دیوار برشی

با نیروهای جانبی مؤثر بر یک سازه ( در اثر باد یا زلزله ) به طرق مختلف مقابله می شود که اثر زلزله بر ساختمانها 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 مؤثر 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 بخصوص اگر نیروهای جانبی در اثر زلزله باشند احتیاج به جزئیات خاصی دارد که شکل پذیری کافی قاب را تأمین 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 مکانها 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:

1-دیوار های برشی فولادی : بعضی مواقع ورقهای فولادی به عنوان دیوارهای برشی بکار 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 : ورقها ی 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 تؤام هستند می شود.

3- دیوارهای برشی مصالح بنایی : از دیر زمان در ساختمانهای مصالح بنایی از دیوارهای مصالح بنایی توپر 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 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 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.

انواع دیوار برشی بتن مسلح : دو نوع دیوار برشی بتن مسلح وجود دارد:

1-دیوار برشی در جا : 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 پانلها به قاب توسط میخهای فولادی صورت می گیرد . تأثیر 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:

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

2-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.

3-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:

اگرVu تلاش برشی نهایی در مقطع مورد طراحی باشد بر طبق آیین نامه ایران بایدVu=5υchd=φchd(fc)^0.5 تعیین نیروی برشی مقاوم نهایی بتن:

الف- حالتی که دیوار تحت اثر برش یا تحت اثر تؤام برش و فشار قرار داردVc=υcbwd:

ب- حالتی که دیوار تحت اثر برش و کشش فرار دارد: Vc=υc(1+Nu/(3Ag))bwd (A)

در این رابطه کمیتNu/Ag بر حسب( N/mm^2 ) می باشد وNuدر 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 وVc=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 چنانچهMu/Vu-Lw/2 منفی باشد رابطهA بکاربرده نمی شود . نیروی برشی مقاوم نهاییVc برای کلیه مقاطعی که در فاصله ای کمتر از کوچکترین دو مقدارLw/2 وhw/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 شودVs = φsAvfy d/S2 Av سطح مقطع آرماتور برشی در امتداد برش و در طول فاصلهS2 می باشد چنانچه مقدارAv را در اختیار نداشتیم می توانVs را از رابطه زیر به دست آوردVs=Vu-Vc سپس به کمک رابطه فوقAv را به دست می آوریم . برای تأمین برش مقاومVsعلاوه بر آرماتور های برش افقیAv آرماتور های برشی قائم نیز باید در دیوار پیش بینی شود آرماتور گذاری در دیوار مطابق زیر انجام می شود:

چنانچهVu=0.0025 فاصله میلگرد های(S2 ) از هم نباید از مقادیر زیر بیشتر باشد: ρn= 3h Lw/5 350سطح 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 نداردρn>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 خمشیMu 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: As سطح مقطع کل آرماتور های قائم دیوارFy : تنش تسلیم فولاد: Qs ضریب تقلیل ظریب فولادLw : طول افقی دیوار مقدارC/Lw از رابطه زیر به دست می آیدC/Lw=(w+α)/(2w+0.85β1) مقدارβ 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 مقدارAs 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 مؤثر خواهد بود و تسلیح قطری نیز می تواند مؤثر 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.