نحوه میلگرد گذاری دیوار برشی

آموزش گام به گام طراحی دیوار برشی در ایتبس به همراه طراحی دستی آن

همانطور که می دانید طراحی دیوار برشی در ایتبس به سبب تاثیری که بر سختی سازه، اثرات ثانویه ساختمان مانند اثر P-Δ و … دارد، موضوع بسیار مهمی است. اما چند سوال! به نظر شما آیا می‌توان ابعاد مشخصی برای مش بندی مناسب ارائه داد؟ جانمایی دیوار برشی در پلان سازه باید به چه صورتی باشد؟ آیا ممکن است نیروی طبقه در دیوار برشی عددی منفی شود؟ در این مقاله جامع به آموزش طراحی سازه دیواربرشی در ETABS و قیمت تیرآهن در سال 1401می پردازیم و به تمامی سوالات شما پاسخ خواهیم داد.

عملکرد دیوار برشی

دیوار برشی به صورت یک صفحه بتنی از فونداسیون شروع شده و با قاب­ ها و سقف درگیر می­‌شود. به طور کلی، دیوار برشی برای ساختمان­‌های بین 30 تا 40 طبقه اقتصادی می‌باشد. در ساختمان‌های بلندتر، تنش‌های ناشی از نیروهای جانبی باعث می‌شود که افزایش ضخامت دیوار برشی، کارایی و اقتصادی بودن سیستم را کاهش دهد.

رفتار دیوار برشی در برابر بارهای جانبی داخل صفحه، با توجه به ابعاد و هندسه آن‌ها می‌تواند متفاوت باشد. به‌ طور کلی رفتار دیوارهای برشی کوتاه یک یا دو طبقه، در برابر بارهای جانبی به‌صورت برشی می‌باشد؛ در این حالت، دیوار دچار تغییر شکل‌های برشی می‌شود. نسبت ارتفاع به طول دیوار با رفتار برشی کمتر یا برابر یک بوده و به این دیوارها، دیوارهای کوتاه هم گفته می‌شود. این دیوارها در برابر لنگر خمشی، رفتار بهتری نسبت به نیروهای برشی دارند.

اگر دیوار بیشتر از 3 یا 4 طبقه ارتفاع داشته باشد، بارهای جانبی عمدتاً با عملکرد خمشی دیوار طره‌ای تحمل می‌گردند. معمولاً در دیوارهای برشی لاغر و بلند با نسبت ارتفاع به طول بزرگ‌تر یا مساوی 3، دیوار برشی به‌صورت یک تیر طره عمل می‌کند و با ایجاد تغییر شکل‌های خمشی، برش را تحمل می‌نماید.

مقایسه اقتصادی بین سیستم قاب خمشی و سیستم مختلط قاب و دیوار برشی در استاندارد 2800 نشان می‌دهد که، برای ساختمان‌های بلندتر از 5 طبقه، در سیستم قاب خمشی، ستون‌ها و تیرها ابعاد بزرگ‌تری دارند، ولی ابعاد فونداسیون مورد نیاز برای آن‌ها کوچک‌تر است. در مجموع بایستی گفت که سیستم مختلط نیاز به فولاد کم‌تری دارد ولی بتن مصرفی در آن بیشتر است.

در ساختمان‌های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی دیوار برشی نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی‌کند، بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی (به علت رفتار طره‌ای) یک کشش مضاعف از سوی دیوار به قاب اعمال خواهد شد.

از نظر اقتصادی با توجه به مقاومت بالای این دیوارها، استفاده از ورق گالوانیزه در ساختمان‌های بلند مرتبه به صرفه بوده ولی در مورد ساختمان‌های با ارتفاع کم و متوسط، مسائل جانبی از قبیل تقویت اجزای سازه‌ای مجاور به دیوار، مانند: تقویت فونداسیون و مسائل اجرایی، تأثیر زیادی بر جنبه‌های اقتصادی آن می­‌گذارد.

عملکرد برشی و خمشی دیوار برشی

بر خلاف عنوان برشی برای این سیستم، رفتار دیوار برشی به صورت یک تیر طره بسیار قوی است که پای آن گیردار می‌باشد. و با ایجاد تغییر شکل‌های خمشی و برشی، در مقابل نیروهای جانبی مقاومت نموده و آن‌ها را به فونداسیون انتقال می‌دهد.

در صورتی که ارتفاع دیوار برشی کم باشد. غالباً، نیروی برشی، حاکم بر طراحی آن خواهد بود. اما اگر ارتفاع دیوار برشی زیاد باشد، لنگر خمشی، حاکم بر طراحی آن خواهد بود. در هر حال، دیوار برشی باید برای هر دو نیروی فوق کنترل و در برابر آن­ها مسلح گردد.

به طور کلی نیروهایی که یک دیوار برشی متحمل آن می‌شود، به قرار زیر است:

• نیروی برشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
• لنگر خمشی متغیر (با حداکثر مقدار در پای دیوار)
• نیروی محوری فشاری (ناشی از وزن طبقات)

برای دیوارهای برشی مطابق شکل زیر چهار حالت شکست را می‌توان در نظر گرفت:

در چه مواردی بهتر است از دیوار برشی در سازه استفاده شود؟

همانطور که پیش‌تر اشاره شد، وجود دیوارهای برشی در سیستم باربر جانبی، سختی سازه را به صورت چشم‌گیری بالا می‌برد. در نتیجه در شرایطی که کنترل دریفت ساختمان دشوار است، می‌توان با اضافه کردن دیوار برشی به سیستم باربر جانبی این مشکل را به آسانی برطرف کرد. همچنین نتیجه‌ی افزایش سختی، کاهش اثرات ثانویه مانند اثر P-Δ  و… خواهد بود. این مزیت، ایمنی ساختمان در برابر فرو ریزش را بالا می‌برد.

از نظر مکانیزم خرابی، دیوارهای برشی قادر هستند حتی پس از پذیرش ترک‌های زیاد در برابر بارهای ثقلی (که برای آن­ها نیز طراحی شده‌اند) مقاومت کنند. در صورتی که این مورد به طور کامل از ستون‌ها قابل انتظار نیست.

از دیگر مزایای بکارگیری دیوار برشی در سازه می‌توان به کاهش خسارت به اجزای غیرسازه­ ای که گاهاً پرهزینه‌تر از اعضای سازه‌ای هستند نیز اشاره کرد. علاوه بر این موارد، امروزه با شناخت رفتار لرز­ه‌­ای و امکان اجرای دیوارهای برشی کوپله (دیوارهای برشی با بازشو)، دیگر معماران چندان در تأمین فضاهای معماری خود دچار مشکل نخواهند بود و مشکلات جانمایی دیوار برشی به نوعی حل شده است.

بررسی اندرکنش قاب و دیوار برشی

از ابتدای مقاله چند مرتبه دیوار برشی را با یک تیر طره بزرگ، معادل دانسته‌ایم. در این بخش نیز با تحلیلی مشابه قصد داریم مفهوم دشواری را به‌صورت ساده بیان نماییم.

در ساختمان‌های دارای دیوار برشی، اگر سازه از ارتفاع مشخصی بلندتر باشد، در طبقات فوقانی، دیوار برشی، نه تنها در تحمل زلزله نقش مثبتی ایفا نمی‌کند؛ بلکه به علت شیب به وجود آمده در دیوار برشی (به علت رفتار طره‌ای) یک کشش مضاعف از سوی دیوار، به قاب اعمال خواهد شد. بنابراین اندرکنش قاب و دیوار، در واقع یک اثر نامطلوب بوده و بایستی از آن پرهیز شود.

چگونه از اثر نامطلوب اندرکنش قاب و دیوار برشی جلوگیری کنیم؟

برای این کار، در قدم اول باید متوجه شویم که در کدام یک از طبقات سازه‌ی ما، این مشکل وجود دارد پس به صورت زیر عمل می‌کنیم:

ابتدا از مسیر زیر نیروی طبقات را به دست می‌آوریم.

هر یک از طبقاتی که نیروی کمی داشته باشد را بدون دیوار برشی مدلسازی می‌کنیم. زیرا وجود دیوار برشی در این طبقات نه تنها سود بخش نیست بلکه وزن سازه را هم بالا می‌برد. تحت نیروی زلزله Ex، در طبقه 15 نیروی بسیار کم‌تری نسبت به سایر طبقات به وجود آمده است. با انجام این پروسه برای زلزله در جهت Y و سایر دیوارهای برشی، نهایتاً طراح می‌تواند تصمیم خود را بگیرد. تصمیمی مبنی بر این که در طبقه 15 ام آیا مناسب است که دیوار برشی قرار گیرد یا خیر!

آیا ممکن است نیروی طبقه در دیوار برشی عددی منفی شود؟

بله این امکان وجود دارد؛ درواقع رخداد چنین اتفاقی به معنی تکیه کردن دیوار برشی بر قاب است. به‌عبارت‌دیگر در این حالت دیوار برشی در رفتار لرزه‌ای سازه تأثیر منفی دارد و می­توان دیوار را در طبقه مذکور حذف کرد یا در آن طبقه از قاب خمشی بتن­آرمه ویژه که شامل ضریب رفتار بیشتر است استفاده کرد،  اما باید ضوابط ترکیب سیستم­ها در ارتفاع را نیز رعایت کرد. همچنین می­توان قبل از راه‌حل حذف دیوار در طبقه مذکور از حداقل ضخامت دیوار در آن طبقه استفاده نمود.

مقاوم سازی سازه‌ها با استفاده از دیواربرشی

یکی از روش‌های معمول و رایج در بهسازی ساختمان‌ها در برابر زلزله، استفاده از دیوارهای برشی بتن‌آرمه است. استفاده از دیوارهای برشی، در افزایش ظرفیت لرزه‌ای ساختمان و کاهش تغییر مکان جانبی بسیار مؤثر است. با استفاده از این روش مقاومت ساختمان و همچنین شکل‌پذیری آن افزایش می­‌یابد.

از نکات مهم در این روش، نحوه قرارگیری دیوارهای جدید و جانمایی آن­ها در سازه‌های قدیمی است؛ که به دلیل پیچش، باید حتی‌المقدور دیوارها چه در ارتفاع و چه در پلان به‌صورت منظم و متقارن قرار گیرند.

نکته مهم دیگری که باید به آن توجه داشت این است که به دلیل وزن نسبتاً زیادی که دیوارها می‌توانند به سازه اولیه اعمال نمایند، باید از آن­ها تنها در قاب‌هایی که ظرفیت برشی کمی دارند استفاده شود و از استفاده بیش‌ازاندازه آن­ها جلوگیری شود.

همچنین تقویت فونداسیون در زمان اجرای دیوار برشی جدید، بسیار مهم است. برای اطلاعات بیشتر در این زمینه، مطالعه‌ی مقاله آرماتورگذاری فنداسیون  بسیار مفید است.

جانمایی دیوار برشی در پلان سازه بیان نکات کاملاً کاربردی در طراحی

در بحث جانمایی دیوار برشی در ساختمان همانند بحث “ستون گذاری” از دو جنبه حائز اهمیت است. یکی بحث معماری ساختمان است که نباید به دلیل وجود دیوارهای برشی تحت‌الشعاع قرار گیرد و دیگری بحث مهم سازه‌ای است. در بحث جانمایی دیوارهای برشی در ساختمان مباحث سازه‌ای بایست با دقت بسیاری موردتوجه قرار گیرند. بازوی دیوار برشی، بحث پارگی دیافراگم، تأثیرات جانمایی دیوار برشی بر وضعیت فونداسیون و اثرات پیچشی محتمل ازاین‌دست موارد می‌باشند.

اثرات پیچشی

اگر چنانچه به هر دلیلی سازه دچار نامنظمی‌هایی چون نامنظمی پیچشی شود؛ آیین­ نامه طراح را ملزم به تأمین ضوابط سخت گیرانه تری خواهد نمود. لذا طراح سازه بایست تا حد امکان سعی در حفظ منظمی سازه داشته باشد. دیوارهای برشی به دلیل سختی بسیار بالای خود، اگر جاگیری مناسبی نداشته باشند، سازه را دچار نامنظمی پیچشی خواهند نمود.

به همین دلیل توصیه می‌شود تا حد امکان جانمایی دیوارهای برشی به صورت متقارن باشد. در یک جمله کامل‌تر می‌توان گفت که تا حد امکان بین مرکز جرم و مرکز سختی فاصله نیفتد. بیایید تأثیر نامنظمی پیچشی را بر عملکرد سازه بصورت مرحله‌ای با دقت بیشتری بررسی نماییم:

• به علت نامنظمی، سازه در یک جهت سختی بیشتری دارد.
• با رخداد زلزله، در یک سمت از سازه، تمرکز نیرو بیشتر خواهد شد.
• در اثر تمرکز نیرو در یک سمت، شاهد ترک خوردگی بیشتر و نتیجتاً کاهش سختی در آن قسمت خواهیم بود.
• با کاهش سختی، مجدداً مرکز سختی از مرکز جرم دورتر خواهد شد. و درواقع برای زلزله‌های بعدی و پس لرزه‌ها وضعیت به مراتب خطرناک‌تر از قبل هم می‌شود.

✅ لازم به ذکر است که در زلزله اهر-ورزقان تجربه پس لرزه‌هایی با قدرت زلزله اصلی را داشته‌ایم. این مسئله خطر بالای نامنظمی پیچشی را گوشزد می‌کند.

بازوی دیواربرشی

همانطور که در تصویر زیر مشاهده می‌کنید، برای جلوگیری از نامنظمی پیچشی دیوارها را به صورت متقارن در پلان قرار داده‌ایم. اما ضعفی که در طرح تصویر زیر وجود دارد این است که دیوارها فاصله کمی از هم داشته (بازوی مقاوم کم) باعث می‌شود که دیوارها لنگر مقاوم کمتری را داشته باشند. برای حل این مشکل فاصله دیوارها را افزایش می‌دهیم تا طول بازوی مقاوم آنها افزایش پیدا کند. تصویر زیر این مورد را به خوبی نشان می‌دهد.

فاصله مناسب بین دیوارهای برشی (بازوی دیوار) موجب عملکرد بهتر سیستم باربر جانبی خواهد شد و اگر این فاصله کم باشد از مقاومت و عملکرد مناسب آن­ها کاسته خواهد شد. از طرفی اگر فاصله میان دو دیوار برشی خیلی زیاد هم باشد از اثر بخشی آن کم می‌کند. بنابراین برای رسیدن به طرحی بهینه باید از یک فاصله مناسب بین دیوارهای برشی استفاده نماییم. بر اساس مدل‌های عددی به نظر می‌رسد فاصله بیشتر از 25 متر بین دیوارهای برشی مناسب نبوده و اثر بخشی آن را کم می‌کند.

اثرجانمایی دیواربرشی بر فونداسیون

یکی از مشکلات وجود دیوار برشی در ساختمان بحث کنترل تنش­ در پی می‌باشد. در واقع با حضور دیوار برشی، ابعاد فونداسیون نسبت به حالت قاب خمشی بیشتر می­شود. در این شرایط اگر طراح به بحث جانمایی صحیح دیوار برشی توجه نداشته باشد، این مشکل دو چندان خواهد شد. به عنوان یک توصیه بسیار جدی برای کنترل UPLIFT در فونداسیون بهتر است دیوارهای برشی در دهانه­‌های انتهایی ساختمان قرار نگیرند.

توجه به مسئله دیافراگم در زمان جانمایی دیواربرشی

نیروهای لرزه‌ای که در تمام ساختمان ایجاد می‌شوند از طریق اتصالات سازه با دیافراگم افقی به اجزای قائم باربر لرزه‌ای نظیر دیوار برشی منتقل می‌شوند. اگر در مسیر انتقال بار جانبی ناپیوستگی وجود داشته باشد، ساختمان حتی با وجود مقاومت برخی از اجزای خود قادر به تحمل نیروهای شدید لرزه‌ای نخواهد بود. بنابراین بهتر است تاحد امکان دیوارهای برشی متصل به دیافراگم کف اجرا شوند. بنابراین می‌توان گفت بهتر است از فضای اطراف راه پله برای جانمایی دیوار برشی در پلان استفاده نکنیم!

آیا قرارگیری دیوارهای برشی در دهانه­ های متوالی صحیح است؟

برای پاسخ به سؤال لازم است دو مورد را بررسی کنیم.

اول اینکه قرارگیری دیوار برشی در دهانه‌های متوالی موجب افزایش طول دیوار خواهد شد و درنتیجه­، این افزایش طول باعث می­ شود که رفتار دیوار از یک دیوار لاغر به سمت یک دیوار چاق برود. درواقع دیوار به‌جای اینکه رفتار شکل‌پذیر خمشی داشته باشد، رفتار برشی خواهد داشت و شکست مقطع یک شکست برشی و غیر شکل‌پذیر خواهد بود. مطابق با مبحث نهم (ویرایش پنجم) دیوارها بر اساس نسبت ارتفاع به طول، به دودسته چاق و لاغر تقسیم ­بندی می ­شود و ضوابط طراحی مربوط به آن‌ها نیز دربند 9-20-7-9 این مبحث بیان‌شده که در بخش 5-4 این مقاله به آن پرداخته‌شده است.

دومین مورد آن است که جهت کاهش نیروهای بالارانش (Uplift) نیاز است که طول دیوارها افزایش داده شود. درواقع با قرار دادن دیوار برشی در دهانه­ های متوالی در یک راستا، لنگر مقاوم ناشی از وزن دیوار افزایش می­یابد و بازوی لنگر مقاوم نیز بیشتر خواهد شد. با در نظر گرفتن این موضوع می­توان قرارگیری دیوارها در دهانه­ های متوالی را مناسب دانست و نیز سختی خمشی را افزایش داد.

با بیان این دو موضوع، انتخاب اینکه دیوارها در دهانه‌های متوالی قرار بگیرند یا خیر؛ بستگی به نظر مهندس طراح دارد و در کنار آن باید ضوابط مربوط به نامعینی را نیز کنترل کند.

اصلی‌ترین نکات جانمایی دیوار برشی از نقطه نظر سازه‌ای بیان گردید، سایر موارد قابل ذکر عبارتند از:

• اگر نیاز به چند دیوار در یک جهت داریم بهتر است دیوار برشی در دهانه‌های متوالی قرار گیرد.
• قرار گیری دیوارهای برشی در دهانه‌های بلند نسبت به دهانه‌های کوچک ارجح است.
• بهتر است دیوارهای برشی در بین ستون‌ها قرار گیرد.

منبع: آهن هایپر