دیوار برشی
یکی از سیستم‌های مناسب برای مقابله با نیروهای جانبی مؤثر بر یک سازه ( اثر باد یا زلزله) استفاده از دیوار سازه‌ای برشی است. اثر زلزله بر ساختمان‌ها از سایر اثرات وارد بر آنها کاملاً متفاوت است. نیروهای ناشی از زلزله به مراتب شدیدتر و پیچیده‌تر از سایر نیروهای مؤثر هستند. عناصر مقاوم در مقابل نیروهای فوق شامل قاب خمشی، دیوار برشی یا ترکیبی از آن دو هستند. از لحاظ برتری می‌توان گفت که دیوار برشی اقتصادی‌تر از قاب است. این دیوارها قسمت عمده‌ی نیروهای جانبی وارد بر سازه و برش‌های حاصل از آن را جذب می‌کنند.
مزایای دیوار برشی
- کنترل تغییر مکان جانبی ساختمان (Drift)
- تغییر مکان جانبی ساختمان‌های دارای دیوار برشی در مقایسه با سازههای دارای بادبند کمتر است.
- برای سازههای بلند استفاده از قاب خمشی به تنهایی کافی نیست. و استفاده از دیوارهای برشی اجتناب ناپذیر است.
- امکان جانمائی دیوار برشی در فضاهای محدود (مانند هسته آسانسور و پشت راه پله‌های گرد).
- افزایش سختی ساختمان و افزایش ضریب ایمنی در مقابل شکست و ریزش و کاهش خسارت به اعضای غیر سازه‌ای.
- اگر نسبت ارتفاع به طول دیوار کمتر از ۲ یا ۳ باشد به آن دیوار برشی کوتاه می‌گویند.. دیوارهای برشی کوتاه در مقابل خمش مقاومت بیشتری دارند ولی در برابر برش از مقاومت کمی برخوردار هستند. بنابراین در این دیوارها رفتا ربرشی حاکم است.
- اگر نسبت ارتفاع به طول زیاد باشد،به آن دیوار برشی بلند (طره‌ای) می‌گویند. رفتار این نوع دیوارها بر خلاف نامشان اغلب خمشی است.
معایب دیوار برشی
امکان شکست برشی در صورت عدم طراحی مناسب، ایجاد نیروی بالا، رانش در صورت عدم تخمین صحیح تعداد دیوارها و قرارگیری نامناسب آنها.
آنچه که باید برای دیوارهای برشی مورد نظر باش، شامل موارد زیر است.
- مقاومت
- شکل پذیری
- ظرفیت جذب انرژی
- حداقل کاهش در سختی
انواع دیوارهای برشی با توجه به شکل مقطع
دیوارهای برشی به صورت دو بعدی (تیغه‌ای) و یا سه بعدی اجرا می‌شوند. دیوارهای سه بعدی که در دو انتهای خود دارای بال هستند (مقاطع بالدار) از پایداری و شکل پذیری بیشتری در مقایسه با دیوارهای بدون بال (تیغه‌ای) برخوردار هستند.
انواع دیوار برشی از لحاظ شکل مقطع
- دیوار برشی مستطیل شکل با آرماتور گذاری یکنواخت در سراسر مقطع
- دیوار برشی مستطیل شکل با آرماتور گذاری متمرکز در دو انتهای دیوار
- دیوار برشی دمبلی شکل یا I شکل
در دیوارهای برشی دارای بازشو اگر دیوار در پائین‌ترین قسمت خود دارای یک یا چند بازشو باشد، هر یک از اجزاء 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 یا برای اجزای دوطرف بازشو در دیوارهای شامل بازشوهای بزرگ، از تیرهای رابط با شکل پذیری زیاد به نام تیرهای همبند استفاده میشود. در این حالت دیوارهایی را که به هم متصل می‌شوند، دیوارهای هم بسته می‌گویند.
رفتار غیرالاستیك دیوار برشی
تحقیقات انجام شده بر روی دیوارهای برشی بتن مسلح نشان می‌دهد دیوارهایی كه به حد كافی و به نحو مناسب آرماتورگذاری شده‌اند نسبت به دیوارهای با آرماتورگذاری كمتر، ترك‌ها را در محدوده وسیع‌تری از سطح خود پخش كرده‌‌ا‌ند. اغلب این ترك‌ها بسته هستند به ویژه هنگامی كه فولادها به حد جاری شدن نرسیده باشند. همچنین مشخص شده كه آرماتورگذاری پیرامون بازشوها، تاثیر مهمی بر ظرفیت دیوار برشی دارد.
دیوارهای برشی دارای بازشو نیز چنانچه به نحو مناسبی طراحی و آرماتورگذاری شده باشند، رفتار شكل پذیر مناسب و خاصیت استهلاك انرژی بالایی دارند. به همین دلیل توصیه میشود تا حد امكان از آنها در ساختمان‌ها استفاده شود. این دیوارها در واقع مركب از دو یا چند دیوار هستند كه توسط تیرهای كوپله به یكدیگر متصل شده‌اند لذا باید نحوه تخریب هر دو قسمت بررسی شود.
شكست ناشی از شكست خود دیوارهای برشی
در تخریب‌های انجام شده در دیوارهای برشی طی زمین لرزه‌های گذشته مشخص شده كه چهار نوع ضعف موجب چنین تخریب‌هایی می‌شوند كه باید در طراحی، آنها را شناسایی و تدابیر لازم جهت جلوگیری از آن اتخاذ نمود.
- تخریب خمشی
- تخریب برشی
- تخریب لغزندگی
- تخریب چرخشی پایه شالوده
در تخریب خمشی، مفصل یا لولای خمیری در پای دیوار تشكیل میشود كه محل حداكثر نیروی برشی نیز است. 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، ترك‌های ناشی از خمش در منطقه مفصل پلاستیك در ضخامت و طول بزرگتر شده و سپس با ترك‌های ناشی از كشش قطری تركیب می‌شوند كه نهایتاً پس از چند تناوب، بتن دیگر قادر به تحمل برش نیست و تمامی برش باید توسط آرماتورها تحمل شود. در تخزیب 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 به شدت می‌كاهد و موجب به وجود آمدن تخریب‌های دیگر در سازه نیز میشود.
شكست ناشی از شكست تیرهای كوپله
در واقع 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 بر اثر حركت جانبی، خمشی دیوارها، چرخش قابل ملاحظه‌ای در محل اتصال دیوارها به تیرها اعمال میشود و همین چرخش موجب تولید لنگر قابل توجه و جاری شدن مقاطع تیرها میشود. اغلب سه نوع تخریب در تیرهای كوپله مشاهده میشود.
- تخریب خمشی
- شكست كششی قطری
- شكست قطری فشاری و كششی
طراحی دیوارها باید به نحوی باشد كه از تشكیل لولای خمیری (جاری شدن آرماتورها) جلوگیری شود. به نحوی كه شكست قطری كششی كه شكستی ترد است، نه در دیوار و نه در تیرهای كوپله رخ ندهد، و بطور كلی دیوارها به نحوی رفتار كنند كه لولای خمیری ابتدا در تیرهای كوپله و سرانجام در دیوارها تشكیل شود.
انواع دیوار برشی
استفاده از دیوار برشی به اشکال گوناگون بتن مسلح، فلزی یا ترکیب این دو به عنوان سیستم رایج مقاوم در برابر بارهای جانبی روشی متداول در سازه‌ها است.
دیوار برشی فولادی
بعضی مواقع ورقهای فولادی به عنوان دیوارهای برشی بکار می‌روند. برای جلوگیری از کمانش موضعی چنین دیوارهای برشی فولادی لازم است از تقویت کننده‌های قائم و افقی استفاده شود.
دیوارهای برشی فولادی (SPSW)
برای گرفتن نیروهای جانبی زلزله و باد در ساختمان‌ها مورد توجه قرار گرفته‌اند. این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به گسترش است در ساخت ساختمان‌های جدید و همچنین تقویت ساختمان‌های موجود به خصوص در کشورهای زلزله خیزی همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است. استفاده از آنها در مقایسه با قاب‌های فو‌الادی ممان گیر تا حدود ۱۰ درصد صرفه جویی در مصرف فو‌لاد را در سازه ساختمان‌ها به همراه داشته است.
دیوارهای برشی فولادی از نظر اجرایی، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد. دقت انجام کار در حد دقت‌های متعارف در اجرای سازههای فولادی بوده و با رعایت آن ضریب اطمینان اجرائی به مراتب با‌لاتر از انواع سیستم‌های دیگر است. با توجه به سادگی و امکان ساخت آن در کارخانه و نصب آن در محل، سرعت اجرای سیستم بالا بوده و از هزینه‌های اجرایی تا حد بالایی کاسته میشود.
در سیستم دیوارهای برشی فولادی به علت گستردگی مصالح و اتصالات، تعدیل تنش‌ها به مراتب بهتر از سیستم‌های مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قاب‌ها و انواع مهاربندها که معمولاً مصالح به صورت دسته شده و اتصاالت متمرکز هستند، صورت گرفته و رفتار سیستم به خصوص در محدوده‌ی پلاستیک مناسب‌تر است.
انواع سیستم‌های دیوار برشی فولادی
در حالت کلی سیستم دیوار برشی فولادی به سه نوع تقسیم بندی میشود.
- دیوار برشی فولادی با سخت کننده
- دیوار برشی فولادی بدون سخت کننده
- دیوار برشی فولادی کوپله
مزایای سیستم دیوار برشی فولادی
- این سیستم اگر به درستی طرح و اجرا شود، دارای شکل پذیری و قابلیت اتلاف انرژی بالایی است. در نتیجه، سیستم دیوار برشی فولادی در مقابله با نیروهای جانبی خیلی مؤثر و اقتصادی هستند.
- این سیستم دارای سختی اولیه نسبتاً بالایی است. بنابراین در محدود کردن تغییر مکان‌های نسبی به ویژه در ساختمان‌های بلند مؤثر است.
- در مقایسه با سیستم دیوار برشی بتن مسلح، دیوار برشی فولادی خیلی سبک‌تر است. از این رو بار زلزله کمتری به سازه اعمال میشود و در نتیجه وزن سازه کمتر میشود.
- به جهت ضخامت کمتر دیوار برشی فولادی در مقایسه با دیوار برشی بتن مسلح، از لحاظ معماری دیوار برشی فولادی فضای کمتری را نسبت به دیوار برشی بتن مسلح اشغال می‌کند. در ساختمان‌های بلند اگر از دیوار برشی بتن مسلح استفاده شود، دیوار در طبقات پایین ضخیم تر شده و مساحت بیشتری از پالن را اشغال می‌کند.
- در مقایسه با دیوار برشی بتن مسلح، این سیستم زمانی که در مقاوم سازی لرزه‌ای ساختمان‌های موجود مورد استفاده قرار گیرد به دلیل حذف قالب بندی از لحاظ ساخت سریع‌تر و آسان‌تر است.
- این سیستم در مناطق سردسیر که ساخت بتن صرفه اقتصادی ندارد مؤثر و عملی خواهد بود.
دیوارهای برشی فولادی مرکب
دیوارهای برشی مرکب شامل ورقهای تقویت شده فولادی مدفون در بتن مسلح، خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح و دیوارهای مرکب که با یک قاب فولادی یا با یک قاب مرکب تؤام هستند.
این سیستم شامل پانل‌های مجزا است که هر پانل در داخل دو تیر و ستون جانبی قرار گرفته است. مقاومت مجموعه نیز پس از کمانش ورق فولادی از طریق عمل میدان کشش قطری به وجود آمده در ورق فولادی در ترکیب با عمل خمشی قاب تامین میشود. این سیستم نوین در عین حال که قابلیت سایر سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی، مانند قاب خمشی، مهاربندی هم محور و مهاربندی برون محور را دارا است به لحاظ میزان مصرف فو‌لاد و همچنین اجرای ساده‌تر و سطح تمام شده تمیزتر، برتر از سایر سیستم‌ها است.
مزایای دیوار برشی فولادی مركب
- در مقایسه با یک دیوار برشی بتن مسلح، دیوار برشی مرکب با مقاومت برشی یکسان و در عین حال سختی برشی بیشتر، حجم کمتری از فضا را اشغال می‌کند که این خاصیت در معماری سازه و استفاده مفید از فضا بسیار سودمند است.
- وزن دیوار برشی مرکب مسلحکمتر بوده و این خاصیت علاوه بر کاهش وزن در طراحی فونداسیون برای وزن کمتر، کمک بسزایی می‌کند.
- خسارات ناشی از زلزله در دیوارهای برشی بتنی موجب ترك برداشتن و شکستن و در دیوارهای برشی فولادی سبب گسیختگی فو‌لاد میشود، اما در دیوارهای برشی مرکب (مخصوصاً وقتی از دیوار برشی نوین استفاده میشود) در حد جاری شدن ورق بوده و حتی در بتن هم ترکی ایجاد نمی‌شود.
- بتن مسلح موجود در دیوار برشی مرکب به عنوان عایق حرارتی و صوتی و نیز محافظ ورق فولادی دربرابر آتش‌سوزی است.
دیوارهای برشی مصالح بنایی
در ساختمان‌های مصالح بنایی از دیوارهای مصالح بنایی توپر غیر مسلح استفاده می‌شده است. ولی این دیوارها از نقطه نظر مقاومت در مقابل زلزله ضعف دارند و اکنون به جای آنها از دیوارهای برشی مسلح نظیر دیوارهای با آجر تو خالی و پر شده با دوغاب استفاده میشود.
دیوارهای برشی بتن مسلح
نوع دیگری از دیواهای برشی، دیوارهای برشی بتن مسلح است. یکی از مطمئن‌ترین 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 لرزه‌ای عمل می‌کند و یک عضو ضروری برای سازههای بتن مسلح بلند و یک عضو مناسب برای سازههای متوسط و کوتاه است.
انواع دیوار برشی بتن مسلح
دو نوع دیوار برشی بتن مسلح وجود دارد.
دیوار برشی در‌جا
در دیوار برشی در جا به منظور حفظ یکنواختی و پیوستگی میلگردهای دیوار، به قاب محیطی قلاب می‌شوند.
دیوار برشی پیش ساخته
در دیوارهای برشی پیش ساخته یکنواختی و پیوستگی از طریق اتصال پانل‌ها به قاب توسط میخ‌های فولادی صورت می‌گیرد.
نیروهای وارد به دیوار برشی
به طور کلی دیوارهای برشی تحت نیروهای زیر قرار می‌گیرند.
- نیروی برشی متغیر که مقدار آن در پایه حداکثر است.
- 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.
- نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات که روی دیوار برشی تکیه دارد.
مقاوم سازی لرزه‌ای ساختمان با استفاده از دیوار برشی بتنی
یکی از روش‌های مقاوم سازی ساختمان‌های بتنی اضافه نمودن دیوار برشی است. دیوار برشی مقاومت، سختی و شکل پذیری سازه را به شدت افزایش می‌دهد و باعث بهبود رفتار لرزه‌ای سازه و کاهش تغییر شکل‌های و خسارات وارد به دیگر المان‌های بتنی سازه میشود.
چنانچه تیر و ستون‌های سازه بتنی قابلیت تحمل بارهای ثقلی را داشته اما تحت بارهای لرزه‌ای آسیب پذیر باشد اضافه نمودن دیوار برشی باعث جذب نیروی جانبی لرزه‌ای توسط این دیوارها شده و از اعمال نیروها و تغییر شکل‌های لرزه‌ای به تیرها و ستون‌ها جلو گیری می‌نماید. در نتیجه اضافه نمودن تنها دو یا چهار دیوار برشی باعث کاهش آسیب پذیری تمامی تیرها و ستون‌ها میشود.
اتصال دیوار برشی به سازه باید به نحوی باشد که بتواند نیروی طبقه را به دیوار منتقل نماید تا دیوار بتواند نیروی زلزله را به خود جذب کند و با سختی خود از تغییر شکل‌های جانبی ساختمان را کاهش دهد. برای این منظور در تراز سقف‌ها باید اتصالات مناسبی توسط کاشت بولت بین دیوار برشی و دال بر قرار شود. همچنین می‌توان با استفاده از کاشت بولت در تیر و ستون و پوشاندن این المان‌ها در بتن دیوار برشی انسجام خوبی بین دیوار و سازه موجود بر‌قرار نمود.
ترمیم و تقویت سازههای بتنی توسط دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمان‌های فولادی مورد قرار گرفته است. ویژگی‌های منحصر به فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است ، از ویژگی‌های آن اقتصادی بودن، اجرای آسان، وزن کم نسبت به سیستم‌های مشابه، شکل پذیری زیاد، نصب سریع، جذب انرژی بالا و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه را می‌توان نام برد.
چون 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 به غیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی‌آید.
همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیستم‌های مهار بندی بهتر است. در سیستم دیوارهای برشی فولادی به علت گستردگی مصالح و اتصالات، تعدیل تنش‌ها به مراتب بهتر از سیستم‌های مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قاب‌ها و انواع مهاربندی که معمولاً در آنها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات متمرکز هستند، صورت گرفته و رفتار سیستم به خصوص در محیط پلاستیک مناسب‌تر است.
طراحی دیوار برشی
یکی از مهمترین مزایای برنامه ETABS ، طراحی دیوار برشی است. این برنامه قادر است دیوارها را بر اساس شرایط دو بعدی و سه بعدی طراحی کند.
برنامه ETABS دیوارها را با سه روش طراحی می‌کند که انتخاب روش توسط کاربر است. سه روش طراحی برنامه ETABS به شرح زیر است.
- روش المان مرزی – تحت عنوان Simppified T and C
- روش میلگردگذاری بکنواخت – تحت عنوان Uniform Reinforceing
- روش عمومی و کامل بر اساس میلگردگذاری دلخواه – تحت عنوان General Reinforceing
روش المان مرزی روشی ساده و سریع است و معمولاً در محاسبات دستی از آن استفاده میشود. دو روش بعدی بر اساس منحنی اندرکنش سه بعدی هستند و دقت بسیار بالائی دارند. در روش دوم مقطع دیوار با میلگردهایی که دارای شماره و فاصله یکسان هستند طراحی میشود. اما در روش سوم فاصله و شماره میلگردها دلخواه است.
