مقاله تخصصي در مورد ديوار برشي

ديوار برشی
با نيروهاي جانبي مؤثر بر يك سازه ( در اثر باد يا زلزله ) به طرق مختلف مقابله مي شود كه اثر زلزله بر ساختمانها از ساير اثرات وارد بر آنها كاملا متفاوت مي باشد . ويژگي اثر زلزله در اين است كه نيروهاي ناشي از آن به مراتب شديدتر و پيچيده تر از ساير نيروهاي مؤثر مي باشند . عناصر مقاوم در مقابل نيروهاي فوق شامل قاب خمشي ، ديوار برشي و يا تركيبي از آن دو مي باشند . استفاده از قاب خمشي به عنوان عنصر مقاوم در مقابل نيروهاي جانبي بخصوص اگر نيروهاي جانبي در اثر زلزله باشند احتياج به جزئيات خاصي دارد كه شكل پذيري كافي قاب را تأمين نمايد .اين جزئيات از لحاظ اجرايي غالبا دست و پاگير بوده و در صورتي مي توان از اجراي دقيق آنها مطمئن شد كه كيفيت اجرا و نظارت در كارگاه خيلي بالا باشد از لحاظ برتري مي توان گفت كه ديوار برشي اقتصادي تر از قاب مي باشد و تغيير مكانها را كنترل مي كند در حالي كه براي سازه هاي بلند قاب به تنهايي نمي تواند در اين زمينه جوابگو باشد . حال به ذكر چند نمونه از ديوارهاي برشي مي پردازيم :
1-ديوار هاي برشي فولادي : بعضي مواقع ورقهاي فولادي به عنوان ديوارهاي برشي بكار مي روند . براي جلوگيري از كمانش موضعي چنين ديوارهاي برشي فولادي لازم است از تقويت كننده هاي قائم و افقي استفاده شود.
2-ديوارهاي برشي مركب : ديوارهاي برشي مركب شامل : ورقها ي تقويت شده فولادي مدفون در بتن مسلح ، خرپاهاي ورق فولادي مدفون در داخل ديوار بتن مسلح و ديوارهاي مركب ممكن ديگر ، كه تماما با يك قاب فولادي و يا با يك قاب مركب تؤام هستند مي شود .
3- ديوارهاي برشي مصالح بنايي : از دير زمان در ساختمانهاي مصالح بنايي از ديوارهاي مصالح بنايي توپر غير مسلح استفاده مي شده است ولي روشن شده است كه اين ديوارها از نقطه نظر مقاومت در مقابل زلزله ضعف دارند و لذا اكنون به جاي آنها از ديوارهاي برشي مسلح نظير ديوارهاي با آجر تو خالي و پر شده با دوغاب استفاده مي شود . 4-ديوارهاي برشي بتن مسلح : نوع ديگري از ديواهاي برشي ، ديوارهاي برشي بتن مسلح است كه در اين مقاله به آن مي پردازيم. يكي از مطمئن ترين روشها براي مقابله با نيروهاي جانبي استفاده از ديوار برشي بتن مسلح است . ديوار برشي به عنوان يك ستون طره بزرگ و مقاوم در برابر نيروهاي لرزه اي عمل مي كند و يك عضو ضروري براي سازه هاي بتن مسلح بلند و يك عضو مناسب براي سازه هاي متوسط و كوتاه مي باشد . انواع ديوار برشي بتن مسلح : دو نوع ديوار برشي بتن مسلح وجود دارد : 1-ديوار برشي در جا : در ديوار برشي در جا به منظور حفظ يكنواختي و پيوستگي ميلگرد هاي ديوار ، به قاب محيطي قلاب مي شوند . 2-ديوار برشي پيش ساخته : در ديوار هاي برشي پيش ساخته يكنواختي و پيوستگي با تهيه كليه هاي ذوزنقه شكل در طول لبه هاي پانل و يا از طريق اتصال پانلها به قاب توسط ميخهاي فولادي صورت مي گيرد . تأثير شكل ديوار : تعبيه بال در ديوارها براي پايداري و شكل پذيري سازه بسيار مفيد مي باشد . نيروهايي كه به ديوارهاي برشي وارد مي شوند : به طور كلي ديوار هاي برشي تحت نيروهاي زير قرار مي گيرند :
1-نيروي برشي متغير كه مقدار آن در پايه حداكثر مي باشد .
2-لنگر خمشي متغير كه مقدار آن مجددا در پاي ديوار حداكثر است و ايجاد كشش در يك لبه ( لبه نزديك به نيروها و فشار در لبه متقابل مي نمايد ) با توجه به امكان عوض شدن جهت نيروي باد يا زلزله در ساختمان ، كشش بايد در هر دو لبه ديوار در نظر گرفته شود.
3-نيروي محوري فشاري ناشي از وزن طبقات كه روي ديوار برشي تكيه دارد .
توجه : در صورتي كه ارتفاع ديوار برشي كم باشد ، غالبا نيروي برشي حاكم بر طراحي آن خواهد بود ليكن اگر ارتفاع ديوار برشي زياد باشد لنگر خمشي حاكم بر طراحي آن خواهد بود . به هر حال ديوار بايد براي هر دو نيروي فوق كنترل و در مقابل آنها مسلح گردد.
طراحي ديوار برشي در مقابل برش :
اگر Vu تلاش برشي نهايي در مقطع مورد طراحي باشد بر طبق آيين نامه ايران بايد Vu=5υchd=φchd(fc)^0.5 تعيين نيروي برشي مقاوم نهايي بتن :
الف- حالتي كه ديوار تحت اثر برش يا تحت اثر تؤام برش و فشار قرار دارد Vc=υcbwd:
ب- حالتي كه ديوار تحت اثر برش و كشش فرار دارد : Vc=υc(1+Nu/(3Ag))bwd (A) در اين رابطه كميت Nu/Ag بر حسب ( N/mm^2 ) مي باشد و Nuدر اين رابطه منفي مي باشد حال اگر محاسبه نيروي برشي مقاوم نهايي بتن ( Vc) با جزئيات بيشتر مورد نظر باشد آنرا برابر با كمترين مقدار به دست آمده از دو رابطه زير در نظر گرفته مي گيريم و Vc=1.65υchd + (Nud)/(5Lw) وVc=(0.3υc+(Lw(0.6υc+0.15Nu/(Lwh)))/(Mu/Vu-Lw/2))hd Nu
نيروي محوري براي فشار مثبت و براي كشش منفي است چنانچه Mu/Vu-Lw/2 منفي باشد رابطه A بكاربرده نمي شود . نيروي برشي مقاوم نهايي Vc براي كليه مقاطعي كه در فاصله اي كمتر از كوچكترين دو مقدار Lw/2 و hw/2 از پايه ديوار قرار دارند برابر با مقاومت برشي مقطع در كوچكترين اين دو مقدار در نظر گرفته مي شود .
نيروي برشي مقاوم نهايي آرماتور ها (Vs) از رابطه زير محاسبه مي شود Vs = φsAvfy d/S2 Av سطح مقطع آرماتور برشي در امتداد برش و در طول فاصله S2 مي باشد چنانچه مقدار Av را در اختيار نداشتيم مي توان Vs را از رابطه زير به دست آورد Vs=Vu-Vc سپس به كمك رابطه فوق Av را به دست مي آوريم . براي تأمين برش مقاوم Vsعلاوه بر آرماتور هاي برش افقي Av آرماتور هاي برشي قائم نيز بايد در ديوار پيش بيني شود آرماتور گذاري در ديوار مطابق زير انجام مي شود : چنانچه Vu=0.0025 فاصله ميلگرد هاي (S2 ) از هم نبايد از مقادير زير بيشتر باشد : ρn= 3h Lw/5 350سطح مقطع كل بتن در امتداد برش / سطح مقطع آرماتور برشي در امتداد عمود بر برش نبايد كمتر از 0.0025 و يا كمتر از مقدار زير در نظر گرفته شود : ρn=0.0025+0.5(2.5-hw/Lw)( ρh-0.0025) لزومي ندارد ρn>ρh در نظر گرفته شود . طراحي ديوار برشي در مقابل خمش : چنانچه ارتفاع ديوار برشي بلندتر از دو برابر عمق آن باشد مقاومت خمشي آن مشابه تيري كه آرماتور گذاري آن در لبه هاي آن متمركز است محاسبه مي شود .
مقاومت خمشي Mu يك ديوار برشي مستطيلي نظير ديوار برشي اين چنين محاسبه مي شود : Mr=0.5AsφsFyLw(1+Nu/(AsφsFy))(1-C/Lw) در رابطه فوق : Mr مقاومت خمشي نهايي ديوار :Nu نيروي محوري موجود در مقطع ديوار: As سطح مقطع كل آرماتور هاي قائم ديوار Fy : تنش تسليم فولاد : Qs ضريب تقليل ظريب فولاد Lw : طول افقي ديوار مقدار C/Lw از رابطه زير به دست مي آيد C/Lw=(w+α)/(2w+0.85β1) مقدار β 1 از روابط زير به دست مي آيد : 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 ديوار : Fc مقاومت فشاري بتن ابتدا با توجه به آرماتور هاي قائم حداقل كه به علت نيازهاي برشي در ديوار تعبير شده اند ظرفيت خمشي مقطع را به دست مي آوريم . همواره بايد ظرفيت خمشي بزرگتر يا مساوي نيروي خمشي نهايي ديوار باشد.
( Mr>=Mu) چنانچه ظرفيت خمشي كمتر از نيروي خمشي ديوار به دست آيد بايد يا با كاهش فواصل يا افزايش قطر آرماتور هاي قائم مقدار As آنقدر افزايش يابد تا خمش بزرگتر از لنگر خمشي مقطع گردد . شكست برشي لغزشي : در شكست برشي لغزشي ، ديوار برشي به طور افقي حركت مي كند براي جلوگيري از اين نوع شكست آرماتورهاي تسليح قائم كه به طور يكنواختي در ديوار قرار گرفته اند مؤثر خواهد بود و تسليح قطري نيز مي تواند مؤثر باشد . در قسمت زير انواع مودهاي شكست يك ديوار برشي طره اي گفته شده است : الف ـ گسيختگي خمشي ب ـ شكست لغزشي ج ـ شكست برشي د ـ دوران پي ديوارهاي برشي با بازشو ها: شكست برشي يك ديوار برشي با بازشو ها ، اگرچه مي توان با به كار بردن مقدار زيادي خاموت باعث اتلاف انرژي شد اما نمي توان انتظار شكل پذيري زيادي از آن داشت بنابراين بهتر است در چنين شرايطي از تسليح قطري استفاده كرد .