آموزش گام به گام طراحی دیوار برشی در ایتبس به همراه نحوه جانمایی آن در پلان سازه

همانطور که می دانید طراحی دیوار برشی در ایتبس به سبب تاثیری که بر سختی سازه، اثرات ثانویه ساختمان مانند اثر P-Δ و… دارد موضوع بسیار مهمی است اما چند سوال به نظر شما آیا  می‌توان ابعاد مشخصی برای مش بندی مناسب ارائه داد؟ جانمایی دیوار برشی در پلان سازه باید به چه صورتی باشد؟ آیا ممکن است نیروی طبقه در دیوار برشی عددی منفی شود؟

در این مقاله جامع به بررسی طراحی دیوار برشی در ETABS می پردازیم و به تمامی سوالات شما پاسخ خواهیم داد.

1. عملکرد دیوار برشی

دیوار برشی به صورت یک صفحه بتنی از فونداسیون شروع شده و با قاب­ ها و سقف درگیر می­‌شود. به طور کلی، دیوار برشی برای ساختمان­‌های بین 30 تا 40 طبقه اقتصادی می‌باشد. در ساختمان‌های بلندتر، تنش‌های ناشی از نیروهای جانبی باعث می‌شود که افزایش ضخامت دیوار برشی، کارایی و اقتصادی بودن سیستم را کاهش دهد.

رفتار دیوار برشی در برابر بارهای جانبی داخل صفحه، با توجه به ابعاد و هندسه آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد. به‌ طور کلی رفتار دیوارهای برشی کوتاه یک یا دو طبقه، در برابر بارهای جانبی به‌صورت برشی می‌باشد؛ در این حالت، دیوار دچار تغییر شکل‌های برشی می‌شود. نسبت ارتفاع به طول دیوار با رفتار برشی کمتر یا برابر یک بوده و به این دیوارها، دیوارهای کوتاه هم گفته می‌شود. این دیوارها در برابر لنگر خمشی، رفتار بهتری نسبت به نیروهای برشی دارند.

اگر دیوار بیشتر از 3 یا 4 طبقه ارتفاع داشته باشد، بارهای جانبی عمدتاً با عملکرد خمشی دیوار طره‌ای تحمل می‌گردند. معمولاً در دیوارهای برشی لاغر و بلند با نسبت ارتفاع به طول بزرگ‌تر یا مساوی 3، دیوار برشی به‌صورت یک تیر طره عمل می‌کند و با ایجاد تغییر شکل‌های خمشی، برش را تحمل می‌نماید.

مقایسه اقتصادی بین سیستم قاب خمشی و سیستم مختلط قاب و دیوار برشی در استاندارد 2800 نشان می‌دهد که، برای ساختمان‌های بلندتر از 5 طبقه، در سیستم قاب خمشی، ستون‌ها و تیرها ابعاد بزرگ‌تری دارند، ولی ابعاد فونداسیون مورد نیاز برای آن‌ها کوچک‌تر است. در مجموع بایستی گفت که سیستم مختلط نیاز به فولاد کم‌تری دارد ولی بتن مصرفی در آن بیشتر است.

در ساختمان‌های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی دیوار برشی نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی‌کند، بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی (به علت رفتار طره‌ای) یک کشش مضاعف از سوی دیوار به قاب اعمال خواهد شد.

از نظر اقتصادی با توجه به مقاومت بالای این دیوارها، استفاده از آن‌ها در ساختمان‌های بلند مرتبه به صرفه بوده ولی در مورد ساختمان‌های با ارتفاع کم و متوسط، مسائل جانبی از قبیل تقویت اجزای سازه‌ای مجاور به دیوار، مانند: تقویت فونداسیون و مسائل اجرایی، تأثیر زیادی بر جنبه‌های اقتصادی آن می­‌گذارد.

1. 1  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 می‌باشد. و با ایجاد تغییر شکل‌های خمشی و برشی، در مقابل نیروهای جانبی مقاومت نموده و آن‌ها را به فونداسیون انتقال می‌دهد.

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 می‌شود، به قرار زیر است:

• نیروی برشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
• لنگر خمشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
• نیروی محوری فشاری (ناشی از وزن طبقات)

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

شکل 1 حالت‌های شکست دیوار برشی

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

همانطور که پیش‌تر اشاره شد، وجود دیوارهای برشی در سیستم باربر جانبی، سختی سازه را به صورت چشم‌گیری بالا می‌برد. در نتیجه در شرایطی که کنترل دریفت ساختمان دشوار است، می‌توان با اضافه کردن دیوار برشی به سیستم باربر جانبی این مشکل را به آسانی برطرف کرد. همچنین نتیجه‌ی افزایش سختی، کاهش اثرات ثانویه مانند اثر P-Δ  و… خواهد بود. این مزیت، ایمنی ساختمان در برابر فرو ریزش را بالا می‌برد.

از نظر مکانیزم خرابی، دیوارهای برشی قادر هستند حتی پس از پذیرش ترک‌های زیاد در برابر بارهای ثقلی (که برای آن­ها نیز طراحی شده‌اند) مقاومت کنند. در صورتی که این مورد به طور کامل از ستون‌ها قابل انتظار نیست.

از دیگر مزایای بکارگیری دیوار برشی در سازه می‌توان به کاهش خسارت به اجزای غیرسازه­ ای که گاهاً پرهزینه‌تر از اعضای سازه‌ای هستند نیز اشاره کرد. علاوه بر این موارد، امروزه با شناخت رفتار لرز­ه‌­ای و امکان اجرای دیوارهای برشی کوپله (دیوارهای برشی با بازشو)، دیگر معماران چندان در تأمین فضاهای معماری خود دچار مشکل نخواهند بود و مشکلات جانمایی دیوار برشی به نوعی حل شده است.

2. بررسی اندرکنش قاب و دیوار برشی

در این بخش قصد داریم با تحلیلی مشابه مفهوم دشواری را به صورت ساده بیان نماییم. در شکل زیر تغییر مکان حداکثر تیر کنسولی را تحت بارگذاری وارده مشاهده می‌کنید همانطور که می ­دانیم این مقدار بسیار بیشتر از سایر تیرها می‌باشد

.

شکل 2 تغییرمکان حداکثر تیر کنسول تحت بار متمرکز

در ساختمان‌های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی، دیوار برشی، نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی‌کند؛ بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی (به علت رفتار طره‌ای) 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 کار، در قدم اول باید متوجه شویم که در کدام یک از طبقات سازه‌ی ما، این مشکل وجود دارد پس به صورت زیر عمل می‌کنیم:

ابتدا از مسیر زیر نیروی طبقات را به دست می‌آوریم.

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

همانطور که در تصویر فوق دیده می‌شود، 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 می‌تواند تصمیم خود را بگیرد. تصمیمی مبنی بر این که در طبقه 15 ام آیا مناسب است که دیوار برشی قرار گیرد یا خیر!

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 لرزه‌ای سازه تأثیر منفی دارد و قطعاً باید دیوار را در طبقه مذکور حذف کرد.

2. 1 مقاوم سازی سازه‌ها با استفاده از دیواربرشی

یکی از روش‌های معمول و رایج در بهسازی ساختمان‌ها در برابر زلزله، استفاده از دیوارهای برشی بتن­ آرمه می‌باشد. استفاده از دیوارهای برشی، در افزایش ظرفیت لرزه‌ای ساختمان و کاهش تغییر مکان جانبی بسیار مؤثر است. با استفاده از این روش مقاومت ساختمان و همچنین شکل ­پذیری آن افزایش می­‌یابد.

از نکات مهم در این روش، نحوه قرارگیری دیوارهای جدید و جانمایی آن­ها در سازه‌های قدیمی می‌باشد. 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 می‌توانند به سازه اولیه اعمال نمایند، باید از آن­ها تنها در قاب‌هایی 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 می‌باشد. در تصویر زیر نمونه‌ای از مقاوم سازی سازه با دیوار برشی را مشاهده می‌کنید.

شکل 3 مقاوم سازی سازه به کمک دیواربرشی

3. جانمایی دیوار برشی در پلان

برای طراحی دیوار برشی در ایتبس باید حتما به جانمایی دیوار برشی در پلان دقت کرد این بحث همانند بحث “ستون گذاری” از دو جنبه حائز اهمیت است. یکی بحث معماری ساختمان است که نباید به دلیل وجود دیوارهای برشی تحت الشعاع قرار گیرد و دیگری بحث مهم سازه‌ای است. در بحث جانمایی دیوارهای برشی در ساختمان مباحث سازه‌ای بایست با دقت بسیاری مورد توجه قرار گیرند. بازوی دیوار برشی، بحث پارگی دیافراگم، تاثیرات جانمایی دیوار برشی بر وضعیت فونداسیون و اثرات پیچشی محتمل از این دست موارد می‌باشند.

3. 1 اثرات پیچشی

اگر چنانچه به هر دلیلی سازه دچار نامنظمی‌هایی چون نامنظمی پیچشی شود؛ آیین­ نامه طراح را ملزم به تأمین ضوابط سخت گیرانه تری خواهد نمود. لذا طراح سازه بایست تا حد امکان سعی در حفظ منظمی سازه داشته باشد.

دیوارهای برشی به دلیل سختی بسیار بالای خود، اگر جاگیری مناسبی نداشته باشند، سازه را دچار نامنظمی پیچشی خواهند نمود. به همین دلیل توصیه می‌شود تا حد امکان جانمایی دیوارهای برشی به صورت متقارن باشد. در یک جمله کامل‌تر می‌توان گفت که تا حد امکان بین مرکز جرم و مرکز سختی فاصله نیفتد.

شکل 4 محل مرکز جرم و مرکز سختی در پلان

در تصویر زیر نمونه‌ای از جانمایی نامناسب دیوار برشی که سازه را دچار پیچش نموده است مشاهده می‌شود.

شکل 5 پیچش در سازه

بیایید تأثیر نامنظمی پیچشی را بر عملکرد سازه بصورت مرحله‌ای با دقت بیشتری بررسی نماییم:

• به علت نامنظمی، سازه در یک جهت سختی بیشتری دارد.
• با رخداد زلزله، در یک سمت از سازه، تمرکز نیرو بیشتر خواهد شد.
• در اثر تمرکز نیرو در یک سمت، شاهد ترک خوردگی بیشتر و نتیجتاً کاهش سختی در آن قسمت خواهیم بود.
• با کاهش سختی، مجدداً مرکز سختی از مرکز جرم دورتر خواهد شد. و درواقع برای زلزله‌های بعدی و پس لرزه‌ها وضعیت به مراتب خطرناک‌تر از قبل هم می‌شود.

✅ لازم به ذکر است که در زلزله اهر-ورزقان تجربه پس لرزه‌هایی با قدرت زلزله اصلی را داشته‌ایم. این مسئله خطر بالای نامنظمی پیچشی را گوشزد می‌کند.

3. 2 بازوی دیواربرشی

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، برای جلوگیری از نامنظمی پیچشی دیوارها را به صورت متقارن در پلان قرار داده‌ایم. اما ضعفی که در طرح تصویر زیر وجود دارد این است که دیوارها فاصله کمی از هم داشته (بازوی مقاوم کم) باعث می‌شود که دیوارها لنگر مقاوم کمتری را داشته باشند.

شکل 6 فاصله کم بین دیوارهای برشی

برای حل این مشکل فاصله دیوارها را افزایش می‌دهیم تا طول بازوی مقاوم آنها افزایش پیدا کند. تصویر زیر این مورد را به خوبی نشان می‌دهد.

شکل 7 فاصله مناسب بین دیوارهای برشی

فاصله مناسب بین دیوارهای برشی (بازوی دیوار) موجب عملکرد بهتر سیستم باربر جانبی خواهد شد و اگر این فاصله کم باشد از مقاومت و عملکرد مناسب آن­ها کاسته خواهد شد. از طرفی اگر فاصله میان دو دیوار برشی خیلی زیاد هم باشد از اثر بخشی آن کم می‌کند. بنابراین برای رسیدن به طرحی بهینه باید از یک فاصله مناسب بین دیوارهای برشی استفاده نماییم. بر اساس مدل‌های عددی به نظر می‌رسد فاصله بیشتر از 25 متر بین دیوارهای برشی مناسب نبوده و اثر بخشی آن را کم می‌کند.

3. 3 اثرجانمایی دیواربرشی بر فونداسیون

یکی از مشکلات وجود دیوار برشی در ساختمان بحث کنترل تنش­ در پی می‌باشد. در واقع با حضور دیوار برشی، ابعاد فونداسیون نسبت به حالت قاب خمشی بیشتر می­شود. در این شرایط اگر طراح به بحث جانمایی صحیح دیوار برشی توجه نداشته باشد، این مشکل دو چندان خواهد شد. به عنوان یک توصیه بسیار جدی برای کنترل UPLIFT در فونداسیون بهتر است دیوارهای برشی در دهانه­‌های انتهایی ساختمان قرار نگیرند.

3. 4 توجه به مسئله دیافراگم در زمان جانمایی دیواربرشی

نیروهای لرزه‌ای که در تمام ساختمان ایجاد می‌شوند از طریق اتصالات سازه با دیافراگم افقی به اجزای قائم باربر لرزه‌ای نظیر دیوار برشی منتقل می‌شوند. اگر در مسیر انتقال بار جانبی ناپیوستگی وجود داشته باشد، ساختمان حتی با وجود مقاومت برخی از اجزای خود قادر به تحمل نیروهای شدید لرزه‌ای نخواهد بود. بنابراین بهتر است تاحد امکان دیوارهای برشی متصل به دیافراگم کف اجرا شوند. بنابراین می‌توان گفت بهتر است از فضای اطراف راه پله برای جانمایی دیوار برشی در پلان استفاده نکنیم!

شکل 8 استفاده از راه پله برای جانمایی دیواربرشی

اصلی‌ترین نکات جانمایی دیوار برشی از نقطه نظر سازه‌ای بیان گردید، سایر موارد قابل ذکر عبارتند از:

• اگر نیاز به چند دیوار در یک جهت داریم بهتر است دیوار برشی در دهانه‌های متوالی قرار گیرد.
• قرار گیری دیوارهای برشی در دهانه‌های بلند نسبت به دهانه‌های کوچک ارجح است.
• بهتر است دیوارهای برشی در بین ستون‌ها قرار گیرد.

در بخش ­های قبل بر روی مباحث سازه‌ای تمرکز داشتیم. در ادامه به بررسی جانمایی دیوار برشی از جنبه معماری خواهیم پرداخت.

3. 5 مباحث معماری

تلاش معماران بر این است تا فضاهایی را ایجاد کنند که مطلوب کاربری ساختمان می‌باشد، همین طور تلاش مهندسین سازه، حفظ ایمنی ساختمان در هنگام رخداد زلزله می‌باشد. بنابراین بایست تعامل مناسبی میان این دو هدف برقرار کرد.

همانطور که پیش‌تر هم اشاره شد، امروزه با شناخت رفتار لرز­ه‌­ای و امکان اجرای دیوارهای برشی کوپله، دیگر معماران چندان در تأمین فضاهای معماری خود دچار مشکل نخواهند بود. همان­طور که در شکل مشاهده می­‌کنید در این دیوارها امکان تعبیه بازشو وجود دارد.

شکل 9 ایجاد بازشو در دیواربرشی

به عنوان نتیجه گیری، در بحث جانمایی دیوارهای برشی در ساختمان، مباحث سازه‌­ای بایست با دقت بسیاری مورد توجه قرار گیرند. به عنوان مثال، بازوی دیوار برشی، بحث پارگی دیافراگم، تاثیرات جانمایی دیوار برشی بر وضعیت فونداسیون و اثرات دیوار بر ایجاد پیچش در سازه از این دست موارد می­‌باشند.

4. انواع دیوار برشی

یکی از مهم‌ترین مسائل در سازه‌های بلند، انتخاب فرم سازه‌ای مناسب برای تحمل بارهای جانبی است. همانطور که گفته شد، دیوار برشی یک سیستم مقاوم در برابر نیروی زلزله است که به دلیل رفتار مناسب نظیر قابلیت جذب انرژی زیاد، افزایش ضریب اطمینان سازه در مقابل فروریزی و… کاربرد گسترده‌ای دارد. دیوار برشی بتن مسطح، علاوه بر اینکه با ایجاد سختی قابل‌توجه از جابجایی جانبی سازه می‌کاهد، با جذب برش بسیار زیاد باعث می‌شود حتی پس از ترک‌خوردگی، باربری ثقلی را نیز انجام دهد.

دیوار برشی بتنی ازلحاظ شکل ظاهری انواع مختلفی دارد که از جمله‌ی آنها می‌توان به دیوار مستطیلی، L شکل، T شکل، I شکل و… اشاره نمود. تأثیر غیرقابل‌انکار بال دیوار برشی در کنترل تغییر مکان و حضور هم‌زمان درکشش و فشار، باعث مفید بودن دیوار برشی بالدار می‌شود.

1.4 انواع دیوار برشی ازنظر شکل ظاهری

به‌طورکلی دیوار برشی از لحاظ شکل مقطع در پلان به سه نوع صفحه‌ای، بالدار و هسته مقاوم بسته یا نیمه بسته ناودانی دسته‌بندی می‌شوند. از این شکل‌ها می‌توان به مقاطع مستطیلی، L شکل، I شکل، ناودانی، T شکل و… اشاره کرد.

مقاطع بالدار به دلیل مشارکت بال آن‌ها در جذب نیروهای جانبی و همچنین درگیر بودن بال با تیرهای بالا یا پایین عملکرد بهتری دارند. همچنین در سازه‌های بلند اگر از مقطع مستطیلی استفاده شود علاوه بر اینکه سختی سازه زیاد خواهد شد، ازلحاظ اقتصادی مقرون‌به‌صرفه نمی‌باشد. لذا مقاطع دیوار برشی مستطیلی را به شکل L، T و I شکل درمی‌آورند.

شکل1- جانمایی دیوارهای برشی U و L شکل در پلان

شکل2- آرماتورهای دیوار برشی L شکل

4. 2 مزایا و معایب استفاده از دیوار برشی با مقاطع خاص و نامتقارن

1. کاهش سختی سازه، کمتر شدن جذب نیروی ناشی از زلزله و در نتیجه کاهش برش پایه سازه.
2. کاهش میزان مصالح مصرفی و مقرون‌به‌صرفه بودن.
3. مهار بهتر تیرهای متقاطع به دلیل وجود بال.
4. افزایش شکل‌پذیری سازه .
5. افزایش پایداری در برابر کمانش جانبی.

علیرغم اینکه به طور کلی این دیوارها عیب خاصی از لحاظ عملکرد سازه‌ای ندارد اما استفاده از دیوارهای برشی با مقاطع خاص در بسیاری از اوقات مقدور نمی‌باشد که عمده دلایل آن از لحاظ مباحث اجرایی، پیچیدگی قالب‌بندی و زمان اجرای بیشتر آن به نسبت دیوار برشی مستطیلی است که سبب می‌شوند اجرای این دیوارها نیازمند صرف زمان، هزینه و دقت بیشتری باشد.

5. طراحی دیوار برشی در ایتبس

به منظور مدلسازی دیوار برشی به صورت گام به گام، مراحل زیر انجام خواهند شد:

گام  1️⃣: برای مدل‌سازی بهینه دیوار، بهتر است در هر دو جهت x و y طول اولیه دیوار از رابطه زیر حدس زده شود:

در رابطه بالا V برش پایه در راستای xو y، fy تنش تسلیم میلگرد، f’c مقاومت فشاری مشخصه بتن، tw ضخامت دیوار و a نسبت آرماتور افقی پیش‌بینی‌شده در تراز پایین دیوار به حداقل آرماتور در نظر گرفته‌ شده در آیین‌نامه است

گام  2️⃣: ترسیم دیوار برشی از منوی Draw در نرم افزار ETABS

در تصویر بالا دو گزینه draw wall و quick draw wall را مشاهده می‌کنید. که گزینه اول این قابلیت را دارد که دیوار برشی را با طول دلخواه خود رسم کنیم. اما گزینه دوم دیوار برشی را به طور پیش فرض بین دو آکس رسم می‌کند که جهت ترسیم سریع دیوار برشی استفاده می‌شود.

گام  3️⃣: معرفی مشخصات دیوار برشی در ایتبس

با انتخاب گزینه wall section با انتخاب چند نوع دیوار مواجه می‌شویم که به اختصار هر یک را شرح می‌دهیم:

 تفاوت shell-thin و Shell thick چیست؟ 

تفاوت این دو نوع دیوار در این است که Shell-thin از تغییر شکل‌های برشی در تحلیل سازه صرف نظر می‌کند که این رفتار مخصوص المان‌های کم ضخامت است. در رفتار Shell- thick در تحلیل سازه المان، تغییر شکل‌های برشی لحاظ می‌شود که این رفتار مخصوص المان‌های ضخیم می‌باشد.

به طور کل هر زمانی که دیوار برشی سازه دارای بازشو باشد یا نقش دیوار حائل داشته باشد از نوع shell استفاده می‌شود که عموماً به علت ضخامت بالای دیوارهای برشی فولادی از shell- thick استفاده می‌شود و زمانی که دیوار بدون بازشو و با شکل هندسی منظم باشد، نوع دیوار membrane در نظر گرفته می‌شود.

توضیحات تکمیلی در مورد نوع دیوار membrane در قسمت مش بندی ذکر شده است.

گام  4️⃣: اختصاص مقطع تعریف‌شده به دیوار

در ابتدا از منوی  select دیوارها را انتخاب می‌کنیم سپس با توجه به شکل زیر مقطع هر یک را اختصاص می‌دهیم:

گام  5️⃣: مش‌بندی دیوار برشی

در دال‌ها و دیوارهای برشی، به لحاظ نحوه انتقال بار با دو حالت membrane و  shell مواجه هستیم. در تعریف نرم­ افزاری membrane، انتقال بار از روی تمام طول لبه‌های المان صورت می‌گیرد. این در حالی ­است که انتقال بارها در shell صرفاً از طریق گره‌ها صورت می‌گیرد. بنابراین مطابق شکل زیر اگر تعریف دال از نوع shell باشد، کل بار در چهار گره گوشه دال توزیع شده و عملاً تمام بار به ستون‌ها وارد می‌شود و تیرها سهمی از بار را احساس نخواهند کرد. ولی چنانچه تعریف دال از نوع membrane باشد به علت انتقال بار از روی تمام طول لبه چنین مشکلی نخواهیم داشت.

شکل12- دال بدون مش بندی

مثال ساده‌ی فوق بیانگر وضعیتی است که اگر تعریف دال از نوع shell باشد، لازم است تا سطح دال به تعداد مشخصی المان کوچک­تر تقسیم شود تا گوشه‌های هر یک از این المان‌ها، انتقال دهنده بار باشند. از این طریق تیر و ستون هر دو از بار سهم خواهند داشت. به این عمل اصطلاحاً مش ­بندی گفته می‌شود. برای درک بهتر به تصویر زیر توجه نمایید.

شکل13- دال مش بندی شده

می‌توان برای افزایش دقت هرچه بیشتر، تعداد چهار ضلعی‌ها را افزایش داد. ولی بایست توجه داشت که این عمل سرعت تحلیل را تا حد زیادی کاهش می‌دهد. در ادامه بحث مفصلی در خصوص ابعاد مش بندی ارائه خواهد شد. با استدلالی مشابه برای دیوارهای برشی بتن­ آرمه نیز تنها در حالتی که تعریف دیوار از نوع shell باشد نیاز به مش بندی خواهیم داشت.

✅ نحوه مش بندی دال و دیوار برشی در ایتبس :

در نسخه‌های پیشین نرم­ افزار ETABS، همچون نسخه 9.7.4، مش بندی بایست به­ صورت دستی انجام می‌گرفت. امروزه با ورود نسخه‌های جدیدتری چون 15 و 16، قابلیت مش بندی اتوماتیک به نرم­ افزار افزوده شده است. با این حال مش بندی دستی در بسیاری از مواقع هم­چنان نیاز خواهد بود و طراح برای دیوارهای برشی و برخی دال‌های بتن­ آرمه خاص بایست از مش بندی دستی استفاده نماید. به همین منظور در این بخش نحوه مش بندی دستی را به­ صورت گام بندی شده بیان خواهیم کرد:

گام اول – دال یا دیوار برشی را که به­ صورت Shell تعریف شده است را انتخاب می‌کنیم.

شکل14- انتخاب سطوح و مش بندی

گام دوم – در کادر مشخص شده از تصویر زیر، بسته به ابعادی که برای المان‌های کوچک مدنظر داریم عدد گذاری خواهیم کرد. به­ طور مثال عددهای 2 و 2 در کادر زیر به معنای آن­ است که المان اصلی در راستای x به 2 قسمت و در راستای Y نیز به 2 قسمت تقسیم خواهد شد.

شکل15- تعیین ابعاد مش

آیا  می‌توان ابعاد مشخصی برای مش بندی مناسب ارائه داد؟

در انتخاب ابعاد مش‌ها همواره 2 اصلِ دقت و سرعتِ تحلیل در نرم افزار از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. با توجه به این 2 اصل، نکات زیر می‌تواند دید مهندسی خوبی در تعیین ابعاد مش بندی به شما مهندسین عزیز منتقل کند.

1. تعداد تقسیم بندی را به نحوی در راستای طولی و عرضی انجام دهیم که ابعاد تقسیمات انجام شده حداکثر 0.5 متر شود. همچنین بین مهندسین طراح سازه یک قانون نانوشته‌ای عرف است که برای دیوار برشی بهتر است سایز مش بندی یک چهارم تا یک ششم طول دیوار برشی باشد.
2. در بخش‌هایی که تغییرات تنش‌ها در آن بزرگ است، بایست ابعاد به­ گونه‌ای انتخاب شوند که المان‌ها کوچک بوده و گره‌های آن بسیار نزدیک به هم باشند. دلیل این موضوع این است که تشخیص نواحی با تغییرات تنش زیاد پیش از تحلیل سازه دشوار می‌باشد.

گام  6️⃣: نام‌گذاری دیوار برشی

از منوی assign دیوارهای انتخاب‌شده را بانام P1 تعریف می‌کنیم.

شکل16- انتخاب دیوارهای برشی

در دیوارهای T  یا L شکل قسمت بال را نیز با سایر قسمت‌ها یکی فرض کرده و باهم نام‌گذاری می‌کنیم.

گام  7️⃣: بررسی ترک‌خوردگی یا عدم ترک‌خوردگی

جهت تحلیل و طراحی سازه برای دیوارهای ترک‌خورده از ضریب 0.35 و برای ترک نخورده از ضریب 0.7 استفاده می‌کنیم.

جهت بررسی ترک‌خوردگی دیوار باید در ابتدا تنش کششی ماکزیمم را محاسبه کرده و سپس این مقدار را با رابطه زیر مقایسه نماییم.

درصورتی‌که تنش کششی از تنش ترک‌خوردگی کمتر باشد، دیوار ترک نخورده و اگر بیشتر باشد دیوار ترک‌خورده لحاظ می‌شود. برای مشاهده هر یک از تنش‌ها تحت ترکیب بار مشخص باید از منوی زیر اقدام کرد:

نکته قابل توجه این است که ترک خوردگی برای تمامی دیوارها و ترکیب بارها باید کنترل شود.

گام  8️⃣: اعمال ضرایب ترک‌خوردگی و ترک نخوردگی

پس از مشخص شدن ترک‌خوردگی و یا ترک نخوردگی دیوارها، قفل نرم‌افزار را بازکرده و ضرایب مربوطه را به شکل زیر، پس از انتخاب دیوارها اعمال می‌کنیم:

گام  9️⃣: تنظیمات طراحی دیوار برشی

پس از انتخاب آیین‌نامه طراحی مدنظر از منوی Design-shear wall، مطابق بند 9-15-16-4 مبحث نهم در دیوارهای سازه‌ای نسبت آرماتور در هیچ قسمتی نباید کمتر از 0.0025 (مورد شماره 19 در منوی شکل زیر) و بیشتر از 0.02 برابر سطح دیوار باشد. همچنین مطابق بند 9-20-4-3-2-2 حداکثر این مقدار نیز 0.04 می‌باشد (مورد شماره 16 و 17 در منوی شکل زیر).

علاوه بر موارد فوق مقدار system Cd نیز باید 0.7R در نظر گرفته شود.

بعد از واردکردن تنظیمات فوق حال نوبت به طراحی دیوار می‌شود.

ابتدا از منوی select دیوارها را انتخاب می‌کنیم سپس از منوی Design روش طراحی میلگردگذاری یکنواخت را انتخاب می‌کنیم که در این روش، دورتادور دیوار برشی از یک نوع میلگرد استفاده می‌شود.

لازم به توضیح است که در منوی زیر باید از قسمت bar size نوع آرماتور و از منوی spacing فاصله بین آرماتورها را تعیین کنیم. همچنین از قسمت clear cover for rebar میزان پوشش بتن تعیین می‌شود.

گام 🔟: انتخاب ترکیب بار دیوار برشی

از منوی زیر ترکیب بارهای مرتبط با سازه بتنی را جهت طراحی دیوارهای برشی مطابق با مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (بند 6-2-3-2) انتخاب می‌کنیم:

گام 1️⃣1️⃣: طراحی دیوار برشی

بعد از تحلیل و انجام مراحل قبل، برای طراحی دیوار برشی به صورت زیر عمل می‌کنیم:

نتایج حاصل از طراحی دیوار برشی را می‌توان از منوی زیر مشاهده نمود:

در منوی فوق، گزینه  pier longitudinal reinforcingبیانگر  مساحت ارماتور مورد نیاز برای میلگردهای طولی و pier shear reinforcing بیانگر مساحت ارماتور برشی مورد نیاز در واحد طول می‌باشد.

شکل8- میلگردهای برشی موردنیاز در واحد طول دیوار برای طبقه 1و 2 (Av/S)

جهت محاسبه میلگرد برشی دیوار طبقه اول، از نسبت نشان داده شده در شکل فوق استفاده می‌نماییم:

با فرض استفاده از آرماتور 8 در فاصله 20 سانتیمتر از یکدیگر خواهیم داشت:

در نتیجه 2 عدد آرماتور 8 با فاصله‌ی 10 سانتیمتری استفاده می‌نماییم  (لازم به ذکر است که درصد آرماتور باید با مقادیر حداقل بند 9-19-4 کنترل شود).

جهت محاسبه میلگرد طولی دیوار برشی در طبقه اول داریم:

شکل9- میلگردهای طولی دیوار برای اول و دوم

مساحت داده‌شده در نرم‌افزار (منوی display shear wall design قسمت pier longitudinal reinforcing)  حدودا60.‌5 سانتی متر مربع را‌ نشان می‌دهد لذا باید از 10𝞍28 در طول دیوار جهت میلگردهای طولی استفاده شود.

1.5 مقایسه دیوار برشی مستطیلی با دیوار برشی T

به جهت مدل‌سازی دیوار T در یک ساختمان 10 طبقه و مقایسه عملکرد آن با دیوار برشی مستطیلی از نرم‌افزار ETABS 15.2.2 استفاده‌شده است.

ازآنجاکه مهم‌ترین خروجی در ساختمان‌های بلند تغییر مکان نسبی(Drift) است، در این مقاله عملکرد دیوار برشی T و L شکل را با دیوار برشی مستطیلی مقایسه کرده‌ایم.

در این مدل‌سازی ضخامت دیوار برشی طبقات 1 تا 5 برابر 30 سانتی‌متر و برای طبقات 6 تا 10، 20 سانتی‌متر در نظر گرفته شده است. موقعیت دیوارهای برشی نیز در پلان زیر مشخص‌شده‌اند:

شکل10- جایگذاری دیوار برشی مستطیلی و T شکل در پلان در ساختمان 10 طبقه

با مدل‌سازی و طراحی دیوارهای برشی در مدل فوق به جهت مقایسه تغییر مکان (drift) و همچنین میزان فولاد مصرفی در هر دو حالت داریم:

شکل11- مقایسه تغییر مکان بام در دو حالت T و  مستطیلی

در این شکل مشاهده می‌شود که استفاده از دیواربرشی با مقطع T شکل سبب کاهش قابل توجه تغییرمکان بام سازه در هر دو جهت x و y شده است.

شکل12- مقایسه تغییر مکان نسبی در دو حالت T و مستطیلی

همان‌طور که از دو نمودار بالا مشخص است، استفاده از دیوار برشی T شکل باعث کاهش تغییرمکان کلی و تغییر مکان نسبی در سازه می‌شود. همچنین با بررسی‌های انجام‌شده بر روی این مدل، در سازه‌ای که طراحی آن به کمک دیوار برشی بتنی مستطیلی انجام شده، 332 تن میلگرد مصرف‌شده و در حالتی که طراحی به کمک دیوار برشی T شکل صورت گرفته، این مقدار به 317 تن کاهش یافته است. بنابراین در شرایط برابر، استفاده از دیوار برشی با مقاطع خاص (T و L و… شکل) سبب مقرون به صرفه‌تر شدن طرح می‌شود.

منابع

1. مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ایران، ویرایش 1392.
2. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، ویرایش سال 1392
3. مدلسازی لرزه‌ای و تحلیل عددی سازه‌ها در ETABS، مهندس مهدی ترابی، انتشارات نوآور، 1392.
4. کتاب دیوارهای برشی- دکتر علی خیر الدین.
5. ارزیابی اقتصادی دیوار برشی مستطیلی و T شکل بتنی در ساختمان‌های بلند فلزی- مهران رحیمی بصرا
6. (Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14
7. راهنمای نرم‌افزار ایتبس 2017 –ETABS2017Documentation

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا