مقاله تخصصی دیوار برشی

با نیروهای جانبی مؤثر بر یك سازه ( در اثر باد یا زلزله ) به طرق مختلف مقابله می شود كه اثر زلزله بر ساختمانها از سایر اثرات وارد بر آنها كاملا متفاوت می باشد. ویژگی اثر زلزله در این است كه 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 تركیبی 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 جزییات خاصی دارد كه شكل پذیری كافی قاب را تأمین نماید.
این جزییات از لحاظ اجرایی غالباً دست و پاگیر بوده و در صورتی می توان از اجرای دقیق آنها مطمئن شد كه كیفیت اجرا و نظارت در كارگاه خیلی بالا باشد از لحاظ برتری می توان گفت كه دیوار برشی اقتصادی تر از قاب می باشد و تغییر مكانها را كنترل می كند در حالی كه برای سازه های بلند قاب به تنهایی نمی تواند در این زمینه جوابگو باشد. حال به ذكر چند نمونه از دیوارهای برشی می پردازیم :
1-دیوار های برشی فولادی : بعضی مواقع ورقهای فولادی به عنوان دیوارهای برشی بكار می روند. برای جلوگیری از كمانش موضعی چنین دیوارهای برشی فولادی لازم است از تقویت كننده های قائم و افقی استفاده شود.
2-دیوارهای برشی مركب : دیوارهای برشی مركب شامل : ورقهای تقویت شده فولادی مدفون در بتن مسلح، خرپاهای ورق فولادی مدفون در داخل دیوار بتن مسلح و دیوارهای مركب ممكن دیگر، كه تماماً با یك قاب فولادی و یا با یك قاب مركب 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 كه این دیوارها از نقطه نظر مقاومت در مقابل زلزله ضعف دارند و لذا اكنون 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 كه در این مقاله به آن می پردازیم. یكی از مطمین ترین روشها برای مقابله با نیروهای جانبی استفاده از دیوار برشی بتن مسلح است. دیوار برشی به عنوان یك ستون طره بزرگ و مقاوم در برابر نیروهای لرزه ای عمل می كند و یك عضو ضروری برای سازه های بتن مسلح بلند و یك عضو مناسب برای سازه های متوسط و كوتاه 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 یكنواختی و پیوستگی میلگرد های دیوار، به قاب محیطی قلاب می شوند. 2-دیوار برشی پیش ساخته : در دیوار های برشی پیش ساخته یكنواختی و پیوستگی با تهیه كلیه های ذوزنقه شكل در طول لبه های پانل و یا از طریق اتصال پانلها به قاب توسط میخهای فولادی صورت میگیرد. تأثیر شكل دیوار : تعبیه بال در دیوارها برای پایداری و شكل پذیری سازه بسیار مفید می باشد . نیروهایی كه به دیوارهای برشی وارد می شوند : به طور كلی دیوار های برشی تحت نیروهای زیر قرار می گیرند :
1-نیروی برشی متغیر كه مقدار آن در پایه حداكثر می باشد.
2-لنگر خمشی متغیر كه مقدار آن مجددا در پای دیوار حداكثر است و ایجاد كشش در یك لبه ( لبه نزدیك به نیروها و فشار در لبه متقابل می نماید ) با توجه به امكان عوض شدن جهت نیروی باد یا زلزله در ساختمان، كشش باید در هر دو لبه دیوار در نظر گرفته شود.
3-نیروی محوری فشاری ناشی از وزن طبقات كه روی دیوار برشی تكیه دارد.
توجه : در صورتی كه ارتفاع دیوار برشی كم باشد، غالبا نیروی برشی حاكم بر طراحی آن خواهد بود لیكن اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد لنگر خمشی حاكم بر طراحی آن خواهد بود. به هر حال دیوار باید برای هر دو نیروی فوق كنترل و در مقابل آنها مسلح گردد.
طراحی دیوار برشی در مقابل برش :
اگر Vu تلاش برشی نهایی در مقطع مورد طراحی باشد بر طبق آیین نامه ایران باید تعیین نیروی برشی مقاوم نهایی بتن : Vu=5υchd=φchd(fc)^0. 5
الف- حالتی كه دیوار تحت اثر برش یا تحت اثر تؤام برش و فشار قرار دارد Vc=υcbwd:
ب- حالتی كه دیوار تحت اثر برش و كشش فرار دارد : Vc=υc(1+Nu/(3Ag))bwd (A) در این رابطه كمیت Nu/Ag بر حسب ( N/mm^2 ) می باشد و Nuدر این رابطه منفی می باشد حال اگر محاسبه نیروی برشی مقاوم نهایی بتن ( Vc) با جزییات بیشتر مورد نظر باشد آنرا برابر با كمترین مقدار به دست آمده از دو رابطه زیر در نظر گرفته می گیریم و Vc=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 كشش منفی است چنانچه Mu/Vu-Lw/2 منفی باشد رابطه A بكاربرده نمی شود. نیروی برشی مقاوم نهایی Vc برای كلیه مقاطعی كه در فاصله ای كمتر از كوچكترین دو مقدار Lw/2 و hw/2 از پایه دیوار قرار دارند برابر با مقاومت برشی مقطع در كوچكترین این دو مقدار در نظر گرفته می شود.
نیروی برشی مقاوم نهایی آرماتور ها (Vs) از رابطه زیر محاسبه می شود Vs = φsAvfy d/S2 Av سطح مقطع آرماتور برشی در امتداد برش و در طول فاصله S2 می باشد چنانچه مقدار Av را در اختیار نداشتیم می توان Vs را از رابطه زیر به دست آورد Vs=Vu-Vc سپس به كمك رابطه فوقرا به دست می آوریم. برای تأمین برش مقاوم Vsعلاوه بر آرماتور های برش افقی Av آرماتور های برشی قائم نیز باید در دیوار پیش بینی شود آرماتور گذاری در دیوار مطابق زیر انجام می شود : چنانچه Vu=0. 0025 فاصله میلگرد های (S2 ) از هم نباید از مقادیر زیر بیشتر باشد : ρn= 3h Lw/5 350سطح مقطع كل بتن در امتداد برش / سطح مقطع آرماتور برشی در امتدادعمود بر برش نباید كمتر از 0. 0025 و یا كمتر از مقدار زیر در نظر گرفته شود : ρn=0. 0025+0. 5(2. 5-hw/Lw)( ρh-0. 0025) لزومی ندارد ρn>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 كه آرماتور گذاری آن در لبه های آن متمركز است محاسبه می شود. Av
مقاومت خمشی Mu یك دیوار برشی مستطیلی نظیر دیوار برشی این چنین محاسبه می شوددر رابطه فوق : Mr مقاومت خمشی نهاییدیوار :Nu نیروی محوری موجود در مقطع دیوار: As سطح مقطع كل آرماتور های قائم دیوار Fy : تنش تسلیم فولاد : Qs ضریب تقلیل ظریب فولاد Lw : طول افقی دیوار مقدار C/Lw از رابطه زیر به دست می آید C/Lw=(w+α)/(2w+0. 85β1) مقدار β 1 از روابط زیر به دست می آید : Fc=55 N/mm^2 → β1=0. 65، عرض دیوار : Fc مقاومت فشاری بتن ابتدا با توجه به آرماتور های قائم حداقل كه 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=0. 5AsφsFyLw(1+Nu/(AsφsFy))(1-C/Lw) w=As/(Lwh)*(φsFy)/( φcfc) φs=0. 85 φc=0. 6 a=Nu/(Lw*h*φcfc) h
(Mr>=Mu) چنانچه ظرفیت خمشی كمتر از نیروی خمشی دیوار به دست آید باید یا با كاهش فواصل یا افزایش قطر آرماتور های قائم مقدار As آنقدر افزایش یابد تا خمش بزرگتر از لنگر خمشی مقطع گردد. شكست برشی لغزشی : در شكست برشی لغزشی، دیوار برشی به طور افقی حركت می كند برای جلوگیری از این نوع شكست آرماتورهای تسلیح قائم كه به طور یكنواختی در دیوار قرار گرفته اند مؤثر خواهد بود و تسلیح قطری نیز می تواند مؤثر باشد. در قسمت زیر انواع مودهای شكست یك دیوار برشی طره ای گفته شده است : الف ـ گسیختگی خمشی ب ـ شكست لغزشی ج ـ شكست برشی د ـ دوران پی دیوارهای برشی با بازشو ها: شكست برشی یك دیوار برشی با بازشو ها، اگرچه می توان با به كار بردن مقدار زیادی خاموت باعث اتلافانرژی شد اما نمی توان انتظار شكل پذیری زیادی از آن داشت بنابراین بهتر است در چنین شرایطی از تسلیح قطری استفاده كرد.