دیوار برشی فولادی
انواع دیوار برشی
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 : 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 : 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 .
دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمان های فولادی در حدود 15 سال اخیر مورد توجه خاص مهندسان سازه قرار گرفته است.
دیوارهای برشی فولادی SSW2 برای گرفتن نیروهای جانبی زلزله و باد در ساختمان های بلند در سالهای اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است . این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمان های جدید و همچنین تقویت ساختمان های موجود به خصوص در کشورهای زلزله خیزی همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است . استفاده از آنها در مقایسه با قابهای ممان گیر تا حدود 50% صرفه جویی در مصرف فولاد را در ساختمان ها به همراه دارد.
دیوار برشی ورق فولاد بدون سخت کننده
ورق تیرآهن
دیوار برشی ورق فولاد
شکلی از دیوار برشی فولادی در سازه های فولادی (با سخت کننده و بدون سخت )
تصویر پلی که دیوار برشی فولادی در آن بکار رفته
مراحل تست و واکنش فرم
Example of Observed Hysteresis
به عنوان مثال مشاهده برگشتناپذیری
دیوار برشی راه حل مقابله با زلزله
علم مهندسی زلزله ساختمان ها در سال 1950 میلادی هم زمان با فعالیت های گسترده بازسازی پس از پایان جنگ جهانی دوم شروع گردید.
تلاش های اولیه به منظور مقاوم سازی ساختمان ها، براساس فرضیاتی نه چندان دقیق بر روی واکنش سازه در اثر ارتعاش زمین صورت گرفت که بدلیل کمبود ابزار تحلیل مناسب و سوابق اطلاعاتی کافی در مورد زلزله، روش های ناقصی بودند. مشاهده عملکرد سازه ها در هنگام وقوع زلزله و همچنین مطالعات تحلیلی و کارهای آزمایشگاهی و جمع آوری اطلاعات مربوط به زمین لرزه های چهار دهه اخیر، امکان ارایه روشی مدرن برای طراحی سازه های مقاومت در برابر زلزله را فراهم آورده است.
در طی دهه 1950، سیستم ”قاب خمشی شکل پذیر“ از سیستم ”قاب خمشی“ که در آن زمان تنها سیستم مقاوم در ساختمان های چندین طبقه بتنی و فولادی بود ، منشا گرفت و به دلیل رفتار مناسب این سیستم در برابر زلزله، کاربرد آن تا اواخر دهه 1970 ادامه یافت. در طی این مدت سیستم های جدیدتر و کارآمدتری نظیر دیوارهای برشی و یا خرپاها برای تحمل فشار جانبی باد در ساختمان های بلند رایج شدند و تقریباً روش ساخت به صورت قاب تنها در این ساختمان ها، کنار گذاشته شد.
تحقیقات تجربی و تئوری انجام شده در سراسر جهان طی دهه های 60 و 70 و 80 میلادی منجر به جمع آوری اطلاعات مفصلی در رابطه با واکنش سیستم های ساختمانی دارای دیوار برشی در هنگام زلزله شد که این مطالعات بر اهیمت قاب خمشی شکل پذیر در کاهش بار زلزله تاکید داشتند. با توجه به اینکه سازه های دارای صلبیت بیشتر (یعنی شکل پذیری کمتر) در هنگام زلزله، تحت نیروهای به مراتب قوی تری قرار می گیرند و از آنجا که وجود دیوار برشی در ساختمان ها باعث افزایش صلبیت آنها می شود، کاربرد دیوارهای برشی، نامناسب تشخیص داده شد و بیشتر ساختمان ها به روش قاب خمشی ساخته شدند. برای نمونه در برخی از کشورها خصوصاً کشورهای توسعه نیافته بدون رعایت حداقل ضوابط شکل پذیری، قاب های ساختمانی از انواع شکننده و فاقد قابلیت تحمل زلزله های قوی بدون وارد آمدن آسیب شدید به ساختمان، اجرا شدند و همانگونه که در زمین لرزه های چهار دهه اخیر مشاهده شد، بسیاری از ساکنین خود را در ”تله های مرگ“ گرفتار کردند.
زلزله دره امپریال در سال 1979، نیروهای اینرسی قابل توجهی به طور همزمان در دو جهت اصلی (که با رنگ قرمز نشان داده شده) وارد شده. که ستون های گوشه ای از ساختمان را با نیروهای خمشی ، برشی و محوری قابل توجهی که منجر به شکست شدن ستون گوشه نشان داده شده و همچنین ستون های طبقه اول که در عکسهای بعدی نشان داده می شود .
بسیاری از ساختمان های موجود در مناطق پر خطر لرزه ای وجود دارد که به دلیل سیستم ساختاری و / یا تعامل با اجزای غیر سازه ای، مقاومت برشی ناکافی و یا انعطاف پذیری ناکافی (ظرفیت جذب انرژی) در صورت بروز زمین لرزه مورد تکانهای شدید قرار م یگیرند . از اینرو آنها باید مجهز می شودند . که معمولا مقرون به صرفه ترین راه مقاوم سازی یک ساختمان اضافه کردن دیوار برشی مناسب است .
خلاصه ای از رفتار سازه های دیوار برشی است که در حوادث زمین لرزه های 30 سال اخیر قرار داشته اند.
1-زلزله ماه مه سال 1960 شیلی
2-زلزله ماه ژوئیه سال 1963 یوگسلاوی
3-زلزله ماه فوریه سال 1971 سن فرناندو (کالیفرنیا)
4-زلزله ماه مارس سال 1977 بخارست (رومانی)
5-زلزله ماه اکتبر سال 1985 مکزیکوسیتی (مکزیک)
6-زلزله ماه دسامبر سال 1988 ارمنستان
روش های ناکارامد شکل پذیر ساختن سیستم های سازه ای در دهه های اخیر
در دهه های اخیر روش های شکل پذیر ساختن سیستم های سازه ای که گاهی قابلیت افزایش مقاومت در برابر زلزله را نداشتند مورد توجه قرار گرفت که ضمن ایجاد احساس امنیت کاذب، هیچگونه بازدهی کافی نداشتند. در ابتدای پیدایش علم مهندسی زلزله، بسیاری از متخصصین مفهوم شکلی پذیری (ductility) را با انعطاف پذیری (flexibility) اشتباه کردند و در نتیجه سازه های انعطاف پذیر زیادی در مناطق زلزله خیز جهان ساخته شد. با اینکه تعدادی از آنها شکل پذیر بودند اما هنگام وقوع زلزله، در اثر پیچش زیاد بین طبقات، خسارات غیر قابل جبرانی به این ساختمان ها وارد شد.
جزئیات شکل پذیری دیوارهای برشی
جزئیات شکل پذیری دیوارهای برشی که بعد از مطالعات اخیر، در برخی آئین نامه ها ذکر شده اند هنوز در زلزله های واقعی مورد آزمایش قرار نگرفته اند. بدون شک استفاده از این جزئیات، باعث شکل پذیرتر شدن دیوارها می شود ولی میزان دقیق بهره وری از شکل پذیری باید در زلزله های واقعی و یا مطالعات پیچیده پاسخ های دینامیکی دیوار در اثر زلزله مشخص شود.
طراحی صحیح دیوار به صورت شکل پذیر
طراحی دیوار به صورت شکل پذیر هنگامی صحیح است که مقاومت آن از طریق خمش صورت بگیرد نه از طریق برش و همچنین ظرفیت برشی دیوار در هر مقطع از برش آن مقطع که بر مبنای مقاومت خمشی دیوار به دست می آید، بیشتر باشد. علاوه بر این نه تنها ظرفیت برشی نهائی بلکه رفتار عضو بین حالت شروع ترک خوردگی و حالت گسیختگی برشی نیز مشخص باشد.
نتیجه
با اینکه سازه های دیوار برشی در 30 سال اخیر، از فولاد کمتر از مقدار توصیه شده توسط آئین نامه های فعلی آمریکا برخوردار بوده اند اما با این وجود در برابر زلزله های این سه دهه به خوبی مقاومت کرده اند. بررسی های انجام شده از سال 1963 به بعد روی عملکرد این سازه ها، هنگام وقوع زلزله، نشان داده اند که با وجود مشاهده ترک های مختلف، حتی یک مورد ویرانی یا تلفات جانی در سازه های با دیوار برشی گزارش نشده است. اغلب خسارات ساختمان های با سیستم قاب، در اثرپیچش طبقات (و در نتیجه گسیختگی برشی ستون ها) بوده است. البته این دلیل بر عدم مقاومت سازه های قابی طرح شده به روش های جدید، در برابر زلزله نمی باشد بلکه هدف نمایش قابلیت بالای دیوارهای برشی حتی در صورت آرماتورگذاری با شیوه های قدیمی و غیر علمی است. با مشاهده ویرانی ساختمان ها تحت زلزله های اخیر (1972 نیکاراگوئه و 1985 مکزیک و 1988 ارمنستان)، تاکید بر استفاده از دیوارهای برشی (مخصوصاً در ساختمان های مسکونی) امری معقول به نظر می رسد و نشان می دهد که ساخت سازه های بدون دیوار برشی در مناطق با زلزله حیزی شدید یک نوع ریسک محسوب شده که با توجه به عواقب ناگوار آن قابل توصیه نمی باشد
ویژگیهای دیوار برشی فولادی
از ویژگی های آن :
اقتصادی بودن
اجرای آسان
وزن کم نسبت به سیستم های مشابه
شکل پذیری زیاد
نصب سریع
جذب انرژی بالا
کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه
ساختمان های ساخته شده با استفاده از دیوار برشی فولادی
اولین ساختمان ساخته شده با استفاده از این روش بیمارستانی در لس آنجلس به نام بیمارستان Sylmar بود.
یکی از بزرگترین سازه های ساخته شده با سیستم دیوار برشی فولادی ساختمان شینجوکونومورا 3 در توکیو است که این ساختمان دارای 51 طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین 211 متر است . 5 طبقه آن درزیر زمین واقع بوده و 27.5 مترآن پایین تر از سطح زمین قرار دارد و ، برای اجتناب از بکارگیری دیوار برشی بتنی ، از سیستم دیوار برشی فولادی در هسته های مرکزی ساختمان که اطراف آسانسور ها ، پله ها و رایزرهای تاسیساتی می باشد ، استفاده گردید.
بعد از بررسی های فراوان این سیستم را با توجه به دلایل زیر مناسب دانستند
• جلوگیری از اخلال در کار روزانه و کاهش مشکلات برای بیماران ، بعلت سرعت نصب آن . • جلوگیری از کاهش زیر بنای مفید و اتلاف فضاها • پیش بینی امکان تغییرات در آینده ، زیرا در دیوار برشی فولادی به سادگی می توان تغییرات مورد نظر را اعم ازجابجائی معماری و یا ایجاد بازشو به خاطر عبور تاسیسات داد . • جلو گیری از ازدیاد وزن سازه .
معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای تقویت سازه های بتنی ساخته شده
در سال 1999 زلزله در chi -chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاری از سازه ها شد . دوباره این ساختمان هایی که قبل از سال 1983 طراحی و ساخته شده بودند ، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه 1999 تمام مقررات و آیین نامه های زلزله مورد باز بینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند . ضرایب لرزه ای منطقه ای در هرناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید . برای مثال شتاب زمین لرزه در منطقه Taichung از 0.23g به 0.33g افزایش یافت . در نتیجه تقریبا همه ساختمانها در Taichung مطابق با مقررات طراحی جدید احتیاج به مقاوم سازی پیدا کردند. هدف این پروژه افزایش و بهبود بخشیدن مقاومت لرزه ای ساختمان های بتن مسلح می باشد . این پروژه شامل سه زیر مجموعه است که شامل : 1- پیدا کردن و پی بردن به میزان کمبود مقاومت لرزه ای ساختمان های بتن آرمه موجود بر اساس آیین نامه جدید 2- مساله نیروهای وارد بر سازه کناری و همجوار بعلت تغییر مکانهای بیش از اندازه جانبی آنها 3- تحقیق در مورد دو روش برای جذب انرژی توسط پانلهای برشی فولادی و بادبند فولادی برای بهبود مقاومت لرزه ای سازه های موجود .
مشخصات لرزه ای پانلهای برشی فولادی با نقطه تسلیم پایین (LYP)
پانلهای برشی فولادی ساخته شده از LYP توانایی جذب و اتلاف انرژی زیادی را دارند ، و می توانند در ساختمان های جدید مورد استفاده قرار گیرد . این نوع پانلها همانند دیوار برشی فولادی نسبت به نیروهای زلزله طراحی و ساخته می شوند . چون این پانلها دارای ویژگی جذب و اتلاف انرژی بالایی هستند ، می توان از آنها بعنوان میراگر برای میرا کردن انرژی لرزه ای استفاده کرد . این نوع میراگر فلزی در هنگام جذب انرژی استحکام کافی را دارند و همچنین نسبت به میراگرهای که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند ، نیاز به نگهداری و تعمیر ندارد .
نقطه تسلیم و نقطه نهایی صفحات LYP هردو تحت تاثیر میزان کرنش وارده است
مطالعات آزمایشگاهی بروی پانل برشی فولاد LYP :
نحوه طراحی نمونه ها را نشان می دهد
برشی طولی وعرضی نمونه
نتایج آزمایشات روی دیوار برشی فولادی LYP
از شکل می توان دریافت که پانل فولادی آزمایش شده دارای استحکام و جذب انرژی قابل توجهی است و نسبت به دامنه تغییر مکان در شرایط بارگذاری یا تغییر در دامنه حرکت بی تفاوت است . مقدار انرژی تلف شده پانلهای برشی در هر شرایط بارگذاری لرزه ای ثابت می ماند . مشخصات نمودار بار – جابه جایی پانل برشی شدیدا تحت تاثیر کمانش برشی صفحات نازک فولادی است . معمولا مقاومت نهایی به تدریج بعد از اینکه کمانش برشی اتفاق افتاد ، کاهش می یابد.
شکل 5 نشان دهنده مقدار انرژی ذخیره شده در تمام پانلهای آزمایش شده است
شکل 5 : انرژی تجمعی در نمونه ها
در شکل 5 مجموع انرژی تلف شده بستگی به بارگذاری و افزایش جابه جایی ندارد . چون که پریود لرزشی طبیعت تصادفی دارد این مطالعات نشان می دهد انرژی به نسبت تاریخچه بارگذاری بی تفاوت است و این یکی از مزایای پانل برشی همانند میراگرهای لرزه ای است . در پانلهای برشی استهلاک انرژی موثر تحت چرخه بار گذاری تصادفی ثابت می ماند . پانل فولادی می تواند برای تقویت ساختمان های موجود موثر باشد
مقاومت لرزه ای سازه ها با استفاده از مقاومت نهایی پایین در قابهای مهار بندی و پانلهای برشی کمانش قاب مهاربندی شده (بادبند (
تجربیات قبلی نشان می دهد که ساختمان هایی که مطابق مقررات امروزی طراحی وساخته نشده اند ، نمی توانند در مقابل نیروی زلزله مقاومت کرده و متحمل خسارتهایی می شوند . در تایوان این ساختمانها اکثرا سازه های بتن آرمه هستند و نیاز به ترمیم برای بهبود مقاومت لرزه ای دارند . قابهای ممان گیر (BIB) و پانلهای برشی فولادی ثابت شده که دارای مقاومت بالا و شکل پذیری بالا و حلقه های هیستریسس ثابتی وپایداری دارد . قاب مهار شده با بادبند شامل المانهای باربر و المانهای مهاربندی برای بارهای جانبی هستند .
نتیجه گیری کلی
1- مقاومت تسلیم و مقاومت نهایی فولاد LYP متاثر ار نسبت کرنشی است . مقاومت نهایی پانلهای برشی ساخته شده از فولاد LYP به سرعت بارگذاری آن بستگی دارد .
.2- ساخت و طراحی صحیح پانلهای برشی ساخته شده از فولاد LYP فولاد به چرخش نسبی % 5 رسیده است که لازمه اتلاف انرژی بالایی است .
3- تحت بارپانل برشی ابتدا تسلیم موضعی رخ می دهد و با افزایش بار کمانش پانل رخ می دهد ودر نتیجه پانل به بیرون قوس ورداشته وباعث کشش مقطع می شود . بعد از تسلیم شدن کامل پانل نوارهای بیرونی صفحه از همه آخر باعث جذب انرژی می شود .
مراجع
1- کتاب مقدمه ای بر دیوار برشی فولادی نوشته دکتر سعید صبوری 2- Astaneh-Asl, A. )2000(. “Steel plate shear walls,” U. S.-Japan Workshop onSeismic Fracture Issues in Steel Structure, San Francisco. 3- Seismic Assessment and Strengthening Method of Existing RC Buildings in Response to Code Revision Shun-Tyan Chen -Van Jeng- Sheng-Jin Chen-Cheng-Cheng Chen