X
تبلیغات
وبلاگicon
عمران و معماری - دیوار برشی
تاريخ : شنبه 1391/10/02 | 8:57 | نویسنده : ALI

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 :

اگر Vu تلاش برشی نهایی در مقطع مورد طراحی باشد بر طبق آیین نامه ایران باید Vu=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 دارد Vc=υcbwd:

ب- حالتی که دیوار تحت اثر برش و کشش فرار دارد : Vc=υc(1+Nu/(3Ag))bwd (A) در این رابطه کمیت 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 جزئیات بیشتر مورد نظر باشد آنرا برابر با کمترین 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 کشش منفی است چنانچه Mu/Vu-Lw/2 منفی باشد رابطه A بکاربرده نمی شود . نیروی برشی مقاوم نهایی Vc برای کلیه مقاطعی که در فاصله ای کمتر از کوچکترین دو مقدار Lw/2 و hw/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 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 کمک رابطه فوق Av را 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 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 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 که آرماتور گذاری آن در لبه های آن متمرکز است محاسبه می شود .

مقاومت خمشی Mu 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 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، 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 مقدار As 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 .



ديوار برشي راه‌حل مقابله با زلزله

علم مهندسي زلزله ساختمان‌ها در سال 1950 ميلادي هم زمان با فعاليت‌هاي گسترده بازسازي پس از پايان جنگ جهاني دوم شروع گرديد.

تلاش‌هاي اوليه به منظور مقاوم‌سازي ساختمان‌ها، براساس فرضياتي نه چندان دقيق بر روي واکنش سازه در اثر ارتعاش زمين صورت گرفت که بدليل کمبود ابزار تحليل مناسب و سوابق اطلاعاتي کافي در مورد زلزله، روش‌هاي ناقصي بودند. مشاهده عملکرد سازه‌ها در هنگام وقوع زلزله و همچنين مطالعات تحليلي و کارهاي آزمايشگاهي و جمع‌آوري اطلاعات مربوط به زمين‌لرزه‌هاي چهار دهه اخير، امکان ارايه روشي مدرن براي طراحي سازه‌هاي مقاومت در برابر زلزله را فراهم آورده است.

در طي دهه 1950، سيستم ”قاب خمشي شکل‌پذير“ از سيستم ”قاب خمشي“ که در آن زمان تنها سيستم مقاوم در ساختمان‌هاي چندين طبقه‌ بتني و فولادي بود ، منشا گرفت و به دليل رفتار مناسب اين سيستم در برابر زلزله، کاربرد آن تا اواخر دهه 1970 ادامه يافت. در طي اين مدت سيستم‌هاي جديدتر و کارآمدتري نظير ديوارهاي برشي و يا خرپاها براي تحمل فشار جانبي باد در ساختمان‌هاي بلند رايج شدند و تقريباً روش ساخت به صورت قاب تنها در اين ساختمان‌ها، کنار گذاشته شد.

تحقيقات تجربي و تئوري انجام شده در سراسر جهان طي دهه‌هاي 60 و 70 و 80 ميلادي منجر به جمع‌آوري اطلاعات مفصلي در رابطه با واکنش سيستم‌هاي ساختماني داراي ديوار برشي در هنگام زلزله شد که اين مطالعات بر اهيمت قاب خمشي شکل‌پذير در کاهش بار زلزله تأکيد داشتند. با توجه به اينکه سازه‌هاي داراي صلبيت بيشتر (يعني شکل‌پذيري کمتر) در هنگام زلزله، تحت نيروهاي به مراتب قوي‌تري قرار مي‌گيرند و از آنجا که وجود ديوار برشي در ساختمان‌ها باعث افزايش صلبيت آنها مي‌شود، کاربرد ديوارهاي برشي، نامناسب تشخيص داده شد و بيشتر ساختمان‌ها به روش قاب خمشي ساخته شدند. براي نمونه در برخي از کشورها خصوصاً کشورهاي توسعه نيافته بدون رعايت حداقل ضوابط شکل‌پذيري، قاب‌هاي ساختماني از انواع شکننده و فاقد قابليت تحمل زلزله‌هاي قوي بدون وارد آمدن آسيب شديد به ساختمان، اجرا شدند و همانگونه که در زمين لرزه‌هاي چهار دهه اخير مشاهده شد، بسياري از ساکنين خود را در ”تله‌هاي مرگ“ گرفتار کردند. آنچه در زير مي‌آيد، بيان خلاصه‌اي از رفتار سازه‌هاي ديوار برشي است که در حوادث زمين لرزه‌هاي 30 سال اخير قرار داشته‌اند.

زلزله ماه مه سال 1960 شيلي:

اولين گزارش در ارتباط با رفتار ساختمان‌هاي داراي ديوار برشي، مربوط به اين زلزله مي‌باشد تجربيات در زلزله شيلي، کاربرد ديوارهاي برشي در زلزله‌هاي شديد را درکاهش خسارات سازه‌اي و غيرسازه‌اي، تأييد مي‌کند. در چند مورد، ديوارهاي برشي ترک خورده‌اند اما رفتار کلي ساختمان تغيير نکرده است.

زلزله ماه ژوئيه سال 1963 يوگسلاوي:

در اين زمين‌لرزه، ديوارهاي بتني غيرمسلح بکار رفته (مثلاً در هسته ساختمان و يا در طول آن) توانستند با مهار کردن پيچش بين طبقات از خسارات عمده جلوگيري کنند و تنها در چند مورد استثنائي قسمت‌هاي تحتاني تيرهاي محيطي، در اثر لرزش‌هاي شديد، جدا شده بود.

زلزله ماه فوريه سال 1971 سن فرناندو (کاليفرنيا):

پس از وقوع اين زلزله، ساختمان 6 طبقه مرکز پزشکي IN-DIAN HILL با سيستم مرکب قاب و ديوار برشي، تنها نياز به ترميم داشت در حاليکه ساختمان 8 طبقه بيمارستان HOLLY CROSS در کنار آن بدليل اينکه سيستم قاب تنها در آن بکار رفته بود. به شدت آسيب ديد و نهايتاً تخريب شد.

زلزله ماه مارس سال 1977 بخارست (روماني):

در اين زلزله که 35 ساختمان چندين طبقه به طور کامل ويران شد، صدها ساختمان بلند و برج‌هاي آپارتماني که در آنها از ديوارهاي بتني در امتداد کريدورها و يا سرتاسر ساختمان استفاده شده بود، بدون خسارات عمده، سالم و قابل استفاده باقي ماندند.

زلزله ماه اکتبر سال 1985 مکزيکوسيتي (مکزيک):

ويراني‌هاي اين زلزله در مکزيک، به خوبي عواقب عدم استفاده از ديوارهاي برشي تقويت کننده را نشان داد. در اين زمين‌لرزه حدود 280 ساختمان چند طبقه با سيستم قاب تنها، به دليل نداشتن ديوار برشي به طور کامل تخريب شده و از بين رفتند.

زلزله ماه دسامبر سال 1988 ارمنستان:

زلزله ارمنستان در سال 1988 دليل ديگري بر نتايج منفي حذف ديوارهاي برشي در ساختمان‌هاي چندين طبقه است. در اين زمين‌لرزه 72 ساختمان به دليل نداشتن ديوار برشي، به کلي ويران شده و 149 ساختمان در چهار شهر Leninakam و Spitak و Kirovakan و Stepomavan دچار آسيب‌هاي شديد شدند. با اين وجود کليه 21 ساختمان با پانل‌هاي بزرگ موجود در اين چهار شهر هيچگونه آسيبي نديده و در ميان ويرانه‌هاي ساختمان‌هاي ديگر، پابرجا ماندند.

در دهه‌هاي اخير روش‌هاي شکل‌پذير ساختن سيستم‌هاي سازه‌اي که گاهي قابليت افزايش مقاومت در برابر زلزله را نداشتند مورد توجه قرار گرفت که ضمن ايجاد احساس امنيت کاذب، هيچگونه بازدهي کافي نداشتند. در ابتداي پيدايش علم مهندسي زلزله، بسياري از متخصصين مفهوم شکلي‌پذيري (ductility) را با انعطاف‌پذيري (flexibility) اشتباه کردند و در نتيجه سازه‌هاي انعطاف‌پذير زيادي در مناطق زلزله‌خيز جهان ساخته شد. با اينکه تعدادي از آنها شکل‌پذير بودند اما هنگام وقوع زلزله، در اثر پيچش زياد بين طبقات، خسارات غير قابل جبراني به اين ساختمان‌ها وارد شد. در ساختمان‌سازي امروزي که تنها 20 درصد کل مخارج مربوط به هزينه در سيستم سازه‌اي و مابقي صرف مخارج کارهاي معماري و تأسيسات برقي و مکانيکي مي‌شود. انتخاب يک سيستم سازه‌اي مناسب که امنيت جاني و مالي افراد را در برداشته باشد از اهميت ويژه‌اي برخوردار بوده و يکي از راه‌هاي رسيدن به چنين امنيتي استفاده از ديوارهاي برشي در سازه‌هاي بتني مي‌باشد.

جزئيات شکل‌پذيري ديوارهاي برشي که بعد از مطالعات اخير، در برخي آئين‌نامه‌ها ذکر شده‌اند هنوز در زلزله‌هاي واقعي مورد آزمايش قرار نگرفته‌اند. بدون شک استفاده از اين جزئيات، باعث شکل‌پذيرتر شدن ديوارها مي‌شود ولي ميزان دقيق بهره‌وري از شکل‌پذيري بايد در زلزله‌هاي واقعي و يا مطالعات پيچيده پاسخ‌هاي ديناميکي ديوار در اثر زلزله مشخص شود. طراحي ديوار به صورت شکل‌پذير هنگامي صحيح است که مقاومت آن از طريق خمش صورت بگيرد نه از طريق برش و همچنين ظرفيت برشي ديوار در هر مقطع از برش آن مقطع که بر مبناي مقاومت خمشي ديوار به دست مي‌آيد، بيشتر باشد. علاوه بر اين نه تنها ظرفيت برشي نهائي بلکه رفتار عضو بين حالت شروع ترک‌خوردگي و حالت گسيختگي برشي نيز مشخص باشد.

نتيجه

با اينکه سازه‌هاي ديوار برشي در 30 سال اخير، از فولاد کمتر از مقدار توصيه شده توسط آئين‌نامه‌هاي فعلي آمريکا برخوردار بوده‌اند اما با اين وجود در برابر زلزله‌هاي اين سه دهه به خوبي مقاومت کرده‌اند. بررسي‌هاي انجام شده از سال 1963 به بعد روي عملکرد اين سازه‌ها، هنگام وقوع زلزله، نشان داده‌اند که با وجود مشاهده ترک‌هاي مختلف، حتي يک مورد ويراني يا تلفات جاني در سازه‌هاي با ديوار برشي گزارش نشده است. اغلب خسارات ساختمان‌هاي با سيستم قاب، در اثرپيچش طبقات (و در نتيجه گسيختگي برشي ستون‌ها) بوده است. البته اين دليل بر عدم مقاومت سازه‌هاي قابي طرح شده به روش‌هاي جديد، در برابر زلزله نمي‌باشد بلکه هدف نمايش قابليت بالاي ديوارهاي برشي حتي در صورت آرماتورگذاري با شيوه‌هاي قديمي و غير علمي است. با مشاهده ويراني ساختمان‌ها تحت زلزله‌هاي اخير (1972 نيکاراگوئه و 1985 مکزيک و 1988 ارمنستان)، تأکيد بر استفاده از ديوارهاي برشي (مخصوصاً در ساختمان‌هاي مسکوني) امري معقول به نظر مي‌رسد و نشان مي‌دهد که ساخت سازه‌هاي بدون ديوار برشي در مناطق با زلزله‌حيزي شديد يک نوع ريسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصيه نمي‌باشد

ترمیم و تقویت سازه های بتنی توسط دیوار برشی



چکیده

دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمان های فولادی در حدود 15 سال اخیر مورد توجه خاص مهندسان سازه قرار گرفته است. ویژگی های منحصر به فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است ، از ویژگی های آن اقتصادی بودن ، اجرای آسان ، وزن کم نسبت به سیستم های مشابه ، شکل پذیری زیاد ، نصب سریع ، جذب انرژی بالا و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه را می توان نام برد. تمام دلایل ما را به این فکر آن وا داشت که استفاده از آن را درترمیم ساختمان های بتنی مورد مطالعه قراردهیم. چون این سیستم دارای وزن کم بوده ، به سازه بار اضافی وارد نکرده و حتی با اتصالاتش باعث تقویت تیر وستونهای اطراف خود می شود. همچنین این سیستم نیازی به تجهیزات خاص ندارد و می توان بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضا سازه ای به بقیه اجزای سازه ای وصل شود. البته طراحی این سیستم در ساختمان های بتنی بغیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی آید. در این مقاله توضیحات اولیه ای از دیوار برشی فولادی جهت آشنایی بیشتر ارائه شده ، و در قسمت های بعدی بررسی رفتار پانلهای برشی فولادی LYP1 در تقویت وترمیم سازه های بتنی مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و تفاوت آن با سیستم بادبندی مشابه مورد توجه قرار خواهد گرفت ، و در آخر نتایج آزمایشات بررسی خواهند شد.


1- مقدمه
دیوارهای برشی فولادی SSW2 برای گرفتن نیروهای جانبی زلزله و باد در ساختمان های بلند در سالهای اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است . این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمان های جدید و همچنین تقویت ساختمان های موجود به خصوص در کشورهای زلزله خیزی همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است . استفاده از آنها در مقایسه با قابهای ممان گیر تا حدود 50% صرفه جویی در مصرف فولاد را در ساختمان ها به همراه دارد.
دیوار های برشی فولادی از نظر اجرائی ، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد . لذا مهندسان ، تکنسین ها و کارگران فنی با دانش فنی موجود و بدون نیاز به کسب مهارت جدید می توانند آنرا اجرا نمایند . دقت انجام کار در حد دقت های متعارف در اجرای سازه های فولادی بوده و با رعایت آن ضریب اطمینان اجرائی به مراتب بالاتر از انواع سیستم های دیگر می باشد . با توجه به سادگی و امکان ساخت آن در کارخانه و نصب آن در محل ، سرعت اجرای سیستم بالا بوده واز هزینه های اجرائی تا حد بالایی زیادی کاسته می شود .
سیستم از نظر سختی برشی از سخت ترین سیستم های مهاربندی که X شکل می باشد ، سخت تر بوده و باتوجه به امکان ایجاد باز شو در هر نقطه از آن ، کارائی همه سیستم های مهاربندی را از این نظر دارا می باشد .
همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیستم های مهار بندی بهتر است . در سیستم دیوار های برشی فولادی به علت گستردگی مصالح و اتصالات ، تعدیل تنش ها به مراتب بهتر از سیستمهای مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قاب ها وانواع مهاربندی که معمولأ در آنها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات متمرکز می باشند ، صورت گرفته و رفتار سیستم بخصوص در محیط پلاستیک مناسب تر می باشد .
گزارش اولیه تحقیقات انجام شده در تابستان سال 2000 میلادی در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان می دهد ، ظرفیت دیوار های برشی فولادی برای مقابله با خطراتی مانند زلزله ، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم ها مثل قابهای ممان گیر ویژه حداقل 25% بیشتر می باشد . در آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده گردیده است که ظرفیت آن حدودأ 6670KN می باشد . آزمایش های مذکور نشان می دهد ، دیوارهای برشی فولادی دارای شکل پذیری بسیار بالائی هستند . به لحاظ اهمیت موضوع بودوجه این تحقیقات که به منظور دستیابی به یک سیستم مطمئن جهت ساخت ساختمان های فدرال آمریکا برای آنکه بتوانند در مقابل خطراتی مانند زلزله ، طوفان و بمب مقاومت نمایند ، توسط بنیاد ملی علوم آمریکا و اداره خدمات عمومی آمریکا تأمین گردیده است .


1: شکلی از دیوار برشی فولادی در سازه های فولادی (با سخت کننده و بدون سخت)

2- ساختمان های ساخته شده با استفاده از دیوار برشی فولادی
اولین ساختمان ساخته شده با استفاده از این روش بیمارستانی در لس آنجلس به نام بیمارستان Sylmar بود. یکی از بزرگترین سازه های ساخته شده با سیستم دیوار برشی فولادی ساختمان شینجوکونومورا 3 در توکیو است که این ساختمان دارای 51 طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین 211 متر است . 5 طبقه آن درزیر زمین واقع بوده و 27.5 مترآن پایین تر از سطح زمین قرار دارد و ، برای اجتناب از بکارگیری دیوار برشی بتنی ، از سیستم دیوار برشی فولادی در هسته های مرکزی ساختمان که اطراف آسانسور ها ، پله ها و رایزرهای تاسیساتی می باشد ، استفاده گردید.
یکی از کاربردهای این پانلها در تقویت سازه های بتنی در ساختمان مرکز درمانی در چارلستون می باشد این سازه در اثر زلزله 1963 آسیب دیده بود این ساختمان متشکل از ساختمان های متعددی از یک تا پنج طبقه می باشد که زیر بنای آنها نزدیک به 32500 متر مربع است . برای تقویت این سازه از بهترین تیم طراحی وتحقیقاتی استفاده گردید . بعد از بررسی های فراوان این سیستم را با توجه به دلایل زیر مناسب دانستند :

• جلوگیری از اخلال در کار روزانه و کاهش مشکلات برای بیماران ، بعلت سرعت نصب آن
• جلوگیری از کاهش زیر بنای مفید و اتلاف فضاها
• پیش بینی امکان تغییرات در آینده ، زیرا در دیوار برشی فولادی به سادگی می توان تغییرات مورد نظر را اعم از
• جابجائی معماری و یا ایجاد بازشو به خاطر عبور تاسیسات داد
• جلو گیری از ازدیاد وزن سازه


به جز ساختمان های بالا سازه های فراوانی از جمله
ساختمان مرکزی 54 طبقه بانک وان ملون در پیتسبورگ پنسیلوانیای آمریکا
ساختمان مسکونی 51 طبقه واقع در سان فرانسیسکو
ساختمان 25 طبقه در ادمونتون کانادا
ساختمان 32 طبقه بایرهویچ هوس در لورکوزن آلمان (Byer-Hochhaus)
ساختمان 20 طبقه دادگاه فدرال در سیاتل آمریکا
برای تقویت ساختمان بتنی کتابخانه ایالتی اورگ (Oregon state library) را می توان نام برد که در آن برای تقویت از دیوار برشی فولادی برشی فولادی استفاده شده است .





3- معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای تقویت سازه های بتنی ساخته شده [3]



سال 1995 زلزله در Hugoken-Nanbu4 که زلزله مهیبی بود ، باعث کشته و مجروح شدن انسانهای زیادی شد . ساختمان های بسیاری آسیب جدی دیدند و ساختمان هایی که قبل از سال 1981 و مخصوصأ قبل از 1971 ساخته شده بودند ، خسارت شدیدی را متحمل گردیدند و حتی برخی از آنها فرو ریختند .
این امر نشانگراین است که آیین نامه و مقررات قدیمی برای طراحی ساختمان به نحو مناسبی نیروهای زلزله و شکل پذیری سازه ای را در نظر نگرفته اند .
در سال 1999 زلزله در chi -chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاری از سازه ها شد . دوباره این ساختمان هایی که قبل از سال 1983 طراحی و ساخته شده بودند ، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه 1999 تمام مقررات و آیین نامه های زلزله مورد باز بینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند . ضرایب لرزه ای منطقه ای در هرناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید . برای مثال شتاب زمین لرزه در منطقه Taichung از 0.23g به 0.33g افزایش یافت .
در نتیجه تقریبا همه ساختمانها در Taichung مطابق با مقررات طراحی جدید احتیاج به مقاوم سازی پیدا کردند. هدف این پروژه افزایش و بهبود بخشیدن مقاومت لرزه ای ساختمان های بتن مسلح می باشد . این پروژه شامل سه زیر مجموعه است که شامل :
• پیدا کردن و پی بردن به میزان کمبود مقاومت لرزه ای ساختمان های بتن آرمه موجود بر اساس آیین نامه جدید
• مساله نیروهای وارد بر سازه کناری و همجوار بعلت تغییر مکانهای بیش از اندازه جانبی آنها
• تحقیق در مورد دو روش برای جذب انرژی توسط پانلهای برشی فولادی و بادبند فولادی برای بهبود مقاومت لرزه ای سازه های موجود .



4- مشخصات لرزه ای پانلهای برشی فولادی با نقطه تسلیم پایین (LYP)


استفاده از دیوار برشی فولادی باعث بهبود مقاومت لرزه ای سیستم در طراحی ساختمان های جدید و مقاوم کردن ساختمان های ساخته شده می شود . صفحات فولادی نازک تمایل به کمانش دارند و از این رو ظرفیت جذب انرژی در این رو صفحات محدود است .
اخیرا روشهای جدید و تکنولوژی های بدست آمده در زمینه فلزات ، صفحات فولادی جدید را در دسترس ما گذاشته است . این نوع فولاد دارای تنش تسلیم کمتر افزایش طول بالا می باشند و توانایی تغییر شکل دادن و جذب انرژی بیشتری را قبل از شکستن از خود نشان می دهند . یکی دیگر از ویژگی های آن پایین بودن نقطه تسلیم است که این باعث افزایش ناحیه پلاستیک آن می شود و باعث جذب بیشتر تنش می شود .
پانلهای برشی فولادی ساخته شده از LYP توانایی جذب و اتلاف انرژی زیادی را دارند ، و می توانند در ساختمان های جدید مورد استفاده قرار گیرد . این نوع پانلها همانند دیوار برشی فولادی نسبت به نیروهای زلزله طراحی و ساخته می شوند . چون این پانلها دارای ویژگی جذب و اتلاف انرژی بالایی هستند ، می توان از آنها بعنوان میراگر برای میرا کردن انرژی لرزه ای استفاده کرد . این نوع میراگر فلزی در هنگام جذب انرژی استحکام کافی را دارند و همچنین نسبت به میراگرهای که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، نیاز به نگهداری و تعمیر ندارد .

نقطه تسلیم و نقطه نهایی صفحات LYP هردو تحت تاثیر میزان کرنش وارده است . در این تحقیق تاثیر میزان کرنش و نحوه بارگذاری بر روی مشخصات مقاومت لرزه ای پانل صفحه ای مورد آزمایش قرار گرفته است .
مجموعه آزمایشات انجام شده ، مطالعه روی رفتار پانلهای برشی ساخته شده از فولاد LYP تحت سرعت های بارگذاری متفاوت و جابجایی های نموی ، است .

4-1- مطالعات آزمایشگاهی بروی پانل برشی فولاد LYP



پانل فولادی برشی ، ساخته شده از فولاد با نقطه تسلیم پایین ، عامل موثری برای جذب انرژی زیادی است . با طراحی و ساخت مناسب پانلهای برشی فولادی می توان در جذب و تلف کردن مقدار زیادی از انرژی لرزه ای بهره برد . اما رفتار سازه ای این نوع پانل برشی متاثر از شدت کرنشی است .
در 9 نمونه تست شده در آزمایش ، می خواهیم رفتار آنها را در هر یک از نحوه بارگذاری متفاوت مورد ارزیابی قرار دهیم. شکل 2 نحوه طراحی نمونه ها را نشان می دهد . شکل 3 چگونگی آزمایش ها را نشان می دهد . در این نمونه ها نسبت عرض به ضخامت پانل 50 گرفته شده است . لبه های بیرونی اعضأ به خاطر جلوگیری از ترک خوردن اتصالات بین لبه و پانل و صفحه پای ستون تراشیده شده است . این کار بخاطر اجتناب تمرکز تنش و سوق دادن صفحه به ناحیه پلاستیک که قبلا بحث آن را کردیم . در این تحقیق تاریخچه بارگذاری پانل برشی فولادی آزمایش و بررسی شده است . سه سرعت بارگذاری 2.5 ، 5 و 10 mm/sec انتخاب شده است.
برای دستیابی به سرعت کرنشی این نمونه ها بارگذاری تدریجی به جای بار لرزه ای اعمال می شود . برای هر سه حالت متفاوت جابه جایی δy ، 2δy و 3δy را در هر دوره بارگذاری آزمایش را می پذیریم . آزمایش روی سازه تا زمانی که مقاومت به زیر % 80 مقاومت نهایی رسید متوقف می شود.


4-2- بررسی در نتایج آزمایشات :

مطالعات نشان می دهد که چرخش نسبی ۵ آن ها بیشتر از 5% است که بیشتر از زاویه تغییر مکان جانبی مورد نیاز سازه می باشد که معمولا چرخش نسبی سازه ها را 2.5% که بیشتر از آن موجب تخریب در سازه می شود ، در نظر می گیرند . با تغییر شکل اطراف المان و تغییر شکل مورد انتظار و زاویه تغییر شکل جانبی 5% به نظر می رسد که برای پانل برشی کافی می باشد . بدیهی است که تمام نمونه های آزمایش شده زا ویه تغییر مکان جانبی آنها بیشتر از 5% خواهد بود که در جدول 1 نشان داده شده است . در آنها می توان دید که بارگذاری سریع و کند حدودا 16% تفاوت ایجاد کرده است.

تفاوت روی مقاومت نهایی پانل فولادی برشی LYP با با افزایش بارگذاری یکنواخت ، تأثیر نسبت بارگذاری بر روی مجموع ظرفیت استهلاک انرژی قابل صرف نظر کردن است . از شکل 4 می توان دریافت که پانل فولادی آزمایش شده دارای استحکام و جذب انرژی قابل توجهی است و نسبت به دامنه تغییر مکان در شرایط بارگذاری یا تغییر در دامنه حرکت بی تفاوت است .
مقدار انرژی تلف شده پانلهای برشی در هر شرایط بارگذاری لرزه ای ثابت می ماند . مشخصات نمودار بار - جابه جایی پانل برشی شدیدا تحت تأثیر کمانش برشی صفحات نازک فولادی است . معمولا مقاومت نهایی به تدریج بعد از اینکه کمانش برشی اتفاق افتاد ، کاهش می یابد .
ظرفیت تغییر شکل نهایی پانل برشی متأثر از نسبت عرض به ضخامت پانل است . در این مطالعه نسبت عرض به ضخامت نمونه آزمایش شده را 50 می گیریم وشروع کمانش برشی وقتی اتفاق می افتد که زاویه تغییر شکل جانبی آن به 4% برسد . تأخیر در کمانش برشی به تنهایی نشان دهنده افزایش ظرفیت شکل پذیری پانل برشی نیست اما کم شدن آسیب المان های غیر
سازه ای وابسته و مربوط به پانل برشی است

مجموع انرژی تلف شده بستگی به بارگذاری و افزایش جابه جایی ندارد . چون که پریود لرزشی طبیعت تصادفی دارد این مطالعات نشان می دهد انرژی به نسبت تاریخچه بارگذاری بی تفاوت است و این یکی از مزایای پانل برشی همانند میراگرهای لرزه ای است . در پانلهای برشی استهلاک انرژی موثر تحت چرخه بار گذاری تصادفی ثابت می ماند . پانل فولادی می تواند برای تقویت ساختمان های موجود موثر باشد . مطالعات آزمایشی برای تقویت قابهای بتنی توسط میراگرهای برشی فولادی در قسمت بعدی توضیح داده می شود .

5- مقاومت لرزه ای سازه ها با استفاده از مقاومت نهایی پایین در قابهای مهار بندی و پانلهای برشی


کمانش قاب مهاربندی شده (بادبند)


تجربیات قبلی نشان می دهد که ساختمان هایی که مطابق مقررات امروزی طراحی وساخته نشده اند ، نمی توانند در مقابل نیروی زلزله مقاومت کرده و متحمل خسارتهایی می شوند . در تایوان این ساختمانها اکثرا سازه های بتن آرمه هستند و نیاز به ترمیم برای بهبود مقاومت لرزه ای دارند . قابهای ممان گیر (BIB) و پانلهای برشی فولادی ثابت شده که دارای مقاومت بالا و شکل پذیری بالا و حلقه های هیستریسس ثابتی وپایداری دارد . قاب مهار شده با بادبند شامل المانهای باربر و المانهای مهاربندی برای بارهای جانبی هستند .
بارهای محوری توسط المانهای حمال (تیر) مهار می شوند و که تکیه گاههای جانبی المان کار جلوگیری از کمانش عضو را به عهده دارند . دیوار برشی فولادی ساخته شده از LYP مانند یک المان باربر برشی زمانی که به خوبی ، طراحی شود ، می تواند رفتار خوبی در برابر نیروهای لرزه ای داشته باشد . در این تحقیق قابهای قابهای ممان گیر ودیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی قابهای بتنی مورد استفاده شده اند و کارایی هر یک از آنها مورد آزمایش قرار می گیرد .

روش آزمایش:
قاب بتنی با مقیاس 0.8 ساخته شده است . شکل 6 نشان دهنده جزئیات قاب بتنی را نشان می دهد . یکی از قابهای بتنی بدون تقویت تست می شود که طبق MRF طراحی شده است . دومین نمونه توسط بادبند ، ساخته شده از فولاد LYP100 مهار شده که طبق BIBLYP طراحی شده است . سومین نمونه بادبند از فولاد A36 و طبق BIBA36 طراحی شده است . چهارمین نمونه توسط دیوار برشی فولادی ساخته شده از فولاد LYP100 مهار شده است .

هر عضو تقویت کننده همانند بادبند و دیوار برشی فولادی متصل به قالب فولادی شکل که به بتن بسته است واز چهار تا H200*200*8*12 شکل ساخته شده در شکل 8 نشان داده شده است . که محور کوچکتر H در قاب بتنی فرو رفته است . گل میخ های برشی به صفحات جان H شکل جوش داده می شوند . بادبند ها و دیوار برشی فولادی به این صورت در طول قاب فولادی به قاب بتنی متصل می شود ، که درون قاب فولادی وبتنی قرار می گیرد .
مشخصات مکانیکی فولاد استفاده شده در لیستی در جدول 2 آمده است . ومقاومت فشاری بتن در هنگام آزمایش 21.8 و 20.7 و 25 و 23.7 Mpa به ترتیب برای MRF و BIB-LYP و BIB-A36 و SSW-LYP بدست آمده است . بارگذاری چرخه ای بطور رفت وبرگشت از طریق جک که کاملا به تیر محکم گشده وارد می شود ،.

نتیجه آزمایش و تحقیق


جمع شدگی قطری بادبند از نوع LYP و A36 که هر دو تحت فشار و کشش قرار می گیرند در نتیجه ترکهای گسترده ای در ستون ایجاد می شود . دیوار برشی فولادی از نوع LYP تغییر شکل غیر متقارنی از خود نشان داده است . زمانی که بار از طرف راست اعمال می شود در اثر لنگر خمشی قاب فولادی از قاب بتنی جدا می شود .

نتایج آزمایشات نشان می دهد که ممانعت از کمانش بادبند و دیوار برشی فولادی درتقویت قابها موثر است . سختی و مقاومت و شکل پذیری قاب ها بعد از تقویت کردن آنها بصورت جزئیات اتصال بین قاب بتنی و قاب فولادی بادبند عامل موثر موثراست . و ساخت آسانی دارد .
بادبند ها باعث بهبود مقاومت و شکل پذیری می شود . بهرحال جزئیات تقویت کننده های قابها برای دیوار برشی فولادی نیاز به مطالعات زیادی دارد

نتیجه گیری کلی

1- مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی فولاد LYP متاثر ار نسبت کرنشی است . مقاومت نهایی پانلهای برشی ساخته شده از فولاد LYP به سرعت بارگذاری آن بستگی دارد . در این مطالعه اختلاف مقاومت نهایی با سرعت بالا و کم حدودا 16% است. یعنی اگر سرعت بارگذاری به طور سریع باشد % 16 بیشتر از حالتی است که بطور کند بارگذاری شود .
2- ساخت و طراحی صحیح پانلهای برشی ساخته شده از فولاد LYP فولاد به چرخش نسبی % 5 رسیده است که لازمه اتلاف انرژی بالایی است .
3- تحت بارپانل برشی ابتدا تسلیم موضعی رخ می دهد و با افزایش بار کمانشپانل رخ می دهد ودر نتیجه پانل به بیرون قوس ورداشته وباعث کشش مقطع می شود . بعد از تسلیم شدن کامل پانل نوارهای بیرونی صفحه از همه آخر باعث جذب انرژی می شود . یعنی ابتدا وسط صفحه باعث جذب انرژی شده و کم کم که به نقطه تسلیم می رسند این جذب انرژی به طرف پانل منتقل می شود که در آخر تمام صفحه به نقطه تسلیم می رسند . که باعث اتلاف و جذب انرژی بسیار زیادی می شوند.


مراجع
1- کتاب مقدمه ای بر دیوار برشی فولادی نوشته دکتر سعید صبوری
2- Astaneh-Asl, A. (2000). “Steel plate shear walls,” U. S.-Japan Workshop onSeismic Fracture Issues in Steel Structure, San Francisco.
3- Seismic Assessment and Strengthening Method of Existing RC Buildings in Response to Code Revision Shun-Tyan Chen -Van Jeng- Sheng-Jin Chen-Cheng-Cheng Chen




--------------------------------------------------------------------------------

طراحی دیوار برشی

یکی از مهمترین مزایای برنامه ETABS ، طراحی دیوار برشی می باشد . این برنامه قادر است دیوارها را بر اساس شرایط دو بعدی و سه بعدی طراحی کند .

برنامه ETABS دیوارها را با سه روش طراحی می کند که انتخاب روش توسط کاربر می باشد.

سه روش طراحی برنامه ETABS عبارتند از :

* روش المان مرزی – تحت عنوان Simppified T and C
* روش میلگردگذاری بکنواخت – تحت عنوان Uniform Reinforceing
* روش عمومی و کامل بر اساس میلگردگذاری دلخواه – تحت عنوان General Reinforceing

یکی از مهمترین مزایای برنامه ETABS ، طراحی دیوار برشی می باشد . این برنامه قادر است دیوارها را بر اساس شرایط دو بعدی و سه بعدی طراحی کند .

برنامه ETABS دیوارها را با سه روش طراحی می کند که انتخاب روش توسط کاربر می باشد.

سه روش طراحی برنامه ETABS عبارتند از :

· روش المان مرزی – تحت عنوان Simppified T and C

· روش میلگردگذاری بکنواخت – تحت عنوان Uniform Reinforceing

· روش عمومی و کامل بر اساس میلگردگذاری دلخواه – تحت عنوان General Reinforceing



روش المان مرزی روشی ساده وسریع است و معمولا در محاسبات دستی از آن استفاده می شود .

دو روش بعدی بر اساس منحنی اندرکنش سه بعدی هستند و دقت بسیار بالائی دارند . در روش دوم مقطع دیوار با میلگردهایی که دارای شماره و فاصله یکسان هستند طراحی می شود . اما در روش سوم فاصله و شماره میلگردها دلخواه است .



پارامترهای طراحی این سه روش و در کل روند طراحی آنها متفاوت می باشد .



در اینجا برای اختصار روش دوم را توضیح میدهم ( فرض میکنم در مدل کردن دیوار هیچ اشکالی ندارید و فقط روند طراحی را توضیح می دهم . ) و انشاالله در آپهای آتی ، روند مدل کردن و طراحی دیوار برشی و همینطور نکاتی که در طراحی دیوار برشی باید به آنها توجه داشت را بطور کامل توضیح خواهم داد.

روش میلگردگذاری بکنواخت – تحت عنوان Uniform Reinforceing

در این روش میلگردهایی با فواصل یکسان و با شماره یکسان مسلح می شود . سپس مقطع بدست آمده بر اساس منحنی اندرکنش سه بعدی P-M-M طراحی خواهد شد .

این روش کاملا دقیق می باشد و برای هر نوع مقطعی قابل استفاده است و تنها محدودیت آن فاصله و شماره یکنواخت میلگردها می باشد .

در ادامه به توضیح پارامترهای طراحی و همینطور روند طراحی می پردازم :
برای دسترسی به پارامترهای طراحی دیوار ، یک دیوار را انتخاب کرده و سپس فرمان Design > Shear Wall Design > View/Revise Overwrites را کلیک کنید .


توصیه های تحلیل و طراحی



امروزه تحلیل و طراحی سازه‌ها عمدتاً با استفاده از فناوری رایانه‌ای صورت می‌‌گیرد.

اگر چه سرعت و سهولت در تعریف مدل‌های تحلیلی و اخذ جواب می‌‌تواند فرصت کنترل و بررسی جواب‌ها را محدود نماید، معهذا با توجه نمودن به نکات ذکر شده در این مقاله در جهت کسب اطمینان از درستی و مناسب و بجا بودن اطلاعات ورودی سازنده مدل و روش تحلیلی بکار گرفته شده، می‌‌توان از بروز خطاهایی که به‌راحتی پیش می‌‌آید اجتناب نمود.

البته خطاهای بنیادی ناشی از قضاوت نامناسب مهندسی و تعبیر نامناسب واقعیت‌های فیزیکی سازه‌ای (واقعی) خارج از شمول بحث این مقاله است



  • دانلود فیلم
  • قالب وبلاگ