دیوار برشی فولادی؛ آموزش طراحی دیوار برشی فلزی به همراه بیان جزئیات اجرایی آن

میزان مقاومت ساختمان در برابر زلزله به نسبت سختی و شکل پذیری آن است اما آیا سیستم باربر جانبی وجود دارد که این دو را باهم در خود داشته باشد؟ سیستم دیوار برشی فولادی به دلیل استهلاک قابل توجه انرژی و عملکرد فیوز سازه ای آن مورد توجه مهندسین طراح قرار گرفته است. سوال اینجاست رفتار دیوار برشی فولادی در برابر زلزله به چه صورتی است؟ تفاوت بین دیوار برشی فولادی با دیوار برشی بتنی در چه چیزی است؟

ما در این ایبوک جامع به تحلیل و طراحی دیوار برشی فلزی می پردازیم و ریز جزئیات اجرایی آن را نیز بیان خواهیم کرد.

در این صفحه تنها خلاصه ای از این ایبوک جامع بیان شده است. متن اصلی ایبوک را منطبق بر فهرست مطالب دانلود کنید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 24 اسفند 1399

📕 تغییرات به روز رسانی: انتشار جدید

دیوار برشی فولادی چست؟

دیوار برشی فولادی (Steel Plate Shear Wall/SPSW) نوعی سیستم باربر جانبی است که در صورت طراحی و اجرای صحیح، نسبت به سایر سیستم‌های مقاوم در برابر بار جانبی دارای عملکرد لرزه ای بهتری است. در این سیستم، نیروهای جانبی توسط دیافراگم‌های کف طبقات به‌صورت افقی به ورق فولادی، تیر و ستون‌های محیطی این نوع دیوار منتقل می‌شود. به دلیل درجات نامعینی بسیار بالای ورق و شکل پذیری زیاد آن، قابلیت استهلاک انرژی زلزله در این سیستم بسیار بالا است. دیوار برشی فولادی عملگرد فیوز سازه ای در زلزله دارد.

ازنظر اجرائی، دیوار برشی فولادی سیستمی بسیار ساده و بدون پیچیدگی خاص اجرایی است. ازاین‌رو مهندسان، تکنسین‌ها و کارگران فنی، با داشتن دانش فنی موجود و بدون نیاز به کسب مهارت جدید می‌توانند آن را اجرا نمایند. دقت انجام کار در حد دقت‌های متعارف در اجرای سازه‌های فولادی بوده و با رعایت آن، ضریب اطمینان اجرائی به‌مراتب بالاتر از دیگر انواع سیستم‌ها خواهد بود. هم‌چنین با توجه به امکان ساخت قطعات این سیستم در کارخانه و نصب آن در محل، سرعت اجرای سیستم بالا بوده و هزینه‌های اجرایی را به‌طور محسوس کاهش می دهد.

نتایج حاصل از تحقیقات نشان می دهند که دیوار برشی فولادی جزو یکی از سخت‌ترین سیستم‌های باربر جانبی محسوب می‌شود و سختی برشی بالاتری نسبت به سیستم مهاربندی دارد. در این سیستم، به علت گستردگی مصالح و اتصالات آن در قاب، تنش‌ها بهتر تعدیل (توزیع) میشوند که منتج به رفتار مناسب سیستم در محیط پلاستیک و افزایش قابلیت جذب انرژی آن نسبت به سیستم های قاب خمشی و مهاربندی می‌شود.
به طور کلی عملکرد دیوار برشی فولادی مشابه ورق طره‌ای محصور در بین دو عضو قائم است که در ارتفاع ساختمان امتداد دارد. دیوار برشی فولادی در انواع زیر طراحی و اجرا می گردد:

• دیوار برشی مرکب
• دیوار برشی فولادی سخت شده (با سخت‌کننده‌های افقی و قائم)
• دیوار برشی فولادی جدار نازک (سخت نشده)

بررسی ساختار و عملکرد دیوار برشی فولادی

هرچند دیوار برشی فولادی در ویرایش چهارم استاندارد 2800 و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان مطرح نشده است ولی این سیستم باربر جانبی همانند سایر کشورهای پیشرفته در ایران هم مورد استفاده قرار می گیرد. برای تحلیل و طراحی سیستم دیوار برشی فولادی در آیین‌نامه ی AISC341-10 ضوابطی در نظر گرفته ‌شده است. هم چنین آیین نامه ی AISC360-10 نیز به دیوار برشی فولادی اشاره ی مختصری نموده است.

در این سیستم، اتصال بین تیرها و ستون‌ها می‌تواند به صورت ساده (در مناطق با لرزه‌خیزی کم) و یا صلب (در مناطق با لرزه‌خیزی بالا) باشد. به‌عبارت‌دیگر جهت استفاده از سیستم قاب ساده ساختمانی + دیوار برشی فولادی در مناطق با لرزه‌خیزی کم، می‌توان اتصال تیرهای داخل قاب دیوار برشی فولادی را نیز مفصلی در نظر گرفت و برای استفاده از سیستم قاب ساده ساختمانی + دیوار برشی فولادی در مناطق با لرزه‌خیزی بالا، می‌بایست اتصال تیرهای داخل قاب دیوار برشی را حتماً صلب (گیردار) در نظر گرفت. علاوه بر این ورق ممکن است توسط پیچ و یا جوش به قاب محیطی خود متصل شود.

ورق فولادی می‌تواند در صورت نیاز با سخت‌کننده (Stiffened Steel Shear wall) و یا بدون سخت‌کننده (Unstiffened Steel Shear wall) اجرا شود که هریک عملکرد لرزه ای خاص خود را دارند.

الف) دیوار برشی فولادی با سخت‌کننده  ب) دیوار برشی فولادی بدون سخت‌کننده

وظیفه ی اصلی دیوار برشی فولادی، مقاومت در برابر برش صفحه‌ای طبقه و مقابله با لنگر واژگونی ناشی از بارهای جانبی است. پانل دیوار برشی فولادی شامل یک ورق نازک فولادی باضخامت بین 3 الی 10 میلی‌متر، دو ستون کناری و تیرهای افقی کف دیوار است. ورق جان با قابلیت شکل پذیری زیاد خود، نقش فیوز سازه را در برابر بارهای جانبی لرزه ای ایفا می نماید.

اجزای تشکیل ‌دهنده دیوار برشی فولادی عبارتند از:

• اعضای قائم (ستون‌ها) موسوم به اعضای مرزی قائم( HBE=Horizontal Boundary Element)
• اعضای افقی (تیرها) موسوم به اعضای مرزی افقی (VBE=Vertical Boundary Element)
• ورق‌های فولادی مابین تیرها و ستون‌ها در هر پانل موسوم به ورق جان (Web Plate)
• سخت‌کننده‌های افقی و قائم (در صورت نیاز) (Vertical and Horizontal Stiffeners)

نمایش اجزاء تشکیل‌دهنده دیوار برشی فولادی بدون سخت‌کننده

بررسی مزایا و معایب دیوار برشی فولادی

در این بخش به صورت خلاصه اصلی ترین مزایا و معایب دیواربرشی فولادی بررسی شده و در پایان هم مقایسهای بین این سیستم سازه‌ای و دیواربرشی بتنی انجام خواهد شد.

مزایای دیواربرشی فولادی

• اصلی‌ترین مزایا عبارتند از:
• کاهش وزن فولاد مصرفی
• عملکرد مؤثر در کنترل تغییر مکان جانبی
• مقاومت زیاد
• کاهش سطح اشغال فضای معماری
• کاهش هزینه
• اجرای آسان
• امکان تعبیه ی راحت و آسان‌بازشو (در و پنجره)
• بهسازی سازه‌های ضعیف
• سرعت بالای اجرا

اتصال پیچی ورق جان دیوار برشی فولادی و راحت‌تر شدن اجرای آن

 معایب دیوار برشی فولادی

• مشکل بودن تأمین تعدادی از الزامات AISC 341
• مشکل‌تر بودن کنترل تغییر مکان نسبی در ساختمان‌های بلند
• نیاز به تدابیر ویژه در برابر حریق

✅ هر یک از این مزایا و معایب را به صورت مفصل در متن اصلی ایبوک بررسی شده است.

روش‌های تحلیل دیوار برشی فولادی

تحلیل دیوارهای برشی فولادی در برابر بارهای جانبی با دو هدف عمده زیر انجام می‌شود:

1. هدف اول از مدل‌سازی دیوارها تعیین نیروها در المان‌های مرزی به‌منظور طراحی این المان‌ها است. در این مرحله نیروهای محوری و خمشی در المان‌های مرزی (تیر و ستون) هم‌چنین تنش در ورق جان، به‌منظور تعیین ابعاد این المان‌ها به دست می‌آید.
2. هدف دوم از تحلیل دیوارهای برشی فولادی، تخمین تغییر مکان جانبی قاب است.

محققان و پژوهشگران روش های مختلفی را برای تحلیل و طراحی دیوار برشی فولادی، ارائه کرده اند. زمانی نتایج تحلیل یک سازه دقیق می باشد که مدل سازی سازه دقیق و منطقی و در انطباق با نتایج آزمایشگاهی باشد. دیوار برشی فولادی به 4 روش زیر قابل تحلیل است:

• مدل نواری دیوار برشی فولادی
• روش غشائی ارتوتروپیک (غیرهمسان)
• روش اجزای محدود
• روش غیرخطی

مدل نواری دیوار برشی فولادی

رفتار دیوار برشی فولادی بر مبنای عمل میدان کششی نخستین بار توسط Thorburn، Kulak و Montogomery در سال ۱۹۸۳ پیشنهاد شد. متعارف‌ترین روش مدل‌سازی برای تحلیل دیوارهای برشی فولادی، مدل کردن ورق جان با استفاده از تعدادی نوار موازی صرفاً کششی (یعنی المان‌هایی که فقط نیروهای محوری کششی را تحمل می‌کنند) بافاصلۀ مساوی مطابق (شکل زیر) است. این روش سازگاری قابل قبولی با نمونه‌های ساخته شده ی آزمایشگاهی دیوارهای برشی فولادی نشان داده است.

مدل نواری دیوار برشی فولادی جهت تحلیل

مدول الاستیسیته ی نوارها برابر با مدول الاستیسیته ی فولاد است و سطح مقطع هر نوار برابر باضخامت ورق فولادی در فاصلۀ بین نوارها است (که در امتداد وجه عمود بر نوارها اندازه‌گیری می‌شود). آزمایش‌ها نشان داده‌اند که مدل نواری، سختی اولیه ی پیش از تسلیم یک دیوار برشی فولادی و نیروها در اعضای قاب تحت بارهای بهره‌برداری را به‌طور مناسب پیش‌بینی می‌کند. این مدل هم‌چنین در تحلیل غیرخطی (Push over) برای به دست آوردن رابطه ی نیرو تغییر مکان برای دیوار برشی فولادی و نیروهای نهایی در المان‌های سیستم استفاده‌شده است. روش مدل نواری در ضوابط طراحی آیین‌نامه ی کانادا (CSA 2001) برای تحلیل دیوارهای برشی فولادی معتبر شناخته‌شده است. در این روش برای مدل کردن ورق جان و به‌منظور تخمین تأثیرات بار توزیع‌شده روی المان‌های مرزی قاب، اختصاص حداقل 10 نوار (توصیه آیین‌نامه کانادا) با فواصل مساوی و دو انتهای مفصلی لازم و ضروری است.
در این روش، زاویه ی نوارهای کششی تابعی از سطح مقطع ستون‌ها و تیرها، ابعاد و ضخامت ورق فولادی است. محل برخورد نوارهای کششی میانقاب ها در بالا و پایین تیر، لزوماً در یک نقطه اتفاق نمی‌افتد؛ بنابراین اگر زاویه ی دقیق تنش کششی در هر طبقه با دقت مدل شود، تیر به تعداد قطعات زیادی تقسیم می‌شود. طول قطعات موردنیاز تیر برای n نوار (با در نظر گرفتن تنها یک ورق جان) برابر است با:

محاسبات مدل نواری دیوار برشی

x∆ : طول هر قطعه ی ایجادشده روی تیر بین گره‌ها

L: طول پانل پرکننده (فاصله ی محور تا محور ستون‌های طرفین دیوار برشی)
n: تعداد نوارها
h: ارتفاع پانل پرکننده (مرکز به مرکز تیرهای بالا و پائین دیوار)
مساحت هر نوار معادل، در این روش برابر است با:

محاسبه سطح مقطع مدل نواری

tw: ضخامت ورق جان

زاویه ی تنش کششی در ورق برابر است با:

زاویه ی تنش کششی در ورق

h: ارتفاع پانل پرکننده
L: طول پانل پرکننده
Ac: سطح مقطع یکی از ستون ها (المان مرزی قائم)
Ab: سطح مقطع یکی از تیرها (المان مرزی افقی)
Ic: ممان اینرسی ستون حول محور عمود بر صفحه ی قاب (المان مرزی قائم)
نکته: به دلیل وابستگی مدل نواری به زاویه ی میدان کششی(α) و تغییر این زاویه با تغییر ابعاد المان های مرزی، چرخه‌های تکراری سعی و خطا برای تعیین پارامترهای طراحی ممکن است طولانی و بعضاً خسته‌کننده باشد. برای فرار از این مشکل، می توان در انتخاب اول، زاویه ی α را برای تمام دیوارهای برشی طبقات، یکسان و مقداری بین 30 تا 55 درجه فرض کرد. توجه شود که اگر در پایان روند محاسبات، اختلاف زاویه ی دقیق با فرض اولیه بیشتر از 5 درجه باشد، دقت نتایج حاصله افت خواهدکرد.

✅ مابقی روش های تحلیل دیوار برشی فولادی را به صورت مفصل در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید البته الزامات طراحی دیوار برشی فولادی به روش مدل نواری را هم کاملا مفصل بیان کرده ایم.

مدل‌سازی،تحلیل و طراحی دیوار برشی فولادی در ایتبس

در این مقاله فقط قصد داریم نحوه ی تعریف دیوار برشی فولادی را به شما آموزش دهیم، به‌طور خلاصه مراحل مدل‌سازی دیوار برشی فولادی عبارت‌اند از:

1. تعریف مشخصات و اختصاص ورق
2. معرفی و اختصاص گره‌های پای ستون
3. تقسیم‌بندی (ایجاد گره) تیرها و ستون‌های قاب
4. ترسیم المان‌های مورب (نوارهای معادل)
5. یکپارچه نمودن المان‌های تقسیم‌بندی شده
6. چرخش محور محلی المان‌های مورب
7. غیرفعال کردن مقاومت فشاری المان‌های مورب
8. تحلیل و طراحی سازه
9. کنترل تنش (Ratio) المان‌های مورب

گام اول: تعریف مشخصات و اختصاص ورق

با توجه به ابعاد تیر و ستون‌های مرزی و ضخامت ورق جان به‌دست‌آمده از مراحل قبل، ابتدا ورق هایی را باضخامت به‌دست‌آمده و عرض تقریباً 50 یا 60 سانتیمتری تعریف می‌کنیم.

تعریف مشخصات و اختصاص ورق

گام دوم: معرفی و اختصاص گره‌های پای ستون

در تراز Base قاب دیوار برشی یک تیر ترسیم می‌کنیم تا میله‌های موربی که ترسیم می‌شوند، دارای تکیه‌گاه باشند.

معرفی و اختصاص گره‌های پای ستون

✅ شما میتوانید مابقی مراحل طراحی دیوار برشی در ایتبس را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

 اجرای دیوار برشی فولادی

برای ساخت و اجرای این دیوارها در مرحله‌ی اول با توجه به طول دهانه و ارتفاع طبقات، ورق‌ها در کارخانه برش داده می‌شود. سپس لبه‌ها درصورتی‌که نیاز باشد پخ‌زنی شده و درزها را با استفاده از جوش نفوذی کامل پر می‌کنند. در مرحله‌ی بعد سخت‌کننده‌ها و اتصالات درصورتی‌که وجود داشته باشند، طبق نقشه‌های سازه بر روی صفحات نصب‌شده و ورق‌ها به همراه سایر عناصر سازه‌ای شامل تیرها و ستون‌ها به کارگاه نصب منتقل می‌شوند.

اتصال این ورق‌ها به تیرها و ستون‌ها به دو روش جوشی و پیچی قابل انجام است. در روش جوشی معمولاً ورق‌ها با جوش گوشه به تیرها و ستون‌ها جوش می‌شود. در روش پیچی لازم است ورق های اتصال سوراخ‌دار از قبل بر روی تیرها و ستون‌ها جوش شده و در کارگاه با استفاده از پیچ‌های پر مقاومت به ورق‌ها متصل شوند.

نتیجه‌گیری

برای مقابله با بارهای جانبی نظیر باد و زلزله، تابه‌حال سیستم‌های باربر جانبی مختلفی پیشنهادشده است. یکی از مناسب ترین آن‌ها دیوار برشی فولادی است که در چندین ساختمان بلند و مهم در مناطق لرزه‌خیز جهان مانند آمریکا و ژاپن به کار گرفته‌شده است. دیوار برشی فولادی در مقایسه با سایر سیستم‌های مقاوم در برابر باره‌ای جانبی مانند مهاربندها و دیوار برشی بتن‌آرمه از مزایای نسبی خوبی برخوردار است.

از آزمایش‌های انجام‌شده و مطالعات صورت گرفته چنین برمی‌آید که سیستم دیوار برشی فولادی از سختی و مقاومت قابل‌توجهی نسبت به سایر سیستم‌های دیگر برخوردار است. پیوستگی محیط این سیستم، سبب شده تا شکل‌پذیری بسیار خوبی از خود نشان دهد که باعث استهلاک انرژی بسیار زیادی می‌شود. در مواردی که این سیستم جایگزین سیستم قاب خمشی شده است طبق محاسبات اقتصادی متناسب با شرایط پروژه، تقریباً بین 30 تا 35 درصد صرفه‌جویی به‌عمل‌آمده است. از طرفی اجرای آن بسیار راحت و بدون هیچ پیچیدگی خاصی است و با توجه به امکان ایجاد سخت‌کننده در اطراف بازشو جهت جبران کبود سختی و مقاومت ناشی از آن، تقریباً ایجاد بازشو به هر شکلی وجود خواهد داشت.

سیستم دیوار برشی فولادی در صورت محاسبه و اجرای صحیح می‌تواند جایگزین مناسبی برای سایر سیستم‌های باربر جانبی در سازه‌های فولادی نظیر سیستم مهاربندی و دیوار برشی بتن‌آرمه باشد.

منابع

1. مبحث دهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1392
2. نظریه فنی مدیریت خدمات مهندسی و آزمایشگاهی سال 1394
3. راهنمای طراحی دیوار برشی فولادی Steel Design Guide 20 سال 2010 آمریکا
4. الزامات لرزه‌ای آیین‌نامه AISC 341 سال 2010 آمریکا

1. دیوار برشی چست؟
2. انواع دیوار برشی
   • دیوار برشی بتن‌آرمه (Concrete Shear wall)
   • دیوار برشی فولادی (Steel Shear wall)
   • دیوار برشی مرکب (Composite Shear wall)
   • دیوار برشی مصالح بنایی (Masonry Shear wall)
3.  دیوار برشی فولادی چست؟
   • تاریخچه ی تحقیقات و کاربرد دیوار برشی فولادی
   •  بررسی ساختار و عملکرد دیوار برشی فولادی
     • رفتار دیوار برشی فولادی در برابر زلزله
   • تقسیم‌بندی ازلحاظ مصالح مصرفی
   • تقسیم‌بندی ازلحاظ معماری
   • تقسیم‌بندی ازلحاظ نحوهی عملکرد ورق جان در برابر کمانش برشی
     • دیوار برشی فولادی با ورق جان سختشده:
       • بررسی تأثیر سختی ستون‌ها بر رفتار دیوار برشی فولادی بدون سخت‌کننده
     • دیوار برشی فولادی با ورق جان سخت شده:
     • دیوار برشی فولادی مرکب (کامپوزیت):
     • دیوار برشی فولادی حفره‌دار:
     • دیوار برشی فولادی کوپله
4.  بررسی مزایا و معایب دیوار برشی فولادی
   • مزایای دیواربرشی فولادی
   • معایب دیوار برشی فولادی
   • مقایسه ی دیوار برشی فولادی با بتن‌آرمه
5.  روش‌های تحلیل دیوار برشی فولادی
   • مدل نواری (Strip Model)
   • مدل غشائی غیر همسان (Orthotropic Membrane Model)
   • تحلیل غیرخطی (Pushover)
   •  تحلیل اجزاء محدود (Finite Element Method)
6.  الزامات عمومی دیوار برشی فولادی ویژه ی سخت نشده
7.  الزامات طراحی دیوار برشی فولادی به روش مدل نواری
   •  طراحی اولیه ی المانهای دیوار برشی فولادی
     •  طراحی اولیه ی ورق جان
     •  طراحی اولیه ی ستون (VBE)
     •  طراحی اولیه ی تیر (HBE)
   •  محاسبه و کنترل زاویه ی تنش کششیα
   •  طراحی نهایی اعضای دیوار برشی فولادی
8.  مدل‌سازی و تحلیل و طراحی دیوار برشی فولادی در Etabs
9.  مراحل ساخت و اجرای دیوار برشی فولادی
   • نکات اجرایی مهم
10. نتیجه‌گیری

• ثبت شده در
  وزارت ارشاد
• دانلود سریع
  پس از پرداخت
• ضمانت ارسال
  بروزترین نسخه کتاب