ديوارهاي برشي كنسولي وعملكرد آنها

براي تحليل هر سازه لازم است مقاومت آنرا در مقابل نيروهاي ثقلي وجانبي بررسي نمود
وهمانطور كه ميدانيد بانيروهاي جانبي مؤثر بر سازه (بسته به موقعيت واهميت سازه) با راههاي مختلفي

مي توان مقابله كرد . اين راهها در عمل توانسته تاحدودي ضررهاي مالي وجاني راكاهش دهند كه به عنوان نمونه ميتوان از سيستم هاي قاب خمشي ـديوار برشي ـسيستم لوله اي ـ سيستم هاي مركب نام برد.

آنچه در اين مقاله مورد بحث قرار ميگيرد در باب ديوارهاي برشي كنسولي ومقاومت خمشي وبرشي وطراحي آنهاوبدست آوردن درصد آرماتورها با استفاده از نمودارهاي اندركنش ميباشد كه از يك مرجع اصلي ترجمه شده وپس از تحقيق مواردي بدان افزوده گرديده است.
۱-ديوارهاي برشي كنسولي

ميتوان انتظار داشت كه يك ديوار برشي كنسولي منفرد مانند يك عضو خمشي عمل كند البته به شرطي كه نسبت ارتفاع به عمق بزرگتر از۲باشد، آئين نامه ACIنيز فقط درشرايطي كه نسبت ارتفاع به عمق ۵/۰يا كمتر باشد ديوارهاي برشي بلند را از عريض تفكيك مي دهد.برخي از تمايزات بين دو نوع ديوار برشي در ادامه آورده شده است.

با بدست آوردن نيروي محوري نهائي طرح Nu ،گشتاور زاويه اي Muونيروي برشي Vuبراي يك ديوار مفروض،معمولا ابتدا اندازه ديوار وآرماتور را براي مقاومت خمشي آزمايش نموده و پس از اطمينان حاصل مي نمائيم كه خاصيت تغيير شكل پذيري آن كافي بوده و قدرت برشي ديوار بيشتر از مقاومت خمشي آن است. با ملاحظه برش ها بايستي مطمئن شد كه حداكثر ايمني اعمال شده بر تنش برشي هرگز از مقدار مذكور تجاوز نكرده واتصالات ساختماني تا حد كافي مسلح شده باشند باشند.

۱-۲-مقاومت خمشي ديوارهاي برشي كنسولي
ديوارهاي مستطيلي : به هنگام طراحي ديوارهاي مستطيلي در گشتاورهاي خمشي كوچك، طراح ممكن است بخواهد از يك توزيع يكنواخت فولاد عمودي براي ديوارها در مناطق غير زلزلهاي استفاده كند اما ميتوان طبق اصول اوليه نشان داد كه با اين تغيير شكل پذيري ،آرايش فولاد بر اثر افزايش محتواي خودش كاهش مي پذيرد.

هنگاميكه نيروي واردبر فولاد خمشي اضافه شود بايد فولاد خمشي بيشتري را درنزديكي دورترين تار قرار داده ودر عين حال حداقل ۲۵درصد فولاد عمودي رادر مابقي ديوار حفظ كرد . جدا از مقاومت خمشي مؤثر اين آرايش فولاد به نحو قابل توجهي قادر است شكل پذيري چرخشي را تقويت نمايد. در ديوارهاي برشي مستطيلي كه در آنها آرماتورها بيشترين تجمع را در انتها دارند، مقاومت

خمشي را ميتوان بر اساس اصول اوليه وطبق آئين نامه پذيرفته شده در عمل محاسبه كرد ويا چارت هاي طراحي ستون را كه معمولا در دسترس اند تهيه نمود.از آنجا كه چارت هاي طراحي براي اعضاي يكنواخت تقويت شده به سهولت قابل استفاده نيست، مقاومت خمشي آنها در زير مورد بحث قرار مي گيرد.
مقاومت خمشي يك ديوار برشي مستطيلي كه به طور يكنواخت مسلح شده اند(نسبت ارتفاع به عمق بزرگتر از يك)طبق مفروضات آئين نامه ACI ومحاسبات كاردناس وهمكارانش به صورت ذيل مي باشد:

Mu=0.5AsFyh(1+Nu/(AsFy))*(1-c/h) در اين فرمول داريم :
C/h=[(+)/(۲+۰٫۸۵۱)] : =(۱٫۲*A*Fy)/(bhFcu) =(۱٫۲Nu)/(bhFcu)
Mu : گشتاور نهائي مقاومت طرح (Nmm)
As : مساحت كل آرماتور عمودي mm^2

Fy :مقامت كششي آرماتور عمودي (N/mm^2)
h : طول افقي ديوار برشي (mm)
c : فاصله دورترين تار از محور خنثي (mm)
Nu : بار محور طراحي (نهائي) مثبت در صورتيكه فشاري باشد (N)
Fcu :تنش فشاري بتن مكعبي (N/mm^2)

۱ : ۰٫۵۸ مقاومت براي Fcu تا۳۲۷۵ N/mm^2 وكاهش آن بانسبت ۰٫۰۵ و براي هر مقاومت ۸N/mm^2 تا حد ۳۲٫۵N/mm^2
در ضمن قدرت خمشي ديوارهاي مستطيلي كه به طور يكنواخت مسلح شده اند را مي توان از تئوري تابع غير خطي به صورتي كه ((سيلز)) و ((فيشل)) مورد بحث قرار داده اند پيش بيني كرد.
منحني هاي تداخلي با بار گشتاور محوري در شكل الف نشان داده شده است .

شكل الف-اثر متقابل گشتاور بار محوري منحني ها براي ميلگرد هاي يكسان قائم ديوار

هاي برشي
ديوارهاي برشي لبه دار بخاطر تغيير شكل پذيري ومقاومت خمشي زيادشان مرغوب هستندو به شكلهاي I يا خط مانند (كانال)نشان داده مي شوند وممكن است مانند استوانه هاي بلند با هم جفت شوند . براي ديوارهاي برشي مستطيلي با توجه به اثر متقابل منحني هاي بار محوري وخمشي همچنين قوانين اوليه وبا كمك گرفتن از يك كامپيوتر كوچك به اين نتيجه مي رسيم كه كاركردن آسانتر ازديوارهاي برشي لبه دار است.

اثرات رفتاري ازقرار دادن ميلگردهاي مختلف همانطور كه در شكل ب ديده مي شود نشانگر اثر متقابل منحني ها و لنگر-بار محوري براي شكلهاي I وقسمتهاي خطي (كانالي) است كه از فرظيه غير خطي بودن تير استنتاج شده است. منحني ها براي مقادير b وh كلي هستند وجان ميلگرد ها در تمام موارد بجز منحني(۱) ۲۵درصد است . بايد توجه شود كه منحني هاي (۱)و (۳) نشان دهنده قسمتهائي است كه شامل ۳درصد فولاد در بالها (لبه ها) مي باشند .
بطور قابل ملاحظه اي افزايش شدت مقاومت در منحني (۱) كاملا با فرض وجود بتن زياد در لبه ها تطابق دارد.

شكل ب –اثر منحني هاي گشتاور بار محوري براي مقطع I يا ناوداني
ديوارهاي برشي ضخيم وكوتاه : در انواعي از اين ديوارها كه نسبت ارتفاع به عمق كوچكتر يا مساوي با يك است تشخيص دادن حالات خمشي وبرشي از همديگر غير ممكن مي باشد وروشهاي قبلي محاسبه مقاومت خمشي در واقع قابل اجرا نيستند .

 

تغيير شكل پذيري ديوارهاي طره اي :
تغيير شكل پذيري مسئله پيچيده ومعضل عمومي است كه در همه جا بحث مي شود . اما در اينجا كافيست بگوئيم كه تغيير شكل زياد در اثر بارهاي لرزه اي بطور ضمني به شكلهاي دوراني بدون كمترين مقاومت كششي مي باشد، درنتيجه ديوارهاي برشي انعطاف وتغيير شكل پذيري بيشتري در خمش خواهند داشت . اگر اكثريت ميلگردها در نزديكي دورترين تار متمركز شوند در نتيجه قسمتهاي لبه دارنسبت به قسمتهاي مستطيلي انعطاف بيشتري خواهند داشت .مقايسه شكل پذيري قسمتهاي مستطيلي با ساير قسمتها در شكل ج نشان داده شده است .

درقبل محاسبه تغيير شكل فقط بر پايه واساس بارهاي يكنواخت صورت گرفته بود وبا مقايسه شكل ج در مي يابيم كه دليل كم شدن تغيير شكل بيشتر بارهاي معكوس مي تواند باشد تا وابستگي به مقدار وحالت ميلگردها ، همچنين طبق اين شكل، تغيير شكل ناشي از برش عرضي درست در حدود توزيع فولاد وبتن ديده مي شود و در اثر افزايش فولاد وبار محوري تغيير شكل پذيري كاهش خواهد يافت . با مقايسه منحني A بامنحني B ومنحني C با D ديده مي شود كه تغيير شكل برشي براي شكل هاي I سه تا چهار برابر بزرگتر از تغيير شكل هاي برشي اعضاي قائم يكسان خواهد بود . با مقايسه منحني E با باقيمانده در همان شكل اثر بزرگي بر روي حدود واقعي تغيير شكل بتن در لبه ها ديده ميشود .

شكل ج –خاصيت شكل پذيري در اثر تركيب برش عرضي ،پراكندگي فولادومحدود كردن بتن
در هنگام طراحي رجوع كردن به نموداري كه در شكل د (شكل زير ) ملاحظه مي شود مناسب و راحت بنظر مي رسد، زيرا عوامل تغيير شكل را ثبت كرده واجازه داده كه مقاومت وتغيير شكل مناسب بطور همزمان انتخاب گردند . در ديوارهاي برشي ضخيم و ديوارهائي كه H/h<=1 محاسبات تغيير شكل فوق جوابگو نيستند و به طور نسبي ظرفيت خمشي بزرگ ممكن است با نيروهاي برشي بزرگ همراه شده و براي تخريب ديوار در حالت ترد وشكننده كافي باشد .

در همين مورد پاولي توصيه كرده كه اگر ماكزيمم شكست خمشي براي ديوارهاي برشي ضخيم وكوتاه مطلوب باشد در آنصورت بايد تنش هاي برشي كوچك با ظرفيت خمشي ديوار معادل باشند.
مقاومت برشي اكثر تير ها بجز تيرهاي ضخيم مستطيلي قابل تشخيص بوده ودر شرايط محيطي مختلف پذيرفته مي شود .

در طراحي برش به روش امريكائي فرض بر اين است كه ظرفيت برشي تيرهاي بتني شامل دو قسمت وابسته وغير وابسته به بتن باشد ودرآنجا درمورد عرض ميلگردهاي بكار رفته در يك ديوار سؤال مي شود .
در شكل س كمترين مقاومت برشي ديوار برشي مستطيلي نشان داده شده ، در شركت هاي سهام بتن حداقل ظرفيت بتن ۲۵ درصد توصيه ميشود وهمچنانكه در شكل نشان داده شده منحنيها بر اساس اصل فشار نيروي محوري Nu طراحي شده اند . چون در مقاومت هائي كه

ازحدود خاصي تجاوز كند فولاد تاب وتحمل خود را از دست مي دهد بنابراين توصيه شده از سهم برشي بتن ترك خورده چشم پوشي شده و فولاد خمشي به عنوان مثال در نزديكي پايه ديوار قرار بگيرد وركاب ميلگرد افقي براي مقابله با برش كلي بايد آماده باشد ، در اين مورد بايد يك زاويه ۴۵ درجه در ارتفاعي مساوي عمق ديوار براي حركت نهائي مورب ميلگردها تشخيص داده شود .
براي بدست آوردن يك تغيير در مكانيزم شكست ديوار هاي ضخيم وكوتاه ،بايد تنش هاي برشي مربوط به ظرفيت خمشي ديوار با هم مطابقت كنند ، بدينسان ظرفيت فولاد خمشي در ديوار محدود مي شود . همچنين به دليل مكانيزم شكست خمشي تركهاي بزرگي در ديوار ايجاد مي شود
وجان ميلگردها مي بايست در برابر تمام برش مقاومت نمايند ، ونقش فولادهاي قائم نيز در لحظه شروع واژگوني مشخص مي گردد .

خسارت وضرر ناشي از زمين لرزه در ديوارهاي برشي در درزهاي اجرائي افقي نمايان ميگردد بنابراين مي بايست در مقابل حركتهاي لرزشي ناشي از زمين توسط نيروي برشي پايداري كرده ، و يك سطح بتني ناهموار تركيب شده با ميلگردهاي قائم كافي آماده وتهيه شود .
در ضمن بايد توجه داشت كه روشهاي آماده كردن مفصلها اهميت ندارد ، البته ماداميكه سطح زبر ساخته شده وبتن تازه جاگرفته بتواند مقاومت كند .

شكل س-فولاد مورد نياز در عرض افقي ساختمان مفصلي ديوارهاي برشي

امروزه عمل جفت كردن ديوارهاي برشي به وسيله تيرهاي پي درپي با سطح هم تراز به صورت عملي معمولي ومتداول درآمده است ،كه درآن از ميلگرد هاي كمكي عمودي استفاده مي شود . چنانچه در
شكل ش نشان داده شده فرم وشكل نمونه كلاسيك اين نوع اعضا از آناليز ديوارهاي برشي جفت وبا توجه به تغيير شكل محوري ديوارها وتغيير شكل تيرهاي جفت بدست آمده است .
تكنيك پي در پي يا رويهم قرار دادن تيرهاي مجزا به وسيله هم ظرفيت كردن آنها روش مناسبي از آناليز مي باشد كه اخيرا مورد استفاده قرار مي گيرد .
شكل ش –معرف سازه ديوار برشي ومدل نوين
ايده آل طرح اينست كه ديوارهاي جفت به صورت يك جعبه يا واحد I عمل كنند به صورتي كه گوئي دهانه ومنافذي ندارد، چنين سازهاي خيلي محكم تر ومقاوم تر از تركيب واحدهاي كانالي مستقل عمل مي كند .
وجود نيروهاي بزرگ طولي در هر واحد ديوار موجب شكست تيرهاي دوتائي در ديوارهاي برشي جفت تحت اثر زمين لرزه هاي قوي ، بدون حفاظ وتكيه گاه مي شود و اين مستلزم كمي تغيير شكل تيرها مي باشد .

تااين حد كه گفته شد مربوط به عملكرد نامناسب تيرها و تا حدي نيز مربوط به استفاده از آناليز الاستيك مي باشد كه توزيع شكل پذيري در سرتاسر عضو قابل پيش بيني نخواهد بود .
پيشنهاد پاولي در اين زمينه اينست كه فلسفه آناليز الاستو پلاستيك كه بر روي مدل ورقه ورقه اي حاكم شده در مورد تغيير شكل مفصل پلاستيك در تيرهاي جفت اثر مطلوبي مي دهد .
مفصل هاي پلاستيك در ديوارها كه بارهاي كششي اصلي را تحمل مي كنند بايد در قسمت دورترين تارها باشند ،مخصوصا در حالتي كه دو ديوار مورد برسي قرار مي گيرند و نيروهاي محوري آنها كه توسط بارهاي جانبي ايجاد مي شوند ، موجب محدود شدن تغيير شكل و تاخير در تغيير شكل مفصلها مي شود .

با استفاده از طراحي تقريبي پاولي تحليل كرده كه در يك ساختمان ۲۰ طبقه با ابعاد وبارهاي نشان داده شده در شكل ك (a) تغييرشكلهاي لازم در نيروهاي دوتائي بوجود مي آيد . در شكل ك(b) حداكثر تغيير شكل در دورهاي ماكزيمم و θb و θy ديده مي شود كه در حدود ۱۱ مي باشد .اگر تمام تيرها يك مقاومت داشتند (منحني A) يا در حاليكه مقاومت تيرهاي داده شده به تناسب مقاومت الاستيك مطلوب تغيير كند (منحني B) ماكزيمم تغيير شكل لازم برابر با ۶/۱۲خواهد بود .