مزایای تقویت سازه‌ها توسط دیوار برشی

در 15 سال اخیر دیوار برشی فولادی بیش از پیش مورد توجه خاص مهندسان سازه قرار گرفته است. ویژگی‌های منحصر به‌فرد آن باعث جلب توجه بیشتر همگان شده است، از جمله ویژگی‌های خاص آن می‌توان به اقتصادی بودن، اجرای آسان، وزن کم نسبت به سیستم‌های مشابه، شکل‌پذیری زیاد، نصب سریع، جذب انرژی بالا و کاهش قابل ملاحظه تنش پسماند در سازه اشاره کرد. تمام دلایل بالا ما را به این فکر وا داشت که استفاده از آن را در ترمیم ساختمان‌های بتنی مورد مطالعه قراردهیم. زیرا این سیستم دارای وزن کم بوده، به سازه بار اضافی تحمیل نکرده و حتی با اتصالات خود باعث تقویت تیر وستون‌های اطراف خود می‌گردد. همچنین این سیستم نیازی به تجهیزات خاص ندارد و می‌تواند بدون تخلیه ساختمان و تخریب اعضای سازه‌ای به بقیه اجزای سازه‌ای متصل شود. البته طراحی این سیستم در ساختمان‌های بتنی به‌غیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی‌آید. در این مقاله توضیحات اولیه‌ای از دیوار برشی فولادی جهت آشنایی بیشتر ارائه شده‌ است.

در سال‌های اخیر دیوارهای برشی فولادی به‌علت اینکه جاذب نیروهای جانبی (زلزله و باد) در ساختمان‌های مرتفع بوده‌اند بسیار مطرح و مورد توجه بوده اند. این پدیده نوین که در جهان به سرعت رو به پیشرفت و گسترش می‌باشد در ساختمان‌های جدید و همچنین تقویت ساختمان‌های موجود به‌خصوص در کشورهایی همچون آمریکا و ژاپن که کشورهای زلزله‌خیزی به‌شمار می‌روند

به‌کار گرفته شده است. استفاده از آن‌ها در مقایسه با قاب‌های ممان گیر تا حدود 50% صرفه‌جویی در مصرف فولاد را در ساختمان‌ها فراهم آورده است.
دیوارهای برشی فولادی از نظر اجرایی، سیستمی بسیار ساده بوده و هیچ‌گونه پیچیدگی خاصی در آن وجود ندارد، لذا مهندسان، تکنسین‌ها و کارگران فنی با دانش فنی موجود و بدون نیاز به کسب مهارت جدید توانایی اجرای آن را خواهند داشت. دقت انجام کار در حد دقت‌های متعارف در اجرای سازه‌های فولادی بوده و با رعایت آن ضریب اطمینان اجرایی به مراتب بالاتر از انواع سیستم‌های دیگر خواهد بود . با توجه به ویژگی‌هایی از قبیل سادگی و امکان ساخت آن در کارخانه و نصب آن در محل، سرعت اجرای سیستم بالا بوده واز هزینه‌های اجرایی تا حد زیادی زیادیکاسته می‌شود.
از نظر سختی برشی این نوع سیستم از سخت‌ترین سیستم‌های مهاربندی کهX شکل می‌باشد، سخت‌تر بوده و باتوجه به امکان ایجاد بازشو در هر نقطه از آن، کارایی همه سیستم‌های مهاربندی را از این نظر دارا می‌باشد.همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیستم‌های مهاربندی بهتر است. در سیستم دیوارهای برشی فولادی به‌علت گستردگی مصالح و اتصالات، تعدیل تنش‌ها به مراتب بهتر از سیستم‌های مقاوم دیگر در برابر بارهای جانبی مانند قاب‌ها وانواع مهاربندی که معمولا در آن‌ها مصالح به صورت دسته‌شده و اتصالات متمرکز می‌باشند، صورت گرفته و رفتار سیستم به‌خصوص در محیط پلاستیک مناسب‌تر می‌باشد.
نتایج گزارش اولیه تحقیقات انجام شده در تابستان سال 2000 میلادی در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان‌دهنده این است که ظرفیت دیوارهای برشی فولادی برای مقابله با خطراتی مانند زلزله، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم‌ها همچون قاب‌های ممان‌گیر ویژه حداقل 25% بیشتر می‌باشد. شکل‌پذیری دیوارهای برشی فولادی بسیار بالاست. به لحاظ اهمیت موضوع بودجه این تحقیقات که به منظور دستیابی به یک سیستم مطمئن جهت ساخت ساختمان‌های 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.
اولین ساختمان ساخته شده با استفاده از این روش بیمارستانی در لس آنجلس به نام بیمارستانSylmar بود و یکی از بزرگ‌ترین سازه‌های ساخته شده به روش سیستم دیوار برشی فولادی ساختمان شینجوکونومورا 3 در توکیو است که این ساختمان دارای 51 طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین 211 متر است. 5 طبقه آن در زیر زمین واقع بوده و 27.5 متر آن پایین‌تر از سطح زمین قرار دارد. برای اجتناب از به‌کارگیری دیوار برشی بتنی، از سیستم دیوار برشی فولادی در هسته‌های مرکزی ساختمان که اطراف آسانسورها، پله‌ها و رایزرهای تاسیساتی می‌باشد، استفاده شده است.
از کاربردهای این پانل‌ها به تقویت سازه‌های بتنی در ساختمان مرکز درمانی در چارلستون اشاره می‌شود. این سازه در اثر زلزله 1963 آسیب دیده بود و متشکل از ساختمان‌های متعددی از یک تا پنج طبقه می‌باشد که زیر بنای آ‌ن‌ها نزدیک به 32500 متر مربع است. برای تقویت این سازه از بهترین تیم طراحی و تحقیقاتی استفاده گردید. پس از بررسی‌های فراوان این سیستم را با توجه به دلایل زیر مناسب دانستند: 
• جلوگیری از اخلال در کار روزانه و کاهش مشکلات برای بیماران، به‌دلیل سرعت نصب بالای آن
• جلوگیری از کاهش زیر بنای مفید و اتلاف فضاها
• پیش‌بینی امکان تغییرات در آینده، زیرا در دیوار برشی فولادی به سادگی می‌توان تغییرات مورد نظر را اعم از جابه‌جایی معماری و یا ایجاد بازشو به خاطر عبور تاسیسات ایجاد نمود.
• جلوگیری از ازدیاد وزن سازه 
به جز ساختمان‌های بالا سازه‌های فراوانی از جمله
ساختمان مرکزی 54 طبقه بانک وان ملون در پیتسبورگ پنسیلوانیای آمریکا
ساختمان مسکونی 51 طبقه واقع در سان فرانسیسکو
ساختمان 25 طبقه در ادمونتون کانادا
ساختمان 32 طبقه بایرهویچ هوس در لورکوزن آلمان
ساختمان 20 طبقه دادگاه فدرال در سیاتل آمریکا
برای تقویت ساختمان بتنی کتابخانه ایالتی اورگرا می‌توان نام برد که در آن برای تقویت از دیوار برشی فولادی استفاده شده است.
معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای تقویت سازه های بتنی ساخته شده
در زلزله سال 1995 درHugoken-Nanbu4 که زلزله مهیبی بود، انسان‌های زیادی کشته و مجروح شدند. ساختمان‌های بسیاری آسیب جدی دیدند و ساختمان‌هایی که قبل از سال 1981 و مخصوصا قبل از 1971 ساخته شده بودند، خسارت شدیدی را متحمل گردیدند و حتی برخی از آن‌ها فرو ریختند.
این امر نشانگراین است که آیین‌نامه و مقررات قدیمی برای طراحی ساختمان به نحو مناسبی نیروهای زلزله و شکل‌پذیری سازه‌ای را در نظر نگرفته‌اند.
در سال 1999 زلزله درchi -chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاری از سازه‌ها شد. سازه‌هایی که قبل از سال 1983 طراحی و ساخته شده بودند، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه 1999 تمام مقررات و آیین‌نامه‌های زلزله مورد باز بینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند. ضرایب لرزه‌ای منطقه‌ای در هر ناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید. برای مثال شتاب زمین لرزه در منطقهTaichung ازg0.23بهg 0.33افزایش یافت.در نتیجه تقریبا همه ساختمان‌ها درTaichung مطابق با مقررات طراحی جدید احتیاج به مقاوم‌سازی پیدا کردند. هدف این پروژه افزایش و بهبود بخشیدن مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌های بتن مسلح می‌باشد. این پروژه شامل سه زیر مجموعه است که عبارتند از:
• یافتن و پی بردن به میزان کمبود مقاومت لرزه‌ای ساختمان‌های بتن‌آرمه موجود بر اساس آیین‌نامه جدید
• مسئله نیروهای وارد بر سازه کناری و همجوار به‌علت 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 لرزه‌ای سازه‌های موجود
مشخصات لرزه‌ای پانل‌های برشی فولادی با نقطه تسلیم پایین
دیوار برشی فولادی باعث بهبود مقاومت لرزه‌ای سیستم در طراحی ساختمان‌های جدید و تقویت سازه‌های ساخته شده می‌شود. صفحات فولادی نازک تمایل به کمانش دارند و از این‌رو ظرفیت جذب انرژی در این صفحات محدود است.اخیرا روش‌های جدید و تکنولوژی‌های به‌دست آمده در زمینه فلزات، صفحات فولادی جدید را در دسترس ما گذاشته است. این نوع فولاد دارای تنش تسلیم کمتر با افزایش طول بالا می‌باشند و توانایی تغییر شکل دادن و جذب انرژی بیشتری را قبل از شکستن از خود نشان می‌دهند. یکی دیگر از ویژگی‌های آن پایین بودن نقطه تسلیم است که این باعث افزایش ناحیه پلاستیک آن می‌شود و باعث جذب بیشتر تنش ‌می‌گردد.
پانل‌های برشی فولادی ساخته شده توانایی جذب و اتلاف انرژی زیادی را دارند و می‌توانند در ساختمان‌های جدید مورد استفاده قرار گیرد. این نوع پانل‌ها همانند دیوار برشی فولادی نسبت به نیروهای زلزله طراحی و اجرا می‌شوند. چون این پانل‌ها دارای ویژگی جذب و اتلاف انرژی بالایی هستند، می‌توان از آن‌ها به‌عنوان میراگر برای میرا کردن انرژی لرزه‌ای استفاده کرد. این نوع میراگر فلزی در هنگام جذب انرژی استحکام کافی را دارند و همچنین نسبت به میراگرهایی که در حال حاضر مورد استفاده قرار می‌گیرند، نیاز به نگهداری و تعمیر ندارد.
طراحی دیوار برشی 
یکی از مهم‌ترین مزایای برنامهETABS ، طراحی دیوار برشی است. این برنامه قادر است دیوارها را بر اساس شرایط دو بعدی و سه بعدی طراحی کند.
برنامهETABS دیوارها را با سه روش طراحی می‌کند که انتخاب روش توسط کاربر می‌باشد.
سه روش طراحی برنامهETABS عبارتند از: 
* روش المان مرزی –تحت عنوانSimplified T and C
* روش میلگردگذاری یکنواخت –تحت عنوان  Uniform Reinforcing
* روش عمومی و کامل بر اساس میلگردگذاری دلخواه –تحت عنوانGeneral Reinforcing 
روش المان مرزی روشی ساده وسریع است و معمولا در محاسبات دستی از آن استفاده می‌شود. 
دو روش بعدی بر اساس منحنی اندرکنش سه بعدی هستند و دقت بسیار بالایی دارند. در روش دوم مقطع دیوار با میلگردهایی که دارای شماره و فاصله یکسان هستند طراحی می‌شود. این روش کاملا دقیق است و برای هر مقطعی قابل استفاده است. اما در روش سوم فاصله و شماره میلگردها دلخواه است.
پارامترهای طراحی این سه روش و در کل روند طراحی آنها متفاوت می‌باشد. 
در اینجا برای اختصار روش دوم را توضیح خواهیم داد.
روش میلگردگذاری یکنواخت –تحت عنوانUniform Reinforcing 
در این روش میلگردهایی با فواصل یکسان و با شماره یکسان مسلح می‌شود. سپس مقطع بدست آمده بر اساس منحنی اندرکنش سه بعدیP-M-M طراحی خواهد شد.تنها محدودیت این روش فاصله و شماره یکنواخت میلگردها می‌باشد. 
در ادامه به توضیح پارامترهای طراحی و همینطور روند طراحی خواهیم پرداخت.برای دسترسی به پارامترهای طراحی دیوار، یک دیوار را انتخاب کرده و سپس فرمانDesign > Shear Wall Design > View/Revise Overwrites را کلیک کنید.
امروزه تحلیل و طراحی سازه‌ها عمدتا با استفاده از فناوری رایانه‌ای صورت می‌‌گیرد.
نرم‌افزارهای مورد استفاده 
برای یک سازه‌ی "معمولی" استفاده از نرم‌افزارهایی مثل برنامه‌هایETABS ،  STAAD ProوSAP مناسب و کافی می‌‌باشند. بعضی از نرم‌افزارها مثلANSYS امکانات بیشتری داشته و در عین حال سنگین‌تر می‌‌باشد.
به‌لحاظ کاربری، نرم‌افزارETABS برای یک ساختمان مسکونی (و حتی اداری، تجاری) کاربردی است. در صورتی که نرم‌افزاری مثلSAP برای تحلیل سازه‌های متنوع‌تری مانند سوله می‌‌تواند مفید باشد. به هرحال چون اصول و مبانی مورد استفاده در این نرم‌افزارها یکسان می‌‌باشد، علیرغم ظاهر متفاوت، در صورتی که کاربرد خاصی را پوشش دهند، تفاوت چندانی نخوهند داشت. قبل از کاربری یک نرم‌افزار، باید با ویژگی‌های آن آشنا شد. در این مورد هدف اصلی از آشنایی، این نیست که به سرعت مدل ساخت و تحلیل نمود (گرچه چنین تسلطی نیز مفید است) بلکه منظور از آشنایی با یک نرم‌افزار عبارت است از آشنایی با اصول و مبانی کاربردی در هر دستور از نرم‌افزار.
لازم است روش‌های تحلیلی مورد نظر ابتدا در مورد چند مثال ساده امتحان شده و پس از کسب آشنایی با روش، شرایط تکیه‌گاهی ... ، نوع بارگذاری، حالات بارگذاری... در مورد سازه‌های (پیچیده) بکار رود. برای مثال‌های حل شده می‌‌توان از مراجع مختلف تحلیل سازه‌ها کمک گرفت.
در ضمن دستور کمک و راهنما(Help) که در آن کلیه‌ی دستورات برنامه شرح داده شده است، به‌طور معمول دارای پرونده‌ها و پوشه‌های زیر است:
مثال‌هایی(Examples) از نحوه‌ی شروع کار با نرم‌افزار (برای مبتدیان) امکانات مختلف نرم‌افزار مثل انواع تحلیل‌های استاتیکی، دینامیکی، بارهای فزاینده و... مثال‌های تأیید نرم‌افزار(Verification Examples) که جواب‌های مثال‌های خاصی از مراجع مختلف برگرفته و با جواب‌های مدل نظیر نرم‌افزار مقایسه شده است. مراجع نظری و یا استانداردهای مورد استناد نرم‌افزارها (گاهی بعضی از این مراجع نیز پیوست نرم‌افزار است) .


شرکت فنی و مهندسی مارین سازه مفتخر است آمادگی خود را به منظور ارائه خدمات فنی و مهندسی ( طرح و اجرا ) در زمینه‌های مختلف مهندسی به شرح زیر در شهرهای تهران، کرج، هشتگرد، قزوین، سمنان، قم، قشم، کیش و سایر نقاط کشور اعلام نماید.
1.   طراحی، تولید، نصب و راه‌اندازی انواع اسکله‌های شناور بتنی در کاربری‌های متنوع و چند منظوره
2.   بهسازی لرزه‌ای و مقاوم‌ساز انواع سازه‌ها و ساختمان‌ها ( طرح و اجرا ) 
3.   طراحی و اجرای کلیه نقشه‌های معماری و سازه
4.   طراحی و اجرای سازه‌های خاص