دیوار برشی فولادی به عنوان یکی از سیستم های پیشرفته مقاوم در برابر نیروهای جانبی، به ویژه در مناطق زلزله خیز، تحولی بنیادین در روش های ساخت و ساز ایجاد کرده است. این سیستم با بهره گیری از ظرفیت بالای جذب انرژی فولاد و عملکرد آن در انتقال بارهای جانبی، امکان طراحی سازه هایی با ایمنی و پایداری بسیار بالا را فراهم می‌آورد.
به روزرسانی استانداردهای طراحی و پیشرفت های پژوهشی در زمینه مصالح جدید، روش های ساخت و مدل سازی، باعث شده تا استفاده از این دیوارها دیگر محدود به پروژه های سنتی نباشد. رویکردهای نوینی مثل به کارگیری فولادهای سبک و مقاوم یا طراحی حفره های هدفمند در دیوار، نه تنها مصرف مصالح را کاهش می‌دهند، بلکه عملکرد سازه را در برابر زلزله هم به شکل قابل توجهی بهبود می‌بخشند.
در این مقاله قصد داریم با نگاهی عمیق به این تحولات، نقش دیوار برشی فولادی را در معماری و مهندسی سازه به شکلی جامع و دقیق بیان کنیم.
دیوار برشی فولادی چیست؟
دیوار برشی فولادی یکی از سیستم های سازهای است که برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی مثل زلزله و باد به کار می‌رود. این سیستم از قاب های فولادی (شامل تیر و ستون) و صفحات نازک فولادی تشکیل می‌شود که داخل قاب‌ها نصب می‌شوند. این صفحات از پایین تا بالای ساختمان ادامه دارند و در کنار هم یک دیوار عمودی یکپارچه را شکل می‌دهند.
رفتار دیوار برشی فولادی به این صورت است که وقتی نیروهای جانبی به سازه وارد می‌شود، صفحات فولادی نازک ابتدا کمی خم می‌شوند یا به اصطلاح کمانش می‌کنند. اما برخلاف تصور، این خم شدن باعث از بین رفتن مقاومت آن‌ها نمی‌شود. بلکه بعد از کمانش، نیروها به شکل نوارهای کششی مورب در صفحه پخش می‌شوند و همین نوارها کمک می‌کنند که دیوار همچنان در برابر نیرو مقاومت کند. این نوع واکنش باعث می‌شود دیوار برشی فولادی عملکرد خاص و موثری داشته باشد و بتواند بهتر از بسیاری از سیستم های دیگر جلوی تغییر شکل سازه را بگیرد.
در این سیستم، نوع اتصال صفحات فولادی به تیر و ستون ها تاثیر زیادی روی عملکرد سازه دارد. این اتصال ممکن است ساده یا محکم (گیردار) باشد. معمولا در مناطق با ریسک بالا، اتصال های محکم تر استفاده می‌شود تا عملکرد بهتری حاصل شود. صفحات فولادی می‌توانند با یا بدون تقویت طراحی شوند و شکل، ضخامت و نحوه قرارگیری آن‌ها در مقاومت نهایی دیوار تاثیرگذار است. این سیستم هم در ساختمان های جدید و هم در پروژه های تقویت سازه های موجود کاربرد دارد.
پیشنهاد ناشر
ممکن است این را نیز بپسندید: قالب باطری دیوار پیش ساخته
انواع دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی در انواع مختلفی از سیستم های قالب بندی دیوار طراحی و اجرا می‌شود که هر یک براساس نیاز سازه، شرایط زلزله خیزی منطقه و ملاحظات اجرایی، عملکرد متفاوتی دارند.
دیوار برشی فولادی سوراخ دار
در برخی پروژه های ساختمانی، محدودیت های اجرایی همچون دشواری های جوشکاری، مانع استفاده از ورق های فولادی با ضخامت معمول می‌شود. در چنین شرایطی، راهکاری جایگزین به کار گرفته می‌شود که در آن از ورق هایی با ضخامت بیشتر استفاده شده، اما به منظور کاهش مقاومت و سختی اضافی، حفره هایی با الگوی منظم در ورق جان ایجاد می‌گردد.
این سوراخ‌ها به گونه ای چیده می‌شوند که تمرکز آن‌ها در راستای قطر ورق باشد و در هر جهت، حداقل چهار ردیف تکرار شوند. با این روش، مقاومت نهایی ورق به حدود ۶۰ درصد مقدار طراحی شده کاهش می‌یابد. افزون بر هماهنگی با معیارهای طراحی لرزه ای، این شیوه به کاهش وزن دیوار نیز کمک کرده و در بهینه سازی عملکرد کلی سازه موثر است.
دیوار برشی مرکب
دیوار برشی مرکب نوعی سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی است که از ترکیب یک ورق فولادی نازک و لایه‌ای از بتن در یک یا هر دو طرف آن تشکیل می‌شود. برای اتصال موثر بین بتن و ورق فولادی، از برش گیرهایی استفاده می‌شود که به ورق جوش داده می‌شوند. وجود بتن باعث افزایش سختی ورق شده و آن را به حدی مقاوم می‌سازد که بتواند تا مرحله تسلیم برشی تحت بار عمل کند. این دیوارها نسبت به دیوارهای برشی بتنی، وزن کمتر، عملکرد لرزه‌ای بهینه تر و اشغال فضای کمتری دارند، اما به دلیل پیچیدگی های اجرایی، کاربرد کمتری در پروژه های ساختمانی یافته‌اند.
دیوار برشی فولادی کوپله
در برخی مواقع، به دلایل طراحی معماری، لازم است در دیوار برشی بازشوهایی ایجاد شود که این موضوع مانع استفاده کامل از ظرفیت ورق جان در مقابله با نیروهای زلزله می‌شود و از شکل گیری کشش فولادی جلوگیری می‌کند. برای رفع این محدودیت، می‌توان با نصب سخت کننده ها پیرامون بازشو، تمرکز تنش‌ها را کاهش داد و مقاومت دیوار را افزایش داد.
اگر ابعاد بازشو بسیار بزرگ باشد، استفاده از سیستم دیوار برشی کوپله توصیه می‌شود. در این روش دو دیوار جداگانه با یک تیر رابط یا اتصال دهنده به هم وصل می‌شوند. تیر رابط باعث می‌شود تا دو دیوار به صورت یکپارچه رفتار کرده و عملکرد مقاومتی مشابه یک دیوار برشی فولادی بدون بازشو داشته باشند.
دیوار برشی فولادی با ورق جان سخت نشده
در دیوارهای برشی فولادی بدون سخت کننده، ورق جان توانایی تحمل فشار را ندارد و در ابتدای بارگذاری دچار کمانش برشی می‌شود. پس از کمانش، بارهای جانبی عمدتا از طریق کشش مورب در ورق منتقل می‌شوند. اجزای مرزی مانند تیر و ستون به گونه‌ای طراحی می‌شوند که این نیروها را به خوبی تحمل کرده و وارد محدوده رفتار غیرخطی شوند. مطالعات نشان داده اند که این دیوارها شکل پذیرتر بوده و عملکرد بهتری در برابر زلزله دارند. همچنین، طراحی مناسب آن‌ها می‌تواند از بروز مشکلاتی مانند باریک شدگی در اتصالات جلوگیری کند.
پیشنهاد ناشر
ممکن است این را نیز بپسندید: قالب تتراپاد
کاربردهای دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی یکی از سیستم های سازهای کارآمد برای مقابله با نیروهای جانبی است که در پروژه های متنوع عمرانی، مورد استفاده قرار می‌گیرد. ساختار سبک، شکل پذیری بالا، سرعت نصب و ظرفیت جذب انرژی بالا باعث شده این سیستم در حوزه های متنوعی مورد استفاده قرار گیرد.
نخستین و مهمترین کاربرد دیوار برشی فولادی در سازه های بلندی است که در مناطق با خطر لرزه‌ای بالا احداث می‌شوند. در این ساختمان‌ها، دیوار برشی فولادی معمولا در هسته سازه یا پیرامون آسانسور و پله نصب می‌شود تا پایداری جانبی سازه را تامین کند.
کاربرد دیگر دیوار برشی فولادی به مقاوم سازی و بهسازی لرزه‌ای ساختمان های موجود مربوط می‌شود. در سازه هایی با سیستم قاب خمشی ضعیف یا ناکارآمد، افزودن این دیوارها در بخش های داخلی یا پیرامونی می‌تواند ظرفیت جانبی و شکل پذیری سازه را، بدون ایجاد اختلال جدی در بهره برداری یا نیاز به تخریب گسترده، به طور چشمگیری افزایش دهد.
در سازه های صنعتی و زیرساختی مانند پالایشگاه‌ها، نیروگاه‌ها و تاسیسات حساس، نیز از این دیوارها برای محافظت در برابر نیروهای دینامیکی یا انفجاری استفاده می‌شود. همچنین در سازه های تاریخی یا بنای میراثی که حفظ ظاهر معماری اهمیت دارد، دیوار برشی فولادی به دلیل ضخامت کم و قابلیت پنهان سازی در دیوارهای داخلی، به عنوان روشی مناسب برای تقویت بدون تغییر ظاهری بنا شناخته می‌شود.
مزایا و معایب دیوار برشی فولادی
در سال های اخیر، دیوار برشی فولادی به عنوان جایگزینی موثر برای دیوارهای برشی بتنی در بسیاری از پروژه های عمرانی مورد توجه قرار گرفته است. این سیستم در مقایسه با روش های سنتی، مزایای متعددی را برای طراحی و اجرای سازه‌ها ارائه می دهد.
مزایای دیوار برشی فولادی
ضخامت کمتر دیوار
ضخامت دیوار برشی فولادی در مقایسه با دیوار برشی بتنی به طور قابل توجهی کمتر است؛ به طور مثال، این ضخامت در دیوارهای فولادی حدود ۴۶ سانتی متر است، در حالی که دیوارهای بتنی معمولا ضخامت حدود ۷۱ سانتی متر دارند. این موضوع باعث می‌شود فضای بیشتری در ساختمان برای استفاده وجود داشته باشد.
کاهش وزن ساختمان
ساختمان هایی که از دیوار برشی فولادی استفاده می‌کنند، حدود ۱۸ درصد سبک تر از ساختمان های مشابه با دیوار بتنی هستند. وزن کمتر باعث می‌شود فشار کمتری به قالب بندی فونداسیون و سازه وارد شود.
سرعت ساخت
نصب دیوار برشی فولادی سریع تر انجام می‌شود چون نیازی به خشک شدن بتن نیست. در بعضی پروژه ها، استفاده از این سیستم باعث کاهش زمان ساخت تا یک ماه شده است.
شکل پذیری بالا
صفحات فولادی نازک حتی بعد از خم شدن و تغییر شکل هم مقاومت خوبی دارند و می‌توانند تا حدود ۴ درصد جابه‌جایی را بدون آسیب جدی تحمل کنند.
عملکرد موفق در زلزله
ساختمان هایی با دیوار برشی فولادی، در زلزله های شدید به خوبی مقاومت کرده‌اند. این سیستم از سال ۱۹۷۰ میلادی آزمایش شده و در مقررات معتبر ساختمان سازی پذیرفته شده است
معایب دیوار برشی فولادی
با وجود مزایای قابل توجه، دیوار برشی فولادی محدودیت هایی هم دارد که شامل موارد زیر می شود.
نرمی سازه
این سیستم معمولاً نسبت به دیوار بتنی نرم تر است، بنابراین در ساختمان های بلند لازم است سختی خمشی بیشتری ایجاد شود، مثلا با استفاده از ستون های فولادی که داخلشان بتن ریخته شده است.
تاثیر توالی ساخت
اگر صفحات فولادی در ابتدا تحت فشار زیادی قرار بگیرند، نمی‌توانند نیروها را به خوبی منتقل کنند. بنابراین، باید ترتیب ساخت و ساز را طوری برنامه ریزی کرد که فشار زیاد در ابتدا ایجاد نشود، مثلا جوشکاری اتصالات را تا زمانی که بار مرده روی سازه وارد شود، به تاخیر انداخت.
سیستم نسبتا جدید
به دلیل آشنایی کمتر پیمانکاران با این سیستم، ممکن است برآورد اولیه هزینه ساخت بالا باشد. این مشکل را می‌توان با مشارکت زودهنگام پیمانکار در فرآیند طراحی حل کرد.
پیشنهاد ناشر
ممکن است این را نیز بپسندید: داربست کاپلاک
مراحل طراحی و ساخت دیوار برشی فولادی
دیوار برشی فولادی برای آنکه عملکرد مناسبی در برابر نیروهای جانبی داشته باشد، باید با دقت طراحی و اجرا شود. این فرآیند شامل چند مرحله مهم است که از تحلیل سازه آغاز شده و تا نصب نهایی ادامه می‌یابد.
۱- تحلیل سازه و تعیین نیاز به سیستم مقاوم جانبی
پیش از هر چیز، مهندس طراح با توجه به شرایط لرزه‌ای منطقه، ارتفاع ساختمان، بارهای وارده و نوع سازه، تصمیم می‌گیرد که آیا به استفاده از دیوار برشی فولادی نیاز هست یا نه.
۲- تعیین موقعیت و هندسه دیوار برشی
محل قرارگیری دیوارها (مثلا در هسته ساختمان یا پیرامون آن)، تعداد طبقات، طول دهانه ها و ارتفاع هر طبقه مشخص می‌شود تا سیستم هم از نظر عملکرد و هم از نظر معماری بهینه باشد.
۳- طراحی اجزای دیوار
این مرحله شامل طراحی تیرها و ستون های مرزی (قاب پیرامونی) و صفحه فولادی میانی است. نوع اتصال تیر به ستون (ساده یا گیردار)، ضخامت ورق فولادی، نیاز به سخت کننده ها و مشخصات مصالح (مانند مقاومت تسلیم فولاد) نیز در همین مرحله تعیین می‌شود.
۴- مدل سازی و تحلیل دقیق
با استفاده از نرم افزارهای مهندسی، سیستم مدل سازی شده و تحت بارهای جانبی (مانند زلزله و باد) تحلیل می‌شود. رفتار غیرخطی دیوار، میدان های کششی و تغییر شکل‌ها در این تحلیل بررسی می‌شوند.
۵- تهیه نقشه های اجرایی و جزئیات ساخت
پس از تایید طراحی، نقشه های اجرایی شامل ابعاد، محل جوش ها، نحوه نصب سخت کننده ها، محل سوراخ‌ها (در صورت نیاز) و سایر جزئیات تهیه می‌شود.
۶- آماده سازی و برش ورق‌ها
ورق های فولادی با ضخامت مناسب انتخاب و با تجهیزات دقیق، مانند برش CNC آماده می‌شوند. در صورت نیاز، سخت کننده ها و سوراخ ها هم در این مرحله ایجاد می‌شوند.
۷- نصب قاب مرزی و جوش ورق ها
ابتدا قاب فولادی شامل تیر و ستون در محل نصب می‌شود، سپس ورق های فولادی به قاب جوش داده یا پیچ می‌شوند. در برخی پروژه‌ها، جوشکاری بعد از وارد شدن بارهای مرده (مثل وزن کف و سقف‌ها) انجام می‌شود تا عملکرد میدان کششی به درستی شکل بگیرد.
۸- کنترل کیفیت و بازرسی
در طول اجرا، تمامی جوش‌ها، اتصالات، ابعاد و مصالح به دقت بررسی می‌شوند تا با نقشه‌ها و استانداردهای طراحی مطابقت داشته باشند.
دیوار برشی فولادی، که تا چند دهه پیش تنها در برخی پروژه‌ها به کار می‌رفت، امروز به یکی از گزینه های اصلی برای مقاوم سازی ساختمان‌ها در برابر نیروهای جانبی تبدیل شده است. عملکرد موفق این سیستم در آزمایش های فنی و زلزله های واقعی، همراه با پذیرش آن در آیین نامه ها، نشان می‌دهد که دیوار برشی فولادی جایگاه خود را در طراحی سازه های مدرن پیدا کرده و کاربرد آن در ساخت و سازهای آینده رو به گسترش خواهد بود.
بدون دیدگاه