همه چیز درباره ی دیوار برشی

منظور از دیوار برشی چیست؟

با نیروهای جانبی موثر بر یک سازه (در اثر باد یا زلزله) به طرق مختلف مقابله می شود که اثر زلزله بر ساختمان ها 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 به خصوص 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 مکان ها 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 در کجا قرار می گیرد 

انواع دیوار برشی

1. دیوار های برشی فولادی: بعضی مواقع ورق های فولادی به عنوان دیوارهای برشی به کار 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 ورق های 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 ساختمان های مصالح بنایی از دیوار برشی مصالح بنایی 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 روش ها 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.

 ضوابط آرماتور بندی دیوار برشی و میلگرد گذاری دیوار برشی 

دیوار برشی بتن مسلح

دو نوع دیوار برشی بتنی مسلح وجود دارد:

1. دیوار برشی درجا: 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 پانل ها به قاب توسط میخ های 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:

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

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 به کاربرده 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/5 350 سطح 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

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 برشی: 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.

 حداقل میلگرد دیوار برشی و حداقل طول دیوار برشی 

دیوار برشی راه ‌حل مقابله با زلزله

علم مهندسی زلزله ساختمان ‌ها در سال 1950 میلادی هم زمان با فعالیت‌ های گسترده بازسازی پس از پایان جنگ جهانی دوم شروع گردید.
تلاش‌ های اولیه به منظور مقاوم ‌سازی ساختمان ‌های بتنی، 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 جمع‌ آوری اطلاعات مربوط به زمین ‌لرزه‌های چهار دهه اخیر، امکان ارایه روشی مدرن برای طراحی سازه‌ های مقاومت در برابر زلزله را فراهم آورده است.
در طی دهه 1950، سیستم ”قاب خمشی شکل‌ پذیر“ از سیستم ”قاب خمشی“ که در آن زمان تنها سیستم مقاوم در ساختمان ‌های 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 سیستم‌ های جدیدتر و کارآمدتری نظیر دیوارهای برشی و یا خرپاها برای تحمل فشار جانبی باد در ساختمان‌ های بلند رایج شدند و تقریبا روش ساخت به صورت قاب تنها در این ساختمان ‌ها، کنار گذاشته شد.
تحقیقات تجربی و تئوری انجام شده در سراسر جهان طی دهه‌ های 60 و 70 و 80 میلادی منجر به جمع‌آوری اطلاعات مفصلی در رابطه با واکنش سیستم‌ های ساختمانی دارای دیوار برشی در هنگام زلزله شد که این مطالعات بر اهیمت قاب خمشی شکل ‌پذیر در کاهش بار زلزله تاکید داشتند. با توجه به اینکه سازه‌های دارای صلبیت بیشتر (یعنی شکل ‌پذیری کمتر) در هنگام زلزله، تحت نیروهای به مراتب قوی ‌تری قرار می ‌گیرند و از آن جا که وجود دیوار برشی در ساختمان ‌ها باعث افزایش صلبیت آنها می ‌شود، کاربرد دیوارهای برشی، نامناسب تشخیص داده شد و بیشتر ساختمان ‌ها به روش قاب خمشی ساخته شدند. برای نمونه در برخی از کشورها خصوصا کشورهای توسعه نیافته بدون رعایت حداقل ضوابط شکل ‌پذیری، قاب ‌های ساختمانی از انواع شکننده و فاقد قابلیت تحمل زلزله‌ های قوی بدون وارد آمدن آسیب شدید به ساختمان، اجرا شدند و همانگونه که در زمین لرزه ‌های چهار دهه اخیر مشاهده شد، بسیاری از ساکنین خود را در ”تله ‌های مرگ“ گرفتار کردند. آنچه در زیر می ‌آید، بیان خلاصه ‌ای از رفتار سازه‌ های دیوار برشی است که در حوادث زمین لرزه‌ های 30 سال اخیر قرار داشته ‌اند.

عکس دیوار برشی و کاربرد دیوار برشی 

زلزله ماه مه سال 1960 شیلی

اولین گزارش در ارتباط با رفتار ساختمان‌ های دارای دیوار برشی، مربوط به این زلزله می ‌باشد تجربیات در زلزله شیلی، کاربرد دیوارهای برشی در زلزله‌ های شدید را در کاهش خسارات سازه ‌ای و غیرسازه ‌ای، تایید می‌ کند. در چند مورد، دیوارهای برشی ترک خورده‌ اند اما رفتار کلی ساختمان تغییر نکرده است.

زلزله ماه ژوئیه سال 1963 یوگسلاوی

در این زمین ‌لرزه، دیوارهای بتنی غیرمسلح به کار رفته (مثلا 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 قسمت ‌های تحتانی تیرهای محیطی، در اثر لرزش‌ های 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 نهایتا 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 برج ‌های 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)

ویرانی ‌های این زلزله در مکزیک، به خوبی عواقب عدم استفاده از دیوارهای برشی تقویت کننده را نشان داد. در این زمین ‌لرزه 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 ساختمان‌ های چندین طبقه است. در این زمین ‌لرزه 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 پانل ‌های بزرگ موجود در این چهار شهر هیچگونه آسیبی ندیده و در میان ویرانه‌ های ساختمان ‌های دیگر، پابرجا ماندند.
در دهه‌ های اخیر روش ‌های شکل ‌پذیر ساختن سیستم‌ های سازه ‌ای 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 شکلی ‌پذیری (ductility) را با انعطاف‌ پذیری (flexibility) اشتباه کردند و در نتیجه سازه‌ های انعطاف ‌پذیر زیادی در مناطق زلزله‌خیز جهان ساخته شد. با اینکه تعدادی از آنها شکل‌ پذیر بودند اما هنگام وقوع زلزله، در اثر پیچش زیاد بین طبقات، خسارات غیر قابل جبرانی به این ساختمان ‌ها وارد شد. در ساختمان‌ سازی امروزی که تنها 20 درصد کل مخارج مربوط به هزینه در سیستم سازه‌ای و مابقی صرف مخارج کارهای معماری و تاسیسات برقی و مکانیکی می ‌شود. انتخاب یک سیستم سازه‌ ای مناسب که امنیت جانی و مالی افراد را در برداشته باشد از اهمیت ویژه ‌ای برخوردار بوده و یکی از راه‌ های رسیدن به چنین امنیتی استفاده از دیوارهای برشی در سازه‌ های بتنی می ‌باشد.
جزئیات شکل ‌پذیری دیوارهای برشی که بعد از مطالعات اخیر، در برخی آئین ‌نامه ‌ها ذکر شده‌اند هنوز در زلزله‌های واقعی مورد آزمایش قرار نگرفته‌اند. بدون شک استفاده از این جزئیات، باعث شکل ‌پذیرتر شدن دیوارها می ‌شود ولی میزان دقیق بهره‌وری از شکل ‌پذیری باید در زلزله ‌های واقعی و یا مطالعات پیچیده پاسخ‌ های دینامیکی دیوار در اثر زلزله مشخص شود. طراحی دیوار به صورت شکل ‌پذیر 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 ترک ‌خوردگی و حالت گسیختگی برشی نیز مشخص باشد.

نتیجه گیری 

با اینکه سازه‌های دیوار برشی در 30 سال اخیر، از فولاد کمتر از مقدار توصیه شده توسط آئین ‌نامه‌ های فعلی آمریکا برخوردار بوده‌اند اما با این وجود در برابر زلزله ‌های این سه دهه به خوبی مقاومت کرده ‌اند. بررسی ‌های انجام شده از سال 1963 به بعد روی عملکرد این سازه‌ ها، هنگام وقوع زلزله، نشان داده ‌اند که با وجود مشاهده ترک ‌های مختلف، حتی یک مورد ویرانی یا تلفات جانی در سازه‌ های با دیوار برشی گزارش نشده است. اغلب خسارات ساختمان‌ های 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 شیوه ‌های قدیمی و غیر علمی است. با مشاهده ویرانی ساختمان‌ ها تحت زلزله ‌های اخیر (1972 نیکاراگوئه و 1985 مکزیک و 1988 ارمنستان)، تاکید بر استفاده از دیوارهای برشی (مخصوصا در ساختمان‌ های مسکونی) امری معقول به نظر می‌رسد و نشان می‌ دهد که ساخت سازه‌ های بدون دیوار برشی در مناطق با زلزله‌ حیزی شدید یک نوع ریسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصیه نمی ‌باشد.

تعریف دیوار برشی 

شما می توانید برای کسب اطلاعات بیشتر از دیگر مقالات ما بازدید نمایید:

• نحوه اتصال دیوار به ستون بتنی یا وال پست چگونه است؟
• بررسی مقاومت نمونه بتن مکعبی و استوانه ای
• اسلب بتنی یا دال بتنی چیست؟