تحقیق آشنایی با کامپوزیت ها

آشنایی با کامپوزیتها
در کاربردهای مهندسی، اغلب به تلفیق خواص مواد نیاز است. به عنوان مثال در صنایع هوافضا، کاربردهای زیر آبی، حمل و نقل و امثال آنها، امکان استفاده از یک نوع ماده که همه خواص مورد نظر را فراهم نماید، وجود ندارد. به عنوان مثال در صنایع هوافضا به موادی نیاز است که ضمن داشتن استحکام بالا، سبک باشند، مقاومت سایشی و UV خوبی داشته باشند و …. از آنجا که نمی توان ماده ای یافت که همه خواص مورد نظر را دارا باشد، باید به دنبال چاره ای دیگر بود. کلید این مشکل، استفاده از کامپوزیتهاست. کامپوزیتها موادی چند جزئی هستند که خواص آنها در مجموع از هرکدام از اجزاء بهتر است.ضمن آنکه اجزای مختلف، کارایی یکدیگر را بهبود می بخشند. اگرچه کامپوزیتهای طبیعی، فلزی و سرامیکی نیز در این بحث می گنجند، ولی در اینجا ما تنها به کامپوزیتهای پلیمری می پردازیم.
در کامپوزیتهای پلیمری حداقل دو جزء مشاهده می شود:
1. فاز تقویت کننده که درون ماتریس پخش شده است.
2. فاز ماتریس که فاز دیگر را در بر می گیرد و یک پلیمر گرماسخت یا گرمانرم می باشد که گاهی قبل از سخت شدن آنرا رزین می نامند.
خواص کامپوزیتها به عوامل مختلفی از قبیل نوع مواد تشکیل دهنده و ترکیب درصد آنها، شکل و آرایش تقویت کننده و اتصال دو جزء به یکدیگر بستگی دارد.از نظر فنی، کامپوزیتهای لیفی، مهمترین نوع کامپوزیتها می باشند که خود به دو دسته الیاف کوتاه و بلند تقسیم می شوند. الیاف می بایست استحکام کششی بسیار بالایی داشته، خواص لیف آن (در قطر کم) از خواص توده ماده بالاتر باشد. در واقع قسمت اعظم نیرو توسط الیاف تحمل می شود و ماتریس پلیمری در واقع ضمن حفاظت الیاف از صدمات فیزیکی و شیمیایی، کار انتقال نیرو به الیاف را انجام می دهد. ضمناَ ماتریس الیاف را به مانند یک چسب کنار هم نگه می دارد و البته گسترش ترک را محدود می کند. مدول ماتریس پلیمری باید از الیاف پایینتر باشد و اتصال قوی بین الیاف و ماتریس بوجود بیاورد. خواص کامپوزیت بستگی زیادی به خواص الیاف و پلیمر و نیز جهت و طول الیاف و کیفیت اتصال رزین و الیاف دارد. اگر الیاف از یک حدی که طول بحرانی نامیده می شود، کوتاهتر باشند، نمی توانند حداکثر نقش تقویت کنندگی خود را ایفا نمایند.
الیافی که در صنعت کامپوزیت استفاده می شوند به دو دسته تقسیم می شوند:

الف)الیاف مصنوعی ب)الیاف طبیعی.
کارایی کامپوزیتهای پلیمری مهندسی توسط خواص اجزاء آنها تعیین میشود. اغلب آنها دارای الیاف با مدول بالا هستند که در ماتریسهای پلیمری قرار داده شدهاند و فصل مشترک خوبی نیز بین این دو جزء وجود دارد.ماتریس پلیمری دومین جزء عمده کامپوزیتهای پلیمری است. این بخش عملکردهای بسیار مهمی در کامپوزیت دارد. اول اینکه به عنوان یک بایندر یا چسب الیاف تقویت کننده را نگه میدارد. دوم، ماتریس تحت بار اعمالی تغییر شکل میدهد و تنش را به الیاف محکم و سفت منتقل میکند.
سوم، رفتار پلاستیک ماتریس پلیمری، انرژی را جذب کرده، موجب کاهش تمرکز تنش میشود که در نتیجه، رفتار چقرمگی در شکست را بهبود میبخشد.تقویت کنندهها معمولا شکننده هستند و رفتار پلاستیک ماتریس میتواند موجب تغییر مسیر ترکهای موازی با الیاف شود و موجب جلوگیری از شکست الیاف واقع دریک صفحه شود.بحث در مورد مصادیق ماتریسهای پلیمری مورد استفاده درکامپوزیتها به معنای بحث در مورد تمام پلاستیکهای تجاری موجود میباشد. در تئوری تمام گرماسختها و گرمانرمها میتوانند به عنوان ماتریس پلیمری استفاده شوند. در عمل، گروههای مشخصی از پلیمرها به لحاظ فنی و اقتصادی دارای اهمیت هستند.در میان پلیمرهای گرماسخت پلیاستر غیر اشباع، وینیل استر، فنل فرمآلدهید(فنولیک) اپوکسی و رزینهای پلی ایمید بیشترین کاربرد را دارند. در مورد گرمانرمها، اگرچه گرمانرمهای متعددی استفاده میشوند، PEEK ، پلی پروپیلن و نایلون بیشترین زمینه و اهمیت را دارا هستند. همچنین به دلیل اهمیت زیست محیطی، دراین بخش به رزینهای دارای منشا طبیعی و تجدیدپذیر نیز، پرداخته شده است. از الیاف متداول در کامپوزیتها می توان به شیشه، کربن و آرامید اشاره نمود. در میان رزینها نیز، پلی استر، وینیل استر، اپوکسی و فنولیک از اهمیت بیشتری برخوردار هستند.
کامپوزیت ها یا چندسازه های:

از اولین کامپوزیت ها یا همان چندسازه های ساخت بشر می توان به کاه گل اشاره کرد. قایق هایی که سرخ پوست ها با قیر و بامبو می ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم بز ساخته می شدمد و در نواحی مختلف کشورمان یافت شده است، از کامپوزیت های نخستین هستند.
بسیاری از نیازهای صنعتی صنایعی مانند صنایع فضایی، راکتورسازی، الکترونیکی و غیره نمی تواند با استفاده از مواد معمولی شناخته شده، برآورده شود. اما قسمتی از آن نیازها، می تواند با استفاده از چند ساه ها یا کامپوزیتها برآورده گردد. چندسازه ها به موادی گفته می شود که از مخلوطی از دو یا چند عنصر ساخته شده باشند. درحالیکه در چندسازه ها، نه فقط خواص هر یک از اجزاء آن برجا باقی می ماند، بلکه درنتیجه پیوستن آنها با یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر هم بدست می آید. مواد مختلط همیشه ناهمگن می باشد.
بررسیها و تحقیقات برای دست یافتن به مواد جدیدتر با خواص مکانیکی بهتر، همواره انجام می گرفته و هنوز هم همگام با پیشرفت صنایع دنبال می گردد. در این بررسیها، اغلب این هدف دنبال می شود که به موادی با نسبت مناسب از استحکام کششی به چگالی، استحکام حرارتی بالا و خواص ویژه سطح خارجی دست یابند.
انواع چندسازه ها را می توان به گروههای زیر طبقه بندی نمود:
1- کامپوزیت های پایه پلیمری: این مواد اهمیت صنعتی فراوانی دارد و هنوز هم تحقیقات در این زمینه ادامه دارد. مواد مصنوعی تقویت شده با الیاف شیشه (فایبرگلاس ها) یکی از این مواد می باشد که تاکنون کاربرد صنعتی وسیعی پیدا کرده است.

2- کامپوزیت های پایه فلزی
3- کامپوزیت های پایه سرامیکی :
کامپوزیت های پایه پلیمری بیش از 90% کاربرد کامپوزیت ها را به خود اختصاص داده اند و از بقیه مهمتر هستند. سابقه استفاده از کامپوزیت های پیشرفته، به دهه 1940 بازمی گردد. در آن زمان ارتش های آمریکا و شوروی سابق در رقابتی تنگاتنگ با یکدیگر، موفق به ساخت کامپوزیت پایه پلیمری الیاف بور/ رزین اپوکسی برای استفاده در صنعت هوا فضا شدند. 20 تا 30 سال پس از آن، کامپوزیت های پایه پلیمری به طور گسترده ای به سوی صنایع شهری از جمله ساختمان و حمل و نقل روی آوردند. به طور مثال امروزه خودروهایی ساخته می شود که تماماْْ کامپوزیتی هستند. استفاده از کامپوزیت ها در این کاربرد به علت ویژگی هایی چون وزن کمتر، درنتیجه سوخت کمتر و عمر طولانی تر آنهاست.
با توجه به پایداری بسیار زیاد کامپوزیت های پایه پلیمری و مقاومت بسیار خوب آنها در محیط های خورنده، این کامپوزیت ها، کاربردهای وسیعی در صنایع دریایی پیدا کرده اند که از آن جمله می توان به ساخت بدنه قایق ها و کشتی ها و تاسیسات فراساحلی اشاره داشت. استفاده از کامپوزیت ها در این صنعت، حدود 60% صرفه جویی اقتصادی داشته است که علت اصلی آن مربوط به پایداری این مواد است.
صنعت ساختمان پرمصرف ترین صنعت برای مواد کامپوزیتی است.استخرهای شنا، وان حمام، سینک ظرفشویی و دست شویی، کف پوش، نماپوش، سقف پوش، برج های خنک کننده و … همگی کامپوزیت های پایه پلیمری هستند. سبکی، سهولت شکل دهی، مقاوت در برابر خوردگی و قابلیت آب بندی، از ویژگی های کامپوزیت هایی است که در صنعت ساختمان به کار می رود.
فایبرگلاس یا الیاف شیشه که پرکاربردترین کامپوزیت ها هستند، فیبرها یا الیاف ساخت بشر است که در آن ، ماده ی تشکیل دهنده ی فیبر، شیشه است. الیاف شیشه ها، موارد استفاده های فراوانی از جمله در: ساخت بدنه ی خودروها و قایق های تندرو و مسابقه ای، کلاه ایمنی موتورسواران، عایقکاری ساختمانها و کوره ها و یخچالها و … دارند.
ساختمان و اندازه ی این الیاف شیشه ها بسیار متغیر است. کوچکترین آنها به وسیله ی چشم غیر مسلح دیده نمی شود و بسیار ریز هستند. اندازه های کمی بزرگتر از آن ذراتی هستند که در کارخانجات ساخت فرآورده های الیاف شیشه ها به کمک هوا نقل و انتقال یافته و سبب شوزش پوست و بینی و گلو می شود.
الیاف شیشه متداولترین الیاف مصرفی کامپوزیت ها در دنیا و ایران است که متاسفانه در ایران ساخته نمی شود. انواع الیاف شیشه عبارتند از انواع E , C , S و کوارتز. ترکیب الیاف شیشه نوع E یا الکتریکی ، از جنس آلومینوبور و سیلیکات کلسیم بوده و دارای مقاومت ویژه الکتریکی بالایی است. الیاف شیشه نوع S ، تقریباْْ 40 درصد استحکام بیشتری نسبت به الیاف شیشه نوع Eدارند.
الیاف شیشه نوع C یا الیاف شیشه شیمیایی، دارای ترکیب بور و سیلیکات کربنات دو سود بوده و نسبت به دو مورد قبل پایداری شیمیایی بیشتری به خصوص در محیط های اسیدی دارد.
الیاف شیشه کوارتز، بیشتر در مواردی که خاصیت دی الکتریک پایین نیاز باشد، مانند پوشش آنتن ها و یا رادارهای هواپیما استفاده می شوند.

پیدایش ترک در ساختمان

نشست پی بر اثر عواملی همچون رطوبت و فشارهای وارده از طبقات ، بی مقاومتی خاک و عملکردهای آن پیش می آید . همچنین نوع مصالح مصرفی و اجرای غیرفنی ، سبب نشستهای پی می شود . در مجموع ، بر اثر حرکات زمین ، اسکلت بنا حرکت می کند و شکستهای مختلف که شامل ترکهای عمیق و یا معمولی و در مواردی به شکل مویی است ، نمایان می شود.
موقعیت ترک :
ترکهای عمیق : این ترکها گاهی به طور دائمی به وجود می آید و دلیل آن نشست مرتب پی است که در این صورت ، بودن ساکنان در ساختمان خطرناک است.
ترکهای ثابت : معمولا پس از نشست پی ، تحرک ساختمان کم می شود. این پدیده بر اثر قطع رطوبت و فشرده شدن سطح زیر پیش می اید. در نتیجه ، شکست و افت دیوارها و اسکلت بنا نیز متوقف ، و حالت ترک ثابت می شود.
موی ترکهای معمولی : این ترکها در اثر افتهای کوچک در اسکلت بنا و به واسطه نیروها و در مواردی به علت نوع مصالح اندود به وجود می ایند. رطوبت ، انقباض و انبساط حاصله در مقابل خشک شدن سطوح مرطوب ، باعث ایجاد ترکهای مویی می شود.
حالتهای ترک :
ترک را به شکلهای مختلف می توان آزمایش کرد. نوع خطرناک و بدون خطر آنها را به شکلهای زیر می توان شناسایی کرد:
الف) بند دوقسمت دیوار را که بر اثر ترکهای عمیق از یکدیگر جدا شده اند ، با گچ دستی طوری کف کش می کنیم که ملات فقط دو قسمت جدا شده را پوشش دهد ؛ یعنی در ترکها نفوذ نکند
پس از خودگیری و خشک شدن ملات گچ ، چنانچه از دیوار جدا شود ، اسکلت در حال نشست و افت کامل است که باید در مورد آن با احتیاط رفتار کرد.
ب) در موارد ذکر شده در بالا ، می توان روی ترک دو قسمت جدا شده دیوار را نوار کاغذی از جنس کاهی نازک به ابعاد 30*3 سانتیمتر به شکل ضربدر (*) با پونز نصب کرد. چنانچه کاغذ پاره شود ، شکست و نشست در ساختمان بسیار خطرناک می باشد. در این صورت ، ساختمان باید از سکنه خالی شود.
ج) در نشستهای خطرناک ، کلاف پنجره بر اثر نیروی فشار ، اهرم و دفرمه می شود . به علت بالا بودن ضریب شکنندگی ، شیشه پنجره ها ترک می خورند و می شکنند.
د) در افتهای مداوم پی و مواقع سکوت ، صداهای "تک تک " که حاصل ترک مصالح و بویژه اجرکاری است ، شنیده می شود.
روش تعمیر ترکها :
همانطور که گفتیم ، بر اثر نشست ، ترکهایی به وجود می آید که برخی از آنها مویین و ریز هسنتد . با خالی کردن اطراف آنها و با " کشته کشی " و کشیدن پنبه آب روی سطوح ترکهای مویین آنها گرفته و آماده نقاشی می شوند.
ترکهای نیمه عمیق :
بر اثر حرکت پذیری سقف توفال که از انقباض و انبساط رطوبت و حرارت حاصل می شوند . ترکهایی به وجود می آید . این ترکها را با نوک کاردک و ماله خالی می کنیم و پس از " آماده کشی " و پرداخت کشته و پنبه زنی ، ترکها را می گیریم و آماده نقاشی میکنیم.
ترکهای عمیق :
اطراف ترک را با تیشه می تراشیم و سپس درز آن را کاملا خالی می کنیم. کاربردن گچ دستی و کف کش کردن ، درون ترک را پر و سطح آن را با گچ آماده صاف می کنیم . سپس با گچ کشته و پنبه اب ، سوح آن را کاملا پرداخت و آماده نقاشی می کنیم.
توجه شود : چون سطح کشته کشی در بعد بیشتری انجام می شود تا خطر کپ کردن به وجود نیاید ، بابد اصولی را به کاربرد تا سطح ترک از اطراف به شکل پخ از گچکاری و اندود برداشته شود تا عمق ترک در سطحی عریض پیوند شود. به این عمل اصطلاحا " پرداخت کردن ، کشته و همسطح کردن با زمینه در گچکاری قدیمی " می گویند.
ترک در تقاطع دیوار :
دیوارها بر اثر نداشتن پیوند با هشت گیر ترک می خورند . در مواقعی نشست و شکست دیوارها ، ترکها کاملا باز و رویت می شوند . در بعضی موارد ، این ترکها بسیار عمیق هستند ؛ به طوری که می توان دست را در درون آنها حرکت داد . در این حالت ، چنین عمل می کنیم :
1- سطح ترک را از دو طرف کاملا با تیشه می تراشیم ، و پس از جارو ، سطوح آن را کاملا مرطوب می کنیم .
2- چنانچه لازم باشد ، کنارهای ترک را با قلم و چکش چند سانتیمتر بازتر می کنیم تا نشست گچ با عمق بیشتری انجام شود.
3- ملات گچ تیزون را شلاقی در درون ترک می کوبیم تا سطح ترک کاملا پر شود.
4- پس از پر کردن ترک به شکل سرتاسری و کف کش کردن گچ تیزون ، اندود گچ و خاک را اجرا می کنیم.
5- در صورت نیاز ، ترک را شمشه گیری می کنیم تا در سطح گچکاری یکنواختی به وجود آید.
6- با گچ آماده و سپس گچ کشته ، سطح اندود را " سفیدکاری" می کنیم و با پنبه آب زدن برای پرداخت ، گچکاری را خاتمه می دهیم.
توجه شود: چنانچه در محل تقاطع دیوار دیوار ابزار گرد زده شود ، یعنی ماهیچه به وجود آید ، ترک مجددی پیش نخواهد آمد .
ترک در نعل درگاه :
به علتهای زیر ، نعل درگاه و سوح زیر آن می شکنند :
الف) در اثر نشست ستون زیر نعل درگاه ، به علت اهرم شدن آن ، برش افقی به وجود آید.
ب) برشهای عمودی به خاطر وجود پیوند و اثر نیروهای فشاری در امتداد تیر نعل درگاه و برشهای طولی بعد از مقدار گیر نعل درگاه به وجود می آید که در هر دو حالت ، جداره ترکها را می تراشیم ، باز می کنیم و سپس گرد آن را می گیریم . بهد ، محل مرطوب شده را با اصطلاحا گچ تیزون ( زودگیر) پر می کنیم و زمینه را با کشته کشی آماده می سازیم و سپس ترکها را به ترتیب ترمیم و تعمیر می کنیم.

پیوند در ترکهای عمیق :
چنانچه ترک عمیق باشد ، رجهای بریده شده را از دو طرف به اندازه یک نیمه ، خالی می کنیم و با به کاربردن ملات مرغوب و اجرهای راسته مقاوم ، سطح ترک را در عزض دیوار با رعایت پیوند ، کامل می گیریم و سپس مبادرت به اندودکاری می کنیم. در این صورت ، اثر ترک کلی محو می شود. در بعضی موارد ترک به حدی است که از بیرون نور و اشیا قابل رویت می شود .
به طور مسلم ، این ترک و شکست و نشست از پی شروع می شود و تا بالاترین قسمت ساختمان ادامه می یابد که برای تعمیر ان ، به اینصورت عمل می کنیم : مسیر ترک را در کفسازی دنبال می کنیم و با برداشتن کفسازی به پی می رسیم . تعمیر از پی شروع می شود . پاز کرسی چینی ، جداره ترک را جهت به وجود آوردن پیوند خالی می کنیم . پس از بنایی ترک مذکور ، در عمق دیوار اندود و سفیدکاری انجام می دهیم.
رفع ترک اطراف ستونهای فلزی :
در اجرای اسکلت فلزی کنار ستون فلزی ، هر 60 سانتیمتر ، میلگرد با برگشت به صورت L خوابیده به نام علمی کیلیبس به معنای گیره ، چفت و بست ، پهلو گرفتن و سفت کردن است . آهنگر اسکلت ساز آن را اصطلاحا کلمس می گوید . حدودا به قطر نمره 16 میلیمتر و به طول 50 سانتیمتر و برگشت ( گونیا زاویه 90 درجه ) حدود 12 سانتیمتر پاجوش به قطر کافی اتصال می شود. این اجرا دیوار آجری را با ستون فلزی به طور اصولی پیوند و اتصال می دهد. اجرای اصولی این روش یه این شرح است که کیلیپس زا به دو ستون مقابل و در راستای یکدیگر جوش می دهیم . سپس ، با میلگرد راستای هم قطر و با رعایت اورلپ به دو کیلیپس جوش می دهیم . توجه گردد که چنانچه فاصله دو ستون فلزی مقابل از 3 متر بیشتر باشد ، باید از وجود وادار ، فلزی مانند سپری جهت نصب بین دو ستون استفاده کنیم. سپس ، کیلیپس گذاری بین ستونها و وادار را در راستای یکدیگر انجام دهیم . بهد هم سفتکاری دیوار را اجرا کنیم. باز هم توجه گردد که چنانچه فاصله تیر زیرین و تیر فوقانی در قاب ، مرتفع و بیشتر از ارتفاع 3 متر باشد ، باید از وجود تیر فرعی غیر باربری مانند نبشی استفاده کنیم . به طور مسلم ، اتصال تیر فرعی با وادار و اجرای کلیپس گذاری در مجموعه ذکر شده ، سفتکاری را با اسکلت فلزی کاملا درگیر می سازد. با این روش اولا وجود ترکها در موقع نشست از بین خواهد رفت ؛ ثانیا در مقابل زلزله و تحرکات زمین ، دیوارهای ساختمان و به خصوص دیوارهای خارجی نگهداری می شوند که از برای تعمیر چنین عمل می کنیم :
1- سطح اندود رویه ، آستر روی ستون و دو دیوار متصل به ستون فلزی را به عرض 100 سانتیمتر و در شرایط محدود حتی به عرضی کمتر ، جمع اوری می کنیم .
2- به فاصله و ارتفاع هر 60 سانتیمتر از ذدو دیوار ، کناره ستون را در یک رج افقی به اندازه 50 سانتیمتر خالی می کنیم.
3- عمل کلیپس گذاری را در دو رج خالی شده با ستون فلزی از میلگرد حداقل نمره 16 با جوش مطمئن و کافی انجام می دهیم.
4- محل خالی را با ملات مرغوب و آجر نیم لایی آبخور به طور اصولی انجام می دهیم تا شکاف گرفته شود.
5- پس از جارو زدن سطح تراشیده شده و آب پاشیدن به ان ، میخ سر کج را به فاصله هر 25 سانتیمتر طوری می کوبیم که 5/1 سانتیمتر با سطح ستون و سفتکاری فاصله داشته باشد.
6- توری گالوانیزه به عرض 80 سانتیمتر را توسط سیم آرماتور بندی با قلاب مطمئن و محکم به میخهای سرکج می بندیم .
7- اندود آستر را طوری انجام می دهیم که توری در وسط ملات قرار گیرد و اندود را مسلح سازد.
8- پس از آستر ، عمل سفیدکاری و لکه گیری و سپس رنگ و روغن را انجام می دهیم.
با این روشهایی که در بالا توضیح دادیم چنانچه نشست به وجود آید ، دیگر ترک در کناره ستون فلزی به وجود نخواهد آمد.

دیوار برشی
با نیروهای جانبی موثر 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 موثر 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 تامین 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 توام 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 . تاثیر 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 توام 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 تامین 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 موثر خواهد بود و تسلیح قطری نیز می تواند موثر 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 .