مقایسه سه طرح چیدمان پرطرفدار در دیوارهای برشی

• مقدمه

دیوارهای برشی بتنی اغلب در ساختمانهای اسکلت بتنی دیده می‌شوند. این دیوارها به مانند تیرهای عریض عمودی می‌باشند که بارهای جانبی ناشی از زلزله یا باد را از طبقات مختلف به سمت فونداسیون هدایت می‌نمایند. بطور متداول ضخامت این دیوارها با توجه به ارتفاع ساختمان از 150 تا 400 میلیمتر متغیر بوده و بصورت پیوسته از روی فونداسیون تا سقف طبقه آخر گسترش می‌یابند.

بعضی از دیوارهای برشی در دو انتهای خود با ستونهای ساختمان یکپارچه می‌شوند که در این حالت عموما ستونها (یا همان المانهای مرزی) وظیفه انتقال بارهای ثقلی و دیوار وظیفه انتقال بارهای جانبی را برعهده خواهد داشت.

دیوارهای برشی مقاومت و سختی سازه را در راستای محور طولی خود افزایش چشمگیری می‌دهند و جابجایی‌های سازه را بطور قابل توجهی کاهش می‌دهند. در این مقاله به بررسی سه مدل از پر کاربردترین مدل‌های چینش دیوار برشی در پلان ساختمانهای با ارتفاع متوسط [Mid-Rise] پرداخته شده است.

• رعایت نکات کلی در جانمایی دیوارهای برشی

1. تا جای امکان مرکز هندسی ساختمان بر مرکز هندسی مجموع دیوارهای برشی در دو جهت متعامد، منطبق باشد تا لنگرهای پیچشی بزرگ در ساختمان ایجاد نگردد.

2. ضمن رعایت مورد 1، مرکز هندسی هر دیوار تا جای امکان از مرکز هندسی ساختمان فاصله داشته باشد تا در برابر پیچش سازه بخوبی مقاومت کند.

3. از تعبیه دیوار برشی در پیرامون بازشوها احتراز گردد. زیرا موجب توزیع تنش شدید و غیر یکنواخت در ناحیه اتصال بین دیوار و دال کف می‌شود.

4. از تعبیه دیوار برشی با طول کم پرهیز گردد. در این حالت لنگر بسیار زیادی در پای دیوار ایجاد شده و منجر به افزایش بی دلیل آرماتور در آن ناحیه از فونداسیون می‌شود.

• معرفی سه طرح چیدمان دیوار

برای انجام مقایسه، مواردی که در بالا اشاره شد، در یک ساختمان 5 طبقه بصورت کلی رعایت شده و طول دیوارها در دو جهت X و Y مساوی و برابر 10 متر انتخاب شده است. در شکل زیر پرسپکتیو سه طرح مزبور از چیدمان دیوار نشان داده شده است.

مدل 1: دیوارهای برشی متقارن در هسته مرکزی

مدل 2: دیوارهای برشی متقارن پیرامونی

مدل 3: دیوارهای برشی متقارن معکوس پیرامونی

• مقایسه عملکرد مدلها

1. مقاومت در برابر پیچش سازه: 

   طبق بند 2 ذکر شده در نکات کلی ، هر چه مکان هندسی دیوارها به مرکز هندسی سازه نزدیک تر باشد توان مقابله آن با لنگرهای پیچشی ضعیف تر می‌گردد. پس مدل 1 از لحاظ مقاومت در برابر پیچش ضعیف بوده و مدل 2 و 3 مقاومت تقریبا برابر و قابل قبولی را از خود نشان می‌دهند.

2. نیروی محوری ستونها در تراز پایه: 

   طی تحقیقات انجام گرفته، مدل 3 تحت زلزله دارای کمترین و مدل 1 دارای بیشترین نیروهای محوری در ستونهای طبقه اول خود می‌باشند [1].

   این مسئله را بدین صورت می‌توان توجیه نمود که ساختمان تحت نیروی جانبی مانند تیر طره تحت خمش عمل می‌کند که ستونهای خارجی آن بیشترین نیروهای محوری را جذب می‌کنند (مانند توزیع تنش خمشی در تیر). حال با جانمایی دیوارها مابین ستونهای خارجی، سهم اعظم نیروها از طریق دیوارها منتقل شده و کاهش چشمگیری در مقدار نیروی محوری ستونها رخ می‌دهد.

3. نیروی برشی ستونها در تراز پایه: 

   این مقدار در مدلها برای ستونهای داخلی و خارجی متفاوت بدست آمده است. برای ستونهای خارجی، کمترین برش بترتیب در مدلهای 3، 2 و 1 رخ داده و برای ستونهای داخلی کمترین برش بترتیب در مدلهای 1، 3 و 2 ایجاد شده است.

   نتیجتا میانگین برش در کل ستونها در مدل 3 حداقل می‌باشد.

4. لنگر خمشی ستونها: 

   در مدل 1 که دیوارهای برشی بصورت متقارن در هسته مرکزی آن جانمایی شده است؛ کمترین مقدار لنگر در پای ستونها مشاهده شده است [1].

   علت این امر را می‌توان به فاز تغییر شکل ساختمان مدل 1 مرتبط نمود. قرار دادن دیوارهای برشی در مرکز سازه موجب افزایش مقاومت ساختمان در برابر تغییر شکل برشی شده و ساختمان را در برابر تغییر شکل خمشی ضعیف می‌سازد. به همین علت در مدل 1 در پای ستونها کمترین لنگرها ایجاد می‌گردد.

   جهت آشنایی با فازهای تغییر شکل ساختمان، مقاله “مُدهای تغییر شکل الاستیک قاب خمشی تحت زلزله” را مطالعه کنید.

5. سختی سازه در برابر تغییر مکان جانبی: 

   کمترین تغییر مکان جانبی متعلق به مدل 1 می‌باشد که دارای اختلاف مشهودی نسبت به مدل 2 و 3 است. طی مطالعات انجام گرفته جابجایی طبقه 5 برای 3 مدل مطابق جدول زیر می‌باشد [1]:

بعلت فاز عملکرد برشی دیوارها در مدل 1، سختی سازه افزایش چشمگیری داشته اما در مدل 2 و3 دیوارها فاز عملکرد خمشی داشته که موجب نرم تر شدن سازه شده است.

• نتیجه‌گیری

با توجه به جمیع موارد عنوان شده بین سه طرح چینش دیوار برشی در یک سازه مشابه، طرح 2 با چیدمان متقارن پیرامونی بعلت مقاومت مناسب در برابر پیچش و سختی قابل قبول برگزیده خواهد شد.

 منابع:

[1] www.ijera.com/special_issue/AET_Mar_2014/CE/Version%20%202/G3538.pdf

[2] www.esatjournals.net/ijret/2014v03/i09/IJRET20140309055.pdf

[3] www.irjet.net/archives/V2/i4/Irjet-v2i440.pdf