1
سمینار کارشناسی ارشد
تهیه کننده:
محمّد نیازخانی
استاد راهنما:
دکتر احمد نیکنام
تابستان 1388
بسم الله الرحمن الرحیم
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی فصل دوم ، شناخت وعملکرد دیوار های برشی باز شودار (کوپله) فصل سوم ، بررسی لرزه ای و عوامل موثر در مقاومت دیوار برشی کوپله فصل چهارم ، مرور اجمالی بر روش های طراحی دیوار برشی کوپله فصل پنجم ، انواع شکست ها در دیوار های برشی فصل ششم ، خلاصه ونتیجه گیری فصل هفتم ، مدل سازی نرم افزار
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
دیوار برشی دیواری است که برای مقاومت در برابر اثر توام تلاش محوری ، تلاش خمشی و تلاش برشی ناشی از بارهای قائم و بار زلزله طراحی می شود.
دیوارهای برشی معمولا" بیشترین سهم نیروی برش پایه را تحمل می کنند که باعث افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصرغیرسازه ای می گردد
دیوارهای سازه ای با نسبت بعدی بالا ، دیوارهای خمشی نامیده می شوند زیرا رفتار غالب آنها در مد خمشی می باشد . دیوارهایی با نسبت بعدی پائین ، دیوارهای چاق یا کوتاه نامیده می شوند . امکان دارد دیوارهای کوتاه دچار شکست زودهنگام برشی شوند و این خود باعث کاهش شکل پذیری می شود ، به همین دلیل شکست های برشی غالبا" نامطلوب در نظر گرفته می شوند. اگر عمل دیوار در مد برشی باشد ، یک مقطع ساده می تواند عملگر باشد .
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
طراحی دیوارهای بلند خمشی مانند طراحی تیرها صورت می گیرد . آنها می توانند طوری طراحی شوند که رفتاری شکل پذیر داشته باشند . این رفتار توسط جلو انداختن تسلیم شدگی آرماتورهای عمودی صورت می گیرد . اگرچنانچه ظرفیت برشی طراحی دیوار بزرگتر از بار برشی مرتبط با مقاومت خمشی دیوار باشد ، رفتار شکل پذیر و خمشی بدست می آید.
در دیوارهای کوتاه برش و خمش رابطه ی بسیار نزدیک دارند . وجود نیروهای برشی با شدت بالا می تواند به شکست های فشاری یا کششی قطری قبل از رسیدن به واکنش خمشی شکل پذیر منجر شود .
دیوارهای برشی بنا به نیاز سازه ممکن است دارای اجزای لبه ای و یا فاقد آن باشند به طوریکه اگر تنش فشاری بتن در دورترین تار مقطع فشاری دیوار تحت اثر بار نهایی به انضمام اثر زلزله ازfc 0.2 بیشتر باشد باید از اجزای لبه ای استفاده کرد ، مگر آنکه در تمام طول دیوار آرماتورگزاری ویژه پیش بینی شود.
Бc > 0.2fc
Бc =( Pu / A) + (MU.C/I)
PU=PD+1.2 PL+1.2 PE
MU=MD+1.2 ML+1.2 ME
مزایای دیوارهای برشی :
1: افزایش چشمگیر سختی ساختمان به نحوی که بر اثرات ثانویه نقش موثری دارد . این مزیت خود به خود موجب افزایش درجه ایمنی در مقابل شکست یا ریزش ساختمان می شود .
2: کاهش قابل ملاحظه خسارت به عناصر غیرسازه ای که در اکثر موارد هزینه آنها کمتر از هزینه اعضای سازه ای نیست.
3: اثر قابل توجه در ایجاد آرامش خیال و تامین امنیت روانی ساکنین ساختمانهای بلند مرتبه در هنگام وقوع زلزله .
4: دیوارهای برشی قادرند حتی پس از پذیرش ترکهای زیاد، بارهای ثقلی که برای آنها هم طراحی شده اند تحمل کنند. این پدیده را بطور کامل نمیتوان از ستونها انتظار داشت.
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
نحوه انتخاب مقدار و محل دیوار برشی :
هر دیوار برشی ممکن است در اثر نیروهای محوری دچار جابه جایی یا تغییرشکل انتقالی و چرخشی شود. اینکه یک دیوار برشی تا چه میزان و چگونه تحت تاثیر لنگر واژگونی ، نیروهای برشی یا پیچشی قرار گیرد بستگی دارد به :
1: شکل هندسی
2: جهت آن در برابر نیروی زلزله
3: محل استقرار آن در پلان ساختمان
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
در میان نکات بسیار مهمی که از لحاظ سازه ای رعایت آنها الزامی است باید به موارد زیر اشاره کرد :
1: برای دیوارهای منفرد ، تامین تقارن در سختی پایداری پیچشی و ظرفیت مناسب و خوب شالوده اهمیت زیادی دارد .
2: توزیع غیر یکنواخت تغییرشکل های غیرارتجاعی در تمام سطح پلان در نظر گرفته شود.
3: از نظر تمرکز تغییر شکل غیرارتجاعی در نقاط یا محل های خاصی از پلان ساختمان که موجب تمرکز تغییرشکل غیر ارتجاعی برای برخی از دیوارها میشود ، باید دوری کرد . زیرا درغیراینصورت ممکن است برخی از دیوارها در محدوده ارتجاعی باقی بمانند در حالیکه نیاز شکل پذیری برخی دیگر خیلی زیاد می شود.
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
پایداری پیچشی :
پایداری پیچشی در دیوارهای برشی نیز بستگی به نحوه استقرار آنها در پلان دارد. سه سیستم (د)، (ه)، (و) بدلیل آرایش مناسب هندسی دیوارها از مقاومت نسبتا" خوبی در مقابل پیچش برخوردارند. در سیستم (ه) خروج از مرکزیت قابل توجهی وجود دارد . لکن به دلیل وجود هسته جعبه ای شکل مقاومت پیچشی خوبی را از خود نشان می دهد.
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
به منظور انتخاب بهترین محل برای دیوارها موارد زیر نیز بایستی مورد توجه و رعایت قرار گیرد :
به منظور تامین مقاومت پیچشی خوب برای ساختمان ، تا آنجا که ممکن است دیوارهای برشی در محیط پلان تعبیه شوند. نیروهای ثقلی بیشتری را می توان از طریق دیوار به شالوده منتقل ساخت. درچنین وضعیتی نیاز به فولادگذاری خمشی زیاد ، کاهش می یابد و همچنین شالوده قادر خواهد بود لنگر واژگونی ناشی از دیوار را به خوبی تحمل کند.
چنانچه در مناطق با خطر نسبی زیاد ، در ساختمان های بلند از یک یا دو دیوار برشی استفاده شود ، نیروهای زلزله در این دیوارها متمرکز شده که موجب می شود نیروی بسیار زیادی به شالوده ساختمان منتقل گردد که در اینصورت باید شالوده ای وسیع و ویژه برای مقاومت در برابر زلزله پیش بینی گردد.
اما آنچه که مهم است این است که مقدار و توزیع دیوار برشی در پلان ساختمان به گونه ای باشد که باعث کاهش و کنترل تغییرمکان جانبی نیروی بالا رانش (up lift) و افزایش شکل پذیری گردیده و همچنین در یک زلزله شدید ، تمام دیوارهای برشی وارد محدوده غیرخطی و غیر ارتجاعی شده که به سبب آن نه تنها اجازه تامین ظرفیت خمشی خیلی زیاد به سازه داده می شود ، بلکه مقاومت برشی و شکل پذیری آن نیز افزایش می یابد .
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
همچنین در مورد معایب دیوار برشی نیز می توان به امکان شکست برشی در صورت عدم طراحی مناسب ، ایجاد نیروی بالارانش (up lift) در صورت عدم تخمین صحیح تعداد دیوارها و قرارگیری نامناسب آنها اشاره کرد.
آنچه که باید برای دیوارهای برشی موردنظر باشد عبارتند از :
1: مقاومت
2: شکل پذیری
3: ظرفیت جذب انرژی
4: حداقل کاهش در سختی
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
در کل رفتارلرزه ای سازه های دارای دیوار برشی بیشتر ازقابهای خمشی اطمینان بخش است.
دلیل این رفتار در دو نکته است :
1: در قابهای خمشی مفصل پلاستیک یا ( لولای خمیری) معمولا" در انتهای تیرها تشکیل می شود ولی در مورد سازه هایی که دیوار برشی دارند ، محل تشکیل مفصل پلاستیک در پای دیوار می باشد .
2: وجود میانقابها موجب افزایش ابهام در رفتار لرزه ای قابها می شود زیرا نظم و توزیع مناسب سختی را در سازه دچار اختلال می کند .
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
اندازه بال و پایداری جانبی دیوارهای برشی
هنگامی که دو یا چند دیوار برشی در پلان یک سازه با یکدیگر تلاقی دارند ، دیوارهای جدیدی به شکل T,L,I را تشکیل می دهند . این قبیل دیوارها معمولا" برای مقاومت در برابر زلزله در دو جهت بکار می روند و معمولا" از مقاومت بالا و خوبی برخوردار هستند . نشان داده شده است که اگر بال این قبیل دیوارها در فشار قرار گیرند ، مقاومت لرزه ای خوب و شکل پذیری بالایی از خود نشان می دهند . ولی اگر بال آنها در کشش واقع شود ، ظرفیت شکل پذیری آنها کاهش خواهد داشت .
تخمین عرض موثر بال در دیوارهای برشی
معمولا" جان دیوارهای برشی در مقایسه با سایر ابعاد آن از ضخامت کمی برخوردار است . از اینرو احتمال کمانش جان در دیوارها خیلی زیاد است . لذا طراح باید نسبت به وقوع کمانش موضعی و صفحه ای در جان و در برخی موارد در بال های نازک توجه ویژه داشته باشد . برای کنترل چنین مسئله ای لازم است توصیه های زیر رعایت شود:
: برای جان دیوار اگر مقدار کرنش کمتر یا مساوی 0.5εcu باشد:
10 ≤ hw / tw ≤ 25
2) : برای دیوارها چنانچه مقدار کرنش بیش از 0.5εcu باشد :
10 ≤ hw / tf ≤ 25
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
دیوارهای برشی بر روی ستون
گاهی به دلایل نوع ساختمان و شیوه های موردنظر در بهره برداری از آن ، موجب می شود که پیوستگی دیوار برشی نقض میگردد. مانند دیوارهای برشی که بر روی دو ستون در دو انتها تکیه دارند . در این قبیل موارد نقاط بحرانی دارای ضعف شدیدی خواهند بود . زیرا نیروی برشی بسیار بزرگی باید از طریق محل تکیه گاه دیوار به ستون ها وارد شود در حالیکه طبقه زیرین یا همکف که به دلیل عدم تداوم به یک طبقه نرم تبدیل شده است ، موجب می شود تا نیاز شکل پذیری ستون ها شدیدا" افزایش یابد. در این مواقع لنگر واژگونی نیروی محوری شدیدی را بر یک ستون تحمیل خواهد کرد . بنابراین لازم است از این روش چشم پوشی شده و بطور جدی مورد استفاده قرار نگیرد .
فصل اول، معرفی دیوارهای برشی
در اغلب موارد تعبیه بازشوهای منظم برای پنجره یا دربها در دیوارهای برشی اجتناب ناپذیر است . تعیین محل بازشوها باید به نحوی باشد که رفتار سازه های دیوار برشی برای تحمل بارهای وارده مطلوب باشد. لازم است طراح مطمئن باشد که رفتار کلی و خمشی دیوارها با کاهش قابل توجه در سطح مقطع آن دچار مشکل نمی شود زیرا در اینصورت رفتار دیوار ترد شده و قبل از اینکه به حداکثر ظرفیت خمشی خود برسد ، تحت اثر شکست برشی فرو می ریزد.
در اکثر موارد دیوارهای برشی قادرند بیشترین سهم نیروی برشی پایه را تحمل کنند که این پدیده موجب افزایش چشمگیر سختی ساختمان و کاهش خسارت قابل ملاحظه به عناصر غیر سازه ای می شود. در دیوارهای برشی دارای بازشو اگر دیوار در پائین ترین قسمت خود دارای یک یا چند بازشو باشد ، هر یک از اجزاء دیوار در طرفین بازشو را پایه های دیوار برشی و بخشی از دیوار را که بین بازشوی بالائی و پائینی واقع است تیر همبند یا کوپله می نامند.
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
برای جذب انرژی زلزله توسط دیوارهای برشی دارای بازشو، مسولیت بسیار زیادی برعهده ی تیرهای رابط آنها خواهد بود . نتیجه اینکه در طراحی دیوارهای برشی باید مقاطع خمیری (مفصل پلاستیک) در رفتار خمشی به نحوی پیش بینی گردد که هیچگونه شکست یا تخریب قطری چه در تیرهای رابط و چه در دیوارها اتفاق نیفتد .
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
از جمله سطوح بحرانی در دیوارهای کوپله می توان به سطوح جرزهای بین بازشوها اشاره کرد که موجب شکست برشی دیوار می شوند.
سطوح بحرانی در دیوارهای برشی دارای بازشو
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
دیوارهای کوپله از نظر شکل پذیری محاسنی دارند که عبارت است از :
1: کنترل بسیار عالی تغییرمکان
2: سیستم کوپله قوی ، امکان استفاده از دیوارهای لاغر بدون به خطر انداختن حدود مجاز تغییرشکل نسبی طبقات را فراهم می کند.
3: حدود تغییر شکل ها ، در خلال یک پاسخ شکل پذیر ، متاثر از مدهای دینامیکی بالاتر نمی باشد.
4: با یک آرماتورگذاری مناسب ، میرایی هیسترستیک بزرگتری نسبت به ساختمان های سنتی از خود نشان می دهند.
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
طرح و شرح دیوار برشی هم بسته و تیرهای همبند
از آنجائیکه تیر همبند ، نیـروی برشی قابل توجهی را از یک دیـوار برشی با عملکرد کنسولی به دیوار برشی دیگر انتقال می دهد، تغییر شکل برشی زیادی در آن به وقوع می پیوندد. در نتیجه این تیر در زلزله به سرعت تخریب می شود. قرار دادن میلگردهای قطری طولی وعرضی در تیرهمبند ، تاثیر به سزائی در بهبود رفتار این تیر در بارهای تناوبی دارد.
Τ= c=Φ.Avd.Fy
Vu=2T.sin α = 2Φ .Avd.Fy. sin α
Mu=Φ .Avd.Fy. cos α
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
ضوابط آئین نامه آبا و مبحث نهم مقررات ملی ساختمان در مورد تیرهای همبند :
1: سطح مقطع کل خاموت های ویژه درهر امتداد Ash نباید کمتر از مقدار زیر باشد :
Ash = 0.3 [s.hc .(fc/fy).((Ag/Ach )-1)]
Ash = 0.09 [s.hc .(fc/fy)
2: قطر میلگردهای عرضی ویژه حداقل 8 میلی متر و فاصله ی خاموت ها حداکثر برابر با مقدار زیر درنظر گرفته می شود:
S = min[1/4 h(min) , 8ФL , 12mm]
در صورتیکه دیوار با شکل پذیری متوسط باشد :
S max=min [1/2 . h(min), 8ФL , 24Фt , 250mm ]
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
تیرهای هم بند و دیوارهای هم بسته :
جهت ایجاد عملکرد سازه ای واحد برای دو دیوار سازه ای مجاور و مجزا و یا برای اجزای دوطرف بازشو در دیوارهای شامل بازشوهای بزرگ ، از تیرهای رابط با شکل پذیری زیاد به نام تیرهای هم بند استفاده می شود . در این حالت دیوارهایی را که به هم متصل می شوند ، دیوارهای هم بسته می گویند.
این ضوابط برای تیرهای هم بندی که نیروی برشی نهائی در آنها بیشتر از 2ACV .VC بوده و نسبت طول دهانه آزاد به ارتفاع آنها کمتر از 3 باشد ذکر می گردد. درغیراینصورت فولادگذاری تیرهمبند مطابق ضوابط متداول خمشی انجام می گیرد.
درهر حال عرض تیر همبند حداقل 200 mm است.
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
مقاومت برشی در تیرهای هم بند، تماما" بوسیله ی میلگردهای قطری و متقارن که به صورت ضربدری و متقارن در سراسر طول تیر ادامه داده می شوند، تامین می گردد.
سطح مقطع مجموع میلگردهای قطری در هریک از شاخه های ضربدری Avd
Avd = Vu / (2.Fy.sin α )
: Vuنیروی برشی نهایی در مقطع تیر همبند
α : زاویه بین میلگردهای قطری و محور طولی تیر
مقاومت خمشی تامین شده توسط میلگردهای قطری را می توان در محاسبه ی ظرفیت خمشی تیرهمبند منظور کرد.
فولادهای قطری در تیرهمبند ، باید بوسیله ی میلگردهای عرضی به صورت مارپیچ یا خاموت ، با حداقل قطر mm8 محصور شوند .
فاصله ی حداکثر این میلگردهای عرضی به صورت زیر تعیین می شود :
Smax = min ( 8ФL , 24 Фt , 125 mm )
Φ L = قطر کوچکترین میلگرد قطری در تیرهمبند
Φt = قطر تنگ یا مارپیچ به کار رفته در تیرهمبند
فصل دوم، معرفی دیوارهای برشی کوپله
بررسی لرزه ای و عوامل موثر در مقاومت دیوارهای برشی بازشودار(کوپله):
هنگامی که دیواری کوپله تحت تاثیر بارجانبی قرار می گیرد ، دیواری که در مجاورت بار جانبی قرار دارد تحت کشش قرار می گیرد و دیواری که در جهت مقابل بار جانبی است کلا" تحت فشار قرار می گیرد ،در خود این دیوار، ناحیه ی نزدیکتر به بار تحت کشش و ناحیه دور از بار جانبی در فشار عمل می نماید .
بررسی ها نشان می دهد ظرفیت شکل پذیری تیر رابط « تیرهمبند» در دیوارهای کوپله تاثیر به سزایی در الگوی ترک خوردگی دیوارها دارد.
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
انواع تیرهای کوپله :
1: تیر کوپله ی بتنی
2: تیر کوپله ی پیش تنیده
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
3: تیر کوپله ی کامپوزیتی
4: تیر کوپله متشکل از صفحات برشی
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
5: تیر کوپله با محدودیت حداکثر بار قابل تحمل
6: تیر کوپله پیش ساخته
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
نحوه تحمل بار جانبی در سیستم های کوپله
عملکرد خمشی دیوارها ( دیوار برشی)
استفاده مناسب از ظرفیت موجود
استفاده از ظرفیت محوری پایه ها
در صورت استفاده از این سیستم بدون برآورد صحیح رفتار کلی و محلی آن امکان :
– افزایش تغییر شکل داخلی در دیگر مولفه های سازه
– افزایش مقاومت مورد نیاز در دیگر مولفه های سازه
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
doc(درجه کوپلگی):
پارامتری برای تعیین میزان عملکرد قابی تیرهای کوپله
ممان واژگونی عملکرد کوپلگی
کل لنگر واژگونی
با افزایش درجه کوپلگی رفتار سیستم از حالت تفکیک شده به سیستم پکپارچه نزدیک می شود .
سیستم مجزا
سیستم پکپارچه
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
افزایش درجه کوپلگی معمولا با کاهش طول تیر کوپله همراست
تیرهای کوتاه
با توجه به مطالب فوق استفاده از پارامتر درجه کوپلگی به تنهایی معیار مناسبی برای تعیین رفتار دیوار کوپله نمی باشد .
) docدرجه کوپلگی):
تعیین رفتار دیوار کوپله به کمک روش پیوسته سازی
پارامترهای موثر در این آنالیز
تغییرات زیاد در ممان
نسبت برش به خمش بزرگ
عدم تامین شکل پذیری مورد نیاز اعضای بتنی
کاهش ظرفیت خمشی مقطع
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
پارامتر KαH
پارامتر
ممان اینرسی تیر کوپله در محاسبات تغییرشکل برشی
فاصله بین مراکز پایه های دیوار
دهانه آزاد تیر کوپله
ارتفاع طبقه
مجموع ممان اینرسی هر یک از پایه های دیوار
پارامتر : معیاری برای تعیین نسبت سختی تیرهای کوپله به دیوارها
مقدار کم پارامتر
سیستمی با تیر کوپله نسبتا انعطاف پذیر
رفتار کلی سیستم وابسته به رفتار خمشی هر یک از پایه های دیوار
مقدار بالای پارامتر
عملکرد قابی بالا بین دیوارها
α
α
پارامتر
پارامتر
مجموع ممان اینرسی هر یک از پایه های دیوار
سطح مقطع هر یک از پایه های دیوار
فاصله بین مراکز پایه های دیوار
پارامتر : معیاری برای تعیین نسبت سختی خمشی به محوری پایه های دیوار
محدوده پارامتر
دیوار با پایه های صلب از نظر محوری
با توجه به محدودیت های سازه ای ومعماری
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
پارامتر K α H
این پارامتر معیاری برای در نظر گرفتن رفتار کوپلگی مجموعه می باشد .
تیرهای کوپله ی ضعیف
الف) : از نظر تئوری
0 = K α H یعنی از سختی تیرها صرفه نظر و کل ممان وارده توسط عملکرد خمشی پایه ها تحمل می شود.
ب) : از نظر عملی
1 ≥ K α H و doc < 20%
تیرهای کوپله صلب
الف) : از نظر تئوری
K α H =∞ یعنی عملکرد سازه به صورت یک دیوار کامل است.
ب) : از نظر عملی
K α H >8
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
رابطه بین K α H و Doc
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
به طور کلی اگر K α H≥5 خواهیم داشت :
1: پاسخ کل سازه نسبتا" ثابت باقی می ماند .
2: پاسخ محلی سازه تحت تاثیر قرار می گیرد.
3: افزایش نیروی برش در تیرهای کوپله
4: کاهش یکنواختی توزیع نیروی برش در تیرهای کوپله
doc≥70% از دیدگاه پاسخ سازه ، پاسخی نامناسب است و doc >80% غیرعملی خواهد بود.
تاثیر مشخصات موثر مقطع بر رفتار پیش بینی شده ی سازه :
در سیستم های کوپله بر خلاف سازه های منفرد استفاده از مشخصات مقطع در تعیین رفتـــار کلی و محلی مناسب می باشد.
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
توصیه ی آیین نامه های مختلف در تعیین مشخصات موثر مقاطع :
فصل سوم، بررسی لرزه ای دیوارهای برشی کوپله
کاهش مشخصات مقاطع نتایج زیر را به همراه خواهد داشت :
1: افزایش تغییر مکانها
2: افزایش شکل پذیری موجود به خصوص برای تیرهای کوپله
3: کاهش نیروی برشی
بررسی دیدگاه های مختلف در طراحی دیوار برشی کوپله :
پارامترهای موثر در طراحی اعضاء مقاوم در برابر زلزله عبارتند از :
1: مقاومت
2: سختی
3: شکل پذیری
به طور کلی در مورد این طراحی ها دو دیدگاه وجود دارد :
الف) : طراحی بر اساس مقاومت
ب ) : طراحی بر اساس عملکرد
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
1) : طراحی بر اثر مقاومت
مکانیزم گسیختگی فرضی:
فرض می شود ابتدا گسیختگی تیرهای کوپله و بدنبال آن پایه های دیوار صورت می گیرد. در این روش تیرهای کوپله قبل از تغییرشکل غیر الاستیک پایه های دیوار قابلیت جذب انرژی مناسب را دارند . کم شدن تغییر مکان پایه های دیوار ، کاهش خسارت را بدنبال خواهد داشت .
الف ) : تیرهای کوپله
ضوابط آئین نامه ی ACI 318 در طراحی تیرهای کوپله
آرماتورهای قطری فقط برای زوایای بزرگ مناسب هستند .
اعضای خمشی در قابهای ویژه Ln / h ≥ 4 ———— →
دو گروه آرماتور قطری Ln / h < 4 ———— →
مقاومت برشی اسمی 0.83 (√fc ) Acw Vn = 2Avd . fy . sin α<
Vmax = 0.83(√fc )bw.d ——- ← محدودیت آئین نامه ای برای داشتن شکل پذیری مناسب
Vmax = 0.5 (√fc )bw.d ——- ← محدودیت اجرایی (مانند تامین پوشش و مهار و محصوریت)
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
مقاومت برشی مورد نیاز تیرهای کوپله معمولا" بیش از ظرفیت مجاز آئین نامه ای است .
تامین مقاومت برشی مورد نیاز ، نیازمند استفاده از بتن با مقاومت مشخصه بالاتر و کاهش سختی موثر تیرهای کوپله است که خود افزایش شکل پذیری موردنیاز را به همراه خواهد داشت .
ب ) : پایه های دیوار:
معیار گسیختگی این پایه ها ، مشابه رفتار ستون قوی – تیر ضعیف قالب های شکل پذیر می باشد .
ضریب افزایش مقاومت γ
(Σ Vf) / (Σ Vn)= γ
Σ Vn = مجموع ظرفیت برشی اسمی تیرهای کوپله
=ΣVf مجموع برش تیرهای کوپله ناشی از بارهای جانبی (شامل اثر پیچش)
بدین ترتیب ، پایه های دیوار توانایی تحمل نیروهای متناظر با ظرفیت برشی کلیه تیرهای کوپله را خواهد داشت .
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
پایه های دیوار
رابطه درجه کوپلگی با طراحی بهینه
مزیت افزایش درجه کوپلگی
توزیع نیروی برشی در ارتفاع سازه
درجه کوپلگی کم
درجه کوپلگی بالا
کاهش نیروی پایه های دیوار
افزایش تغییرات نیروی برشی در ارتفاع سازه
افزایش ضریب افزایش مقاومت
اجازه بازتوزیع ۲٠ درصدی نیروی برشی (کانادا)
افزایش درجه کوپلگی تا یک محدوده ای مناسب می باشد doc<70%
درغیر اینصورت ، تیر کوپله بتنی با ابعاد اجرایی ، قادر به تامین مقاومت برشی یا ظرفیت شکل پذیری مورد نیاز نمی باشد.
2) : طراحی بر اساس عملکرد :
تعریف اهداف عملکردی مورد نیاز:
: قید ساخت تیر کوپله
.bw . D ≤ 0.5√(fc) V
1: در سطح عملکرد Ls
الف ) : رفتار غیر الاستیک تیرهای کوپله
ب ) : رفتار الاستیک پایه های دیوار
ت ) :Drift بین طبقه ای کمتر از دو درصد باشد.
2: در سطح عملکردی cp
تیرهای کوپله و پایه های دیوار دارای رفتاری غیر الاستیک هستند .
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
تعیین نیروهای طراحی :
1: تیر کوپله
با استفاده از محدودیت های اجرایی و آئین نامه ای ابتدا باید مقطع مناسب برای دیوار کوپله انتخاب شود وهمچنین از ظرفیت تیر کوپله د ر طراحی استفاده مناسب گردد.
باید توجه داشت که کاهش ظرفیت تیر کوپله ، افزایش نیروی پایه های دیوار را به همراه خواهد داشت . اما با توجه به در نظر گرفتن ظرفیت تیرهای کوپله در طراحی ، ضریب افزایش مقاومت ( γ=1) خواهد بود . یکی از مزیت های روش طراحی بر اساس عملکرد ، اقتصادی بودن آن است .
2: پایه های دیوار
الف ) : در سطح عملکرد Ls
رفتار غیرخطی تیرهای کوپله و رفتار خطی پایه های دیوار در نظر گرفته می شود.
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
یک روش سریع برای تعیین نیروهای پایه دیوار اینست که آنرا متناظر با ظرفیت نهائی تمام تیرهای کوپله بدست آوریم . برای این موضوع خواهیم داشت :
1: بار جانبی آئین نامه ای با توزیع بدست آمده از آنالیز مودال
2: بدست آوردن سختی هریک از تیرها
محدوده تقریبی سختی 0.1 EI تا 0.22 EI
ضمن اینکه نیروی برشی تیرهای کوپله بین 100 تا 125 درصد ظرفیت برشی مقطع محسوب می شود.
3: در پایان تعیین نیروها به کمک آنالیز دینامیکی خطی
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
ب ) : در سطح عملکردی cp
برای تیرهای کوپله و پایه های دیوار ر فتاری غیرخطی در نظر می گیریم .
نیروهای آئین نامه ای با فرض اینکه تمامی تیرها به ظرفیت نهایی خود رسیده باشند ، بدست می آیند.
نیروی کششی دیوار 0.9D – 0.2 SDS D – Σ Vn
نیروی فشاری دیوار L + 0.2 SDS D + Σ Vn 1.2 D + 0.5
0.2 SDS مولفه ی عمودی حرکت زمین است که برابر با 20 درصد شتاب کوتاهترین پریود سازه محاسبه می شود.
فصل چهارم، روشهای طراحی دیوارهای برشی کوپله
انواع شکست ها در دیوارهای برشی
اغلب شکست هائی که در سازه ها مشاهده شده اند عبارتست از :
1: شکست ناشی از شکست خود دیوارهای برشی
در تخریب های انجام شده در دیوارهای برشی طی زمین لرزه های گذشته مشخص شده که غالبا" چهار نوع ضعف موجب چنین تخریب هایی می شوند . باید در طراحی ، آنها را شناسایی و تدابیر لازم جهت جلوگیری از آن اتخاذ نمود .
این تخریب ها عبارتند از :
الف ) : تخریب خمشی
ب ) : تخریب برشی
ج ) : تخریب لغزندگی
د ) : تخریب چرخشی پایه شالوده
فصل پنجم، انواع شکست ها در دیوارهای برشی
فصل پنجم، انواع شکست ها در دیوارهای برشی
در تخریب خمشی ، مفصل پلاستیک در پای دیوار تشکیل می شود که محل حداکثر نیروی برشی نیز می باشد . منطقه ی اصلی مفصل پلاستیک در ارتفاعی است که به آن طول مفصل پلاستیک یا لولای خمیری می گویند . برای کنترل برش طول ، این ناحیه را معمولا" بین یک تا یک و نیم برابر طول دیوار در نظر می گیرند.
در تخریب ناشی از برش ، ترک های ناشی از خمش در منطقه ی مفصل پلاستیک در ضخامت و طول بزرگتر شده و سپس با ترک های ناشی از کشش قطری ترکیب می شوند که نهایتا" پس از چند تناوب ، بتن دیگر قادر به تحمل برش نمی باشد و تمامی برش باید توسط آرماتورها تحمل شود . در تخریب لغزندگی ، دیوار در جهت افقی دچار حرکت می شود که در محل درزهای اجرایی نیز اتفاق می افتد.
تخریب ناشی از چرخش شالوده ، موجب بلند شدن فونداسیون می شود که از قدرت استهلاک انرژی به شدت می کاهد و موجب بوجود آمدن تخریب های دیگر در سازه نیز می شود.
فصل پنجم، انواع شکست ها در دیوارهای برشی
2: شکست ناشی از شکست تیرهای کوپله
در واقع مهمترین ضعف در دیوارهای برشی دارای بازشو ، تیرهای کوپله هستند . این تیرها دارای طول کوتاه و عمقی زیاد هستند و اگر ضخامت آنها کم باشد ، تبدیل به تیر عمیق می شوند که رفتار مطلوبی ندارند . تیرهای کوپله معمولا" از دیوارها ضعیف ترند و بر اثر حرکت جانبی – خمشی دیوارها به چرخش قابل ملاحظه ای در محل اتصال دیوارها به تیرها اعمال می گردد . همین چرخش موجب تولید لنگر قابل توجه و نهایتا" جاری شدن مقاطع تیرها می شود.
غالبا" سه نوع تخریب در تیرهای کوپله مشاهده می شود که به ترتیب عبارتند از :
الف ) : تخریب خمشی
ب ) : شکست کششی قطری
ج ) : شکست قطری فشاری و کششی
فصل پنجم، انواع شکست ها در دیوارهای برشی
فصل پنجم، انواع شکست ها در دیوارهای برشی
دیوار برشی یک سیستم سازه ای بسیار مناسب برای سازه های بلندمرتبه است که می تواند سختی صفحه ای و مقامت بالایی را برای هر دو بار جانبی و ثقلی ایجاد کند .
دیوار برشی کوپله ، نوع بخصوصی از سیستم دیوارهای برشی است که سازه ی مقاومی در برابر نیروهای جانبی می باشد . رفتار این نوع دیوارها به شدت متاثر از سختی ، مقاومت و شکل پذیری تیرهای پیوند است . برای بررسی رفتارغیرخطی دیوارهای برشی ، شناخت نواحی بحرانی شامل نواحی پلاستیک و مفاصل پلاستیک بسیار حائز اهمیت است .
محل تشکیل مفاصل پلاستیک در سازه ها در عملکرد غیرارتجاعی سازه تاثیر به سزایی دارد . معمولا" در قابهای خمشی مفصل پلاستیک در انتهای تیرها تشکیل می شود ولی در مورد سازه هایی که دارای دیوار برشی هستند ، محل تشکیل مفصل پلاستیک در پای دیوارها می باشد. مفاصل پلاستیک در سازه های دیوار برشی کوپله ، در دو انتهای تیرهای پیوند و در پای دیوارها صورت می گیرد. محل تشکیل مفصل پلاستیک در سازه حائز اهمیت فراوان است ، چون قدرت جذب انرژی بیشتر و رفتار لرزه ای مناسب دیوار ، بسیار متاثر از محل تشکیل مفصل پلاستیک خواهد بود.
دیوارهای برشی با توجه به ابعاد و میزان آنها دارای عملکرد های متفاوتی در سازه هستند. دیوارهای با نسبت بعدی بالا دارای عملکرد خمشی هستند ، در حالیکه دیوارهای برشی کوتاه یا چاق بیشتر در مود برشی عمل می کنند . عملکرد دیوار برشی کوپله به شدت متاثر از رفتار تیرهای پیوند است .
فصل ششم، خلاصه ونتیجه گیری
تیرهای پیوند معمولا" تیرهایی با دهانه ی کوتاه و ارتفاع زیاد هستند و چنانچه به تیرهای عمیق نزدیک شوند ، آنگاه عملکرد مطلوبی در سازه نخواهند داشت و با احتمال شکست های زودهنگام برشی ، سازه را دچار شکست ترد قبل از رسیدن به ظرفیت خنثی می کنند .
از محاسن دیوارهای برشی می توان به موارد ذیل اشاره کرد:
1: سختی بسیار زیاد
2: شکل پذیری بالا
3: حتی پس از ترک خوردگی قادر به تحمل نیروهای ثقلی هستند ( برخلاف ستون )
به طور کلی تیرهای کوپله دو منفعت کلی دارند :
1: عمل کوپلگی باعث کاهش لنگرهایی می شود که دیوارهای انفرادی باید مقاومت کنند . بنابراین دیوار برشی کوپله ، سیستم مقاوم جانبی موثرتری است .
2: تیرهای کوپله به علت وارد شدن به تغییرشکل های غیرارتجاعی ، به دیوارهای کوپله اجازه می دهند انرژی وارده زلزله را بیشتر تلف کنند که باعث محافظت دیوار در برابر آسیب های جدی و بزرگ می گردد.
شکل ، میزان و محل قرارگیری و توزیع دیوارهای برشی در پلان ، تاثیر عمده ای بر رفتار لرزه ای این سیستم خواهد داشت. اثر شکل مقطع بر رفتار دیوار را اینگونه می توان مطرح کرد که دیوارهایی که در دو انتهای خود دارای بال باشد ، هم از پایداری و هم از شکل پذیری بیشتری در مقایسه با دیوارهای بدون بال برخوردارند.
فصل ششم، خلاصه ونتیجه گیری
دیوارهای بال دار در اشکال I ,L,T به طورعمده برای مقاومت نیروهای جانبی در دو جهت بکار می روند. از لحاظ نحوه ی توزیع دیوار برشی در پلان ، تامین تقارن در سختی ، پایداری پیچشی و ظرفیت مناسب و خوب شالوده از اهمیت فراوانی برخوردار است .
همچنین همانطور که می دانیم دیوارهای برشی باید قادر باشند صد در صد نیروی زلزله را تحمل کنند . بنابراین میزان و مقدار دیوار موجود در طبقه باید بررسی شود که قابلیت تحمل صد در صد نیروی احتمالی جانبی را خواهد داشت یا نه ؟
با توجه به اهمیت تیرهای پیوند در دیوار برشی کوپله ، مطمئنا" برای بررسی عملکرد دیوارهای برشی کوپله باید حول تیرهای پیوند تحقیقات فراوان صورت گیرد . زیرا عملکرد دیوار کوپله به شدت متاثر از تیرهای پیوند است.
از آنجائیکه تیر پیوند ، نیروی برشی قابل توجهی را از یک دیوار برشی با عملکرد کنسولی به دیوار برشی دیگر انتقال می دهد ، تغییر شکل برشی زیادی در آن به وقوع می پیوندد. در نتیجه این تیر در زلزله سریعتر تخریب می شود. قرار دادن میلگردهای قطری طولی و عرضی در تیر پیوند ، تاثیر به سزایی در بهبود رفتار این تیر در بارهای تناوبی دارد.
در بررسی دیوار برشی کوپله با تیر سخت کننده فوقانی می توان نتیجه گرفت ، تیر سخت کننده فوقانی به صورت یک تکیه گاه مجازی عمل نموده و با جذب لنگر ، ضمن کاهش لنگر در پای دیوار برشی ، تغییر مکان بالای آن را کاهش می دهد. ضمن اینکه تیر سخت کننده فوقانی علاوه بر افزایش سختی سازه و کاهش قابل توجه لنگرهای خمشی در دیوارها آثار تغییرشکل های ایجاد شده توسط حرکت شالوده ر ا کمتر می نماید .
فصل ششم، خلاصه ونتیجه گیری
از پارامترهای هندسی موثر در رفتار دیوار برشی کوپله می توان به درجه ی کوپلگی اشاره نمود . درجه ی کوپلگی ، پارامتری برای تعیین میزان عملکرد قابی تیرهای کوپله می باشد . درجه ی کوپلگی به تنهایی معیار مناسبی برای تعیین رفتار دیوار کوپله نمی باشد .
بدین منظور از پارامتری به عنوان K α H استفاده می کنیم که معیاری برای در نظر گرفتن رفتار کوپلگی مجموعه است .
پارامتر α : معیاری برای تعیین نسبت سختی تیرهای کوپله به دیوارها است .
پارامتر K : معیاری برای تعیین نسبت سختی خمشی به محوری پایه های دیوارها می باشد.
اگر 0=K α H یعنی از سختی تیرها صرفنظر و کل ممان وارده توسط عملکرد خمشی پایه ها تحمل می شود.
اگر ∞=K α H یعنی عملکرد سازه به صورت یک دیوار کامل است .
فصل ششم، خلاصه ونتیجه گیری
دو دیدگاه در طراحی دیوارهای برشی کوپله موجود است :
1: طراحی بر اساس مقاومت.
2: طراحی بر اساس عملکرد .
در فصل چهارم مروری اجمالی بر روش های طراحی فوق صورت گرفته است .
اغلب شکست هائیکه در سازه های دیوار برشی مشهود است به دو دسته ی کلی تقسیم می شوند :
1: شکست ناشی از شکست خود دیوار برشی
این تخریب ها می توانند شامل تخریب خمشی ، تخریب لغزندگی ، تخریب چرخشی پایه شالوده باشند .
2: شکست ناشی از شکست تیرهای کوپله
این شکست ها شامل تخریب خمشی ، شکست کنشی قطری و شکست قطری کنشی – فشاری هستند .
به طور کلی مطلوب اینست که دیوارها به طوری رفتار کنند که مفاصل پلاستیک ابتدا در تیرهای کوپله و سرانجام در پایه های دیوار تشکیل شوند .
فصل ششم، خلاصه ونتیجه گیری
1 : اثرات نحوه ی بارگذاری بر رفتار غیرخطی و دیوارهای برشی ، علیرضا مرتضائی – علی خیرالدین
2: مدل سازی تیرهای پیوند بتن مسلح عمیق با آرماتورگذاری متعارف در دیوارهای برشی ، مسعود ریاضی – محمدرضا اصفهانی
3: بررسی رفتار دیوارهای کوپله به روش اجزا محدود غیرخطی ، محسنعلی شایانفر- افشین ایرانمنش
4: بررسی رفتار غیرخطی دیوار برشی بتنی دارای بازشو به روش طراحی بر اساس سطح عملکرد ، ناصر شابختی – علی حشمتی سعادتی
5: تاثیر تیر سخت کننده فوقانی بر رفتار دیوار برشی کوپله ، فریبرز ناطق الهی – کیومرث زند پارسا
6: تخمین مساحت دیوارهای برشی موردنیاز در ساختمان های بتنی ، دکتر علی خیرالدین – علیرضا مرتضائی
7: بررسی لرزه ای دیوارهای مهار شده ی بتنی ، سیده معصومه صداقی – خسرو برگی
8: بررسی رفتار لرزه ای دیوار برشی کوپله، سمینار کارشناسی ارشد مهندس یاسمین اسماعیلی – دکتر خوشنویسان
9: بررسی دیوارهای برشی در سازه های بتن آرمه ، مهندس حمید روان – دکتر منوچهر بهرویان
10: آئین نامه بتن ایران ( آبا) ، تجدید نظر اول سال 1384
11: مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ، طرح و اجرای ساختمان های بتن آرمه 1384
1: plastic Deformation of coupling Bean in shear walls , Adnan CAKIROGLU,
2: Assessment of R.C Building with shear wall , Based on Iranian Seismic code ( Third Edition ) , Amiri – Ahmadi – Ganjari
3: A hybrid system for Dynamic analysis and design of coupled shear wall , Sherif – Eltari
4: Elastic – Plastic analysis of R.C coupled shear walls , B.Doran
5: Non linear Analysis of seismic Behavior of R.C shear wall with straggered opening , Mariujs – Valeriu
6: Experimental and analytical investigations of higher mode effects on seismic inelastic response of R.C shear walls , Iman Ghorbanirenani Ph.D. student – prof . Lager
7: Concrete shear wall design , by Wira Tjong , S.E
8: Shear wall Design Guide – American concrete Institue ( ACI ) 2002