دیوار برشی فولادی نوعی سیستم مقاوم در برابر بار جانبی هستند که از ورق‌های فولادی ساخته شده و به تیرها و ستون‌های اطراف خود متصل می‌شوند. این دیوار‌ها در یک یا دو دهانه و در کل ارتفاع ساختمان متصل می‌شوند و یک دیواره طره را تشکیل می‌دهند.
ویژگی‌های اصلی:
-
ساختار ورق‌های فولادی:
دیوار برشی از ورق‌های فولادی با ضخامت مشخص ساخته می‌شود که به تیرها و ستون‌ها متصل می‌شوند.
-
اتصالات عمیق:
تیرها و ستون‌های دیوار برشی فولادی به عنوان المان‌های مرزی افقی و عمودی تلقی می‌شوند.
اتصالات میان تیرها و ستون‌ها می‌تواند اتصالات برشی ساده یا اتصالات صلب باشد. -
مقاومت در برابر بار لرزه:
دیوار برشی فولادی به دلیل تغییر شکل‌های غیر ارتجاعی، مقاومت بالا و امتصال انرژی، به خوبی در برابر بار‌های لرزه‌ای عمل می‌کند.
نمونه‌های اطلاعات فنی:
استاندارد‌ها:
-
دیوار برشی ویژه (special plate shear wall) در استاندارد AISC۳۴۱
-
دیوار برشی فولادی (steel plates wall) در استاندارد CSAS۱۶
-
دیوار برشی فولادی ویژه (special steel plate wall) در استاندارد FEMA۲۰۰۴
-
مقاومت پس کمانشی:
میدان کششی ورق‌های فولادی سخت نشده مقاومت پس کمانشی بالایی دارند، به‌طوری‌که شکل‌پذیری و جذب انرژی برای مقاومت لرزه‌ای اهمیت دارد.
-
تحقیقات و تحلیل‌ها:
تحقیقات نشان می‌دهد که مقاومت کمانشی ورق در فشار به نسبت‌های لاغری عمق به ضخامت و عرض به ضخامت وابسته است.
مقاومت کمانشی کاهش ممکنی دارد، به‌ویژه در صورت عدم صفا و صفا کم در دیوار‌ها. -
تحلیل مکانیزم عملکرد:
مکانیزم عملکرد دیوار برشی فولادی می‌تواند با در نظر گرفتن یک قاب محدود شده با تیرها و ستون‌های صلب توصیف شود.
تاریخچه تکامل دیوار‌های برشی فولادی:
قبل از ایجاد آیین‌نامه‌های طراحی دیوار‌های برشی فولادی، این نوع سازه‌ها بر اساس قوانین مهندسی طراحی و تقسیم‌بندی شده و بدون استفاده از استاندارد‌های رسمی به کار می‌رفتند. ویژگی‌های این دیوار‌ها به تدریج با گذر زمان تکمیل شدند. در سال ۲۰۰۷، تحقیقات جامعی در زمینه ساختمان‌های مجهز به دیوار‌های برشی فولادی ویژه به عنوان یک سیستم سازه مقاوم در برابر بار جانبی توسط برنو آغاز شد.
استفاده از این دیوار‌ها و تعداد پروژه‌های تحقیقاتی که از این سیستم استفاده می‌کردند، از زمان معرفی این سیستم در استاندارد‌های طراحی مانند AISC ۲۰۰۵، ۲۰۱۰ و CSA ۱۹۹۴، ۲۰۰۱، ۲۰۰۹ به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافت. در اینجا، چند پروژه انتخابی خلاصه شده‌اند تا تکامل این دیوار‌ها را نمایان سازند.
تاریخچه استفاده:
-
درآغاز (قبل از ۱۹۷۰):
استفاده از دیوار‌های برشی فولادی در آمریکای شمالی به دورهٔ ۱۹۷۰ باز می‌گردد.
پروژه‌هایی از قبیل ساختمان‌های ۱۶ طبقه، یک بیمارستان در سانفرانسیسکو و یک هتل ۲۹ طبقه در دالاس. -
دوره‌های جدیدتر (۲۰۰۳ به بعد):
در سال ۲۰۰۳، مهندسان یک سیستم دیوار برشی بتنی مسلح را مطرح کردند که به عنوان جایگزینی برای دیوار برشی فولادی ویژه در پروژه بیمارستان سانفرانسیسکو مورد استفاده قرار گرفت.
استفاده از تحلیل المان محدود:
-
مدل کردن دیوار‌های برشی:
در تحلیل المان محدود، ساختار دیوار‌های برشی با شکل نامنظم و بازشو‌های فراوان به‌صورت دقیق مدل شده است.
ورق‌های فولادی به‌طور دقیق به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که توانایی مقاومت در برابر تمامی نیرو‌های برشی دیوار را داشته باشند. -
پوشش بتنی:
سختی پوشش بتنی باز شده و با در نظر گرفتن مسائل مرتبط با تغییر مکان جانبی سازه حساب شده است.
هدف از استفاده از پوشش بتنی، جلوگیری از کمانش ورق‌های فولادی است.
استفاده از تحلیل المان محدود و به‌روزسانی استاندارد‌های طراحی نقش مهمی در پیشرفت این فناوری داشته و توسعه سازه‌های مقاوم در برابر بار‌های جانبی را تسهیل کرده است.
مزایای دیوار برشی فولادی:
-
سازگاری و سادگی در جزئیات ساخت:
در ساخت دیوار‌های برشی فولادی، سازه‌ها به سادگی و با جزئیات محدود ساخته می‌شوند. این امر باعث اقتصادی شدن ساخت و نصب این دیوار‌ها می‌گردد.
-
سرعت ساخت و افزایش فضای قابل استفاده:
با توجه به سرعت ساخت بالا، دیوار‌های برشی فولادی مناسب برای ساخت سازه‌های چند طبقه می‌باشند. این سرعت در ساخت به دلیل کاهش زمان عمل‌آوری بتن و نصب سیستم مهاربندی نیز تسریع می‌یابد. همچنین، این دیوار‌ها باعث افزایش فضای قابل استفاده در هر طبقه می‌شوند.
-
تقویت ساختمان‌های دارای قاب خمشی:
در ساختمان‌های دارای قاب خمشی که ممکن است در زمان زلزله با صدمات زیادی مواجه شوند، دیوار‌های برشی فولادی ویژه برای تقویت به کار می‌روند. این دیوار‌ها با استفاده از ستون‌ها و شاه‌تیر‌های موجود در قاب خمشی فولادی، صدمات زلزله را کاهش می‌دهند.
-
طراحی بر اساس تحلیل غیرخطی:
برای طراحی نوار‌های قطری معادل، تحلیل غیرخطی پوش اور برای مدل کردن رفتار میدان کششی پنل‌های برشی و تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی برای نوار‌های کششی در هر دو راستا استفاده می‌شود. این به طراحان این امکان را می‌دهد تا به بهترین شکل ممکن از دیوار‌های برشی فولادی استفاده کنند.
-
مزایای وزنی و فضایی:
کاهش ضخامت:
سیستم دیوار‌های برشی فولادی به ضخامت کمتری نسبت به دیوار‌های برشی بتنی نیاز دارد، که باعث حفظ فضا می‌شود.
کاهش وزن:
این سیستم حدود ۱۸% سبک‌تر از سیستم معادل با هسته دیوار بتنی است، که موجب کاهش بار‌های ناشی از بار‌های ثقلی و لرزه‌ای می‌شود. -
سختی و مقاومت در برابر واژگونی:
استفاده از ستون‌های لوله‌های پرشده از بتن به عنوان المان‌های مرزی در دیوار‌های برشی فولادی، سختی و مقاومت کافی را در برابر واژگونی فراهم می‌کند.
-
کاهش هزینه‌ها و افزایش سودآوری:
استفاده از دیوار‌های برشی فولادی منجر به کاهش هزینه‌ها و افزایش سودآوری می‌شود. به‌عنوان مثال، در یک برج ۵۴ طبقه در لوس انجلس، استفاده از این دیوار‌ها باعث کاهش ۳۰% وزن ساختمان و کاهش ۴ ماهه زمان ساخت شد.
در کل، دیوار‌های برشی فولادی با توجه به ویژگی‌ها و مزایای فوق، به‌عنوان یک راهکار مؤثر و کارآمد در زمینه‌های مختلف ساخت و ساز شناخته شده‌اند.
نتیجه‌گیری:
در نهایت، دیوار‌های برشی فولادی به عنوان یک سیستم مقاوم در برابر لرزه با ویژگی‌های شکل‌پذیری و جذب انرژی بالا، در طراحی ساختمان‌های جدید و بهسازی ساختمان‌های موجود به‌کار می‌روند.