دیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمان های فولادی در حدود ۱۵ سال اخیر مورد توجه خاص مهندسان سازه قرار گرفته است. ویژگی های منحصر به فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است ، از ویژگی های آن اقتصادی بودن ، اجرای آسان ، وزن کم نسبت به سیستم های مشابه ، شکل پذیری زیاد ، نصب سریع ، جذب انرژی بالا و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه را می توان نام برد. تمام دلایل ما را به این فکر آن وا داشت که استفاده از آن را در ترمیم و تقویت سازه های بتنی مورد مطالعه قراردهیم. چون این سیستم دارای وزن کم بوده ، به سازه بار اضافی وارد نکرده و حتی با اتصالاتش باعث تقویت تیر وستونهای اطراف خود می شود. همچنین این سیستم نیازی به تجهیزات خاص ندارد و می توان بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضا سازه ای به بقیه اجزای سازه ای وصل شود. البته طراحی این سیستم در مقاوم سازی سازه های بتنی بغیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی آید.

ترمیم و تقویت سازه های بتنی : 

دیوارهای برشی فولادی SSW2 برای گرفتن نیروهای جانبی زلزله و باد در ساختمان های بلند در سالهای اخیر مطرح و مورد توجه قرار گرفته است. این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به گسترش می باشد در ساخت ساختمان های جدید و همچنین ترمیم و تقویت سازه های بتنی موجود به خصوص در کشورهای زلزله خیزی همچون آمریکا و ژاپن بکار گرفته شده است . استفاده از آنها در مقایسه با قابهای ممان گیر تا حدود ۵۰% صرفه جویی در مصرف فولاد را در ساختمان ها به همراه دارد. دیوار های برشی فولادی از نظر اجرائی ، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچگونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد . لذا مهندسان ، تکنسین ها و کارگران فنی با دانش فنی موجود و بدون نیاز به کسب مهارت جدید می توانند آنرا اجرا نمایند . دقت انجام کار در حد دقت های متعارف در اجرای سازه های فولادی بوده و با رعایت آن ضریب اطمینان اجرائی به مراتب بالاتر از انواع سیستم های دیگر می باشد. با توجه به سادگی و امکان ساخت آن در کارخانه و نصب آن در محل ، سرعت اجرای سیستم بالا بوده واز هزینه های اجرائی تا حد بالایی زیادی کاسته می شود. سیستم از نظر سختی برشی از سخت ترین سیستم های مهاربندی که X شکل می باشد، سخت تر بوده و با توجه به امکان ایجاد بازشو در هر نقطه از آن، کارائی همه سیستم های مهاربندی را از این نظر دارا می باشد.

ترمیم و تقویت سازه های بتنی : 

همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیستم های مهار بندی بهتر است. در سیستم دیوارهای برشی فولادی به علت گستردگی مصالح و اتصالات، تعدیل تنش ها به مراتب بهتر از سیستمهای مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قاب ها وانواع مهاربندی که معمولاً در آنها مصالح به صورت دسته شده و اتصالات متمرکز می باشند، صورت گرفته و رفتار سیستم بخصوص در محیط پلاستیک مناسب تر می باشد. گزارش اولیه تحقیقات انجام شده در تابستان سال ۲۰۰۰ میلادی در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان می دهد، ظرفیت دیوارهای برشی فولادی برای مقابله با خطراتی مانند زلزله، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم ها مثل قابهای ممان گیر ویژه حداقل ۲۵% بیشتر می باشد. در آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده گردیده است که ظرفیت آن حدوداً  ۶۶۷۰KN می باشد. آزمایش های مذکور نشان می دهد، دیوارهای برشی فولادی دارای شکل پذیری بسیار بالائی هستند. به لحاظ اهمیت موضوع بودجه این تحقیقات که به منظور دستیابی به یک سیستم مطمئن جهت ساخت ساختمان های فدرال آمریکا برای آنکه بتوانند در مقابل خطراتی مانند زلزله، طوفان و بمب مقاومت نمایند، توسط بنیاد ملی علوم آمریکا و اداره خدمات عمومی آمریکا تأمین گردیده است.

ساختمان های ساخته شده با استفاده از دیوار برشی فولادی : 

اولین ساختمان ساخته شده با استفاده از این روش بیمارستانی در لس آنجلس به نام بیمارستان Sylmar بود. یکی از بزرگترین سازه های ساخته شده با سیستم دیوار برشی فولادی ساختمان شینجوکونومورا ۳ در توکیو است که این ساختمان دارای ۵۱ طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین ۲۱۱ متر است . ۵ طبقه آن درزیر زمین واقع بوده و ۲۷٫۵ مترآن پایین تر از سطح زمین قرار دارد و برای اجتناب از بکارگیری دیوار برشی بتنی، از سیستم دیوار برشی فولادی در هسته های مرکزی ساختمان که اطراف آسانسورها، پله ها و رایزرهای تأسیساتی می باشد، استفاده گردید. یکی از کاربردهای این پانلها در تقویت سازه های بتنی در ساختمان مرکز درمانی در چارلستون می باشد این سازه در اثر زلزله ۱۹۶۳ آسیب دیده بود این ساختمان متشکل از ساختمان های متعددی از یک تا پنج طبقه می باشد که زیر بنای آنها نزدیک به ۳۲۵۰۰ متر مربع است . برای تقویت این سازه از بهترین تیم طراحی وتحقیقاتی استفاده گردید.

بعد از بررسی های فراوان این سیستم را با توجه به دلایل زیر مناسب دانستند :

جلوگیری از اخلال در کار روزانه و کاهش مشکلات برای بیماران ، بعلت سرعت نصب آن جلوگیری از کاهش زیر بنای مفید و اتلاف فضاها پیش بینی امکان تغییرات در آینده ، زیرا در دیوار برشی فولادی به سادگی می توان تغییرات مورد نظر را اعم از جابجائی معماری و یا ایجاد بازشو به خاطر عبور تاسیسات داد جلو گیری از ازدیاد وزن سازه به جز ساختمان های بالا سازه های فراوانی از جمله :  ساختمان مرکزی ۵۴ طبقه بانک وان ملون در پیتسبورگ پنسیلوانیای آمریکا ساختمان مسکونی ۵۱ طبقه واقع در سان فرانسیسکو ساختمان ۲۵ طبقه در ادمونتون کانادا ساختمان ۳۲ طبقه بایرهویچ هوس در لورکوزن آلمان (Byer-Hochhaus) ساختمان ۲۰ طبقه دادگاه فدرال در سیاتل آمریکا برای ترمیم و تقویت سازه های بتنی کتابخانه ایالتی اورگ (Oregon state library) را می توان نام برد که در آن برای تقویت از دیوار برشی فولادی برشی فولادی استفاده شده است.

معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای ترمیم و تقویت سازه های بتنی ساخته شده  

سال ۱۹۹۵ زلزله در Hugoken-Nanbu4 که زلزله مهیبی بود، باعث کشته و مجروح شدن انسانهای زیادی شد. ساختمان های بسیاری آسیب جدی دیدند و ساختمان هایی که قبل از سال ۱۹۸۱ و مخصوصاً قبل از ۱۹۷۱ ساخته شده بودند، خسارت شدیدی را متحمل گردیدند و حتی برخی از آنها فرو ریختند. این امر نشانگر این است که آیین نامه و مقررات قدیمی برای طراحی ساختمان به نحو مناسبی نیروهای زلزله و شکل پذیری سازه ای را در نظر نگرفته اند . در سال ۱۹۹۹ زلزله در chi -chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاری از سازه ها شد. دوباره این ساختمانهایی که قبل از سال ۱۹۸۳ طراحی و ساخته شده بودند، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه ۱۹۹۹ تمام مقررات و آیین نامه های زلزله مورد بازبینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند. ضرایب لرزه ای منطقه ای در هر ناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید. برای مثال شتاب زمین لرزه در منطقه Taichung از ۰٫۲۳g به ۰٫۳۳g افزایش یافت. در نتیجه تقریبا همه ساختمانها در Taichung مطابق با مقررات طراحی جدید احتیاج به مقاوم سازی پیدا کردند. هدف این پروژه افزایش و بهبود بخشیدن مقاومت لرزه ای جهت ساختمان های بتن مسلح می باشد .

این پروژه برای ترمیم و تقویت سازه های بتنی شامل سه زیر مجموعه است که شامل :

• پیدا کردن و پی بردن به میزان کمبود مقاومت لرزه ای ساختمان های بتن آرمه موجود بر اساس آیین نامه جدید. • مسأله نیروهای وارد بر سازه کناری و همجوار بعلت تغییر مکانهای بیش از اندازه جانبی آنها. • تحقیق در مورد دو روش برای جذب انرژی توسط پانلهای برشی فولادی و بادبند فولادی برای بهبود مقاومت لرزه ای سازه های موجود.

مشخصات لرزه ای پانلهای برشی فولادی با نقطه تسلیم پایین (LYP)

استفاده از دیوار برشی فولادی باعث بهبود مقاومت لرزه ای سیستم در طراحی ساختمان های جدید و مقاوم کردن ساختمان های ساخته شده می شود. صفحات فولادی نازک تمایل به کمانش دارند و از این رو ظرفیت جذب انرژی در این رو صفحات محدود است. اخیراً روشهای جدید و تکنولوژی های بدست آمده در زمینه فلزات، صفحات فولادی جدید را در دسترس ما گذاشته است. این نوع فولاد دارای تنش تسلیم کمتر افزایش طول بالا می باشند و توانایی تغییر شکل دادن و جذب انرژی بیشتری را قبل از شکستن از خود نشان می دهند. یکی دیگر از ویژگی های آن پایین بودن نقطه تسلیم است که این باعث افزایش ناحیه پلاستیک آن می شود و باعث جذب بیشتر تنش می شود.

پانلهای برشی فولادی چیست ؟

پانلهای برشی فولادی ساخته شده از LYP توانایی جذب و اتلاف انرژی زیادی را دارند، و می توانند در ساختمان های جدید مورد استفاده قرار گیرد. این نوع پانلها همانند دیوار برشی فولادی نسبت به نیروهای زلزله طراحی و ساخته می شوند. چون این پانلها دارای ویژگی جذب و اتلاف انرژی بالایی هستند، میتوان از آنها بعنوان میراگر برای میرا کردن انرژی لرزه ای استفاده کرد. این نوع میراگر فلزی در هنگام جذب انرژی استحکام کافی را دارند و همچنین نسبت به میراگرهای که در حال حاضر مورد استفاده قرار می گیرند، نیاز به نگهداری و تعمیر ندارد. نقطه تسلیم و نقطه نهایی صفحات LYP هر دو تحت تأثیر میزان کرنش وارده است. در این تحقیق تأثیر میزان کرنش و نحوه بارگذاری بر روی مشخصات مقاومت لرزه ای پانل صفحه ای مورد آزمایش قرار گرفته است.  

مراجع ۱- کتاب مقدمه ای بر دیوار برشی فولادی نوشته دکتر سعید صبوری ۲- Astaneh-Asl, A. (2000). “Steel plate shear walls,” U. S.-Japan Workshop onSeismic Fracture Issues in Steel Structure, San Francisco. ۳- Seismic Assessment and Strengthening Method of Existing RC Buildings in Response to Code Revision Shun-Tyan Chen -Van Jeng- Sheng-Jin Chen-Cheng-Cheng Chen