شرکت باستان پل طراح از سال ۱۳۹۱ تاکنون اقداماتی در جهت پیاده سازی یکی از سیستم های پرمزیت سازه ای تحت عنوان دیوار برشی فولادی، که در سال‌های اخیر مورد توجه ویژه مهندسان در سطح بین المللی قرار گرفته، انجام داده است. دانش و توانایی فنی شرکت در کنار یک تلاش علمی مشترک با دانشگاه صنعتی امیرکبیر منجر به انتشار مقالات معتبر علمی در کنفرانس ها و مجلات بین المللی نیز شده است.
سیستم دیوار برشی فولادی یک سیستم مقاوم در برابر بارهای لرزه‌ای است که از ورقهای فولادی با ضخامت ۳ تا ۱۰ میلی متر به عنوان دیوار برشی تشکیل یافته است. این ورقها به تیرها و ستونهای احاطه کننده خود توسط ورقهای میانجی از پیش تعبیه شده متصل می‌شوند. ترکیب ورقهای نازک فولادی با المان‌های تیر و ستون اطراف آنها در طبقات یک قاب مجموعه‌ای شبیه تیرورق فولادی تشکیل می‌دهد که در آن ستونهای سیستم دیوار به منزله بال‌های بالا و پایین تیرورق و تیرهای آن به مثابه سخت کننده‌های تیرورق هستند.
تولید اعضای اسکلت فلزی در محل کارخانه و با تعبیه المان های لازم جهت اتصال ورق های فولادی (به صورت پیچی و یا جوشی) صورت می گیرد. پس از حمل کارگاه و نصب اسکلت فلزی و ورقهای فولادی توسط جرثقیل در محل خود قرار داده و پس از نصب موقت و سریع آنها در مرحله بعد اتصال دائم و کامل ورقها به المان های اطراف تامین میشود.
ستونهای با مقطع فولادی قوطی شکل پر شده توسط بتن و یا به اختصار CFT (Concrete Filled Tube)، ترکیب هوشمندی از بتن و فولاد هستند که مجموعه‌ای از مزایای ستونهای بتن آرمه و فولادی را دارا می‌باشند. شکل‌پذیری بیشتر نسبت به ستون-های بتن مسلح به علت حضور پررنگ‌تر فولاد در مقطع، اجرای بسیار سریعتر نسبت به اسکلت‌های بتنی بدلیل تولید اسکلت فولادی در کارخانه و اجرای سریع اتصالات در محل کارگاه، و همچنین کاهش قابل توجه ابعاد مقاطع ستونها نسبت به ستونهای بتنی از جمله مزایای این ستونها است. استفاده از ستونهای CFT در سیستم دیوار برشی فولادی ترکیب مهندسی هوشمندانه‌ای است که به خوبی پاسخگوی نیازهای معماری و سازه‌ای این سیستم است.
از مزایای سیستم دیوار برشی فولادی با ستونهای CFT میتوان به کاهش وزن فولاد مصرفی، ایمنی و مقاومت بالای لرزه‌ای بواسطه پیوستگی و شکل‌پذیری بالای ورقهای فولادی و اتصالات آن، و اجرای آسان بدلیل تولید اعضای اسکلت فلزی و پانل دیوار در کارخانه و استفاده از اتصال مفصلی با جوش گوشه در همه اتصالات قاب به جز اتصال اعضای احاطه کننده ورق فولادی اشاره کرد.
دانلود کاتالوگ دیوار برشی فولادی با ستونهای CFT
۱- مزایای سیستم دیوار برشی فولادی
۱-۱- مزایای کلی
– کاهش وزن فولاد مصرفی
وزن اندک ورق فولادی، ساده شدن الزامات طراحی به دلیل رفتار مناسب سیستم (و دارا بودن ضریب رفتار بالا) به همراه عملکرد مؤثر در کنترل تغییرشکل های سازه ای به واسطه داشتن سختی جانبی زیاد، منجر به کاهش وزن اسکلت طراحی شده می شود
– ایمنی و مقاومت بالای لرزه ای بواسطه پیوستگی، شکل پذیری و استحکام بالای ورق فولادی و اتصالات آن
– اجرای آسان به دلیل:
– استفاده از اتصال مفصلی با جوش گوشه در همه اتصالات قاب به جز اتصال اعضای احاطه کننده ورق فولادی
– حمل و نصب آسان ورق فولادی به دلیل وزن کم، انعطاف بالا و برش کاری و آماده سازی آن در محل کارخانه
– کوچک بودن بعد جوش اتصال ورق فولادی و اجرای آن تنها با یک عبور (پاس) جوش. همچنین امکان حذف جوش و اجرای اتصال به کمک پیچ و مهره.
۱-۲- مزایای معماری
– اشغال کمتر فضای معماری نسبت به سایر سیستم های باربر جانبی
– امکان تعبیه بازشو (درب یا پنجره): در دیوارهای برشی فولادی مشروط به در نظر گرفتن سخت کننده های لازم امکان تعبیه بازشو در هر ابعادی وجود دارد در حالی که این امکان در سیستم مهاربندی V محدود است و در مهاربندی X وجود ندارد و در دیوار برشی بتنی با محدودیت اندازه و جزئیات اجرایی دشوار مواجه است.
۱-۳- مزایای رفتاری
– شکل پذیری و قابلیت جذب انرژی بالاتر نسبت به سیستم های مهاربندی و دیوار برشی بتن آرمه.
– عدم حساسیت ویژه به نحوه اجرای اتصالات جوشی بر خلاف سیستم قاب خمشی که در آن در صورت شکست جوش اتصال تحت بار جانبی، ریزش طبقه و خرابی پیش رونده رخ خواهد داد
– ایمنی تامین شده توسط دیوار برشی فولادی به دلیل دارا بودن درجه نامعینی زیاد و پیوستگی جوش به کار رفته در اتصال آن از سیستم های مهاربندی و قاب خمشی بالاتر و با سیستم دیوار برشی بتن آرمه قابل مقایسه است.
– در سیستم دیوار برشی فولادی در شرایط وقوع زلزله تسلیم و خرابی در ورق فولادی قابل تعویض و تا حد کمتری در نقاط انتهایی تیرهای بالا و پایین آن متمرکز شده و سایر تیرها و ستون های سازه از وقوع تسلیم در امان خواهند ماند در نتیجه هزینه بازسازی ساختمان پس از زمین لرزه به حداقل رسانده می شود.
۱-۴- مزایا نسبت به سیستم قاب خمشی
– تا ۵۰ درصد وزن کمتر اسکلت: سختی جانبی بسیار بالاتر سیستم دیوار برشی فولادی در مقایسه با سیستم قاب خمشی سبب کنترل مؤثرتر تغییرشکل های سازه می شود. این عامل در کنار ضریب رفتار بالاتر سیستم (تا ۲٫۵ برابر) که منجر به کاهش بارهای لرزه ای آن می شود کاهش چشمگیر وزن اسکلت را به همراه دارد.
– اجرای آسان تر و سریعتر: جوش های نفوذی کامل اتصالات قاب های خمشی منجر به دشواری و کندی اجرای آن می شوند در حالی که در سیستم دیوار برشی فولادی جز در دهانه های دیوار سایر اتصالات از نوع مفصلی هستند.
۱-۵- مزایا نسبت به سیستم مهاربندی
– کاهش وزن فولاد مصرفی: در شرایطی که به دلیل ضعف سیستم مهاربندی در کنترل تغییرشکل ها استفاده از سیستم دوگانه ضرورت می یابد، استفاده تنها از سیستم دیوار برشی فولادی به دلیل داشتن سختی بالاتر کافی خواهد بود. داشتن ضریب رفتار بالاتر (تا ۱٫۷ برابر) نیز به کاهش وزن اسکلت کمک خواهد کرد.
– رفتار بهتر لرزه ای: در سیستم مهاربندی نیروهای لرزه ای در محل اتصالات تمرکز می یابند در حالی که در سیستم دیوار برشی فولادی این نیروها توسط ورق دیوار در تمامی نقاط تیر و ستون های احاطه کننده توزیع می شوند.
۱-۶- مزایا نسبت به دیوار برشی بتن آرمه
– وزن بسیار کمتر: وزن قابل توجه دیوار بتنی علاوه بر اعمال سربار بر تیرهای تحتانی منجر به افزایش قابل توجه وزن سازه و نیروهای لرزه ای جذب شده می شود.
– ضریب رفتار بالاتر: بدون در نظر گرفتن سیستم دوگانه «قاب خمشی ویژه + دیوار برشی بتن آرمه ویژه» که به دلیل مشکلات خاص اجرایی کمتر مورد توجه قرار می گیرد، ضریب رفتار سیستم دیوار برشی فولادی ۱٫۲۵ تا ۲ برابر از معادل بتنی خود بیشتر است که به تناسب این افزایش بارهای لرزه ای نیز کاهش می یابند.
– فرایند اجرای بسیار ساده تر: به دلیل وجود مراحل آرماتوربندی، قالب بندی، گیرش بتن و قالب برداری در فرایند اجرای دیوار برشی بتنی، اجرای سیستم دیوار برشی فولادی به مراتب سریعتر و آسان تر است.
۱-۷- جدول مقایسه سیستم های باربری جانبی مختلف
| پارامتر مورد مقایسه | سیستم سازه ای | |||
|---|---|---|---|---|
| دیوار برشی فولادی | قاب خمشی متوسط (ویژه) | قاب مهاربندی شده هم محور (برون محور) | دیوار برشی بتنی متوسط (ویژه) | |
| ضریب رفتار | ۱۰ | ۷ (۱۰) | ۶ (۷) | ۷ (۸) |
| سختی جانبی | زیاد | کم | متوسط | خیلی زیاد |
| بار مرده ناشی از وزن اعضای غیر از تیر و ستون | خیلی کم | —— | متوسط | زیاد |
| سرعت و سهولت اجرا | آسان | متوسط | متوسط | دشوار |
| میزان اشغال فضای معماری توسط اسکلت سازه ای | ناچیز | زیاد | زیاد | خیلی زیاد |
| امکان تعبیه بازشو | مقدور | بدون مشکل | غیر ممکن (محدود) | پرهزینه و خیلی دشوار |
| ایمنی سازه ای | خیلی زیاد | متوسط (زیاد) | کم (متوسط) | زیاد |
| هزینه بازسازی و استفاده مجدد پس از وقوع زلزله | خیلی کم | خیلی زیاد | زیاد (خیلی زیاد) | خیلی زیاد |
| نیاز به نیروی متخصص جهت اجرا | خیر | بلی | خیر | بلی |
۲- تاریخچه دیوار برشی فولادی
موارد متعددی از کاربرد این سیستم در دهه ۱۹۷۰ در کشورهایی چون ژاپن و ایالات متحده قابل گزارش است اما با ارائه ضوابط طراحی دیوارهای برشی فولادی توسط آیین نامه طراحی لرزه ای سازه های فولادی ایالات متحده (AISC 341) در سال ۲۰۰۵ گسترش سیستم سرعت قابل ملاحظه ای یافت. موارد متعددی از کاربردهای اخیر این سیستم را می توان برشمرد که در ادامه به برخی از آنها اشاره می شود.
۲-۱- کاربردهای سیستم در ایالات متحده
– هتل ۳۰ طبقه در لاس تگزاس (عکس ص ۲۳)
– بیمارستان ۶ طبقه سیلمار در لس آنجلس (۱۹۸۰) (ص ۳)
– سیستم سازه ای: در دوطبقه اول قاب فولادی با دیوار برشی بتن‌آرمه و در چهار طبقه بعدی دیوار برشی فولادی.
– علت به کارگیری دیوارهای برشی فولادی بر اساس گزارش: کاهش وزن فولاد مصرفی تا حدود ۵۰ درصد در مقایسه با قاب خمشی فولادی،کاهش وزن سازه به کمک حذف دیوارهای برشی بتن آرمه، استفاده بهینه از فضای مفید معماری، افزایش سرعت اجرا، امکان تعبیه بازشو (درب و پنجره) های مورد نظر.
– بیمارستان سیلمار در زلزله های ویتیر و نورتریج (سال های ۱۹۸۷ و ۱۹۹۴) تنها متحمل خسارات اندک غیرسازه ای شد.
– ساختمان ۲۲ طبقه دادگستری در سیاتل واشنگتن (ص۲۳)
– ساختمان ۵۲ طبقه در سانفرانسیسکو کالیفرنیا (ص۲۳)
۲-۲- کاربردهای سیستم در ژاپن و سایر نقاط جهان
– ساختمان ۵۲ طبقه اداری در توکیو (۱۹۷۵) (ص۲۲)
– ساختمان ۲۰ طبقه اداری در توکیو (۱۹۷۰) (ص۲۲)
– برج ۳۵ طبقه کوپه ژاپن (ص۱۹)
– سیستم سازه ای این ساختمان سیتم دوگانه قاب خمشی به همراه دیوار برشی فولادی است. این سازه در سال ۱۹۸۸ ساخته شده و در سال ۱۹۹۵ در معرض زلزله کوبه قرار گرفت. بررسی های انجام شده بعد از زلزله بر روی این سازه نشان داد که آسیب کلی به آن وارد نشده و کلیه آسیب ها جزئی بوده اند.
– ساختمان ۷۵ طبقه در تیانجین چین (ص۲۳)
۳- دستورالعمل های طراحی
۴- فعالیت های گروه مهندسی باستان پل در زمینه بومی سازی و پیاده سازی سیستم دیوار برشی فولادی در ایران
۴-۱- توسعه نرم افزار طراحی دیوار برشی فولادی
با توجه به فرایند پیچیده و زمان‌بر طراحی دیوار برشی فولادی (که در بخش ۱-۴ به آن اشاره شد) یکی از موانع مهم گسترش استفاده از این سیستم است چرا که نرم افزارهای فعلی طراحی سازه، فاقد قابلیت طراحی این سیستم هستند. برای حل این مشکل، متخصصین شرکت «باستان پل» با همکاری دانشگاه صنعتی امیرکبیر اقدام به توسعه نرم‌افزار طراحی دیوار برشی فولادی نموده اند. به کارگیری این نرم‌افزار به این شرکت توان امتحان گزینه های متعدد طراحی و رسیدن به بهینه ترین حالت طراحی را داده است. به علاوه با دارا بودن این نرم‌افزار امکان ارائه دفترچه محاسبات طراحی فراهم شده است تا کنترل صحت محاسبات انجام گرفته برای مخاطبین دارای دانش فنی و مراجع قانونی به راحتی امکان پذیر شود.
مزایا و قابلیت های نرم افزار
– طراحی سیستم دیوار برشی فولادی بر مبنای آیین نامه طراحی لرزه ای سازه ای فولادی ایالات متحده (۱۰-۳۴۱ AISC) و تفسیر آن
– کاهش زمان فرآیند پر تکرار و زمان بر طراحی دیورا برشی فولادی به روش دستی با یک فآیند نرم افزاری بسیار سریع تر
– کاهش خطاهای ناشی از عوامل انسانی و نیز حذف تقریب های اجتناب ناپذیر موجود روش دستی
– امکان ترسیم نقشه جزئیات اجرایی به صورت اتوماتیک
– امکان استفاده از ستونهای قوطی شکل پرشده با بتن جهت کاهش ابعاد ستونها و وزن فولادی مصرفی و …
(زیرنویس عکس:) نمایی از جدول کنترل ضخامت ورق و مقاطع اعضا در برنامه طراحی دیوار برشی فولادی
(زیرنویس عکس:) نمایی از خلاصه نتایج طراحی مقطع المان مرزی در برنامه طراحی دیوار برشی فولادی
(زیرنویس عکس:) نمایی از مدل ایجاد شده از ورق در نرم افزار ETABS 2015 توسط برنامه طراحی دیوار برشی فولادی
۴-۲- گزارشی از یک پروژه مسکونی طراحی شده به کمک سیستم دیوار برشی فولادی توسط شرکت
– پروژه ۱۰ طبقه مسکونی به متراژ ۷۷۰ مترمربع در هر طبقه و متراژ کلی ۷۷۰۰ متر مربع
– موقعیت پروژه: منطقه مرزداران در شهر تهران
– سیستم سقف سازه: کامپوزیت معمولی
طراحی سازه با سه گزینه «قاب خمشی فولادی ویژه»، « قاب خمشی فولادی + دیوار برشی بتنی متوسط» و «سیستم دیوار برشی فولادی ویژه» انجام گرفته است.
فولاد مصرف شده در دو سیستم «قاب خمشی فولادی ویژه» و «قاب خمشی + دیوار برشی بتن آرمه» از نوع St37 درنظر گرفته شده است و در ساخت ستون های این دو سیستم از مقاطع قوطی شکل استفاده شده است.
در سیستم دیوار برشی فولادی، ستون ها از مقاطع قوطی پر شده با بتن (CFT) انتخاب شده است. در ساخت ستون ها و تیرهای اطراف دیوارها از فولاد پر مقاومت ST52 استفاده شده است. اتصال گیردار تیرها به ستون ها از نوع شاخه ای RBS در نظر گرفته شده است. ورق های فولادی به کار رفته دارای حداقل ضخامت ۳ میلی متر و از نوع فولاد ST37 بوده اند.
وزن فولاد به کار رفته به ازای هر متر مربع زیربنا در جدول زیر برای گزینه های مختلف با یکدیگر مقایسه شده است:
| بخش سازه ای | سیستم سازه ای | ||
|---|---|---|---|
| دیوار برشی فولادی | قاب خمشی فولادی ویژه | قاب خمشی فولادی + دیوار برشی بتنی متوسط | |
| تیر و ستون های اسکلت | ۵۵ | ۸۰ | ۶۰ |
| اجزای اتصال تیر و ستون های اسکلت | ۵ | ۱۶ | ۱۲ |
| سقف سازه ای | ۱۵ | ۱۵ | ۱۵ |
| مجموع | ۷۵ | ۱۱۱ | ۸۷ |