دیوارهای برشی فولادی چیست و چه کاربردی دارد؟
دیوار برشی فولادی یک سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی است که از ورق‌های فولادی تشکیل شده است و به تیرها و ستون‌های پیرامون خود متصل می‌شود. این دیوارها در یک یا دو دهانه و در کل ارتفاع ساختمان متصل می‌شوند و یک دیواره طره را تشکیل می‌دهند. در این مقاله مفاهیم عمومی این سیستم بار بر جانبی معرفی شده و سپس تاریخچه و نمونه‌های برگزیده‌ای از سازه‌های مجهز به این سیستم معرفی شده است.
دیوار برشی ویژه (special plate shear wall) در AISC341 و یا دیوار برشی فولادی (steel plates wall) در CSAS16 و یا دیوار برشی فولادی ویژه (special steel plate wall) در FEMA2004 یک سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی است که از ورق‌های فولادی تشکیل شده است و به تیرها و ستون‌های پیرامون خود متصل می‌شود. این دیوارها در یک یا دو دهانه و در کل ارتفاع ساختمان متصل می‌شوند و یک دیواره طره را تشکیل می‌دهند.
تیرها و ستون‌های دیوار برشی فولادی ویژه در AISC341 عموماً به عنوان المان‌های مرزی افقی (horizontal boundry elements) و المان‌های مرزی عمودی (vertical boundry elements) تلقی می‌شوند. دیوارهای برشی فولادی تحت اثر تغییر شکل‌های غیر ارتجاعی متناوب سختی اولیه زیادی را از خود نشان می‌دهند به‌گونه‌ای که رفتار شکل‌پذیری دارند و مقدار قابل توجهی انرژی را نیز جذب می‌کنند.
این ویژگی‌ها نشانگر مناسب بودن این سیستم در برابر بارهای لرزه‌ای است. دیوارهای برشی فولادی ویژه نه تنها در طراحی ساختمان‌های جدید کاربرد دارد بلکه در بهسازی ساختمان‌های موجود هم استفاده می‌شود. اتصال تیر به ستون در این دیوارها می‌تواند اتصالات برشی ساده و یا اتصالات صلب باشد و اگر چه AISC 341 این اتصالات را تنها به صورت صلب مجاز دانسته است.
بیشتر بخوانید: راهنمای جامع سقف عرشه فولادی در اسکلت فلزی از اجرا و جزئیات تا حداکثر دهانه و ضخات
قبل از تحقیقات کلیدی سال ۱۹۸۰ وضعیت طراحی این دیوارها با در نظر گرفتن حالت حدی کمانش خارج از صفحه ورق در نظر گرفته می‌شد. برای جلوگیری از کمانش، مهندسین این دیوارهای ویژه را به صورت ورق‌های پوششی به شدت سخت طراحی می‌کردند. اگرچه انواع تحقیقات آزمایشی و تحلیلی با استفاده از هر دو روش بارگذاری شبه استاتیکی و دینامیکی نشان داد که مقاومت پس کمانشی و شکل‌پذیری این دیوارهای ویژه با جان لاغر می‌تواند قابل توجه باشد.
مقاومت پس کمانشی و مکانیزم عملکرد میدان کششی ورق‌های فولادی سخت نشده می‌تواند به طور مفهومی با در نظر گرفتن یک قاب محدود شده با تیرها و ستون‌های صلب که تحت اثر برش خالص هستند توصیف شود.
وقتی یک بار جانبی به صورت افق به تیر بالایی وارد می‌شود، ورق در این قاب تحت اثر برش خالص قرار می‌گیرد و تنش‌های اصلی کششی و فشاری در راستای ۴۵ درجه نسبت به راستای بار به وجود می‌آیند. مقاومت کمانشی ورق در فشار وابسته به نسبت‌های لاغری عمق به ضخامت و عرض به ضخامت خود می‌باشد. این نسبت‌ها برای تیپ عمومی ساختمان‌ها دارای مقادیر بالایی هستند و متناظرا ضخامت دیوار و مقاومت کمانشی کمی دارند (نزدیک به صفر برای دیوارهای لاغر).
حتی با در نظر گرفتن این مسئله که دیوارها به علت خطاهای ساخت و نصب از ابتدا مستقیم یا صاف نمی‌باشد این مقاومت کمتر نیز می‌شود؛ بنابراین ورق در اثر تنش‌های فشاری قطری همراه با خطوط شکست عمود بر تنش‌های اصلی فشاری کمانش می‌کند (موازی با تنش‌های اصلی کششی).
دیوارهای برشی فولادی چیست؟
اگر چه باید توجه کرد که معادلات طراحی تیرورق ها نباید در طراحی دیوارهای برشی ویژه فولادی استفاده گردد زیرا که به طور گمراه‌کننده‌ای می‌تواند مقاومت‌های نامناسبی را برای تعیین ظرفیت‌های طراحی ارائه دهند.
یک دلیل مهم برای توجیه این مسئله این است که المان‌های مرزی افقی و عمودی در این دیوارهای ویژه به‌گونه‌ای طراحی شدند که مقاومت و سختی آنها به اندازی باشد که بتوانند در تمامی ارتفاع و عرض خود جاری شوند که این مسئله در بال‌های تیر ورق‌ها امکان‌پذیر نیست.
تاریخچه تکامل دیوار برشی فولادی
قبل از اینکه آیین‌نامه‌های مدون طراحی دیوارهای برشی فولادی ویژه تهیه گردد از این دیوارها استفاده می‌شده است. این دیوارها بر پایه قوانین مهندسی طراحی و قطعه بندی می‌شدند. ویژگی‌های آنها با گذشت زمان به تدریج تکمیل شد. تحقیق جامعی در ارتباط با ساختمان‌های مجهز به دیوارهای برشی فولادی ویژه به عنوان سیستم سازه‌های مقاوم در برابر بار جانبی در سال ۲۰۰۷ توسط برنو معرفی گردید.
تعداد ساختمان‌های مجهز به این دیوارها و پروژه‌های تحقیقاتی که این سیستم سازه‌ای را مورد مطلع قرار می‌دادند از هنگامی که این سیستم در آیین‌نامه‌های طراحی AISC 2005,2010 و CSA 1994, 2001, 2009 معرفی گردیدند به طور قابل ملاحظه‌ای تشدید یافت. در این مقاله تعدادی از پروژه‌هایی انتخابی خلاصه شده است تا سیر تکاملی این دیوارها را آشکار کند.
اسناد استفاده از این دیوارها در آمریکایی شمالی به ساله ۱۹۷۰ باز می‌گردد. مثال‌های قابل توجه شامل ساختمان‌های تا ۱۶ طبقه، یک بیمارستان موجود در سانفرانسیسکو، یک هتل ۲۹ طبقه در دالاس و بازسازی یک کتابخانه در ارگان، می‌شود.
برای تکمیل ساخت بیمارستان سانفرانسیسکو، دیوار برشی فولادی ویژه به عنوان تنها سیستم سازه‌ای قابل اجرا که پاسخگوی نیروهای لرزه‌ای طراحی بالا که توأماً دارای سختی مناسب برای اقناع ضوابط سختگیرانه محدود کننده تغییر مکان جانبی سازه نیز است، استفاده شد (به علت محافظت از دستگاه‌های ضروری پزشکی در برابر آسیب که پس از زلزله شدید هم چنان قابل سرویس‌دهی باشند).
برای همین پروژه مهندسین دیگری در سال ۲۰۰۳ یک سیستم دیوار برشی بتنی مسلح متناظر با دیوار برشی فولادی ویژه را گزارش کردند که دارای ۱۲۲ سانتیمتر ضخامت بود که از لحاظ ضوابط معماری مردود قلمداد می‌شد.
تحلیل المان محدودی برای مدل کردن این دیوارهای برشی که دارای شکل نامنظم و بازشوهای زیادی بودند، استفاده شد. ورق‌های فولادی به‌گونه‌ای طراحی شده بودند که در برابر تمامی نیروی برشی دیوار مقاومت کنند. بر روی سختی پوشش بتنی حساب باز شده بود، اما هدف اصلی به‌کارگیری پوشش بتنی جلوگیری در برابر کمانش ورق‌های فولادی بود. در هر دو طرف ورق فولادی خاموت‌هایی به کار گرفته شد که تا آن را به لایه‌های بتنی متصل کند.
بیشتر بخوانید: انواع قالب بندی سقف، از وافل تا عرشه فولادی، کدام بهترین است؟
دیوارهای برشی فولادی ویژه بدون بتن چیست؟
دیوارهای برشی فولادی ویژه بدون وجود بتن در سال ۱۹۷۰ طراحی شدند و سختی آنها به‌گونه‌ای بود که ورق فولادی در برابر کمانش مقاومت کنند. هم چون طراحی مقاوم در برابر بارهای جانبی باد برج‌های هتل حیاط ریجنسی در دالاس که انتخاب دیوارهای برشی فولادی بدان دلیل بود که مهاربندهای متداول به فضای داخل تجاوز می‌کردند و دیوارهای برشی بتنی سرعت عملیات ساخت را کند می‌کردند.
این دیوارها در بیمارستان بتن مسلح آلیو ویو که در زلزله ۱۹۷۱ به شدت آسیب دیده بود نیز استفاده شدند. دیوارهای برشی محیطی و داخلی استفاده شدند که به هدف پایین آوردن وزن سازه در دو طبقه اول از دیوار برشی بتنی و در ۴ طبقه بالای آن از دیوارهای برشی فولادی استفاده گردید. طراحی دیوارها نسبت به قاب خمشی با هزینه کمتری برآورد شد و اجزای دیوار فولادی با اتصالات پیچی به هم متصل شدند.
از دیوارهای برشی فولادی سخت شده در بهسازی لرزه‌ای قاب‌های خمشی بتنی نیز بهره گرفته شده است. به عنوان نمونه استفاده از دیوارهای فولادی به جای بتنی اختلال در بهره وری از بیمارستان را به حداقل رساند (که در هنگام بهسازی تعطیل نشد) و اجازه داد تا در آینده نیز توسعه یابد. ورق‌های فولادی به ورق‌های محیطی متصل شدند. آنها نیز به کف‌های بتنی موجود با استفاده از مهارهای نفوذ کننده و اپوکسی متصل شدند.
در یک نمونه دیگر، برای یک کتابخانه، علاوه بر باز نگاه داشتن امکانات آن در هنگام ساخت و محافظت از اصالت تاریخ بنا از دیوارهای برشی فولادی بهره گرفته شد بدان علت که رطوبت ایجاد شده ناشی از بتن ریزی نیاز به جابه جایی کتاب‌های تاریخی داشت و می‌بایست از احتمال آسیب دیدگی آنان جلوگیری شود.
ورق‌های فولادی در قطعات کوچکی طراحی شد تا بتوان آنها را با دست نصب کرد تا از استفاده از تجهیزات سنگین جلوگیری شود و تا حد ممکن از ورق‌های اتصال پیچی برای به حداقل رساندن احتمال خطرات ناشی از آتش سوزی ناشی از جوشکاری، استفاده شد.
عموماً در نمونه‌های بکارگرفته شده اشاره شده، اگر چه دیوارهای برشی فولاد ویژه سخت شده گران‌تر از سیستم‌های جایگزین بودند اما به علت نیازمندی‌های خاص پروژه از آنها بهره گرفته شد.
در اوائل ساله ۱۹۸۰ ساخت دیوارهای برشی فولادی برشی ویژه سخت نشده در شمال آمریکا آغاز شد البته پیدایش آن برای اولین بار در کانادا بود بدان علت که این دیوارها تمرکز تحقیقاتی آنان بود. یک ساختمان هشت طبقه در بیریتیش کلمبیا ونکور ساخته شد. برای فراهم سازی عملکرد لرزه‌ای کافی برای ساختمان با عرض کم که تنها محل‌های موجود برای قرار دادن المان‌های سازه‌ای باربر جانبی در نزدیکی شفت‌های آسانسور و راه پله‌ها بود. در راستای دیگر از سیستم‌های مهاربندی واگرا استفاده شده بود.
با انتشار الزامات طراحی لرزه‌ای دیوارهای برشی فولادی ویژه در CAN/CSA S16(در ابتدا با عنوان پیوست در ویرایش ۱۹۹۴ سپس در متن اصلی در ویرایش ۲۰۰۱) استفاده از آن شتاب گرفت.
بیشتر بخوانید: ورق سرد یا ورق روغنی چیست و تفاوت ورق گرم و سرد در چیست؟
مزایای دیوار برشی فولادی چیست؟
سادگی در جزییات ساخت سیستم‌های دیوارهای برشی فولادی ویژه سبب اقتصادی شدن این دیوارها گردید. یک سازه دوطبقه که قطعات آن در کارخانه تهیه شده و در کارگاه با ورق‌های اتصال پیچی اصطکاکی نصب گردید.
چندین ساختمان مشابه از آن هنگام ساخته شد. به عنوان مثال به علت سرعت ساخت بالا و ایجاد فضای قابل استفاده بیشتر طبقات یک ساختمان در برابر جانبی دیوارهای برشی فولادی ویژه در مقایسه با سایر سیستم‌های سازه‌ای (شامل دیوارهای برشی بتنی و قاب‌های مهاربندی) برای یک ساختمان هفت طبقه در کبک استفاده شد.
این دیوارها به صورت پیوسته در تراز پایان خود به فونداسیون متصل می‌شوند.
دیوارهای برشی فولادی ویژه برای تقویت ساختمان‌های دارای قاب خمشی که متحمل صدمات زیادی در اتصالات خمشی خود درجریان زلزله سال ۱۹۹۴ نورسریج (northridge earthquake) شده بود، استفاده شد.
در آن سازه ستون‌ها و شاه‌تیرهای موجود در قاب خمشی فولادی قادر بودند تا به عنوان المان‌های مرزی عمودی و افقی دیوارهای برشی فولادی ویژه را پشتیبانی کنند. برای طراحی نوارهای قطری معادل، تحلیل غیرخطی پوش اور استفاده شد، تا بتوان رفتار میدان کششی پنل‌های برشی و نیروهایی که در المان‌های مرزی انتقال می‌یابد را مدل کرد و همچنین تحلیل غیرخطی تاریخچه زمانی برای نوارهای فقط کششی در هر دو راستا استفاده گردید.
یک نمونه قابل توجه از بکارگیری دیوارهای برشی فولادی ویژه در ایالات متحده قبل از ابلاغ ضوابط طراحی این دیوارها در AISC 341 استفاده از دیوارهای سخت نشده در راستای باریک شمالی جنوبی یک ساختمان ۲۳ طبقه در سیاتل بود. هم چنین از قاب مهار بندی شده در راستی شرقی غربی استفاده شد.
ستون‌های بزرگ لوله‌های پرشده از بتن به عنوان المان‌های مرزی استفاده شد تا سختی و مقاومت کافی را در برابر واژگونی را فراهم سازد. دیوارهای برشی فولادی مزیت‌های رقابتی فراوانی را ارائه کردند.
اولاً سیستم‌های دیوار برشی فولادی نیازمند ضخامت کمتری نسبت به دیوارهای برشی بتنی متناظر داشتند (۴۶ سانتیمتر در مقابل ۷۱ سانتیمتر) که باعث حفظ دو درصد از فضا شد.
دوم آن که این سیستم ۱۸ درصد سبک‌تر از سیستم معادل آن با هسته دیوار بتنی شد که متناظر با آن بارهای به وجود آماده در تراز شالوده در اثر بارهای ثقلی و بارهای لرزه‌ای ساختمان کاهش پیدا کرد.
سوماً به علت زمان کوتاه برپایی دیوارها، عدم نیاز به زمان عمل‌آوری بتن و نصب آسان‌تر آن نسبت به سیستم مهاربندی همگرای ویژه معادل با آن، عملیات ساخت را تسریع بخشید.
به عنوان مزیت چهارم این سیستم به دارا بودن مقاومت پس کمانشی و شکل‌پذیری بالا تشخیص داده شد.
استفاده از دیوارهای برشی فولادی ویژه در یک برج ۵۴ طبقه که در سال ۲۰۱۰ در لوس انجلس به پایان رسید تمامی مزیت‌های ذکر شده را فراهم آورد و باعث کاهش ۳۰ درصدی وزن ساختمان، کاهش ۴ ماهه زمان ساخت شد.
به‌علاوه استفاده از ورق‌های فولادی ۲.۵ سانتی‌متری به‌جای استفاده از دیوارهای قطور ۹۱/۵ سانتی‌متری بتنی باعث به وجود آمدن بیشتر از ۱۸۵۸ متر مربع فضای قابل فروش گردید که موجبات ۲۰ میلیون دلار سود بیشتر را برای کارفرمای آن بنا فراهم ساخت. قسمت‌های از پیش اتصال یافته دیوار نیز برای تسریع برپاسازی دیوارها استفاده گردید.
کاربرد دیوارهای برشی فولادی ویژه در ساختمان‌های کوتاه مرتبه و منازل مسکونی بزرگ دارای سقف‌های بازشو دار نیز رواج پیدا کرد.
در بعضی از این نمونه‌ها ورق‌های فولادی سبک به عنوان جان دیوارهای برشی فولادی ویژه استفاده گردید.
در مثال‌های دیگر، دیوارهای برشی فولادی ویژه به‌گونه‌ای طراحی شدند که ارتجاعی باقی بمانند و قادر بودند چندین برابر برش پایه مشخص شده در آیین‌نامه را تحمل کنند.
در بیشتر کاربردها، ورق‌های جان دیوارهای برشی فولادی ویژه سخت نشده به قاب‌های پیرامونی خود جوش شده‌اند (توأم با ورق‌های اتصال جوشی یا پیچی)، اما جایگزین پیچی آن نیز امکان‌پذیر بود.
برای مثال، به عنوان یک قسمتی از برج مراقبت ترافیک هوایی همراه با امکانات اداری با هدف توسعه یک فرودگاه موجود، در محیط کنترل شده با محدودیت‌های بالا به ویژه برای سازه‌های مرتبط با عملیات هوایی به علت انعطاف پذیری ساخت بیشتر از جان‌های پیچ شده استفاده شد.