دیوار برشی بتنی و فولادی و بهترین محل اجرای آن

دیوار برشی یک حائل عمودی مستحکم است که از سازه‌ها که در برابر نیروهای جانبی محافظت می‌کند. این مقاومت از طریق برش (shear) و خمیدگی (bending) این عضو تأمین می‌شود. این عضو برای ساختمان‌های چند طبقه و بلند و یا ساختمان‌های معمولی که در مناطق بادخیز قرار دارند، اجرا می‌شود. ساخت این دیوارها معمولاً از سطح فونداسیون شروع می‌شود. ضخامت آن‌ها در ساختمان‌های بلند می‌تواند از 150 میلی‌متر تا کمتر از 400 میلی‌متر باشد. دیوارهای برشی مانند تیرهای عریض جهت‌‌دار، بار زمین‌لرزه یا هر نیروی جانبی دیگر را از دیوارهای خارجی، کف‌ها و سقف سازه به سمت پایه منتقل می‌کنند. رفتار دیوار برشی، به ضخامت دیوار، طول آن، موقعیت دیوار در قاب ساختمان و مواد استفاده شده در ساخت آن بستگی دارد. در کشورهای درحال توسعه، دیوارهای برشی ستون فقرات صنعت ساخت و ساز هستند. در مواردی که ارتفاع سازه نسبت به مساحت آن بیشتر است، وجود این عضو بسیار مفید تلقی می‌شوند. به ویژه در مورد ساختمان های بلند مرتبه که تأثیر نیروهای جانبی باد و زمین لرزه بیشتر است.

انواع shear wall از نظر مصالح مورد استفاده در ساخت آن‌ها:

1. دیوار برشی فولادی.
2. دیوار برشی بتن مسلح.
3. دیواربرشی مصالح بنایی.
4. دیواربرشی چوبی.

انواع shear wall بر اساس شکل ظاهری و فرم آن:

1. دیواربرشی جفت: دیوار حاصل از اتصال اسپندل‌های پایه‌های دیوارهای برشی به عنوان دیوار برشی جفت یا کوپل شده (Coupled) شناخته می‌شود. این دیوارها به کمک تیرها و دال‌های متصل، به هم جفت شده‌اند. این مقاطع به هم وصل می‌شوند و هر کدام رفتار جداگانه دارند.
2. مونولیتیک: شامل سه نوع کوتاه، طره‌ای و اسکوات است.
3. تخت و کانالی: به سه دستۀ لبه‌دار، کانالی و تخت (صفحه‌ای) تقسیم می‌شود. این تقسیم‌بندی بر اساس سطح مقطع آن‌ها صورت گرفته است.
4. دیوار برشی قاب صلب.
5. مستطیلی ساده و فلنج‌دار.

دیوار برشی فولادی (steel plate shear walls) معمولاً در ساختمان‌های اسکلت فلزی و در مواردی که تعداد طبقات زیاد و ارتفاع سازه بالاست، اجرا می‌شود. این shear wall معمولاً از صفحه یا ورق فولادی، ستون مرزی یا حاشیه‌ای و تیر پشتی که به صورت افقی است، تشکیل می‌شود. ستون‌ها به عنوان بال یا فلنج و صفحات فولادی به عنوان جانِ (web) شاه تیرهای صفحه عمل می‌کند. تیرهای افقی پشتی نیز تقریباً به عنوان سخت‌کننده شاه‌تیرهای صفحه عمل می‌کنند. همانطور که در تصویر شماتیک ملاحظه می‌کنید، مقطع فولادی که به عنوان ستون استفاده می‌شود، هاش است. از تیرآهن معمولی نیز به عنوان تیر استفاده می‌شود.

اجرای دیواربرشی بتن مسلح (RC Shear wall) در ساختمان‌های مسکونی کوچک و بزرگ رایج است. آرماتور از یکی از اجزای تشکیل دهندۀ RC Shear wallهاست که در دو جهت افقی و عمودی به کار گرفته می‌شود. میلگردهایی که به صورت عمودی و به عنوان تقویت کننده در این دیوارها استفاده می‌شود، در زون انتهایی دیوار و نزدیکی دهانه درب و پنجره اجرا می‌شوند. به منظور افزایش مقاومت، بهتر است میلگردها را با استفاده از خاموت یا تنگ، دورپیچ کنند. ضخامت دیوار برشی مسلح به عوامل مختلفی از جمله سن ساختمان، ارتفاع سازه و عایق حرارتی سازه بستگی دارد. اما این ضخامت به طور معمول، 140 تا 500 میلیمتر است. RC Shear wall معمولاً دولایه است و کل ارتفاع سازه را به صورت پیوسته در بر می‌گیرد.

دیوارهای برشی چوبی (Plywood Shear Wall) یا تخته سه لا، نوع سنتی shear wallهاست که در سازه‌های با اسکلت چوبی اجرا می‌شود. این shear wall شامل تخته سه لا و گل میخ تشکیل است. صفحات تخته سه لا وظیفه انتقال نیروهای برشی را بر عهده دارند. گل میخ‌ها نیز در برابر نیروهای کششی و فشارشی مقاومت ایجاد می‌کنند. علاوه بر تخته سه لا، می‌توان از تخته OSB (Oriented Strand Board) هم استفاده کرد. اما تخته سه لا بهتر و کارآمدتر است. برخی از طراحان استفاده از تخته سه لا را در مناطق خاص توصیه می‌کنند؛ زیرا در برابر رطوبت مقاومت بیشتری دارد. در دیوارهای برشی چوبی، حدأقل ضخامت غلاف دیوار برشی می‌بایست 15.32 اینچ باشد. بعد از زلزله نورتریج (Northridge) آمریکا مشخص شد دیوارهای برشی ساخته شده با تخته سه لا، کارایی بهتری نسبت به دیوارهای برشی ساخته شده با مصالح بنایی (سیمان پرتلند و گچ) دارند.

فرایند اجرای shear wall چه در سازه های فلزی و چه در سازه های بتنی، از یک روند کلی ثابت، به شرح زیر پیروی می کند.

1. آرماتوربندی: آرماتوربندی دیوارهای برشی به دو صورت است: عمودی و افقی که در فواصل مشخصی نسبت به هم صورت می‌گیرد. آرماتوربندی عمودی دیوارهای برشی در زمان اجرای آرماتوربندی فونداسیون و در محلی که از قبل تعیین شده است، انجام می‌شود.
2. قالب‌بندی: محل قرارگیری آرماتورهای افقی و قائم در زمان قالب بندی بسیار مهم است. قالب‌بندی باید به نحوی باشد که بتن بتواند به راحتی از میان آرماتورها حرکت کند. پس از قرار دادن آرماتورها در فضای بین قالب‌ها، صفحات قالب را با پین و گوه به یکدیگر و به آرماتورها متصل می‌کنند.
3. بتن ریزی: پس از اطمینان از محکم بودن اتصالات قالب‌ها، نوبت به بتن‌ریزی می‌رسد. همزمان با بتن‌ریزی باید با استفاده از دستگاه‌های ویبراتور، از جای‌گیری مناسب بتن در میان میلگرد‌های افقی و عمودی اطمینان حاصل کرد.

یک دیوار shear wall معمولاً به عنوان یک قاب مهاربند لحظه‌ای طراحی شده و معمولاً از فولاد و یا بتن مسلح ساخته می‌شود. اجزای یک دیوار برشی شامل موارد زیر است:

در مورد انواع فولادی: قاب که شامل ستون حاشیه‌ای (المان عمودی) و تیر پشتی (المان افقی) است، صفحه یا ورق فولادی (از جنس ورق سیاه).

در مورد انواع بتن مسلح: ترکیب بتن و میلگرد آجدار.

 بهترین محل یا موقعیت قرارگیری دیوار برشی، در مرکز هر نیمه از ساختمان است. با این حال، قرار دادن shear wallها در این موقعیت ها به لحاظ عملی ممکن نیست. به همین دلیل، shear wallها را اغلب در گوشه‌ها و انتهای سازه اجرا می‌کنند. اگر در زمان طراحی سازه، دیوار برشی و محل اجرای آن به درستی طراحی شده باشد، وظیفه خود را از انتقال نیروهای افقی به عنصر بعدی تحمل کننده در مسیر خود، مانند پایه‌ها، اسلب، دیوارهای فونداسیون (foundation walls)، کف یا سایر دیوارهای برشی تحقق می‌بخشد. به طور معمول، در ساختمان‌های کوچک، دیوار برشی فقط در دیوارهای خارجی اجرا می‌شود؛ اما در سازه های بزرگ‌تر، ممکن است در مورد دیوارهای داخلی نیز طراحی و اجرا شود.

برای بهبود کارایی دیوار برشی، راهکارهایی وجود دارد؛ از جمله:

• وصل کردن پایه های دیواربرشی با استفاده از اسپندل.
• ایجاد دهانه ها با الگوی متعادل.

منظور از بازشو در دیواربرشی، وجود درب و پنجره است. در برخی موارد، طراحی معماری سازه به نحوی است که یک بازشو در Shear wall اجرا می‌شود. این بازشو می توان کوچک یا بزرگ باشد. برخلاف بازشوهای بزرگ، بازشوهای کوچک تأثیر چندانی بر دیوار نمی‌گذارند. اما بازشو خواه کوچک باشد خواه بزرگ، لازم است تا در اطراف آن آرماتورگذاری شود. این کار جهت تقویت بازشو لازم است. علاوه بر این، به منظور عملکرد یکپارچه دیوار، اطراف بازشوها باید با تیر همبند به هم متصل شود.

بازشوهای کوچک

در مورد بازشوهای کوچک، به اندازه 1.5 برابر فولاد عرضی قطع شده در محل بازشو، در اطراف بازشو میلگرد تعبیه می‌شود. در گوشه‌های بازشو نیز حدأقل دو میلگرد مورب با قطر 16 میلیمتر قرار داده می‌شود. این کار باعث می‌شود تا از بروز ترک‌هایی که معمولاً از گوشه‌ها ایجاد می‌شوند، جلوگیری شود.

بازشو یا درب و پنجره بزرگ در دیوار برشی

در مورد بازشوهای بزرگ لازم است تا در بالا و پایین بازشو، تیر همبند قرار داده شود. وجود تیر همبند به عملکرد مطلوب قطعاتی که قسمت های مختلف دیوار را به هم مرتبط می‌کند، کمک می کند. برای جلوگیری از ترک‌هایی که از گوشه‌ها ایجاد می‌شوند نیز بهتر است از دو دسته آرماتور به صورت ضربدری اجرا شود. این دو دسته آرماتور ضربدری باید در قطعات میانی تیر همبند اجرا شود. عملکرد آرماتور ضربدری همانند بادبند ضربدری است.

در شکل، دو نوع رایج از دیوارهای برشی فولادی نشان داده شده است: Stiffened و Unstiffened. بسته به شرایط، هر یک از این دو نوع، می‌تواند با بازشو یا فاقد بازشو باشد. در تصویر شماره 3 و 4 می‌توانید اجرای بازشوها را ببینید. دیوارهای برشی فولادی Unstiffened در مناطق لرزه خیز آمریکای شمالی بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد. نوع Stiffened نیز عمدتاً در ژاپن اجرا می‌شود.

دیوار برشی نوسانات جانبی ساختمان را کاهش می‌دهد. از این رو، یکی از مؤثرترین اجزای ساختمانی در برابر نیروهای جانبی ناشی از زمین‌لرزه محسوب می‌شود. همچنین در برابر بارهای موازی با سطح دیوار، مقاومت ایجاد می‌کند. ساختمان‌های دیوار برشی در بسیاری از کشورهای زلزله خیز یک انتخاب معمول بوده و در کاهش هزینه‌های ساخت، کارآمد است. در مناطقی که به لحاظ لرزه‌ای فعال هستند، طراحی و اجرای این عضو می‌بایست با دقت بیشتری صورت گیرد. از دیگر مزایای این عضو می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

1. ساخت و اجرای آن در ساختمان آسان بوده و زمان‌بَر نیست.
2. سبک بوده و نسبت به دیگر دیوارهای سازه، نازک‌تر هستند.
3. به طور قابل توجهی نوسانات جانبی را کاهش می‌دهد.
4. مقاومت و سختی زیادی در جهت گیری ها ایجاد می‌کنند.
5. استحکام و سختی در جهت تراز فراهم می‌کند.
6. منطقه پشتیبانی آن در مقایسه با قاب های RCC زیاد است.
7. در به حدأقل رساندن خسارت‌های ناشی از زلزله کارآمد است.
8. آسیب‌های وارد به عناصر سازه ای و غیر سازه ای را به حدأقل می‌رساند.
9. پایداری سازه را افزایش می‌دهد.
10. همراه با دیوارهای جانبی دیگر، ثبات سه بعدی را برای سازه ها فراهم می‌کند.
11. در برابر نیروهای برشی که می‌خواهد دیوار را به سمت بالا فشار دهد، مقاومت ایجاد می‌کند.
12. در برابر نیروهای جانبی که باعث می‌شود دیوارها به داخل و خارج سازه فشار آورد، مقاومت ایجاد می‌کند.
13. به مقاومت سازه در برابر بارهای جاذبه / عمودی، بار زلزله و نیروهای ناشی از طوفان و بادهای شدید کمک می‌کند.

1. ساخت این عضو، سختی و صلبیت زیادی را در ساختمان ایجاد می‌کند که این خود می‌تواند به سازه آسیب رساند.
2. به اتصالات لحظه‌ای بزرگ نیاز دارد.
3. گاهی اوقات نمی‌توان یک دیوار برشی را بدون دهانه‌هایی مانند دهانه درب و پنجره ساخت.