ترمیم وتقویت سازه های بتنی توسط دیوار برشی فولادی - قسمت 1

چکیدهدیوار برشی فولادی برای مقاوم سازی ساختمان های فولادی در حدود 15 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 درترمیم ساختمان 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 ساختمان های بتنی بغیر از حالت ترمیمی اقتصادی به نظر نمی آید. در این مقاله توضیحات اولیه ای از دیوار برشی فولادی جهت آشنایی بیشتر ارائه شده ، و در قسمت های بعدی بررسی رفتار پانلهای برشی فولادی LYP1 در تقویت وترمیم سازه های بتنی مورد مطالعه قرار خواهد گرفت و تفاوت آن با سیستم بادبندی مشابه مورد توجه قرار خواهد گرفت ، و در آخر نتایج آزمایشات بررسی خواهند شد.

1- مقدمهدیوارهای 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 تقویت ساختمان های 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 50% 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 باتوجه به امکان ایجاد باز شو در هر نقطه از آن ، کارائی همه سیستم های مهاربندی را از این نظر دارا می باشد .
همچین رفتار سیستم در محیط پلاستیک و میزان جذب انرژی آن نسبت به سیستم های مهار بندی بهتر است . در سیستم دیوار های 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 معمولأ 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 2000 میلادی در آزمایشگاه سازه دیویس هال دانشگاه برکلی کالیفرنیا نشان می دهد ، ظرفیت دیوار های برشی فولادی برای مقابله با خطراتی مانند زلزله ، طوفان و انفجار در مقایسه با دیگر سیستم ها مثل قابهای ممان گیر ویژه حداقل 25% بیشتر می باشد . در آزمایشگاههای تحقیقاتی استفاده گردیده است که ظرفیت آن حدودأ 6670KN می باشد . آزمایش های مذکور نشان می دهد ، دیوارهای برشی فولادی دارای شکل پذیری بسیار بالائی هستند . به لحاظ اهمیت موضوع بودوجه 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 .

شکل 1: شکلی از دیوار برشی فولادی در سازه های فولادی (با سخت کننده و بدون سخت)

2- 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 3 در توکیو است که این ساختمان دارای 51 طبقه بوده و ارتفاع آن از سطح زمین 211 متر است . 5 طبقه آن درزیر زمین واقع بوده و 27.5 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 آسانسور ها ، پله ها و رایزرهای تاسیساتی 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 1963 آسیب دیده بود این ساختمان متشکل از ساختمان های متعددی از یک تا پنج طبقه می باشد که زیر بنای آنها نزدیک به 32500 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 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 (Byer-Hochhaus)
ساختمان 20 طبقه دادگاه فدرال در سیاتل آمریکا
برای تقویت ساختمان 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 .

3- معرفی سیستم دیوار برشی فولادی برای تقویت سازه های بتنی ساخته شده [3]
سال 1995 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 1981 و مخصوصأ قبل از 1971 ساخته شده بودند ، خسارت شدیدی را متحمل گردیدند و حتی برخی از آنها فرو ریختند .
این امر نشانگراین 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 1999 زلزله در chi -chi تایوان نیز باعث زیان فراوان و تخریب بسیاری از سازه ها شد . دوباره این ساختمان هایی که قبل از سال 1983 طراحی و ساخته شده بودند ، تخریب شدند و بعد از زمین لرزه 1999 تمام مقررات و آیین نامه های زلزله مورد باز بینی قرار گرفته و همه مقررات قبلی لغو شدند . ضرایب لرزه ای منطقه ای در هرناحیه تایوان تولید و ایجاد گردید . برای مثال شتاب زمین لرزه در منطقه Taichung از 0.23g به 0.33g 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 ساختمان های بتن مسلح می باشد . این پروژه 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
• مساله 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 .