عملکرد دیوار برشی : بررسی اندرکنش قاب و دیوار برشی

وجود دیوارهای برشی بتن­ آرمه در ساختمان، افزایش چشمگیر سختی سازه را در پی خواهد داشت. نتیجه ی افزایش سختی، کاهش اثرات ثانویه مانند اثر P-Δ و… خواهد بود. این مزیت، ایمنی ساختمان در برابر فروریزش را بالا می­ برد. مزایای بسیارِ دیوارهای برشی ، سبب شده است تا کاربرد این سیستم در سازه­ ها افزایش یابد. اما همواره بحث جانمایی دیوارهای برشی به دلیل ملاحظات معماری، دردسر بزرگی برای مهندسین سازه بوده است؛ که با آمدن نوع جدیدی از دیوارها، بنام دیوار برشی کوپله تا حد زیادی رفع شده است.

در این مقاله قصد داریم پس از تحلیل اقتصادی کاربرد دیوار برشی در سازه، با عملکرد دیوار برشی و جزئیات اندر کنش قاب و دیوار آشنا شویم. درمورد بحث جانمایی و ضوابط آرماتور گذاری دیوارهای برشی نیز، در مقالات جداگانه بحث کرده ایم.

هم چنین در پایان، درباره کاربرد دیوارهای برشی در مقاوم سازی (یا بهتر است بگوییم: بهسازی ) ساختمان ­های موجود، توضیح مختصری داده شده است.

تحلیل اقتصادی کاربرد دیوار برشی در سازه :

دیوار برشی به صورت یک صفحه بتن آرمه از فونداسیون شروع شده و با قاب­ها و سقف گیردار می­ شود. دیوار برشی برای ساختمان­ های بین 30 تا 40 طبقه اقتصادی به نظر می ­رسند. در ساختمان ­های بلندتر، تنش ­های ناشی از نیروهای جانبی باعث می­ شود که ضخامت مورد نیاز برای دیوار برشی کارایی و اقتصادی بودن سیستم را کاهش دهد.

کاربرد این سیستم، با سیستم دال تخت نیز عموماً نتایج اقتصادی را درپی دارد.

مقایسه اقتصادی بین سیستم قاب خمشی و سیستم مختلط قاب و دیوار برشی در استاندارد 2800 نشان می­ دهد که، برای ساختمان­ های بلندتر از 5 طبقه، در سیستم قاب خمشی، ستون­ ها و تیرها ابعاد بزرگتری دارند، ولی ابعاد فونداسیون مورد نیاز برای آن­ها کوچک­ تر است.

در مجموع بایست گفت که سیستم مختلط نیاز به فولاد کمتری دارد ولی بتن مصرفی در آن بیشتر است.

عملکرد برشی و خمشی دیوار برشی :

بر خلاف عنوان برشی برای این سیستم، رفتار دیوار برشی به صورت یک تیر طره بسیار قوی است که پای آن گیردار می ­باشد. و با ایجاد تغییر شکل­ های خمشی و برشی، در مقابل نیروهای جانبی مقاومت نموده و آن­ ها را به فونداسیون انتقال می­ دهد.

در صورتی که ارتفاع دیوار برشی کم باشد. غالباً، نیروی برشی، حاکم بر طراحی آن خواهد بود. اما اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد، لنگر خمشی، حاکم بر طراحی آن خواهد بود. در هر حال، دیوار برشی باید برای هر دو نیروی فوق کنترل و در برابر آن­ها مسلح گردد.

به طور کلی نیروهایی که یک دیوار برشی متحمل آن می­ شود، به قرار زیر است:

  1. نیروی برشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
  2. لنگر خمشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
  3. نیروی محوری فشاری (ناشی از وزن طبقات)
این مطلب را از دست ندهید :  آرماتور گذاری دیوار برشی مطابق ضوابط آیین نامه : بررسی خروجی ایتبس

برای دیوارهای برشی مطابق شکل زیر چهار حالت شکست را می­ توان در نظر گرفت:

4 حالت شکست دیوار برشی

4 حالت شکست دیوار برشی

در چه مواردی بهتر است از دیوار برشی در سازه استفاده شود؟

همانطورکه پیش ­تر اشاره شد، وجود دیوارهای برشی در سیستم باربر جانبی، سختی سازه را به صورت چشمگیری بالا می ­برد. در نتیجه در شرایطی که کنترل دریفت ساختمان دشوار است، می ­توان با اضافه کردن دیوار برشی به سیستم باربر جانبی این مشکل را به آسانی برطرف کرد.

همچنین از نظر مکانیزم خرابی، دیوارهای برشی قادر هستند حتی پس از پذیرش ترک ­های زیاد در برابر بارهای ثقلی (که برای آن­ها نیز طراحی شده ­اند) مقاومت کنند. در صورتی که این مورد به طور کامل از ستون­ ها قابل انتظار نیست.

از دیگر مزایای بکارگیری دیواربرشی در سازه می­ توان به کاهش خسارت به اجزای غیرسازه­ ای که گاهاً پرهزینه ­تر از اعضای سازه ­ای هستند نیز اشاره کرد.

بررسی اندرکنش عملکرد دیوار برشی و قاب :

از ابتدای مقاله چند مرتبه دیوار برشی را با یک تیر طره بزرگ، معادل دانسته­ ایم. در این بخش نیز با تحلیلی مشابه قصد داریم مفهوم دشواری را به صورت ساده بیان نماییم.

در شکل زیر تغییر مکان حداکثر تیر کنسولی را تحت بارگذاری وارده مشاهده می ­کنید.

همانطور که می ­دانیم این مقدار بسیار بیشتر از سایر تیرها می ­باشد.

تشبیه تغییر مکان حداکثر تیر کنسول به تغییر مکان و عملکرد دیوار برشی

تغییر مکان حداکثر تیر کنسول تحت بار متمرکز

در ساختمان­ های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی، دیوار برشی، نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی ­کند؛ بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی (به علت رفتار طره ­ای) یک کشش مضاعف از سوی دیوار، به قاب اعمال خواهد شد.

بنابراین اندرکنش قاب و دیوار، در واقع یک اثر نامطلوب بوده و بایستی از آن پرهیز شود.

چگونه از اثر نامطلوب اندرکنش قاب و دیوار برشی جلوگیری کنیم؟

برای این منظور، در قدم اول بایست متوجه شویم که در کدامیک از طبقات سازه ی ما، چنین مشکلی وجود دارد.

برای این منظور به صورت زیر عمل می­ نماییم:

  • ابتدا از مسیر زیر نیروی طبقات را به دست می ­آوریم.

  • هر یک از طبقاتی که نیروی کمی داشته باشد را بدون دیوار برشی مدلسازی می­ کنیم. زیرا وجود دیوار برشی در این طبقات نه تنها سود بخش نیست بلکه وزن سازه را هم بالا می­ برد.
    نیروی طبقات را در شکل زیر مشاهد می ­کنید:

نیروی طبقات در ایتبس

همانطور که در تصویر فوق دیده می­ شود، تحت نیروی زلزله Ex، در طبقه 15 نیروی بسیار کمتری نسبت به سایر طبقات به وجود آمده است. با انجام این پروسه برای زلزله در جهت Y و سایر دیوارهای برشی ، نهایتاً طراح می ­تواند تصمیم خود را بگیرد. تصمیمی مبنی بر اینکه در طبقه 15ام آیا مناسب است که دیوار برشی قرار گیرد یا خیر!

این مطلب را از دست ندهید :  دیوار برشی فولادی

آیا ممکن است نیروی طبقه در دیوار برشی عددی منفی شود؟

بله این امکان وجود دارد؛ در واقع رخداد چنین اتفاقی به معنی تکیه کردن دیوار برشی بر قاب است. به عبارت دیگر در این حالت دیوار برشی در رفتار لرزه­ ای سازه تاثیر منفی دارد و قطعاً باید دیوار را در طبقه مذکور حذف کرد.

مدلسازی تیر در دیوار برشی :

مدل سازی تیر در تراز طبقات، هنگام طراحی سازه­ هایی که دارای دیوار برشی هستند، بحث مهمی است.

گاهاً مهندسین به دلیل سختی بسیار بالایی که دیواربرشی دارد، مدلسازی و اجرای تیرها را در تراز طبقات کاری بیهوده می ­دانند.

اما باید بدانید که مدلسازی و اجرای این تیرها از دو جنبه حائز اهمیت است:

  1. مهار میلگردهای طولی سایر تیرها؛ که فرایند آرماتورگذاری را آسان ­تر می ­کند.
  2. بهره­ مندی از عمل میدان فشاری به دلیل تبدیل شدن به خرپا. ( عملکردی مشابه با میدان کششی در تیرورق­ های فولادی).

چالش دیگری نیز در این زمینه مطرح می شود؛ و آن بی نیاز کردن طراح از طراحی جمع کننده های دیافراگم است، که توضیحات بیشتر در این زمینه را می توانید در مقاله ” طراحی جمع کننده های دیافراگم ” مشاهده نمایید.

دیوار برشی در بهسازی سازه ها :

یکی از روش­ های معمول و رایج در بهسازی ساختمان­ ها در برابر زلزله، استفاده از دیوارهای برشی بتن­ آرمه می­ باشد. استفاده از دیوارهای برشی، در افزایش ظرفیت لرزه­ ای ساختمان و کاهش تغییر مکان جانبی (دریفت) بسیار موثر است. با استفاده از این روش مقاومت ساختمان و همچنین شکل ­پذیری آن افزایش می­ یابد.

از نکات مهم در این روش، نحوه قرارگیری دیوارهای جدید و جانمایی آن­ها در سازه­ های قدیمی می­ باشد. که به دلیل پیچش، باید حتی­ المقدور دیوارها چه در ارتفاع و چه در پلان به صورت منظم و متقارن قرار گیرند.

نکته مهم دیگری که باید به آن توجه داشت این است که به دلیل وزن نسبتاً زیادی که دیوارها می­ توانند به سازه اولیه اعمال نمایند، باید از آن­ها تنها در قاب­ هایی که ظرفیت برشی کمی دارند استفاده شود و از استفاده بیش از اندازه آن­ها جلوگیری شود.

همچنین تقویت فونداسیون در زمان اجرای دیوار برشی جدید، بسیار مهم می ­باشد. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه ی مقاله ” آرماتو گذاری فونداسیون “ بسیار مفید است.

از نظر اقتصادی با توجه به مقاومت بالای این دیوارها، استفاده از آن­ ها در ساختمان­ های بلند مرتبه به صرفه بوده، ولی در مورد ساختمان­ های با ارتفاع کم و متوسط، مسائل جانبی از قبیل تقویت اجزای سازه ­ای مجاور به دیوار و مسائل اجرایی، تاثیر زیادی بر جنبه ­های اقتصادی آن می­ گذارد.

این مطلب را از دست ندهید :  کنترل ترک خوردگی دیوار برشی درایتبس 2015 + فیلم آموزشی رایگان

در تصویر زیر نمونه ای از مقاوم سازی سازه با دیوار برشی را مشاهده می­ کنید.

مقاوم سازی با دیوار برشی

مقاوم سازی با دیوار برشی

نتیجه گیری :

  1. وجود و عملکرد دیوار برشی بتن­ آرمه در ساختمان، افزایش چشمگیر سختی سازه را در پی خواهد داشت. نتیجه ی افزایش سختی، کاهش اثرات ثانویه مانند اثر P-Δ و… خواهد بود. این مزیت، ایمنی ساختمان در برابر فروریزش را بالا می­ برد.
  2. دیوار برشی برای ساختمان­ های بین 30 تا 40 طبقه اقتصادی به نظر می ­رسند. در ساختمان­ های بلندتر، تنش ­های ناشی از نیروهای جانبی باعث می­ شود که ضخامت مورد نیاز برای دیوار برشی کارایی و اقتصادی بودن سیستم را کاهش دهد.
  3. امروزه با شناخت رفتار لرز­ه ­ای و امکان اجرای دیوارهای برشی کوپله، دیگر معماران چندان در تامین فضاهای معماری خود دچار مشکل نخواهند بود و مشکلات جانمایی دیوار برشی به نوعی حل شده است.
  4. در ساختمان­ های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی دیوار برشی نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی­ کند، بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی( به علت رفتار طره­ ای) یک کشش مضاعف از سوی دیوار به قاب اعمال خواهد شد.
  5. یکی از روش ­های معمول و رایج در بهسازی ساختمان­ ها در برابر زلزله، استفاده از دیوارهای برشی بتن­ آرمه می ­باشد. استفاده از دیوارهای برشی، در افزایش ظرفیت لرزه­ ای ساختمان و کاهش تغییر مکان جانبی (دریفت) بسیار موثر است. با استفاده از این روش، مقاومت ساختمان و همچنین شکل­ پذیری آن افزایش می­ یابد.
  6. از نظر اقتصادی با توجه به مقاومت بالای این دیوارها، استفاده از آن­ ها در ساختمان­ های بلند مرتبه به صرفه بوده ولی در مورد ساختمان­ های با ارتفاع کم و متوسط، مسائل جانبی از قبیل تقویت اجزای سازه­ ای مجاور به دیوار، مانند تقویت فونداسیون و مسائل اجرایی، تاثیر زیادی بر جنبه­ های اقتصادی آن می­ گذارد.

 

پس از مطالعه این مقاله شما قادر خواهد بود با یک دید مهندسی و اقتصادی در وضعیت­ های گوناگون متصور برای هر پروژه­ ای، نسبت به کاربرد دیوار برشی در سازه اقدام نمایید. و با شناختی که از اندرکنش قاب و دیوار به دست آورده اید نسبت به حذف دیوار برشی در برخی از طبقات فوقانی سازه اقدام نمایید تا به طرحی ایمن و اقتصادی دست یابید.

منابع :

  1. Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14)
  2. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، ویرایش 1392.
  3. مدلسازی لرزه­ ای و تحلیل عددی سازه ­ها در ETABS، مهندس مهدی ترابی، انتشارات نوآور، 1392.
0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *