نیم نگاهی بر دیوار های برشی بتن مسلح

سیستم های باربر جانبی در ساختمانهای بتن مسلح

احتمالا متداول ترین سیستم از بین سیستم های فوق برای ساختمان های بلند تر از 40 طبقه، سیستم دوگانه است. اگرچه که در سال های اخیر، روند افزایشی حدود ارتفاع سیستم های دیوار برشی هسته مرکزی بدون قاب خمشی حتی برای ساختمان های با خطر لرزه ای بالا مشاهده می شود. 

انتخاب سیستم سازه ای برای یک ساختمان عمدتا وابسته به کاربری، ملاحظات معماری، جریان ترافیک داخلی، ارتفاع، و نسبت ابعادی و مقدار اندکی به شدت بار ها وابسته است. احتمالا، انتخاب پیکره ساختمان که اغلب توسط ملاحظات معماری به محاسب دیکته می شود، یکی از مهم ترین جنبه های طراحی است.این مسئله ممکن است، محدودیت های متنوعی را به سازه برای ایفای نقش خود برای مقاومت در برابر زلزله، اعمال کند. برخی از اشکال سازه ای  همچون سیستم دال تخت متکی به ستون ها برای ایجاد عملکرد مناسب تحت بار های لرزه ای به صورت منفرد، کافی نمی باشند البته اگرچه که بیشتر در مناطق با خطر لرزه ای کم  رایج هستند. مشکل لرزه ای از انجا به وجود می آید که این سیستم ها دارای تغییر مکان جانبی بیش از اندازه هستند و همچنین فراهم کردن توزیع با کفایت و قابل اتکا، برش بین ستون ها و دال ها دشوار است. 

دیوار های برشی

ساختمان هایی که توسط دیوارهای سازه ای مهندسی شده اند، معمولا سخت تر از سازه های قابی هستند، که این مهم منجر به کاهش احتمال تغییر شکل های بیش از اندازه و در نتیجه فروریزش می شود. مقاومت مورد نیاز برای پرهیز از خرابی های سازه در اثر زلزله توسط تعبیه ارماتور ها طولی و جانبی تامین می شود. با بکارگیری جزییات و پیکره ویژه، پاسخ شکل پذیر قابل اتکایی حاصل می شود. بار های جانبی حاصل شده از باد یا زمین لرزه ، که به صورت افقی به سازه اعمال می شود منجر به به وجود آمدن برش و یا لنگر های واژگونی در دیوار ها می شود. در صورتی که کاغذی در درون قاب قرار گرفته باشد و بخواهیم شکل قاب را از مستطیل به متوازی الاضلاع تغییر دهیم، به طور مشابه بارهای برشی تمایل به پاره کردن دیوار دارند. (شکل 1)

شکل1-تغییر شکل های برشی در دیوار برشی

عموما تغییر شکل از مستطیل به متوازی الاضلاع را رکینگ (shear racking) گویند. در انتهای دیوار برشی، در انتهایی که بار برشی اعمال می شود، دیوار تمایل دارد تا به سمت بالا بلند شود و در انتهای دور از بار دیوار تمایل دارد که به سمت پایین هل داده شود. این عملکرد در برابر واژگونی مقاومت به عمل می آورد. 

به این دلیل که بخش اعظم، اگر نه تمامی، نیروی جانبی برشی به دیوار های سازه ای اختصاص می یابد، معمولا به این دیوار ها، دیوار های برشی اطلاق می شود. انتخاب این نام مناسب است زیرا که پیش فرض می کند که برش حاکم بر رفتار آن هاست. البته نیاز نیست که اینچنین باشد و در طراحی لرزه ای، نباید این چنین باشد: بنابراین هر تلاشی برای به وجود آمدن مدهای برشی غیر الاستیک تغییر شکل می بایست صورت پذیرد. این مهم به سهولت در عمل حاصل می شود زیرا که دیوار های برشی تقریبا بهینه ترین وسیله برای فراهم سازی سختی، مقاومت و شکل پذیری هستند.

برای دریافت بارهای ثقلی از کف ها و سقف ها، و به طور هم زمان ایجاد مقاومت در برابر بار های باد و زلزله، دیوار ها عموما به صفحات کف و سقف متصل شده اند، که اغلب به آن ها عنوان دیافراگم اطلاق می شود. این صفحات به صورت تیر های بسیار بزرگی عمل می کنند به صورتی که تنش های کششی و فشاری در لبه ها به وجود می آید، در صورتی که تنش های برشی در طول صفحه توزیع شده اند. دیافراگم، بین المان های عمودی مقاوم در برابر بار ها جانبی را به صورت افقی مشابه با شکل 2 می پوشاند. 

شکل2- مفهوم دیافراگم. تذکر: المان های لرزه در راستای E_W برای شفافیت بیشتر نشان داده نشده است.

اولین وظیفه طراح آن است که سیستم سازه ای را انتخاب کند، که بهینه ترین عملکرد مطلوب را در برابر بارهای جانبی و در حدود قید های دیکته شده توسط الزامات معماری را داشته باشد. پیکربندی های متفاوت سازه ای در مراحل اولیه پروژه می بایست بررسی شود تا قبل از طراحی سازه این اطمینان حاصل شود که هندسه نامطلوبی برای سیستم اجبار نشده باشد. نا منظمی هایی که اغلب ممکن است اجتناب ناپذیر باشند، منجر به پیچیدگی رفتار سازه می شوند. در صورتی که شناسایی نشوند، ممکن است منجر به خرابی های غیرمنتظره و حتی فروریزش سازه شوند. تغییرات شدید هندسه، انقطاع در مسیر های بار، ناپیوستگی های موجود در مقاومت و سختی، شکست در مناطق بحرانی توسط بازشوها، تناسب غیرعادی اعضا، گوشه های مقعر(فروگوشه)، عدم وجود درجه نامعینی، تداخل در تغییر شکل های سازه، تنها اندکی از نامنظمی های محتمل سازه هستند. شناخت بسیاری از این نامنظمی ها و مفاهیم سازه ای حاکم بر جبران و یا کاهش اثرات نامطلوب آن ها وابسته به درک کاملی از رفتار سازه می باشد. اگاهی برای جستجوی ویژگی های سازه ای نامطلوب و تجربه طراحی برای کاهش اثرات نامطلوب آن ها، ویژگی های ارزشمندی هستند. 

هنگامی که الزامات کاربردی این اجازه را می دهد، مقاومت در برابر بارهای جانبی ممکن است به طور کامل به دیوارهای سازه ای اختصاص داده شود. معمولا، در چنین ساختمان هایی المان های دیگری نیز وجود دارند، که تنها برای باربری ثقلی اختصاص یافته اند. از سهم آن ها برای مقاومت در برابر بارهای جانبی، اگر وجود داشته باشد، صرفه نظر می شود. اگرچه که، برای ساختمان های متعلق به SDC D و یا بالاتر، با استفاده از روش جابه‌جایی الاستیک بزرگ نمایی شده، سازگاری تغییر شکل این المان ها ارزیابی می شود. 

برای ساختمان های تا 20 طبقه، استفاده از دیوار های سازه ای اغلب وابسته به انتخاب طراح است. برای ساختمان های با بیش از 30 طبقه، استفاده از دیوار های سازه ای از نقطه نظر اقتصادی و مهار تغییر مکان جانبی ضرورت می یابد.

هر یک از دیوار ها ممکن است تحت تغییر شکل های محوری، انتقالی و پیچشی قرار بگیرد. سهم هر دیوار برای مقاومت در برابر لنگر های واژگونی، نیروها برش طبقه و پیچش طبقه وابسته به شکل هندسی، راستا و محل قرارگیری آن در ساختمان را دارد. باوجود آنکه، هر آرایش دلخواه از دیوار ها را برای مقاومت در برابر باد می توان بکار گرفت، اما ضمانت پاسخ مطلوب کلی ساختمان در برابر زلزله های بزرگ هنگامی که محل قرارگیری دیوارها به طور قابل ملاحظه ای دارای انحراف است، مشکل است. این مسئله به این دلیل است که در حالتی که با باد سر و کار داریم، پاسخ کاملا الاستیکی را انتظار داریم، در صورتی که هنگام رخداد زلزله های بزرگ، تغییر شکل های غیرالاستیک به وجود می آید. 

جنبه های ملاحظات اصلی سازه ای برای هر یک از دیوار ها شامل تقارن در سختی، پایداری پیچشی، و ظرفیت واژگونی موجود در شالوده ها می باشد. کلید استراتژی تعبیه دیوار های سازه ای بر این مبناست که تغییر شکل های غیر الاستیک به صورت منطقا یکنواختی در تمامی پلان ساختمان توزیع شود، به جای آنکه این اجازه داده شود تا این تغییر شکل ها تنها در تعداد اندکی از دیوار ها تمرکز یابد. مورد دوم ممکن است، منجر به بهره بری اندک از برخی دیوار ها و نیاز به شکل پذیری بیش از اندازه از برخی دیگر از آن های می شود.

شفت های آسانسور و پلکان برای تشکیل هسته بتن مسلحسودمند هستند. به صورت سنتی، این مکان ها برای فراهم کردن مولفه های اصلی عناصر مقاوم باربر جانبی در ساختمان های چند طبقه اداری و مسکونی استفاده می شده است. در صورتی که نیاز باشد، مقاومت افزوده ای از طریق قاب های محیطی مطابق با شکل 3 ممکن است، اتخاذ شود. چنین هسته مرکزی بزرگی ممکن است مقاومت پیچشی کافی را بدون بهره گیری از دیوار های سازه ای فراهم کند. 

شکل3-پلان طبقه: ساختمان دارای دیوار برشی و قاب پیرامونی

برای انتخاب محل های مناسب برای تعبیه دیوار های سازه ای، جنبه های اضافی زیر ممکن است لحاظ شود:

1.    برای بهترین مقاومت پیچشی، تا جایی که امکان دارد دیوار ها را در محیط ساختمان می بایست قرار داد. چنین مثالی در شکل 4 قابل مشاهده است. دیوار های هر سمت ممکن است منفرد بوده و یا ممکن است با یک دیگر به صورت همبسته باشند. 

2.    تا جایی که امکان دارد، بار های ثقلی را توسط دیوار ها به شالوده انتقال داد. این مهم، نیاز ارماتور های خمشی در دیوار ها را کاهش می دهد. و مهم تر آن که نیرو های برکنش در شالوده نیز کاهش می یابد. 

شکل4-ساختمان دارای دیور های برشی پیرامونی

منبع:

دپارتمان سازه سامانه کارگشا

تحریریه آب و خاک سازان،محمدلطفی،شیراز

برچسب ها :