بررسی رفتار لرزه ای و طراحی لرزه ای دیوارهای برشی فلزی مرکب 

مهندسان عمران دیوار برشی فلزی مرکبی را در یک بیمارستان در سانفرانسیسکو به کار بردند . این ساختمان مثال خوبی از کاربرد آسان دیوار برشی فلزی مرکب در ساختمان یک بیمارستان در منطقه با خطر نسبی زلزله…..

مثالی از کاربرد دیوارهای برشی فلزی مرکبمهندسان عمران دیوار برشی فلزی مرکبی را در یک بیمارستان در سانفرانسیسکو به کار بردند . این ساختمان مثال خوبی از کاربرد آسان دیوار برشی فلزی مرکب در ساختمان یک بیمارستان در منطقه با خطر نسبی زلزله زیاد مثل کالیفرنیا می باشد. مهندسان سازه بعد از بررسی تحلیل دینامیکی سازه متوجه نیروی بسیار بزرگ جانبی در سازه شدند که در نتیجه نیاز به یک دیوار برشی بتنی مسلح تنها به ضخامت ۴feet دارد . این دیوار برشی هم از نظر معماری غیر قابل قبول است و هم وزن سازه را افزایش داده که باعث افزایش نیروهای طراحی می شود .نصب دیوار برشی فلزی مرکب دراین بیمارستان راه بسیار مناسبی بود که اجرا شد . این دیوار برشی شامل یک دیوار برشی فلزی که دو طرف آن توسط دیوارهای بتنی مسلح پوشیده شده است و به تیر و ستون های مرزی جوش شده است و رابط های برشی آن عبارتند از بست هایی که از میان سوراخ های صفحه فلزی و جان تیرهای مرزی، عبور کرده است.

توصیه های طراحی لرزه ای دیوار برشی فلزی مرکبدر طراحی سیستمهای باربر جانبی در مناطق زلزله خیز دو موضوع اساسی باید مد نظر باشد. ابتدا اینکه سیستم دارای شکل پذیری کافی برای جذب انرژی مناسب در سازه باشد و دیگر اینکه باید دارای مقاومت کافی برای ایجاد سختی در سازه در جهت کنترل تغییر مکان جانبی باشد. بدین منظور باید سعی شود در سیستم های باربر جانبی که در سازه به کار می بریم مد شکست شکل پذیر قبل از مد شکست ترد به وقوع به پیوندد و ابتدا رفتار غیر ارتجاعی ( خمیری ) در اعضایی که وظیفه تحمل بار های جانبی را دارند صورت پذیرد و در صورت نیاز در لحظات پایانی زلزله در اعضایی که وظیفه تحمل بار های ثقلی را دارند گسترش پیدا کند و به این ترتیب از تخریب پیشرونده اعضای سازهای و غیر سازه ای تحت زلزله جلوگیری به عمل می آید.

سلسله مراتب مدهای شکست در دیوار برشی مرکببه منظور دستیابی به یک عملکرد شکل پذیر مدهای شکست دیوار برشی مرکب و تیر و ستون های مرزی آنها را می توان به صورت سلسله مراتب مشخص مطابق شکل زیر نشان داد.

سلسله مراتب مدهای شکستی که در بالا بیان شده به شکلی صورت می پذیرد که ابتدا مدهای شکست شکل پذیر در خود دیوار که عضو باربر جانبی می باشد رخ می دهد و سپس در تیرهای بالا و پایین و در نهایت در ستون های مرزی صورت می پذیرد و پس از آن مدهای شکست ترد صورت می گیرند و انتظار می رود شکست ترد دیوار بر شکست ترد تیرها و ستون ها حاکم گردد.
در رابطه با کنده شدن پیچها و یا جوش های اتصالات مرزی دیوار به نظر می رسد که یک مد شکست مهم باشد در صورتی که در واقعیت کنده شدن ها باعث ایجاد مکانیسم توزیع انرژی از طریق اصطکاک می کند و برای سازه برخی خواص مفید غیر صلب را ایجاد می کند.

توصیه های طراحی دیوار برشی مرکب۱- در صورتیکه بتن در یک طرف صفحه فلزی باشد باید ضخامت آن حداقل ۸ اینچ و چنانچه بتن در هر دو طرف صفحه فلزی اجرا شود حداقل ضخامت آن باید در هر دو طرف ۴ اینچ در نظر گرفته شود.
۲- از گل میخ های کلاهک دار و یا از دیگر اتصالات مکانیکی برشی برای جلوگیری از کمانش موضعی ورق استفاده شود.
۳- آرماتورهای افقی و عمودی باید در دیوار بتنی کار گذاشته شوند و حداقل نسبت آرماتورها در هر دو جهت نباید از ۰٫۰۰۲۵ کمتر باشد.
۴- در صورت نیاز به ایجاد بازشو در دیوار برشی باید به اندازه کافی اعضای مرزی تعبیه گردد.
در محاسبه ظرفیت برشی یک دیوار برشی مرکب ظرفیت برشی بتن را در نظر نمی گیرند و ظرفیت برشی صفحه فلزی محاسبه می شود . که این یک رویه محافظه کارانه می باشد ولی با این حال در محاسبه سختی دیوار برشی مرکب که برای تعریف پریود ارتعاش استفاده می شود توصیه شده که سختی بتن نیز لحاظ گردد.

مقاومت در برابر لنگر واژگونیدر دیوار های برشی مرکب درصد قابل توجهی از لنگر واژگونی توسط دیوار تحمل می شود در مرحله تحلیل هر دو دیوار فلزی و بتنی به صورت عنصر صفحه ای موازی مدلسازی می شود. توصیه های زیر برای سازگاری با فلسفه کلی طراحی ارائه شده است:
۱- کل نیروی برشی وارده بر دیوار برشی فلزی مرکب توسط صفحه فلزی تحمل می گردد.
۲- دیوار بتنی بر اساس بارهای ثقلی و لنگر خمشی طراحی می شود.

طراحی رابط های برشینقش اصلی رابط های برشی مهار کردن صفحه فلزی و جلوگیری از کمانش کلی آن می باشد . توصیه می شود که اتصالات برشی برای دو دسته شرایط طراحی شوند :
۱- هر رابط برشی باید قادر به تحمل نیروی کششی ناشی از کمانش موضعی غیر الاستیک صفحه فلزی در حین اعمال چرخه بارگذاری باشد که مقدار نیروی کششی در اتصالات برشی با لحاظ کردند تعادل نیروها همانند شکل زیر محاسبه می شود.
۲- تمامی رابط های برشی باید قادر به انتقال کوچترین دو مقدار، ظرفیت برشی صفحه فلزی و دیوار بتنی باشند

طراحی تیرهای بالا و پایین و ستونهای مرزی دیوار برشی مرکبدر سیستم دیوار برشی مرکب که در این مقاله بحث شده تیرها و ستون ها بخشی از قاب های خمشی ویژه به حساب می آیند و ضوابط قاب های خمشی ویژه برای طراحی این تیرها و ستون ها به کار می رود . علاوه بر این ضوابط، تیرها و ستون های مرزی دیوار برشی مرکب باید احتیاجات زیر را برای نسبت b/t (b بر t) که توسط ضوابط لرزه ای آیین نامه AISC ارائه شده، برآورده شود.

bf/2tf ≤ ۵۲/√fy
hc/tw ≤ ۵۲۰/√fy