همه چیز درباره ی دیوار برشی

نویسنده : کلینیک بتن ایران
تاریخ ثبت : 1396/10/03

دیوار برشی

با نیروهای جانبی موثر بر یک سازه ( در اثر باد یا زلزله ) به طرق مختلف مقابله می شود که اثر زلزله بر ساختمانها از سایر اثرات وارد بر آنها کاملا متفاوت می باشد . ویژگی اثر زلزله در این است که نیروهای ناشی از آن به مراتب شدیدتر و پیچیده تر از سایر نیروهای موثر می باشند . عناصر مقاوم در مقابل نیروهای فوق شامل قاب خمشی ، دیوار برشی و یا ترکیبی از آن دو می باشند . استفاده از قاب خمشی به عنوان عنصر مقاوم در مقابل نیروهای جانبی بخصوص اگر نیروهای جانبی در اثر زلزله باشند احتیاج به جزئیات خاصی دارد که شکل پذیری کافی قاب را تامین نماید .این جزئیات از لحاظ اجرایی غالبا دست و پاگیر بوده و در صورتی می توان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد که کیفیت اجرا و نظارت در کارگاه خیلی بالا باشد از لحاظ برتری می توان گفت که دیوار برشی اقتصادی تر از قاب می باشد و تغییر مکانها را کنترل می کند در حالی که برای سازه های بلند قاب به تنهایی نمی تواند در این زمینه جوابگو باشد . حال به ذکر چند نمونه از دیوارهای برشی می پردازیم :

 دیوار برشی

1-دیوار های برشی فولادی : بعضی مواقع ورقهای فولادی به عنوان دیوارهای برشی بکار می روند . برای جلوگیری از کمانش موضعی چنین دیوارهای برشی فولادی لازم است از تقویت کننده های قائم و افقی استفاده شود.

2-دیوارهای برشی مرکب : دیوارهای برشی مرکب شامل : ورقها ی تقویت شده فولادی مدفون در بتن مسلح ، خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح و دیوارهای مرکب ممکن دیگر ، که تماما با یک قاب فولادی و یا با یک قاب مرکب توام هستند می شود

3- دیوارهای برشی مصالح بنایی : از دیر زمان در ساختمانهای مصالح بنایی از دیوارهای مصالح بنایی توپر غیر مسلح استفاده می شده است ولی روشن شده است که این دیوارها از نقطه نظر مقاومت در مقابل زلزله ضعف دارند و لذا اکنون به جای آنها از دیوارهای برشی مسلح نظیر دیوارهای با آجر تو خالی و پر شده با دوغاب استفاده می شود . 4-دیوارهای برشی بتن مسلح : نوع دیگری از دیواهای برشی ، دیوارهای برشی بتن مسلح است که در این مقاله به آن می پردازیم. یکی از مطمئن ترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی استفاده از دیوار برشی بتن مسلح است . دیوار برشی به عنوان یک ستون طره بزرگ و مقاوم در برابر نیروهای لرزه ای عمل می کند و یک عضو ضروری برای سازه های بتن مسلح بلند و یک عضو مناسب برای سازه های متوسط و کوتاه می باشد .

 دیوار برشی

انواع دیوار برشی بتن مسلح:

 دو نوع دیوار برشی بتن مسلح وجود دارد:

1-دیوار برشی در جا  :در دیوار برشی در جا به منظور حفظ یکنواختی و پیوستگی میلگرد های دیوار ، به قاب محیطی قلاب می شوند .

2-دیوار برشی پیش ساخته : در دیوار های برشی پیش ساخته یکنواختی و پیوستگی با تهیه کلیه های ذوزنقه شکل در طول لبه های پانل و یا از طریق اتصال پانلها به قاب توسط میخهای فولادی صورت می گیرد . تاثیر شکل دیوار : تعبیه بال در دیوارها برای پایداری و شکل پذیری سازه بسیار مفید می باشد  .

نیروهایی که به دیوارهای برشی وارد می شوند:

به طور کلی دیوار های برشی تحت نیروهای زیر قرار می گیرند :

1-نیروی برشی متغیر که مقدار آن در پایه حداکثر می باشد .

2-لنگر خمشی متغیر که مقدار آن مجددا در پای دیوار حداکثر است و ایجاد کشش در یک لبه ( لبه نزدیک به نیروها و فشار در لبه متقابل می نماید ) با توجه به امکان عوض شدن جهت نیروی باد یا زلزله در ساختمان ، کشش باید در هر دو لبه دیوار در نظر گرفته شود.

3-نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات که روی دیوار برشی تکیه دارد .

توجه : در صورتی که ارتفاع دیوار برشی کم باشد ، غالبا نیروی برشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود لیکن اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد لنگر خمشی حاکم بر طراحی آن خواهد بود . به هر حال دیوار باید برای هر دو نیروی فوق کنترل و در مقابل آنها مسلح گردد.

 دیوار برشی

طراحی دیوار برشی در مقابل برش:

اگر Vu تلاش برشی نهایی در مقطع مورد طراحی باشد بر طبق آیین نامه ایران باید Vu=5υchd=φchd(fc)^0.5  تعیین نیروی برشی مقاوم نهایی بتن :

الف- حالتی که دیوار تحت اثر برش یا تحت اثر توام برش و فشار قرار دارد Vc=υcbwd:

ب- حالتی که دیوار تحت اثر برش و کشش فرار دارد : Vc=υc(1+Nu/(3Ag))bwd (A) در این رابطه کمیت Nu/Ag بر حسب ( N/mm^2 ) می باشد و Nuدر این رابطه منفی می باشد حال اگر محاسبه نیروی برشی مقاوم نهایی بتن ( Vc) با جزئیات بیشتر مورد نظر باشد آنرا برابر با کمترین مقدار به دست آمده از دو رابطه زیر در نظر گرفته می گیریم و Vc=1.65υchd + (Nud)/(5Lw) وVc=(0.3υc+(Lw(0.6υc+0.15Nu/(Lwh)))/(Mu/Vu-Lw/2))hd Nu

نیروی محوری برای فشار مثبت و برای کشش منفی است چنانچه Mu/Vu-Lw/2 منفی باشد رابطه A بکاربرده نمی شود . نیروی برشی مقاوم نهایی Vc برای کلیه مقاطعی که در فاصله ای کمتر از کوچکترین دو مقدار Lw/2 و hw/2 از پایه دیوار قرار دارند برابر با مقاومت برشی مقطع در کوچکترین این دو مقدار در نظر گرفته می شود .

نیروی برشی مقاوم نهایی آرماتور ها (Vs) از رابطه زیر محاسبه می شود Vs = φsAvfy d/S2 Av  سطح مقطع آرماتور برشی در امتداد برش و در طول فاصله S2 می باشد چنانچه مقدار Av را در اختیار نداشتیم می توان Vs را از رابطه زیر به دست آورد  Vs=Vu-Vc سپس به کمک رابطه فوق Av را به دست می آوریم . برای تامین برش مقاوم Vsعلاوه بر آرماتور های برش افقی Av آرماتور های برشی قائم نیز باید در دیوار پیش بینی شود آرماتور گذاری در دیوار مطابق زیر انجام می شود : چنانچه Vu=0.0025 فاصله میلگرد های (S2 ) از هم نباید از مقادیر زیر بیشتر باشد : ρn= 3h Lw/5 350سطح مقطع کل بتن در امتداد برش / سطح مقطع آرماتور برشی در امتداد عمود بر برش نباید کمتر از 0.0025 و یا کمتر از مقدار زیر در نظر گرفته شود : ρn=0.0025+0.5(2.5-hw/Lw)( ρh-0.0025) لزومی ندارد  ρn>ρh در نظر گرفته شود . طراحی دیوار برشی در مقابل خمش : چنانچه ارتفاع دیوار برشی بلندتر از دو برابر عمق آن باشد مقاومت خمشی آن مشابه تیری که آرماتور گذاری آن در لبه های آن متمرکز است محاسبه می شود .

مقاومت خمشی Mu یک دیوار برشی مستطیلی نظیر دیوار برشی این چنین محاسبه می شود :

Mr=0.5AsφsFyLw(1+Nu/(AsφsFy))(1-C/Lw) در رابطه فوق : Mr مقاومت خمشی نهایی دیوار :Nu  نیروی محوری موجود در مقطع دیوار: As   سطح مقطع کل آرماتور های قائم دیوار Fy  : تنش تسلیم فولاد :  Qs  ضریب تقلیل ظریب فولاد Lw  : طول افقی دیوار مقدار C/Lw از رابطه زیر به دست می آید  C/Lw=(w+α)/(2w+0.85β1) مقدار β 1 از روابط زیر به دست می آید : Fc=55 N/mm^2 → β1=0.65، w=As/(Lwh)*(φsFy)/( φcfc) φs=0.85 φc=0.6 a=Nu/(Lw*h*φcfc) h  عرض دیوار : Fc  مقاومت فشاری بتن ابتدا با توجه به آرماتور های قائم حداقل که به علت نیازهای برشی در دیوار تعبیر شده اند ظرفیت خمشی مقطع را به دست می آوریم . همواره باید ظرفیت خمشی بزرگتر یا مساوی نیروی خمشی نهایی دیوار باشد.

( Mr>=Mu) چنانچه ظرفیت خمشی کمتر از نیروی خمشی دیوار به دست آید باید یا با کاهش فواصل یا افزایش قطر آرماتور های قائم مقدار As آنقدر افزایش یابد تا خمش بزرگتر از لنگر خمشی مقطع گردد . شکست برشی لغزشی : در شکست برشی لغزشی ، دیوار برشی به طور افقی حرکت می کند برای جلوگیری از این نوع شکست آرماتورهای تسلیح قائم که به طور یکنواختی در دیوار قرار گرفته اند موثر خواهد بود و تسلیح قطری نیز می تواند موثر باشد . در قسمت زیر انواع مودهای شکست یک دیوار برشی طره ای گفته شده است : الف ـ گسیختگی خمشی ب ـ شکست لغزشی ج ـ شکست برشی د ـ دوران پی دیوارهای برشی با بازشو ها: شکست برشی یک دیوار برشی با بازشو ها ، اگرچه می توان با به کار بردن مقدار زیادی خاموت باعث اتلاف انرژی شد اما نمی توان انتظار شکل پذیری زیادی از آن داشت بنابراین بهتر است در چنین شرایطی از تسلیح قطری استفاده کرد .

 دیوار برشی

دیوار برشی راه‌حل مقابله با زلزله

علم مهندسی زلزله ساختمان‌ها در سال 1950 میلادی هم زمان با فعالیت‌های گسترده بازسازی پس از پایان جنگ جهانی دوم شروع گردید.

تلاش‌های اولیه به منظور مقاوم‌سازی ساختمان‌ها، براساس فرضیاتی نه چندان دقیق بر روی واکنش سازه در اثر ارتعاش زمین صورت گرفت که بدلیل کمبود ابزار تحلیل مناسب و سوابق اطلاعاتی کافی در مورد زلزله، روش‌های ناقصی بودند. مشاهده عملکرد سازه‌ها در هنگام وقوع زلزله و همچنین مطالعات تحلیلی و کارهای آزمایشگاهی و جمع‌آوری اطلاعات مربوط به زمین‌لرزه‌های چهار دهه اخیر، امکان ارایه روشی مدرن برای طراحی سازه‌های مقاومت در برابر زلزله را فراهم آورده است.

در طی دهه 1950، سیستم ”قاب خمشی شکل‌پذیر“ از سیستم ”قاب خمشی“ که در آن زمان تنها سیستم مقاوم در ساختمان‌های چندین طبقه‌ بتنی و فولادی بود ، منشا گرفت و به دلیل رفتار مناسب این سیستم در برابر زلزله، کاربرد آن تا اواخر دهه 1970 ادامه یافت. در طی این مدت سیستم‌های جدیدتر و کارآمدتری نظیر دیوارهای برشی و یا خرپاها برای تحمل فشار جانبی باد در ساختمان‌های بلند رایج شدند و تقریباً روش ساخت به صورت قاب تنها در این ساختمان‌ها، کنار گذاشته شد.

تحقیقات تجربی و تئوری انجام شده در سراسر جهان طی دهه‌های 60 و 70 و 80 میلادی منجر به جمع‌آوری اطلاعات مفصلی در رابطه با واکنش سیستم‌های ساختمانی دارای دیوار برشی در هنگام زلزله شد که این مطالعات بر اهیمت قاب خمشی شکل‌پذیر در کاهش بار زلزله تاکید داشتند. با توجه به اینکه سازه‌های دارای صلبیت بیشتر (یعنی شکل‌پذیری کمتر) در هنگام زلزله، تحت نیروهای به مراتب قوی‌تری قرار می‌گیرند و از آنجا که وجود دیوار برشی در ساختمان‌ها باعث افزایش صلبیت آنها می‌شود، کاربرد دیوارهای برشی، نامناسب تشخیص داده شد و بیشتر ساختمان‌ها به روش قاب خمشی ساخته شدند. برای نمونه در برخی از کشورها خصوصاً کشورهای توسعه نیافته بدون رعایت حداقل ضوابط شکل‌پذیری، قاب‌های ساختمانی از انواع شکننده و فاقد قابلیت تحمل زلزله‌های قوی بدون وارد آمدن آسیب شدید به ساختمان، اجرا شدند و همانگونه که در زمین لرزه‌های چهار دهه اخیر مشاهده شد، بسیاری از ساکنین خود را در ”تله‌های مرگ“ گرفتار کردند. آنچه در زیر می‌آید، بیان خلاصه‌ای از رفتار سازه‌های دیوار برشی است که در حوادث زمین لرزه‌های 30 سال اخیر قرار داشته‌اند.

 دیوار برشی

زلزله ماه مه سال 1960 شیلی:

اولین گزارش در ارتباط با رفتار ساختمان‌های دارای دیوار برشی، مربوط به این زلزله می‌باشد تجربیات در زلزله شیلی، کاربرد دیوارهای برشی در زلزله‌های شدید را درکاهش خسارات سازه‌ای و غیرسازه‌ای، تایید می‌کند. در چند مورد، دیوارهای برشی ترک خورده‌اند اما رفتار کلی ساختمان تغییر نکرده است.

زلزله ماه ژوئیه سال 1963 یوگسلاوی:

در این زمین‌لرزه، دیوارهای بتنی غیرمسلح بکار رفته (مثلاً در هسته ساختمان و یا در طول آن) توانستند با مهار کردن پیچش بین طبقات از خسارات عمده جلوگیری کنند و تنها در چند مورد استثنائی قسمت‌های تحتانی تیرهای محیطی، در اثر لرزش‌های شدید، جدا شده بود.

زلزله ماه فوریه سال 1971 سن فرناندو (کالیفرنیا):

پس از وقوع این زلزله، ساختمان 6 طبقه مرکز پزشکی IN-DIAN HILL با سیستم مرکب قاب و دیوار برشی، تنها نیاز به ترمیم داشت در حالیکه ساختمان 8 طبقه بیمارستان HOLLY CROSS در کنار آن بدلیل اینکه سیستم قاب تنها در آن بکار رفته بود. به شدت آسیب دید و نهایتاً تخریب شد.

زلزله ماه مارس سال 1977 بخارست (رومانی):

در این زلزله که 35 ساختمان چندین طبقه به طور کامل ویران شد، صدها ساختمان بلند و برج‌های آپارتمانی که در آنها از دیوارهای بتنی در امتداد کریدورها و یا سرتاسر ساختمان استفاده شده بود، بدون خسارات عمده، سالم و قابل استفاده باقی ماندند.

زلزله ماه اکتبر سال 1985 مکزیکوسیتی (مکزیک):

ویرانی‌های این زلزله در مکزیک، به خوبی عواقب عدم استفاده از دیوارهای برشی تقویت کننده را نشان داد. در این زمین‌لرزه حدود 280 ساختمان چند طبقه با سیستم قاب تنها، به دلیل نداشتن دیوار برشی به طور کامل تخریب شده و از بین رفتند.

زلزله ماه دسامبر سال 1988 ارمنستان:

زلزله ارمنستان در سال 1988 دلیل دیگری بر نتایج منفی حذف دیوارهای برشی در ساختمان‌های چندین طبقه است. در این زمین‌لرزه 72 ساختمان به دلیل نداشتن دیوار برشی، به کلی ویران شده و 149 ساختمان در چهار شهر Leninakam و Spitak و Kirovakan و Stepomavan دچار آسیب‌های شدید شدند. با این وجود کلیه 21 ساختمان با پانل‌های بزرگ موجود در این چهار شهر هیچگونه آسیبی ندیده و در میان ویرانه‌های ساختمان‌های دیگر، پابرجا ماندند.

در دهه‌های اخیر روش‌های شکل‌پذیر ساختن سیستم‌های سازه‌ای که گاهی قابلیت افزایش مقاومت در برابر زلزله را نداشتند مورد توجه قرار گرفت که ضمن ایجاد احساس امنیت کاذب، هیچگونه بازدهی کافی نداشتند. در ابتدای پیدایش علم مهندسی زلزله، بسیاری از متخصصین مفهوم شکلی‌پذیری (ductility) را با انعطاف‌پذیری (flexibility) اشتباه کردند و در نتیجه سازه‌های انعطاف‌پذیر زیادی در مناطق زلزله‌خیز جهان ساخته شد. با اینکه تعدادی از آنها شکل‌پذیر بودند اما هنگام وقوع زلزله، در اثر پیچش زیاد بین طبقات، خسارات غیر قابل جبرانی به این ساختمان‌ها وارد شد. در ساختمان‌سازی امروزی که تنها 20 درصد کل مخارج مربوط به هزینه در سیستم سازه‌ای و مابقی صرف مخارج کارهای معماری و تاسیسات برقی و مکانیکی می‌شود. انتخاب یک سیستم سازه‌ای مناسب که امنیت جانی و مالی افراد را در برداشته باشد از اهمیت ویژه‌ای برخوردار بوده و یکی از راه‌های رسیدن به چنین امنیتی استفاده از دیوارهای برشی در سازه‌های بتنی می‌باشد.

جزئیات شکل‌پذیری دیوارهای برشی که بعد از مطالعات اخیر، در برخی آئین‌نامه‌ها ذکر شده‌اند هنوز در زلزله‌های واقعی مورد آزمایش قرار نگرفته‌اند. بدون شک استفاده از این جزئیات، باعث شکل‌پذیرتر شدن دیوارها می‌شود ولی میزان دقیق بهره‌وری از شکل‌پذیری باید در زلزله‌های واقعی و یا مطالعات پیچیده پاسخ‌های دینامیکی دیوار در اثر زلزله مشخص شود. طراحی دیوار به صورت شکل‌پذیر هنگامی صحیح است که مقاومت آن از طریق خمش صورت بگیرد نه از طریق برش و همچنین ظرفیت برشی دیوار در هر مقطع از برش آن مقطع که بر مبنای مقاومت خمشی دیوار به دست می‌آید، بیشتر باشد. علاوه بر این نه تنها ظرفیت برشی نهائی بلکه رفتار عضو بین حالت شروع ترک‌خوردگی و حالت گسیختگی برشی نیز مشخص باشد.

نتیجه

با اینکه سازه‌های دیوار برشی در 30 سال اخیر، از فولاد کمتر از مقدار توصیه شده توسط آئین‌نامه‌های فعلی آمریکا برخوردار بوده‌اند اما با این وجود در برابر زلزله‌های این سه دهه به خوبی مقاومت کرده‌اند. بررسی‌های انجام شده از سال 1963 به بعد روی عملکرد این سازه‌ها، هنگام وقوع زلزله، نشان داده‌اند که با وجود مشاهده ترک‌های مختلف، حتی یک مورد ویرانی یا تلفات جانی در سازه‌های با دیوار برشی گزارش نشده است. اغلب خسارات ساختمان‌های با سیستم قاب، در اثرپیچش طبقات (و در نتیجه گسیختگی برشی ستون‌ها) بوده است. البته این دلیل بر عدم مقاومت سازه‌های قابی طرح شده به روش‌های جدید، در برابر زلزله نمی‌باشد بلکه هدف نمایش قابلیت بالای دیوارهای برشی حتی در صورت آرماتورگذاری با شیوه‌های قدیمی و غیر علمی است. با مشاهده ویرانی ساختمان‌ها تحت زلزله‌های اخیر (1972 نیکاراگوئه و 1985 مکزیک و 1988 ارمنستان)، تاکید بر استفاده از دیوارهای برشی (مخصوصاً در ساختمان‌های مسکونی) امری معقول به نظر می‌رسد و نشان می‌دهد که ساخت سازه‌های بدون دیوار برشی در مناطق با زلزله‌حیزی شدید یک نوع ریسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصیه نمی‌باشد.

 

سایر مقالات
زهکشی
زهکشی
دور نمودن آب از سطح دامنه و جلوگیری از نفوذ آن، مخصوصا در مورد دامنه‌ هایی که بطور بالقوه ناپایدارند، از مهمترین روش های مهندسی دستیابی به پایداری است.
ادامه مطلب
روند اجرای کفپوش اپوکسی
روند اجرای کفپوش اپوکسی
مواد اولیه مورد استفاده از جمله رزین و هاردنر موادی هستند که مستقیما از اروپا وارد شده اند.
ادامه مطلب
ساختمان های بتن آرمه با شیوه ی قالب های تونلی
ساختمان های بتن آرمه با شیوه ی قالب های تونلی
از آن جا که اجرای قالب ‌بندی سقف و دیوار به صورت سلولی و هم زمان انجام می ‌شود به نام تونلی مرسوم است. در سیستم اجرای تونلی، دیوار ها و سقف ‌های بتون مسلح به صورت هم ‌زمان آرماتور بندی، قالب‌بندی و بتن‌ ریزی می‌ شوند. این روش، ضمن افزایش سرعت و کیفیت اجرا و عملکرد سازه‌ای و رفتار لرزه ‌ای مجموعه سازه را به لحاظ یکپارچگی اعضا و اتصالات آن‌ ها به نحو چشمگیری بهبود می‌ بخشد.
ادامه مطلب
تست التراسونیک بر روی بتن (بخش ۱)
تست التراسونیک بر روی بتن (بخش ۱)
تست التراسونیک بر روی بتن یا تست سرعت پالس التراسونیک بر روی بتن، یک نوع آزمایش غیر مخرب برای اندازه‌گیری همگنی و مقاومت بتن می‌باشد
ادامه مطلب