طراحی دیوار های برشی بتنی

دیوار برشی بتنی

این سیستم می‌تواند یکی از انواع سیستم قاب ساختمانی ساده با دیوار برشی متوسط یا ویژه و یا سیستم دوگانه با قاب خمشی و دیوار برشی متوسط و یا ویژه انتخاب شود. بدیهی است در صورت انتخاب سیستم دوگانه، الزامات مربوطه بایستی مطابق ضوابط آئین نامه رعایت شود.

لازم به ذکر است استفاده از دیوار برشی معمولی مطابق آئین نامه بارگذاری آمریکا (ASCE 7-10) برای نواحی با خطر لرزه خیزی متوسط و بالاتر مجاز نیست.

با توجه به عدم شناخت مناسب در مورد ترکیب سیستم‌های مختلف لرزه‌ای، در ساختمان‌های فولادی ترکیب دیوار برشی بتنی با سیستم‌های دیگر لرزه‌بر جانبی مانند مهاربندی در یک راستا مجاز نیست. همچنین توصیه می‌شود سیستم لرزه بر مورد استفاده در هر دو راستا یکسان انتخاب شود.

به عنوان توصیه کلی از قرار دادن دیوارهای برشی بتنی در محل‌هایی که دیوار در طول خود با دیافراگم سقف درگیر نبوده، نظیر کنار بازشوهای سقف (پله یا نورگیر)، اجتناب شود. همچنین حداقل از ۰ و ترجیحاً ۳ دیوار برشی با طول مناسب در هر راستا استفاده شود.‌ همچنین توصیه میشود از اجرای دیوارهای متقاطع L و U و T شکل بدلیل ابهام در قسمت نواحی مرزی و مدلسازی آن خودداری شود.

 

اتصال ستون فولادی به دیوار برشی بتنی

آئین نامه AISC 341-10 دو حالت برای دیوار برشی کامپوزیت با ستون فولادی تعریف نموده است. این دو حالت در کنار حالتی که ستون فولادی هیچ اتصالی به دیوار ندارد، در زیر شرح داده شده‌اند. در هر یک از این حالت‌ها نحوه مدلسازی و طراحی متفاوت است.

ستون فولادی مدفون (Fully Encased Steel Column)

در این حالت ستون فولادی کاملاً در داخل دیوار بتنی قرار گرفته و توسط آرماتورهای قائم و خاموت‌های پیرامونی محصور میشود‌. این حالت می‌تواند مناسب‌ترین گزینه، هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی، برای استفاده از سیستم دیوار برشی بتنی در قاب فولادی باشد. در این صورت، نیروی محوری و لنگر خمشی بوسیله عملکرد مختلط دیوار بتنی و ستون فولادی ‌که توسط برشگیرهای متقارن مهیا می‌شود‌ و نیروی برشی نیز توسط دیوار بتنی تحمل میشود.

‌ستون فولادی نیمه مدفون (Partially Encased Steel Column)

‌برای این روش مطابق آئین نامه AISC 341-10، ‌ستون فولادی بایستی به تنهایی قادر به تحمل کل نیروهای کشش و فشار ناشی از لنگر واژگونی دیوار باشد. به عبارت دیگر از باربری دیوار در مقابل نیروی محوری و لنگر خمشی اعمالی باید صرف نظر شود. همچنین نیروی برشی نیز توسط دیوار برشی بتنی تحمل میشود.

بهره‌گیری از این حالت منجر به افزایش مقطع ستون فولادی، ابعاد و تعداد میل مهاری کششی کف ستون شده که علاوه بر جنبه‌های اقتصادی طرح، بروز مشکلات اجرایی را نیز محتمل می‌سازد. علاوه بر این با توجه به ظرفیت بالای مقطع ستون فولادی به تعداد بیشتری برشگیر نسبت به حالت قبل نیاز است و با توجه به تعبیه برشگیرها تنها در یک وجه ستون، طبیعتا تراکم برشگیرها نیز بیشتر خواهد بود. با توجه به موارد فوق استفاده از این سیستم توصیه نمی‌شود. هر چند در صورتی که در یک راستا بخواهیم از سیستم دیوار برشی بتنی استفاده نماییم، در حالی که در راستای دیگر سیستم لرزه بر جانبی از نوع مهاربندی بوده و دو سیستم در یک یا چند ستون با هم مشترک باشند، الزاماً با توجه به تداخل ورق اتصال مهاربندی با خاموت‌های ستون دیوار برشی مدفون، سیستم ستون فولادی نیمه مدفون باید استفاده شود.

‌ستون فولادی منفصل (Separated Steel Column)

در این حالت‌ ستون فولادی و دیوار بطور کامل از هم مجزا هستند. در این روش با توجه به نوع اتصال تیر بین دو ستون به دیوار، نیروهای طراحی متفاوت خواهند بود. اگر تیر فولادی از داخل دیوار عبور کند، تحت بار جانبی تیر در برش و خمش، و ستون‌های اطراف در فشار و کشش قرار خواهند داشت. در اینجا ستون‌ها بایستی برای نیروی زلزله تشدید یافته طرح شوند. همچنین برای این حالت توصیه می‌شود فاصله دیوار برشی بتنی و ستون فولادی کم نبوده تا نیروی برشی و لنگر خمشی آن قابل توجه نشود. همچنین از آنجا که برش تیر ناشی از نیروی زلزله است، اتصال تیر به ستون بایستی قادر به تحمل نیروی برشی دو طرفه باشد. بطور مثال از اتصال با ورق جان (به تنهایی ‌یا در ترکیب با نشیمن سخت شده) استفاده شود. علاوه بر این کفایت دیافراگم بین ستون و دیوار بایستی یرای تحمل کشش و فشار ایجاد شده بین آنها کنترل شود.

در صورتی که با ارائه جزییات‌ مناسب، اتصال تیر به دیوار به صورت مفصلی اجراء شود، بصورت مثال با تعبیه Insert Plate در دیوار تیر، به صورت مفصلی به آن متصل شود، در تیر و ستون اطراف دیوار هیچ نیرویی ناشی از بار جانبی ایجاد نخواهد شد. دقت شود که در این حالت نیز ممکن است نیروهای قابل توجهی در دیافراگم حد فاصل انتهای دیوار تا ستون ایجاد ‌شود که ضروری است در طراحی دیافراگم مدنظر قرار گیرد. با توجه به عدم وجود ضوابط کافی و همچنین ابهامات متعدد در طراحی این حالت دیوار برشی در ساختمان فولادی، استفاده از این حالت مناسب نیست.

با توجه به آن که ستون‌های متصل مدفون یا نیمه مدفون در دیوار، المان‌های تغییرشکل کنترل هستند، نیازی به طرح این ستون‌ها برای نیروهای تشدید یافته نیست. اما اگر دیوار برشی و ستون فولادی منفصل از هم باشند، طرح ستون‌های فولادی مربوطه، همانند ستون‌های فولادی در اسکلتهای فولادی دیگر و برای ترکیبات بار شامل زلزله تشدید یافته می‌باید، صورت گیرد.

برای طراحی دیوار برشی با ستون منفصل، روال طراحی دقیقاً نظیر روال طراحی دیوار برشی در ساختمان‌های بتنی بوده و نکته محاسباتی خاصی
در این باره وجود ندارد. همچنین در این حالت در صورتی که در ستون‌های اطراف دیوار برشی نیروی زلزله ایجاد شود، این ستون‌ها مطابق آئیننامه، باید برای زلزله تشدید یافته طرح شوند.

حداقل ضخامت دیوار برشی

با توجه به ضوابط اجرایی، از جمله نیاز به محصور شدن کامل ستون در حالت مدفون، الزام به ادامه یافتن آرماتورهای افقی دیوار تا پشت ستون، عدم درگیری آرماتورهای قائم با تیر طبقه (در صورت وجود)، ضابطه فاصله میلگرد قائم تا پروفیل فولادی، ضابطه حداقل پوشش بتنی روی میلگرد و همچنین ضابطه مربوط به حداقل ضخامت دیوار برشی در قسمت المان مرزی، حداقل ضخامت دیوار برشی بتنی در قاب فولادی ۱۳ سانتیمتر است. به منظور حل مشکل تداخل میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی با ورق کف ستون، می‌توان عرض دیوار را در نواحی انتهایی افزایش داد.

کف ستون

با توجه به آنکه ستون‌های متصل مدفون یا نیمه مدفون در دیوار، المان‌های تغییرشکل کنترل هستند، کف ستون‌های متصل به این المان‌ها ‌باید برای کل ظرفیت کششی و کل ظرفیت فشاری ستون فولادی طرح شوند. اما اگر دیوار برشی و ستون فولادی منفصل از هم باشند، طرح کف ستون‌های فولادی، همانند ستون‌های فولادی در اسکلت‌های فولادی دیگر و برای ترکیبات بار شامل زلزله تشدید یافته‌ باید صورت گیرد.

قابل ذکر است در صورتی که میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی، در داخل فونداسیون ادامه نیافته، بلکه به کف ستون جوش شوند (این گزینه با توجه به عدم وجود فضای مناسب برای جوش انتهای خم میلگرد به کف ستون توصیه نمی‌شود)، میل مهارها بایستی برای نیروهای کششی و فشاری ذکر شده در این قسمت به علاوه ظرفیت کششی میلگردهای جوش شده به کف ستون محاسبه شوند.

نکته دیگر آنکه در حالت استفاده از گزینه ستون فولادی مدفون، کف ستون نیز مدفون بوده و دچار خمش نمی‌شود. بنابراین ابعاد ورق کف ستون بیشتر تابع مسائل اجرائی و محیطی (خوردگی) است. همچنین در این حالت نیازی به ورق‌های سخت کننده برای کنترل خمش ورق کف ستون نیست. هر چند ممکن است برای انتقال نیروی کششی از ستون به کف ستون از این ورق‌ها استفاده کرد. در صورتی که بتوان ستون را با جوش نفوذی کامل به کف ستون جوش داد، نیاز به ورق‌های سخت کننده کف ستون بطور کامل حذف خواهد شد.

برای اتصال ستون فولادی به فونداسیون در حالت‌های مدفون و یا نیمه مدفون، روش‌های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش‌ها آن است که ابعاد ناحیه انتهایی دیوار بتنی به اندازه کافی بزرگتر از ابعاد کف ستون در نظر گرفته شود‌. بطوری که میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی، بدون تداخل با کف ستون از مجاور آن عبور کرده و به میلگردهای انتظار فونداسیون متصل شوند. بدین منظور ابعاد کف ستون مباید تا حد امکان کوچک در نظر گرفته شود. به منظور کاهش ابعاد ورق کف ستون‌، می‌توان از محدوده داخلی پروفیل جهت تعبیه میل مهار‌ها استفاده نمود‌.

به عنوان روش دیگر می‌توان، علاوه بر سوراخ‌های میل مهار، با تعبیه سوراخ‌های اضافی در کف ستون، میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی را از داخل این سوراخ‌ها عبور داد. در این حالت بایستی در نقشه‌های کف ستون‌ها، محل و تعداد تمامی سوراخ‌ها (شامل سوراخ‌های میل مهار و سوراخ‌های مربوط به میلگردهای قائم) بطور مشخص و با اندازه گذاری معلوم شوند. در این حالت توصیه می‌شود اولاً ابعاد کف ستون برای قرار‌گیری تمام میلگردها و میل مهارها، به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شود و ثانیاً تراکم میلگردهای اطراف ستون‌های فولادی زیاد نباشد.

وصله میلگردهای قائم

به منظور کاهش تراکم میلگردها در محل المان مرزی و افزایش تراکم بتن، توصیه می‌شود میلگردهای قائم دیوار و میلگردهای انتظاری که در فونداسیون قرار داده شده‌اند، توسط وصله جوشی (ترجیحاً فرج گرم) و یا با استفاده از وصله مکانیکی با رعایت ضوابط مربوطه به هم متصل شوند. بهتر است محل وصله‌های پوششی یا جوشی و مکانیکی در یک سوم میانی ستون که معمولاً نزدیک نقطه عطف لنگر خمشی است، قرار گیرد.

تیرهای متصل به ستون فولادی

بدلیل مسائل اجرایی از جمله سهولت اجرای سقف و همچنین ایجاد پایداری جانبی مناسب سازه در حین اجراء، توصیه میشود تیر عبوری از داخل دیوار و بین دو ستون، حتی در حالت ستون فولادی مدفون و نیمه مدفون، اجراء شود. با توجه به عبور میلگردهای قائم دیوار از سقف و از کنار تیر توصیه می‌شود عرض بال این تیرها از یک سوم ضخامت دیوار بیشتر نباشد. همچنین جهت عدم تداخل نشیمن اتصال تیرهای مذکور با میلگردهای قائم، استفاده از اتصال مفصلی با ورق یا نبشی جان توصیه می‌شود.

تیرهای خارج از دیوار و متصل در راستای صفحه آن‌، با توجه به اینکه نقش جمع کننده (Collector) نیرو را ایفاء می‌کنند. بایستی برای نیروی کششی و فشاری دیافراگم محاسبه شوند. با توجه به این مطلب، این تیرها حتماً بایستی از نوع جان پر (غیر لانه زنبوری) باشند. همچنین اتصال آنها توسط ورق جان به ستون صورت گرفته تا قابلیت انتقال نیروهای محوری فشاری و کششی را دارا باشند. با توجه به وجود نیروی فشاری زیاد بر روی ستون‌های فولادی دو انتهای دیوار برشی بتنی، این ستون‌ها بایستی در راستای عمود بر صفحه دیوار توسط تیر فولادی مناسب مهار شوند.

سقف

ضخامت سقف در محل اتصال به دیوار برشی بتنی بایستی جوابگوی تنش‌های برشی افقی ناشی از بار زلزله انتقال یافته از سقف به دیوار باشد. بطور مثال سقف‌های تیرچه بلوک با ضخامت دال بتنی ۵ سانتیمتر، ممکن است جوابگوی این برش نبوده و بنابراین سیستم سقف کامپوزیت با ضخامت دال بتنی مناسب توصیه می‌شود. ترجیحاً ضخامت دال این سقف از ۰۱ سانتیمتر کمتر در نظر گرفته نشود.

اتصال سقف به دیوار برشی باید برای برش اصطکاک طرح شده و میلگردهای برش اصطکاکی مناسب (میلگردهای دوخت) بصورت L شکل در محل اتصال تعبیه شوند. میلگردهای خمشی یا حرارتی سقف نیز بایستی بطور کامل داخل دیوار مهار شوند. علاوه بر این سقف باید برای عملکرد داخل صفحه دیافراگم تحت اثر بار زلزله کنترل و طرح شود. بطور مشخص تنش‌های داخل صفحه بررسی شده و Collector و Chord مناسب طراحی شوند.

به دلیل مسائل اجرایی، توصیه می‌شود تیرچه‌های سقف تیرچه بلوک و یا تیرچه‌های سقف کامپوزیت موازی صفحه دیوار اجراء شوند و نه عمود بر آن. در صورت استفاده از سقف تیرچه بلوک، برای تداخل بلوک با دیوار، یک تیرچه در محاذات دیوار اجراء شود. همچنین در صورت استفاده از سقف کامپوزیت عرشه فولادی، یک تیرچه‌ باید در محاذات دیوار به منظور تعبیه نشیمن مناسب برای ورق ذوزنقه‌‌ای سقف تعبیه شود. همچنین این ورق‌ باید روی تیرچه قطع شده و داخل دیوار ادامه نیابد تا موجب ایجاد انقطاع در بتن دیوار نشود‌.

قابل ذکر است در صورتی که سیستم لرزه بر جانبی قاب عمود بر راستای دیوار برشی، قاب خمشی باشد، تیرچه انتهایی با ناحیه حفاظت شده انتهایی تیر قاب خمشی برخورد نداشته باشد (تیرچه آخر کمی با فاصله از دیوار اجراء شود).

بایستی دقت نمود که قاب‌های فولادی ساده همراه با دیوار برشی بتنی، بر خلاف قاب‌های فولادی مهاربندی یا قاب‌های فولادی خمشی، قبل از اجرای
دیوار از پایداری مناسبی در برابر بارهای اعمالی برخوردار نیستند. بنابراین مناسب است در هنگام اجرای اسکلت مهارهای موقت مناسب برای سازه در نظر گرفته شود. همچنین بتن ریزی و اجرای دیوار هر طبقه لزوماً باید همزمان با اجرای سقف همان طبقه صورت گیرد. به عبارت دیگر اجرای دیوار برشی بتنی پس از اجرای کامل تمام سقف ها با قرار دادن ریشه انتظار دیوار در سقف طبقات مجاز نیست. مهندس محاسب لازم است دستور کار مناسب برای مهار موقت سازه و همچنین ترتیب زمان بندی اجرای دیوار و سقف در نقشه‌های اجرایی ارائه نماید.

صفحات انتظار در دیوار برشی (Insert Plates)

در برخی مواقع نیاز است تیری در صفحه دیوار و یا عمود بر آن به دیوار متصل شود. بطور مثال ممکن است اتصال تیر، تیرچه سقف و یا تیر شمشیری پله به دیوار برشی بتنی مورد نظر باشد. در این حالت در محل اتصال تیر بایستی قبل از بتن ریزی دیوار، صفحات انتظار مناسب تعبیه نمود. برای طرح این صفحه ابتدا بایستی بر اساس ابعاد تیر و اتصالات آن، حداقل ابعاد ورق را محاسبه نموده و سپس آرایشی برای بولت‌ها بر اساس ملزومات آئین نامه‌ای حداقل فواصل بولت‌ها از هم و از لبه ورق در نظر گرفته شود. اتصال ساده تیر به ورق تحت اثر نیروی برشی‌ای است که با فاصله اعمال می‌شود.

بنابراین اتصال تحت لنگر خمشی نیز قرار می‌گیرد. برای محاسبه نیروی کششی هر بولت ابتدا بایستی بر اساس دو معادله تعادل نیرو و لنگر و با سعی و خطا محل تار خنثی‌ای مقطع شامل بولت‌های کششی و قسمتی از صفحه تحت فشار بدست آورده و سپس نیروی کششی هر بولت را محاسبه نمود. با داشتن نیروی کششی و برشی هر بولت می‌توان با استفاده از مقادیر مقاومت اسمی هر پیچ در برش و کشش، بولت‌های اتصال را طراحی کرد. ضخامت ورق اتصال نیز، بر اساس کنترل حالت‌های حدی لهیدگی (bearing) ، پاره شدگی ورق اتصال (tear out) در مجاورت سوراخ‌ها و همچنین برش قالبی (block shear) محاسبه می‌شود.

بایستی دقت نمود در صورتی که تیر عمود بر صفحه به دیوار متصل شود، ضخامت دیوار باید چنان باشد که بولت‌ها بتوانند در آن مهار شوند. همچنین در صورتی که تیری در صفحه دیوار به آن متصل شود، عرض ورق اتصال از ضخامت دیوار بیشتر در نظر گرفته نشود.