ضوابط طراحی دیوارهای برشی
ضوابط طراحی دیوارهای برشی
همانطور که می دانیم، دیوارها به عنوان یکی از اجزای اصلی سیستم باربر جانبی می توانند در سازه ها به کار روند. در صورتی که در دیوارها در سازه های با شکل پذیری کم (معمولی) مورد استفاده قرار بگیرند، نکته خاصی علاوه بر آنچه در خصوص ضوابط طراحی دیوارها گفتیم وجود نخواهد داشت.
اما در خصوص ساره هایی که با شکل پذیری زیاد هستند با توجه به نقش بسیار مهم دیوارها در جذب نیروهای جانبی و حفظ مقاومت سازه لازم است ضوابط متعددی در خصوص آنها رعایت شود.
ضوابط طراحی دیوار
در بسیاری از موارد در دیوارها به دلایل مختلف بازشوهایی تعبیه می شود، به واسطه تعبیه این بازشوها، دیوارها در محدوده اطراف بازشو به قطعات مجزایی تقسیم می شود که با توجه به نسبت هندسی قطعات دیوار، لازم است ضوابط خاصی در خصوص طراحی آن در نظر گرفته شود.
به منظور درک بهتر به شکل زیر که یک دیوار را به همراه بازشو نمایش می دهد توجه کنید. این دیوار به واسطه وجود بازشوها در محدوده منتهی به آنها، به قطعات قائم و افقی تقسیم شده است.
در قطعه قائم دیوار، با توجه به نسبت های هندسی، طراحی براسا جدول زیر انجام می شود.
طراحی قطعه افقی دیوار نیز که شامل تیرهای همبند می شود، در قسمت های بعدی ارائه خواهیم کرد.
lw: طول افقی قطعه قائم دیوار
bw: ضخامت جان قطعه قائم دیوار
hw: ارتفاع قطعه قائم دیوار.
با توجه به توضیحات فوق مشاهده می شود که در دیوارهایی که با در نظر گرفتن سطح شکل پذیری زیاد طراحی می شوند، لازم است ابتدا نسبت مورد انتظار دیوار در صفحه و همچنین مقطع افقی دیوار براساس مقادیر هندسی طول، ارتفاع و ضخامت دیوار بررسی شده و سپس براسا جدول، ضوابط طراحی حاکم بر دیوار مشخص می شود.
در حالتی که مطابق جدول بالا، دیوار براساس ضوابط ستون ها طراحی می شود، لازم است این ضوابط مطابق آنچه قبلا در خصوص طراحی ستون های با حد شکل پذیری زیاد خواندیم در طراحی دیوار لحاظ شوند.
در این پست ضوابط طراحی دیوار، دیوار پایه، تیر همبند و سایر اجزای دیوار برشی ویژه شرح داده میشه و نکات با ذکر انواع مثال بررسی خواهد شد.
ضوابط طراحی دیوارهای برشی
دیوارهای برشی یکی از مهمترین اجزای باربر جانبی سازه ها محسوب می شوند که هنگامی که با سطح شکل پذیری زیاد در سازه مورد استفاده قرار می گیرند، توجه به جزئیات به منظور تامین مقاومت و سختی کل سازه در آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.
در این اجزا نیز مشابه سایر اجزای بتن آرمه، لازم است ضوابط هندسی و آرماتورگذاری به خصوصی رعایت گردد که در ادامه خواهیم گفت.
ضوابط هندسی دیوارهای برشی
در تمام دیوارها و دیوارپایه هایی که مطابق سطح شکل پذیری زیاد طراحی می شوند لازم است محدودیت های هندسی زیر رعایت گردد:
1- ضخامت دیوارها حداقل باید برابر 150 میلی متر باشد.
2- در صورتی که طراحی و تعبیه عضو مرزی در دیوار ضروری باشد، حداقل عرض عضو مرزی باید برابر 300 میلی متر باشد.
3- در دیوارها باید تا حد امکان از ایجاد بازشوهای بزرگ خودداری کرد. در صورتی که تعبیه بازشوها باید به نحوی در نظر گرفته شود که عملکرد دیوار به صورت همبسته حفظ گردد. در غیر اینصورت لازم است با استفاده از تحلیل دقیق و یا آزمایش های مناسب، اثر وجود بازشو در دیوار و عملکرد آن بررسی شود.
4- در دیوارهی یکپارچه با جهات متعامد، مانند دیوارهای با مقاطعU، T و L شکل، به دلیل وجود دیوار متعامد، عرض موثر بال از بر جان که در محاسبات خمش و بارهای محوری در نظر گرفته می شود، در صورتی که از تحلیل دقیق تری استفاده نشود، حداکثر برابر موارد زیر است:
الف) نصف فاصله بین جان تا جان دیوار مجاور
ب) یک چهارم ارتفاع کل دیوار در ناحیه فوقانی مقطع مورد نظر.
be: عرض موثر دیوار در محاسبات خمش و بار محوری از بر جان
d1: فاصله خالص بین جان دیوارها
bw: ضخامت دیوار
hw: ارتفاع دیوار در قسمت فوقانی مقطع مورد نظر
بیشتر بدانیم
اجزای مرزی دیوار به قسمت هایی از نواحی انتهایی دیوار گفته می شود که تحت اثر خمش وارد بر دیوار بخش مهمی از نیروهای محوری را تحمل می کنند. از این رو در مقاومت و شکل پذیری دیوارها نقش اساسی دارند با توجه به مقدار بارهای وارده، در این نواحی از آرماتورگذاری طولی و عرضی ویژه علاوه بر آنچه در کل دیوار به کار رفته است در نظر گرفته می شود.
در واقع به بیان ساده تر، می توان نواحی مرزی را مانند ستون های نگه دارنده دیوارها در نظر گرفت. برای درک بهتر به شکل زیر که ناحیه مرزی دیوار را در دو حالت مختلف نشان می دهد، توجه کنید. در شکل 1 عرض ناحیه مرزی مشابه دیوار بوده و در شکل 2 عرض دیوار در ناحیه 2 عرض دیوار در ناحیه جز مرزی افزایش داده شده است.
نکته: اجزای مرزی معمولا در نواحی پیرامونی بازشوهای نسبتا بزرگ و همچنین دیافراگم ها نیز به کار برده می شوند.
مثال: شکل زیر پلان یک ساختمان بتن آرمه را با سیستم قاب خمشی ویژه به همراه دیوار برشی بتن آرمه ویژه را نمایش می دهد. ضخامت دیوارهای به کار رفته برابر 400 میلی متر بوده و دیوار شماره 1 فاقد ستون های پیرامونی می باشد. در صورتی که پلان مورد نظر مربوط به طبقه سوم از یک ساختمان 5 طبقه با ارتفاع هر طبقه 3.5 متر باشد، به هر یک از سوالات زیر پاسخ دهید. ابعاد مشخص شده در شکل بر حسب متر هستند.
الف) عرض موثر دیوارهای 1 و 2 در جهت X را محاسبه کنید.
ب) عرض موثر دیوار شماره 1 در راستای Y چقدر است؟
حل: همانطور که در پلان مشاهده می شود، دیوار شماره 1 یک دیوار U شکل متشکل از سه قسمت a ، b،c می باشد. در محاسبات مربوط به خمش ناشی از نیروی برشی در راستای x، قسمتی از عرض دیوارهای a و b نیز به عنوان عرض موثر در محاسبات خمش و بار محوری دیوار C تاثیر گذار خواهند بود. در این صورت مطابق رابطه بالا که گفتیم:
با توجه به اینکه دیوار دیگری به موازات قطعه c و متصل به آن بکار نرفته است، بنابراین در این حالت مقدار d1 وجود نداشته و فقط عبارت دوم از رابطه محاسبه می شود.
با توجه به اینکه طبقه مورد نظر طبقه سوم و کل تعداد طبقات ساختمان 5 می باشد، لذا دو طبقه د مقطع فوقانی طبقه مورد نظر وجود داشته، بنابراین مقدار hw با توجه به ارتفاع هر طبقه برابر است با:
بنابراین عرض موثر دیوار از بر جان برابر 1.75 متر در نظر گرفته می شود.
در دیوار شماره 2 به دلیل عدم وجود دیوار متعامد، مقدار be=0 در نظر گرفته می شود.
ب) در راستای y، در هر یم از قسمت های a و b از طول دیوار شماره 1، بخشی از طول دیوار c نیز به عنوان عرض موثر در نظر گرفته شده، لذا این دیوارها به صورت L شکل در نظر گرفته می شوند، بنابراین داریم:
ضوابط آرماتورگذاری دیوار
همانطور که پیش از این در قسمت طراحی دیوار خواندیم، دیوارها دارای دو نوع آرماتورهای افقی و قائم هستند که می توانند در یک یا دو شبکه در طول و ارتفاع دیوار به کار برده شوند. در دیوارهای با حد شکل پذیری زیاد نیز ضوابط مشخصی در خصوص درصد آرماتور مصرفی، فواصل میلگرد گذاری امتداد و قطع آرماتورها وجود دارد که لازم است رعایت گردد.
باید توجه شود که این ضوابط حداقل های آیین نامه بوده که حاصل از طراحی شرایط بحرانی تری را برای آرماتورگذاری دیوار ایجاب نماید، حتما مقادیر مورد نیاز باید با توجه به ضوابط کلی آیین نامه تامین گردد.
در ادامه مهمترین شرایط این ضوابط را با شما عزیزان مرور می نماییم.
1- در دیوارهای سازه ای، نسبت حداقل مساحت آرماتورهای قائم و افقی به مساحت کل دیوار برابر 0.0025 در نظر گرفته می شود.
Pt,Pl≥0.0025
Pt: درصد آرماتورهای افقی دیوار
Pl: درصد آرماتورهای قائم دیوار
در دیوارهایی که نیروی برشی طرح دیوار از 0.083Acvλ√f’c بیشتر نباشد، می توان گفت مقدار آرماتور افقی دیوارها را کاهش داده و از ضوابط طراحی دیوارهای معمولی تحت نیروی برشی داخل صفحه برای آنها استفاده نمود.
همانطور که قبلا گفتیم، حداقل درصد میلگردهای افقی در این صورت بر حسب قطر و مقدار مقاومت تسلیم فولاد مصرفی محاسبه می شود. در این خصوص پارامتر Acv معرف سطح مقاوم در برابر برش بوده و با استفاده از حاصلضرب ضخامت دیوار در طول آن محاسبه می شود. λ نیز صریب اثر بتن سبک می باشد.
در این حالت به طور خلاصه می توان درصد میلگرد افقی را مطابق جدول زیر تعیین نمود.
2- حداکثر فاصله مرکز تا مرکز میلگردها در هر یک از امتدادهای افقی و قائم دیوارها برابر 350 میلی متر در نظر گرفته می شود.
3- میلگردهایی که در صفحه دیوار ایجاد برش Vn می نمایند، به صورت ممتد بوده و در صفحه برش توزیع گردند. این موضوع یعنی از اجزای وصله پوششی در میلگردهای افقی دیوار برشی باید پرهیز شود.
4- در دیوارهایی که در آنها Vu>0.17Acvλ√f’c و یا hw/lw≥2 می باشد. بکارگیری میلگردها در دو شبکه الزامی است. Vu برش طرح دیوار، hw ارتفاع کل و lw طول افقی کل دیوار می باشد.
5- در خصوص وصله و مهار میلگردهای دیوارها لازم است موارد زیر رعایت شود:
الف) آرماتورهای طولی دیوار به جز در قسمت فوقانی دیوار، باید تا طولی حداقل برابر 3700 میلی متر پس از مقطعی که وجود آنها برای تحمل خمش ضروری نیست، ادامه داده شوند. نیازی به در نظر گرفتن این طول بیشتر از مقدار ld نسبت به طبقه فوقانی وجود ندارد.
ب) در محل هایی که امکان تسلیم آرماتورهای طولی دیوار در اثر وجود تغییر مکان های نسبتا بزرگ وجود دارد، به دلیل در نظر گرفتن اثر کرنش سخت شدگی و همچنین فراتر رفتن تنش آرماتور از تنش حد تسلیم fy، طول مهاری آرماتورها باید 1.25 برابر طول مهاری محاسبه شده تحت اثر کشش ld در نظر گرفته شود.
ج) به منظور جلوگیری از وقوع شکست های موضعی و کرنش های بیش از حد انتظار آرماتورها در اثر تغییر مکان های جانبی دیوار، محل وصله پوششی در نواحی مرزی دیوار باید کنترل شده باشد. به همین دلیل استفاده از وصله پوششی در محل های اشاره شده در زیر در مقطع بحرانی محاسبات خمش و یا نیروی محوری مجاز نمی باشد.
1)در فاصله ای برابر کمترین دو مقدار 6100 میلی متر و یا hsx در بالای مقطع بحرانی، که پارامتر hsx معرف ارتفاع دیوار در طبقه مورد نظر می باشد.
2)به مقدار طول مهاری میلگرد ld در ناحیه تحتانی مقطع بحرانی.
در این تعریف نواحی مرزی شامل بعد جزء مرزی که مطابق ضوابط قسمت بعدی محاسبه می شود و همچنین قسمت هایی به اندازه ضخامت دیوار از بر دیوارهای متقاطع در هر جهت می باشد.
برای درک بهتر موارد فوق، به شکل زیر که دیوار یک ساختمان چند طبقه را نمایش می دهد توجه فرمایید. در این شکل محل های غیر مجاز برای وصله پوششی از آرماتورهای طولی در نواحی مرزی نشان داده شده است.
6- در دیوارها و یا دیوار پایه هایی که در آنها نسبت ارتفاع به طول بیشتر از 2 می باشد (hw/lw≥2) و به طور موثر از تکیه گاه تا بالای دیوار پیوسته هستند و به گونه ای طراحی شده اند که مقطع بحرانی خمش و بار محوری در آنها شامل یک مقطع در ارتفاع دیوار می باشد، لازم است آرماتورگذاری طولی در دو انتهای مقطع دیوار با رعایت شرایط زیر در آنها تعبیه گردد.
الف) آرماتورگذاری طولی در دو انتهای دیوار باید در طول 0.15lw و عرض ضخامت دیوار در نظر گرفته شود.
با توجه به هندسه دیوار و یا دیوار پایه طول انتهایی دیوار در هر جهت برابر مقدار فوق باید در نظر گرفته شود. برای درک بهتر به شکل های زیر توجه کنید.
ب) درصد حداقل آرماتورهای طولی (قائم) دیوار در نواحی انتهایی که در قسمت الف معرفی شد باید برابر :
ج) آرماتورهای طولی که مطابق موارد فوق در انتهای دیوار یا دیوار پایه تعبیه می شود، باید به مقدار حداقل lw و Mu/3Vu در نواحی فوقانی و تحتانی مقطع بحرانی دیوار یا دیوار پایه امتداد داشته باشد. Mu لنگر خمشی نهایی ضریبدار در مقطع بحرانی و Vu نیروی برشی نهایی ضریبدار دیوار در مقطع بحرانی می باشد.
د) به منظور وصله آرماتورهای قائم در نواحی انتهایی دیوار، در هر مقطع فقط حداکثر 50 درصد از آرماتورها را می توان وصله نمود.
مثال: یک دیوار بتن آرمه با ضخامت 400 میلی متر را که با ضوابط سازه های با سطح شکل پذیری زیاد طراحی شده است در نظر بگیرید. طول افقی دیوار برابر 7 متر و ارتفاع آن برابر 5 متر در نظر گرفته می شود. در صورتی که در نظر باشد از میلگردهای آجدار از رده S420 به قطر 16 میلی متر در این دیوار استفاده شود به هر یک از سوالات زیر پاسخ دهید. بتن مصرفی از رده C25 می باشد.
الف) در صورتی که نیروی برشی طرح دیوار برابر 2400 کیلونیوتن باشد، آرایش میلگرد گذاری حداقل افقی و قائم دیوار را بدون توجه به مقادیر محاسباتی مورد نیاز تعیین کنید.
ب) در صورتی که با افزایش المان های مقاوم دیگر در برابر نیروی جانبی، نیروی برشی طرح دیوار به مقدار 60 درصد کاهش یابد، مقدار آرماتورهای افقی و قائم حداقل دیوار چگونه تغییر می کند؟
حل: الف) مقدار نسبت حداقل آرماتور قائم و افقی در دیوارها برابر 0.0025 می باشد. در حالتی که Vu≤0.083Acvλ√f’c باشد، می توان مقدار آرماتور افقی دیوار را مطابق جدول کاهش داد. بنابراین با مقایسه نیروی برشی طرح دیوار با مقدار مرزی داریم:
بنابراین نسبت حداقل آرماتور در هر دو راستای افقی و قائم برابر 0.0025 می باشد.
Asl: مساحت آرماتورهای قائم
Ast: مساحت آرماتورهای عرضی
h: ضخامت دیوار
lw: طول افقی دیوار
hw: ارتفاع دیوار
نکته قابل توجه این است که در محاسبات فوق، Asl و Ast کل مساحت میلگردهای موجود در ضخامت دیوار می باشد. در واقع در صورتی که دیوار دارای دو شبکه میلگرد باشد، باید مساحت هر دو شبکه در محاسبه Asl و Ast لحاظ گردد.
از طراحی دیوارهای معمولی به خاطر دارید که در دیوارهای با ضخامت بیش از 250 میلی متر، لازم است از دو شبکه میلگرد در هر راستا استفاده شود. در دیوارهای با سطح شکل پذیری زیاد این الزام به نیروی برشی طرح دیوار و همچنین نسبت ارتفاع به طول آن وابسته شده است.
در صورتی که یکی از دو شرط زیر برقرار باشد، به کارگیری دو شبکه میلگرد در دیوار الزامی است.
از طرفی همانطور که گفتیم، فاصله حداکثر میلگردهای در دو راستا نباید از 350 میلی متر بیشتر شود، بنابراین حداقل میلگردهای قابل کاربرد در این دیوار بدون توجه به مقادیر محاسباتی، Φ16@350mm در هر دو راستای افقی و قائم در دو شبکه می باشد.
تذکر: دقت شود در محاسبه مساحت میلگردهای قائم و افقی طول توزیع میلگردها برابر 1 متر در نظر گرفته شده است.
ب) با کاهش نیروی برشی طرح دیوار، مجدد شرط Vu≤0.083Acvλ√f’c را کنترل می کنیم.
بنابراین مطابق جدول بالا با توجه به برقراری دو شرط فوق و همچنین رده میلگرد و قطر انتخابی آن Φ16 و S420 می توان درصد میلگردهای افقی دیوار را برابر 0.002 در نظر گرفت. در این صورت داریم:
بنابراین مجددا مقدار حداکثر فاصله 350 میلی متر تعیین کننده بوده و لازم است از میلگردهای نمره 16 با فاصله 35 سانتی متری در راستای افقی و قائم هر یک از دو شبکه استفاده گردد.
بیشتر بدانیم
مطابق نتایج بدست آمده از حالت های الف و ب در تمرین فوق، چرا در حالت دو نیز با وجود اینکه Vu≤0.017Acv√f’c می باشد، میلگردها را در دو شبکه در نظر گرفتیم؟
پاسخ بسیار سادست باید توجه شود در خصوص به کارگیری آرماتورها در یک یا دو شبکه، حتما الزامات کلی دیوار مطابق آنچه قبلا گفتیم باید رعایت گردد و الزاماتی که در این قسمت می خوانیم به نوعی مکمل ضوابط پیشین است.
در واقع با توجه به ضخامت این دیوار حتما استفاده از دو شبکه میلگرد ضروری است. حتی اگر دو شرط گفته شده نیز برقرار نباشند، به عبارتی می توان این شرط را در مورد دیوارهای با ضخامت کمتر از 250 میلی متر که می توانند فقط دارای یک شبکه میلگرد نیز باشند، تعیین کننده دانست.
مثال: محاسبات نشان می دهد که در یکی از دیوارهای برشی که یک ساختمان یک طبقه بتنی با شکل پذیری زیاد که ارتفاع آن 6 متر و طول آن 4.8 متر است، نسبت میلگرد های قائم مورد نیاز ناشی از بارهای محوری و لنگر خمشی نهایی 0.3 درصد و نسبت میلگردهای افقی ناشی از بارهای برشی نهایی 0.38 درصد است. چنانچه ضخامت دیوار برابر 400 میلی متر باشد و در هر امتداد از دو شبکه میلگرد استفاده شود، کدامیک از گزینه های زیر حداقل میلگردگذاری صحیح برای دو شبکه را نشان می دهد؟
1- میلگرد قائم Φ14@200mm و میلگرد افقی Φ14@200mm
2- میلگرد قائم Φ12@250mm و میلگرد افقی Φ12@200mm
3- میلگرد قائم Φ14@200mm و میلگرد افقی Φ14@150mm
4- میلگرد قائم Φ12@200mm و میلگرد افقی Φ12@150mm
حل: همانطور که مشاهده می شود مقدار نسبت میلگردهای محاسباتی در هر دو راستا از مقادیر حداقل بیشتر است. بنابراین میلگردهای مورد نیاز براساس مقادیر محاسباتی بدست می آیند.
با توجه به اینکه مقدار حداقل مورد نیاز خواسته شده بنابراین گزینه 1 صحیح است.
تذکر: دقت شود مقدار حداکثر فاصله بین میلگردها که برابر 350 میلی متر است، در تمام گزینه های رعایت شده است.
مثال: یک دیوار برشی بتن آرمه که مطابق ضوابط سطح شکل پذیری زیاد طراحی شده است را در نظر بگیرید. طراحی این دیوار که به طول 6 متر و ارتفاع 12 متر در کل ارتفاع سازه به کار رفته است، به نحوی انجام گرفته است که مقطع بحرانی خمش و بارهای محوری در محل اتصال دیوار و فونداسیون می باشد. در صورتی که ضخامت این دیوار برابر 350 میلی متر باشد، کدامیک از گزینه های زیر را می توان به عنوان حداقل آرماتور طولی دیوار در نواحی انتهایی آن بدون توجه به مقادیر محاسباتی به کار برد؟ مصالح مصرفی بتن C30 و فولاد S400 در نظر گرفته می شود.
1- 10Φ25
2- 10Φ16
3- 10Φ20
4- 10Φ18
حل: همانطور که خواندیم، در دیوارهایی که در آنها hw/lw≥2 بوده و به صورت پیوسته تا بالای سازه ادامه دارند، به نحوی که در طراحی آنها یک مقطع بحرانی برای خمش و بارهای محوری وجود دارد، لازم است آرماتورهای طولی در نواحی انتهایی دیوار به طول 0.15lw و به مقدار حداقل 0.5f’c/fy تعبیه گردد. با توجه به اینکه در این دیوار شرایط فوق برقرار است، بنابراین لازم است آرماتورگذاری آن نیز به شیوه گفته شده انجام گردد.
با فرض اینکه کل مساحت آرماتور طولی در هر انتهای دیوار برابر As باشد، داریم:
با توجه به اینکه در تمام گزینه ها عدد 10 استفاده شده است داریم:
بنابراین گزینه 4 صحیح است.
مثال: شکل زیر مقطع یک دیوار بتن آرمه طره ای که مطابق ضوابط سازه های با شکل پذیری زیاد طراحی شده است را نشان می دهد. در صورتی که ارتفاع این دیوار برابر 8 متر باشد، کدامیک از گزینه های زیر را می توان به عنوان حداقل مساحت آرماتورهای طولی در هر یک از دو انتهای دیوار بدون در نظر گرفتن مقادیر مورد نیاز محاسباتی به کار برد؟ بتن مصرفی از رده C25 و فولاد S400 می باشد. اندازه های شکل بر حسب میلی متر هستند.
1- 1500 2- 900 3- 1875 4- 1130
حل: با توجه به اینکه دیوار طره ای است، بنابراین یک مقطع بحرانی برای خمش و بارهای محوری در ارتفاع آن وجود دارد. از طرفی با محاسبه ارتفاع به طول کل دیوار داریم:
بنابراین لازم است در نواحی انتهایی دیوار آرماتورگذاری صورت گیرد. با توجه به ایمکه آرماتور گذاری در طول 0.15lw در هر انتهای دیوار قرار می گیرد خواهیم داشت:
بنابراین گزینه 1 صحیح است.
ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی – ضوابط طراحی دیوارهای برشی
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.