تعریف دیوار برشی
در مهندسی سازه، دیوار برشی یک المان عمودی از یک سیستم مقاوم در برابر نیروهای لرزه‌ای است که از آن بهمنظور مقاومت در برابر نیروهای جانبی مانند بارهای ناشی از زلزله و باد استفاده میشود و به همین منظور نیز طراحی شده است. یک دیوار برشی در برابر بارهای اعمالی که موازی با سطح دیوار است، مقاومت می‌کند. کلکتورها در دیوارهای برشی که به آن‌ها اعضای کششی نیز گفته میشود، برش دیافراگم را به دیواره‌های برشی و سایر عناصر عمودی سیستم مقاوم در برابر نیروهای لرزه‌ای، منتقل می‌کنند. دیوارهای برشی به‌طورمعمول شامل دیوارهای چوبی (OSB) در قابهای فولادی گالوانیزه سبک، دیوارهای بتن مسلح، دیوارهای بنایی مسلح یا صفحات فولادی هستند.
عملکرد دیوار برشی؛ انتقال نیروهای جانبی از دیوارهای خارجی، کف‌ها و سقف‌ها در جهت موازی با صفحات آن به فونداسیون است. به‌عنوان مثالی در این مورد می‌توان به دیوار بتنی مسلح یا خرپای عمودی اشاره نمود. نیروهای جانبی ناشی از باد، زلزله و بارهای ناشی از نشست نابرابر، علاوه بر وزن سازه و ساکنان، نیروهای پیچشی قدرتمندی را در سازه ایجاد می‌کنند. این نیروها به معنای واقعی کلمه می‌توانند یک ساختمان را از هم جدا کرده یا برش دهند. تقویت یک قاب با اتصالات و یا قرار دادن دیواره صلب در داخل آن، شکل قاب را حفظ کرده و از چرخش در اتصالات جلوگیری می‌کند. دیوارهای برشی به‌ویژه در ساختمان‌های بلندی که در نزدیکی گسل بوده و یا تحت تأثیر بار باد هستند، اهمیت زیادی دارند و باعث مقاوم‌سازی و ایمن‌سازی آن می‌شوند.
مزایای استفاده از دیوار برشی
کاربرد دیوار های برشی در ساختمان شامل موارد زیر است:
- دیوارهای برشی به‌ویژه در ساختمان‌های بلند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند.
- در ساختمان‌های مسکونی، دیوارهای برشی به‌صورت دیوارهای پیرامونی هستند که بیشترین سختی جانبی ساختمان را فراهم می‌کنند.
- این دیوارها در برابر بارهای جانبی، بارهای لرزه‌ای و نیروهای ثقلی مقاومت می‌کنند.
- نوسان جانبی ساختمان را کاهش می‌دهند.
- مقاومت و سختی زیادی در جهت پیچش ساختمان ایجاد می‌کنند.
- این دیافراگم صلب عمودی، بارها را به پی منتقل می‌کند.
رفتار دیوار برشی به موارد زیر بستگی دارد: مصالح استفاده‌شده، ضخامت دیوار، طول دیوار، موقعیت دیوار در قاب ساختمان و غیره.
طبقه‌بندی دیوار برشی:
- انواع مستطیلی ساده و دیوارهای برشی دارای بال
- دیوارهای برشی به‌صورت پیوسته
- دیوارهای برشی با قاب صلب
- دیوار برشی پشتیبانی شده با ستون
- دیوارهای برشی از نوع دارای هسته
مزایای دیوارهای برشی:
- مقاومت و سختی زیادی در جهت چرخش ایجاد می‌کند.
- نوسان جانبی را به میزان قابل‌توجهی کاهش می‌دهد.
- ساخت و اجرای آسان
- از نظر هزینه ساخت و اثربخشی، در به حداقل رساندن خسارت‌های ناشی از زلزله بسیار کارآمد است.
- سبک‌وزن بودن
- زمان ساخت سریع
- عملکرد سریع
- خسارات به حداقل رسیده به عناصر سازهای و غیر سازهای
کدام‌یک از سازه‌ها به دیوار برشی نیاز دارند؟
تقریباً همه خانه‌های بتنی دارای دیوارهای برشی خارجی هستند اما دیوارهای برشی داخلی معمولاً فقط در خانه‌های بزرگ‌تر و ساختمان‌های بلند تحت وزش باد و نیروهای لرزه‌ای دیده میشود. هرچه ساختمان بلندتر باشد، نیاز به دیوارهای برشی داخلی و سیستم مقاوم در برابر نیروی جانبی بیشتر میشود. شکل و موقعیت پلان دیوار برشی به میزان قابل‌توجهی روی رفتار سازه تأثیر می‌گذارد. برای جانمایی ایده آل دیوارهای برشی در ساختمان‌ها توجه به دو نکته حائز اهمیت است: اولاً قرارگیری دیوارهای برشی حتی‌المقدور متقارن باشد و دوم آنکه فاصله قرارگیری این دیوارها از مرکز جرم، کم نباشد. معمولاً برای این منظور از دیوارهای اطراف محور آسانسور و راهپلهها استفاده میشود. همچنین از دیوارهای کناره ساختمان‌ها که فاقد پنجره هستند نیز می‌توان استفاده کرد.
همان‌طور که اشاره شد، دیوارهای برشی باید به‌طور متقارن در اطراف محور مرکزی ساختمان قرار گیرند. به‌عبارت‌دیگر، اگر در ضلع شمالی ساختمان یک دیوار برشی وجود داشته باشد باید در سمت جنوبی خود نیز یک دیوار مشابه داشته باشد. اگر یک دیوار برشی در گوشه جنوب شرقی ساختمان وجود داشته باشد، یک دیوار برشی یکسان در طرف مقابل محور مرکزی، در گوشه جنوب غربی نیز باید قرار بگیرد.
انواع دیوار برشی
- دیوارهای برشی به‌صورت قاب‌بند چوبی و با گل‌میخ‌های عمودی و با غلاف: این سیستم رایج‌ترین شکل دیوارهای برشی در ساختمان‌ها در کشورهای غربی و ایالات‌متحده است. قاب چوبی با گل‌میخ‌های عمودی به‌تنهایی در معرض تغییر شکل و تخریب قرار می‌گیرد. این امر این اطمینان را حاصل می‌کند که حتی تحت‌فشار جانبی نیز سازه صلب باقی می‌ماند.
- ورق فولادی: برای ساختمان‌های بزرگ‌تر، دیوارهای برشی به‌جای ساخته‌شدن از تخته چندلا از ورق‌های فولادی تشکیل‌شده‌اند
- مهاربندهای قطری: این نوع مهاربندها چه از فولاد ساخته‌شده باشند و چه از هر نوع ماده دیگری، می‌توانند پشتیبانی بیشتری را برای سازه شما فراهم کنند.
- دیوارهای برشی کوپله: به منظور تعبیه بازشوها (دربها و پنجرهها) در دیوارهای باربر جانبی می‌بایست از سیستم سازهای کارآمدتر و با شکل‌پذیری بیشتر بهمنظور استهلاک انرژی ناشی از بارهای جانبی استفاده شود که به آن دیوار برشی کوپله گفته میشود. هزینه مصالح و نیروی کار برای ساخت آن‌ها این گزینه را گران‌قیمت ساخته است.
دیوارهای برشی به شکل مستطیل
درحالی‌که بسیاری از دیوارهای برشی صفحه‌های مستطیلی ساده هستند اما در صورت ساخته‌شدن در اشکال مختلف، می‌توانند بهمنظور مقاومت در برابر باد یا زلزله نیز مؤثرتر باشند:
- دیوارهای هسته‌ای: دیوارهای برشی جعبه‌ای شکل هستند که به شکل یک مربع یا مستطیل در اطراف یک هسته مرکزی قرار دارند. این دیوارها به‌طورمعمول در اطراف آسانسورهای ساختمان و راهپلهها هستند.
- دیوارهای C شکل: این نوع دیوارها دارای گسترش کوتاه در هر دو انتهای صفحه اصلی خود هستند.
- دیوارهای L شکل دارای یک پای بلندتر در یک انتهای صفحه خود است.
این الفبای دیوار برشی با T، U،W و یا سایر چیدمان‌های مشابه ادامه می‌یابد. بهترین شکل برای استفاده در هر شرایط خاص برای دیوار برشی آن‌هایی هستند که در جذب اثرات لرزه‌ای نسبت به دیگران مؤثرتر باشند. این در حالی است که برخی دیگر برای بادهای شدید مناسب‌تر هستند و همه این موارد توسط مهندس سازه تعیین میشود.
هنگامی‌که در حال نصب دیوارهای برشی در یک خانه هستید، چند قانون ساده موفقیت شما را تضمین می‌کند. به‌عنوان‌مثال در بیشتر خانه‌های موجود در ایالات‌متحده، این فرآیند شامل اتصال غلاف یا تخته سه لا و یا OSB به قاب‌ها است.
افزودن دیوار برشی و ارتباط آن با بهسازی و مقاوم‌سازی ساختمان
یکی از روش‌های کاربردی و بسیار مؤثر برای مقاوم‌سازی و بهسازی سازه‌ها در برابر بارهای جانبی، افزودن دیوار برشی است. استفاده از این نوع سازه‌ها در ساختمان‌ها؛ شکل‌پذیری، سختی و مقاومت آن‌ها را افزایش می‌دهد. همچنین افزودن دیوارهای برشی به سازه موجب بهبود رفتار لرزه‌ای سازه، کاهش خسارت وارده به اجزای دیگر ساختمان و کاهش تغییرشکل‌های آن میشود. همچنین استفاده از دیوارهای برشی باعث کاهش خسارت به تیرها و ستون‌ها در هنگام وقوع زلزله میشود.
استفاده از دیوارهای برشی در سازه‌ها، بار وارده بر فونداسیون را افزایش می‌دهد. در نتیجه یا باید فونداسیون را تقویت کرد و یا از شمع‌ها در پای دیوارهای برشی استفاده نمود. همچنین طراحی اتصالات دیوار برشی به سازه باید به نحوی باشد تا بتواند نیروی طبقات را به دیوار منتقل سازد. استفاده از آرماتورهای دیوار برشی در طول طبقات آن‌هم به‌صورت پیوسته موجب شده تا نیروهای ناشی از زلزله در طبقات بتوانند به‌راحتی از طریق دیوار برشی به فونداسیون منتقل شوند.
