‌توان گفت که فارغ‌التحصیلان این دوره زمینه فنی کافی برای احراز مشاغل زیر رادارند

 همکاری با وزارتخانه‌ها و سازمان‌های مسئول اجرای طرح‌های عمرانی و صنعتی جهت برنامه‌ریزی، طراحی و نظارت بر طرح‌ها مانند وزارت راه و شهرسازی، وزارت نیرو، وزارت صنایع، سازمان نظام‌مهندسی ساختمان و واحدهای عمرانی شهرداری‌ها

 همکاری با مهندسین مشاور سازه، معمار، راه و راه‌آهن و آب جهت مشارکت در طراحی و نظارت بر اجرای پروژه‌های موضوع فعالیت این مؤسسات

 همکاری با مهندسین مشاور صنعتی جهت مشارکت در طراحی و نظارت بر اجرای ساختمان‌های صنعتی، کارخانه‌ها، سیلوها و برج‌ها

 همکاری با مؤسسات صنعتی که به نحوی با مهندسی سازه سروکار دارند، جهت مشارکت در طراحی فرآورده‌ها مانند صنایع دفاعی، کشتی‌سازی و هواپیماسازی

مهندسی عمران طیف بسیار وسیعی از کارها را در برمی‌گیرد؛ یعنی اگر بخواهیم ساختمان، پل، برج، تونل، راه، سیلو و یا شبکه‌های فاضلاب بسازیم در آغاز به یک مهندس کارآمد عمران نیاز داریم تا علاوه بر رعایت جنبه‌های فنی و اجرایی، اقتصادی نیز عمل کند. چون اقتصادی بودن یک اصل در مهندسی عمران است

توانایی‌های موردنیاز و قابل توصیه 
یک مهندس عمران باید بسیار اجتماعی و دارای توان ایجاد ارتباط با جمله سایرین باشد. چون رشته مهندسی عمران یک‌رشته گروهی است؛ یعنی متخصص عمران در محیط کار خود با اقشار مختلف جامعه از جامعه کارگران، تکنسین‌ها و مهندسان رشته‌های دیگر سروکار دارد و باید با همه این افراد ارتباط خوبی برقرار کند تا بتواند شاهد پیشرفت و موفقیت کارش باشد

با توجه به کمیت و کیفیت درس‌هایی که در این رشته ارائه می‌گردد، داوطلب باید از توان و دانش برتر در زمینه‌های ریاضی و فیزیک برخوردار باشد. همچنین توان جسمی، قدرت تجزیه‌وتحلیل، قدرت تجسم و دقت کافی در بسیاری از مسائل را داشته باشد

رشته مهندسی عمران دارای دو بعد اجرایی و نظری آزمایشگاهی است. در این میان عده‌ای از مهندسین جذب کارهای اجرایی می‌شوند که در این صورت باید آمادگی کار در کارگاه‌های داخل و خارج شهر را داشته باشند یعنی برای برنامه‌ریزی و سروکار داشتن با اقشار مختلف مردم آماده باشند وعده‌ای نیز جذب بعد نظری و آزمایشگاهی مهندسی می‌شوند که این عده نیز باید آمادگی کارهای محاسباتی، دفتری و آزمایشگاهی را داشته باشند. کارهایی که به ریاضیات قوی و صبر و حوصله بسیار نیاز دارد

شایان‌ذکر است که بسیاری از کارها و طرح‌های عمرانی در خارج از محیط‌های شهری بوده و فعالیت نسبتاً زیادی را می‌طلبد لذا داوطلب این رشته باید علاقه‌مند به کارهای عمرانی بوده و توانایی کار در محیط‌های پرجمعیت را داشته باشد

مدل‌سازی اطلاعات ساختمان و تحلیل سازه

ابزار مدل‌سازی اطلاعات ساختمان با داشتن خصوصیات دقیق از مصالح و خصوصیات هریک از آن‌ها و ابزارهای تحلیل در موارد گوناگونی از قبیل انرژی تحلیل مقاومت و پایداری و … امروزه مورداستفاده قرار می‌گیرد

طراحی عملکردی و سازه

بسیاری از افراد با عبارت ” فرم از عملکرد پیروی می‌کند” آشنا هستند. همه افراد می‌توانند نوع سازه به‌کاررفته را در ارتباط با عملکرد موردنظر آن در ساختمان‌هایی مانند پل‌ها، سدها، عملکردهای ورزشی، نیروگاه‌ها، بیمارستان‌ها، سیلوها و… تشخیص دهند؛ اما هنگامی‌که فقط روش‌هایی که در آن نیازهای عملکردی تعیین‌کننده هنر مهندسی سازه‌اند، در نظر گرفته شود، نتایج قابل‌توجهی حاصل می‌شود

سازه‌های معمارانه، اگر با حساسیت و مهارت کافی طراحی شوند، در ایجاد تصویری زیبا از ساختمان بسیار مؤثر خواهند بود

مهندس سازه باید به دو دلیل موارد متعددی را در مورد طراحی عملکردی بداند: اول آنکه وی می‌تواند با هوشمندی آنچه را که در اطراف وی قرار دارد در طی فرایند طراحی حس کند، این‌که چنین عواملی چگونه بر کار وی تأثیر مستقیم دارد، مهم نیست. دوم آنکه اگر طراح چنین تقاضاهایی را مشکل یا پرهزینه تشخیص دهد، می‌تواند پیشنهادات سازنده‌ای برای دستیابی به فرم سازه‌ای کاراتر و بدون تغییرات زیاد در عملکرد ارائه دهد

منابع

  • ستوده بیدختی، امیرحسین، 1393، مقدمه‌ای بر کاربرد مدل‌سازی اطلاعات ساختمان در مدیریت پروژه‌های ساخت، اولین کنفرانس ملی شهرسازی، مدیریت شهری و توسعه پایدار، تهران، مؤسسه ایرانیان، انجمن معماری ایران

  • Holgate, A. (1986), The art in structural design,Oxford University Press, London

  • مور، فولر (1385)، درک رفتار سازه‌ها، ترجمه دکتر محمود گلابچی، چاپ چهارم، انتشارات دانشگاه تهران، تهران

  • Blockley, D. (1980), The nature of structural design and safety, Ellis Horwood. Chichester

نوشته شده توسط تیم تحریریه مهندسین مشاور آرشکو

By |2022-08-05T13:02:51+04:30مارس 11th, 2017|articles, civil, Stratural|بدون ديدگاه

پلاسکو

ساختمان پلاسکو، ساختمانی تجاری در ضلع شمال شرقی چهارراه استانبول، تهران بود. و از آن به‌عنوان اولین آسمان‌خراش و ساختمان مدرن خاورمیانه یاد می‌شد. این ساختمان ۱۷ طبقه با اسکلتِ فلزی که در سال ۱۳۴۱ افتتاح شده بود، یکی از مهمترین مراکز تولید و فروش پوشاک در تهران بود. ساختمان پلاسکو در روز پنج‌شنبه ۳۰ دی ۱۳۹۵ پس از ۵۴ سال از زمان ساخت بر اثر آتش‌سوزی فرو ریخت و ۵۶۰ واحد تجاری در آن نابود شد

ساختمان پلاسکو شامل ۱۷ طبقه (یک طبقه زیرزمین، یک طبقه همکف و ۱۵ طبقه روی پیلوت) و سازه آن از نوع اسکلت فلزی بود. متراژ تقریبی زیربنای ساختمان پلاسکو ۲۹ هزار  متر مربع بود و طبقات اول تا چهارم مساحت بیشتری نسبت به سایر طبقات داشتند. سازه ساختمان پلاسکو تمام فولادی بود و حتی نمای بیرونی آن کلاف کشی و با فولاد بسته شده بود که با این شیوه ساخت استوار، مهندسین عمر مفید آن را ۲۰۰ سال تخمین می‌زدند

آسیب‌شناسی حادثه پلاسکو

 رفتار فولاد ساختمانی در شرایط آتش‌سوزی

 فولاد ساختمانی علیرغم مقاومت و شکل‌پذیری مناسب در دمای محیط، در دماهای بالا به‌شدت دچار افت مقاومت می‌شود. در شرایط آتش‌سوزی، دمای محیط بسته به‌شدت آتش می‌تواند تا 1000 درجه سانتی‌گراد بالا رود، به‌تبع آن دمای سازه افزایش، مقاومت آن کاهش می‌یابد. به‌عنوان مثال، فولاد ساختمانی بیش از 55 درصد مقاومت اولیه خود را تا دمای 600 درجه سانتی‌گراد از دست می‌دهد[‌1]. این تنها یک روی سکه است. روی دیگر، به وجود آمدن نیروهای ثانویه بزرگ در سازه در اثر انبساط حرارتی اجزای سازه است[‌2 و 3]. این دو عامل باعث به وجود آمدن تغییر شکل‌های بزرگ و سپس گسیختگی سازه می‌شوند

 “مکانیزم خرابی ساختمان پلاسکو”

:خرابی ساختمان اسکلت فلزی پلاسکو به‌طور خلاصه شامل مراحل زیر بوده است

الف- در اثر شدت حرارت آتش‌سوزی، ابتدا تیرهای سقف در طبقات حدود دهم، دچار تغییرشکل‌های بزرگ می‌شوند. چیزی شبیه تصاویر زیر که به‌ترتیب مربوط به آتش‌سوزی سال 1991 ساختمان‌ 38 طبقه وان مِریدیَن پلازا در فیلادلفیای آمریکا (شکل 1) و آتش‌سوزی سال 1990 ساختمان 14 طبقه برودگیت لندن در انگلستان (شکل 2) است [‌3]3

شکل 1: تغییر شکل تیرهای ساختمان وان مِریدیَن پلازا در اثر آتش‌سوزی 19 ساعته [‌3]3

شکل 2: تغییر شکل تیرها و ستون‌های ساختمان برُودگِیت در اثر آتش‌سوزی 4/5 ساعته [‌3]3

ب- در اثر نیروهای ثانویه به‌وجود آمده و افت مقاومت، اتصالات تیر به ستون دچار گسیخته می‌شوند

ج- کل سقف هر طبقه روی سقف زیرین فرومی‌ریزد و باعث پرتاب شدن دود و غبار به بیرون از پنجره‌ها (شبیه انفجار) می‌شود، درواقع انفجاری رخ نداده است (شکل 3)3

شکل 3: ریزش پی‌درپی سقف‌ها در داخل ساختمان پلاسکو و پرتاب دود و غبار از پنجره‌ها

د- با ریزش سقف، ستون‌ها مهار جانبی خود را از دست داده و با همراهی افت مقاومت فولاد، ستون‌ها نیز خراب می‌شوند

ه- به دلیل نوع سیستم سازه‌ای بکار رفته در ساختمان پلاسکو، ساختمان دچار خرابی پیش‌رونده می‌شود. در این نوع خرابی با از دست رفتن یکی از اعضای سازه‌ای اصلی، سایر اعضاء قادر به تحمل بارهای اضافی نبوده و با خرابی پی‌درپی، درنهایت کل ساختمان آوار می‌شود. مشابه این نوع خرابی قبلاً در حادثه 11 سپتامبر 2001 برج‌های شماره یک و دو مجتمع تجارت جهانی نیویورک در آمریکا (شکل 4) و آتش‌سوزی سال 2005 ساختمان 32 طبقه ویندزور در مادرید اسپانیا (شکل 5) رخ داده است [‌6]6

طراحی و اجرای معماری داخلی و خارجی

شکل 4: خرابی پیش‌رونده برج شماره یک مجتمع تجارت جهانی در اثر آتش‌سوزی (نیویورک 2001)1

شکل 5: ساختمان وینزور قبل و بعد از آتش‌سوزی شامل خرابی پیش‌رونده طبقات 21 تا 32 (مادرید 2005)5

 “عمق فاجعه فراتر از فروریختن یک ساختمان 54 ساله است”
ساختمان پلاسکو در برابر آتش طراحی نشده بود. اما تاب آوردن یک ساختمان در برابر آتش به روش طراحی سازه آن بستگی دارد و نه قدیمی یا جدید بودن آن. متأسفانه تفاوت ساختمان‌های جدید با ساختمان پلاسکو، فقط مقاومت آن‌ها در برابر زلزله است و نه آتش. تا لحظه نگارش این نوشتار، در ایران هنوز طرح سازه‌ها در برابر آتش الزامی نبوده و حتی در آیین‌نامه‌های طراحی ساختمان‌های ایران (ازجمله مبحث دهم مقررات ملی ساختمان[‌5]) وارد نشده است. تأکید بر قدیمی بودن ساختمان پلاسکو در گزارش‌ها، غیر کارشناسی و گمراه‌کننده است و این سرنوشت شوم می‌تواند در انتظار تک‌تک برج‌های اسکلت فلزی غیر مقاوم در برابر آتش و البته پرزرق‌وبرق جدید و امروزی در هر جای دنیا باشد

 در کشورهای پیشرفته، بیش از 50 سال است حفاظت سازه‌های فولادی در برابر آتش‌سوزی الزامی است
سازه‌های فولادی را باید با استفاده از پوشش‌های ضد حریق مقاوم‌سازی نمود. این روش صرفاً باعث به تأخیر انداختن افزایش دما در سازه می‌شود، تا سازه زمان بیشتری در آتش‌سوزی تاب آورده و برای فرار ساکنین و مهار آتش مجالی فراهم گردد. یا اینکه سازه فولادی را در برابر آتش‌سوزی طراحی نمود (راهکار مهندسی سازه در آتش)، به‌گونه‌ای که سازه خود بتواند بار آتش را از سر بگذراند. این راهکار اکیداً برای طراحی ساختمان‌های بلند توصیه می‌شود. در این ساختمان‌ها به دلیل سرایت و انتشار سریع آتش، همچنین سخت‌تر بودن مهار آتش و طولانی شدن زمان آتش‌سوزی، راهکار اول به‌تنهایی کافی نیست و پیشگیری از خرابی پیش‌رونده را تضمین نمی‌کند [‌8 – 6]6

راهکار مهندسی سازه در آتش، پس از حادثه 11 سپتامبر 2001 نیویورک موردتوجه پژوهشگران قرارگرفته و از آن زمان تاکنون از موضوعات تحقیقاتی روز دنیاست. پژوهش در این حوزه جذاب اما علاوه بر نیاز به تجهیزات آزمایشگاهی خاص، خطرات، هزینه بسیار بالای آزمایش‌ها و پیچیدگی‌های خاص خود را به همراه دارد. تحقیقات صورت گرفته در این زمینه در کشور بسیار اندک و انگشت‌شمار است [‌10 و 9]. لذا لزوم پژوهش، توسعه و تربیت نیروی متخصص در این زمینه بسیار محسوس است
در این حادثه مهم‌تر از معرفی مقصر، شناخت راهکارهای مؤثر جهت جلوگیری از تکرار چنین فجایعی است. آخر سخن، اینکه در صورت عبور از زلزله، آتش‌سوزی پس از زلزله تهدیدی جدی‌تر نه‌فقط برای ساختمان، بلکه برای تمام شهر یا کلان‌شهر خواهد بود

منابع

  1.  Rezaeian A, Yahyai M. Fire response of steel column-tree moment resisting frames. Materials and Structures (2015) 48:1771-1784, doi: 10.1617/s11527-014-0271-1.

  2.  Yahyai M, Rezaeian A. Behavior of beams in bolted column-tree frames at elevated temperature. Fire and Materials (2015) 40:482-497, doi: 10.1002/fam.2305.

  3.  NIST. “Final report on the collapse of world trade center building 7”. NIST NCSTAR 1A, NIST, Gaithersburg, MD, (2008).

  4.  Kodur V, Yahyai M, Rezaeian A, Eslami M, Poormohamadi A. Residual mechanical properties of high strength steel bolts subjected to heating-cooling cycle, Journal of Constructional Steel Research (2017) 131:122–131.

  5.  وزارت مسکن و شهرسازی، معاونت امور مسکن و ساختمان؛ «مبحث دهم مقررات ملی ساختمان، طرح و اجرای ساختمان‌های فولادی»؛ ویرایش چهارم، 1392

  6.  محمود یحیائی و عباس رضائیان. “عملکرد اتصال پیچی لینک به دستک در قاب‌های خمشی درختی تحت اثر آتش‌سوزی”، نشریه علمی- پژوهشی مهندسی سازه و ساخت، شماره سوم، 1394

  7.  محمود یحیایی، عباس رضائیان و مهدی صفائیان. ” رفتار ستون-های فولادی با مقطع باکس در دماهای بالا”، کنفرانس ملی حفاظت ساختمان‌ها و سیستم‌های حمل‌ونقل در برابر آتش، مرکز تحقیقات راه، مسکن و شهرسازی، تهران، 1395

  8.  عباس رضائیان، محمود یحیایی. ” رفتار اتصالات فولادی تیر به ستون در شرایط آتش‌سوزی”، دومین همایش ملّی مهندسی سازه ایران، تهران، 1394

  9.  عباس رضائیان و مرضیه ابراهیم‌زاده. “ارزیابی ایمنی ساختمان‌های بسیار بلند در آتش‌سوزی: مطالعه موردی برج شانگهای”، دومین کنفرانس ملی بناهای بلند، وزارت راه و شهرسازی، تهران، 1394

  10.  عباس رضائیان و محمود یحیایی، رفتار تیرهای فولادی در قاب‌های خمشی درختی پیچی در حرارت بالا. چهارمین کنفرانس ملی سازه و فولاد، تهران 1392

نوشته شده توسط تیم تحریریه مهندسین مشاور آرشکو

Go to Top