مقاله تحلیلی: دیوارهای برشی چوبی

انتقال نیرو در اطراف بازشوها

انتخاب سیستم سازه‌ای مقاوم در برابر نیروهای جانبی از پر چالش­ترین مفاهیم طراحی سازه‌ها به‌حساب می‌آید. امروزه با ساخت قاب‌های چوبی، توجه طراحان به سمت ساختمان‌های بزرگ که دارای تعداد زیادی بازشو از قبیل درب و پنجره با ابعاد بزرگ هستند، جلب شده است. این روند منجر به کاهش نیاز به سطوح سازه‌ای در کل سازه برای مقاومت در برابر بارهای جانبی می‌گردد.

چند روش برای مقابله با این چالش وجود دارد. شورای چوب امریکا (AWC) در نشریه ضوابط ویژه طراحی در برابر باد و زلزله (SDPWS)، سه روش قابل‌قبول برای طراحی دیوارهای برشی چوبی در برابر نیروهای جانبی معرفی می‌کند:

1. سگمنت­ های دیواری منفرد که یک رویکرد سنتی به‌حساب می‌آید.
2. دیوارهای برشی سوراخ‌دار که روش تجربی طراحی بر اساس درصدی از ارتفاع کل سگمنت­های دیوار در مجاورت بازشوها است.
3. انتقال نیروی دیوارهای برشی که این مقاله به آن اشاره دارد و به‌عنوان روش انتقال نیروی اطراف بازشوها (FTAO)  شناخته می‌شود.

به لحاظ تاریخی، روش FTAO در صنعت طراحی به‌عنوان آخرین راه‌حل شناخته می‌شد. دلیل این است که این روش جامع‌تر است و به همین لحاظ تصور می‌شود که نسبت به دو روش دیگر طراحی مدت‌زمان بیشتری نیاز است. کاربرد روش مذکور در صنعت بسیار متفاوت از سایر کاربردها است. آیین‌نامه‌های طراحی مقرر می‌دارند که طراحی باید بر اساس آنالیز منطقی صورت بگیرد. در نبود روش طراحی واضح و صریح در آیین‌نامه‌های طراحی، تعداد زیادی فن‌های منطقی طراحی به وجود آمده است. همین باعث اختلاف‌نظر متخصصان در خصوص اینکه کدام یک از تکنیک‌ها دارای بالاترین دقت هستند، شده است. اختلاف‌نظرهای موجود باعث شد که موسسه APA یک دیوار واقعی را که به روش FTAO طراحی شده تست کنند. هدف اصلی اثبات این بود که روش FTAO کاربردی‌تر است و هم‌زمان انعطاف‌پذیری بیشتری در طراحی فراهم می‌آورد.

این مقاله در رابطه با مزایای روش FTAO برای سازه‌های قابی چوبی بحث می‌کند. تست‌های انجام شده بر روی پانل‌های سازه‌ای چوبی که به‌عنوان صفحات دیوارهای برشی چوبی استفاده می‌گردند نشان می‌دهند که روش طراحی FTAO موجب بهبود عملکرد دیوار شده و تست مذکور ک مثال طراحی دیوار برشی با چندین بازشو را فراهم می‌آورد که پایه‌های اطراف بازشوها به‌صورت نامتقارن هستند.

مزایای استفاده از روش دیوارهای برشی چوبی FTAO

مزایای زیادی برای روش FTAO وجود دارد به‌عنوان‌مثال استفاده از کل دیوار برشی برای مقابله با بارهای جانبی وارده، پتانسیل و قابلیت اجرای مهارهای پایه با تعداد کم‌تر در پایین دیوار و متعاقب آن کاهش تعداد صفحه‌ستون‌های مهاری مورد نیاز برای نصب مهارهای مذکور. به‌هرحال بزرگ‌ترین مزیت دیوار برشی چوبی نسبت به سایر روش‌های طراحی در تعریف نسبت ابعاد پایه‌های اطراف بازشو است.

در روش A و B نسبت ابعاد بخشی از دیوار که به‌عنوان پایه‌های اطراف بازشو تعریف می‌گردد، برابر ارتفاع کل سیستم است که بر طول پایه‌های مذکور در اطراف بازشو تقسیم می‌گردد (در شکل 1a و 1b نشان داده شده است). زمانی که از روش FTAO استفاده می‌شود، نسبت ابعاد پایه‌ها با تقسیم ارتفاع بازشو بر طول پایه‌های مجاور بازشو به دست می‌آید (شکل 1c).

به‌عنوان‌مثال، در یک دیوار فرضی مانند شکل ۱ اگر ارتفاع دیوار برابر 4 فوت (حدود 3.05 متر) و ارتفاع  بازشو برابر ۴ فوت (حدود ۱.۲۲ متر) باشد، حداقل طول پایه‌های دیوار نسبت به ارتفاع بازشوی آن می‌تواند دارای نسبت ۲:۱ در هر روش باشد: در دو روش اول ۲/۱۰ یا ۵ فوت و در روش FTAO برابر ۲/۴ یا 2 فوت است.

مزیت مذکور نه‌تنها منجر به باریک‌تر شدن قطعات دیوار در روش FTAO می‌شود که کمک می‌کند تا ارتفاع کلی سیستم دیوار برشی افزایش یابد و محدودیت ارتفاعی سایر روش‌ها مرتفع گردد.

مزیت مذکور یعنی کاهش نسبت h/b را می‌توان توسط پانل‌های پوششی سازه‌ای چوبی نیز بهبود بخشید. کنترل محدودیت نسبت ابعاد پانل‌های مذکور در اکثر آیین‌نامه‌های کاربردی مرتبط با سازه‌های چوبی برابر ۲ به ۱ (یعنی ارتفاع به عرض پانل‌های پوششی) است که حداکثر تا 3.5  به1  نیز مجاز دانسته شده است. ولی در آیین‌نامه‌های سایر مصالح ساختمانی اجازه فراتر رفتن نسبت مذکور از ۲ به ۱ داده نشده است و یا به‌عنوان‌مثال در بخش 4.3.4 آیین‌نامه SDPWS گفته شده که در صورتی می‌توان از ضریب رفتار برای کاهش نیروها استفاده کرد که نسبت ابعاد پانل‌ها از یک‌به‌یک تجاوز نکند.

آزمایش روش طراحی FTAO

روش FTAO به یک روش رایج در تحلیل دیوارهای برشی با قاب چوبی در میان متخصصان طراحی بدل شده است. تا همین اواخر در اکثر نشریات مثال‌های طراحی FTAO به دیوارهای حائل با بازشوی منفرد محدود شده بودند.

در سال ۲۰۰۹، یک پروژه تحقیقاتی مشترک بین شرکت APA و انجمن مهندسی چوب APA و دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC) و آزمایشگاه تست محصولات چوبی USDA جهت امتحان نیروهای داخلی ایجاد شده در پانل‌های چوبی پوششی دیوارهای برشی در طی یک رخداد جانبی انجام شد. از نتایج آزمایش در کنار مدل‌های تحلیلی کامپیوتری برگرفته ازUBC (شامل ۱۲ مدل پیکربندی دیوار با مقیاس واقعی ۸ در ۱۲ فوت) استفاده شد تا از این طریق بتوان روش طراحی FTAO را توسعه داد و دقت محاسبات نیروهای داخلی دیوار را که از روش‌های قدیمی محاسبه می‌شدند بررسی شود.

اولین آزمایش، روش تحلیل منطقی Diekmann بود که به‌عنوان دقیق‌ترین روش ساده تخمین نیروهای موجود در دیوار برشی شناخته شد. با استفاده از این رویکرد به‌عنوان اساس و پایه، APA متدولوژی را برای ترکیب هم‌زمان چندین بازشو و پایه‌های غیرمتقارن اطراف آن گسترش داد. روش مذکور بر فرضیه‌های اساسی زیر استوار است:

1) برش واحد، معادل برش موجود در بالا و پایین بازشوها است.

2) نیروهای گوشه مبتنی بر برش واحد در بالا و پایین بازشو و تنها پایه‌های مجاور بازشو هستند.

3) طول باربر بازشو، اساس محاسبه برش وارد بر هر پایه دیوار است.

4) برش وارد بر هر پایه دیوار برابر است با برش کل تقسیم بر طول دیوار، ضرب‌در حاصل جمع طول پایه و عرض بازشوی مجاور تقسیم بر طول پایه:

5) برش واحد  وارد در گوشه عبارت است از حاصل تفریق نیروی وارد بر گوشه از مقاومت پانل (R)  که برابر برش وارد بر پایه است طوری که  برش واحد آن پایه در طولش ضرب شده باشد:

6) طراحی توسط حاصل جمع برش‌های وارد بر سرتاسر خطوط عمودی کنترل می‌گردد. حاصل جمع خطوط اول و آخر برابر نیروی مهارهای پایه است و خطوط داخلی برابر صفر می‌باشند (در شکل ۲ نشان داده شده است).

از نتایج آزمایش همچنین می‌توان تغییر شکل‌های کلی سیستم دیوار FTAO را تحلیل نمود که نتایج مذکور تائید می‌کنند که پوشش‌های پایین بازشوها به مقاومت دیوار در برابر تغییر شکل کلی کمک می‌کند. برای محاسبه تغییر شکل‌های دقیق، آزمایش انجام شده بر اساس رابطه 2-23 آیین‌نامه بین‌المللی ساختمان IBC ورژن ۲۰۱۵ انجام شد:

یادآوری می‌گردد که از رابطه 1-3-4 شکل آیین‌نامه ‏SDPWS  نیز استفاده می‌شود اما محاسبات تغییر شکل در طول روند طراحی باید هماهنگ و استوار باشد.

تغییر شکل کلی دیوار که در شکل نشان داده شده، تغییر شکل کلی دیوار برشی طراحی شده به روش FTAO است که معادل میانگین تغییر شکل پایه‌های دیوار در هر دو جهت مثبت و منفی است. ارتفاع پایه‌های دیوار بسته به جهت تغییر شکل دیوار متغیر و به مقدار پوشش زیر بازشو نیز وابسته است. به‌عنوان‌مثال در شکل ۳، تغییر شکل مثبت پایه دیوار با ارتفاعی که برابر است با فاصله بین پایین بازشو و بالای دیوار، محاسبه می‌گردد و دلیل این است که قسمتی از دیوار که در پایین بازشو قرار دارد، در برابر بار جانبی مقاومت می‌کند. تغییر شکل منفی پایه 1 با استفاده از ارتفاع کل دیوار محاسبه می‌گردد.

مثال طراحی روش FTAO

نمونه‌های طراحی شده به روش FTAO تاکنون نشان‌دهنده پایه‌های دیوار با عرض متقارن و با بازشوی منفرد در بوده‌اند. شکل ۴ مزایای دیوارهای دارای چندین بازشو و پایه‌های غیرمتقارن را نشان می‌دهد.

از یک دیوار فرضی به طول 20 فوت معادل6.1 متر و ارتفاع ۱۰ فوت معادل 3.05 متر و نیروی برشی وارد بر بالای دیوار به‌اندازه 4000 پوند حدود 1.8 تن برای محاسبه نیروی مهارهای پایه،  نیروی وارد بر نوارهای اطراف بازشو و ظرفیت پوشش‌های دیوار به روش FTAO استفاده می‌گردد.

با محاسبه نیروهای وارد بر مهارهای پایه دو انتهای دیوار شروع کنید:

گام 1)                               

مهارهایی که برای پایه دیوار انتخاب می‌گردند باید دارای حداقل ظرفیت 2000 پوند یعنی حدود ۹۰۰ کیلوگرم باشند.

هر دو برش واحد و نیروهای مرزی موجود در بالا و پایین و بازشوها باید برای محاسبه نیروهای گوشه تعیین گردند:

گام ۲) برش واحد وارد بر بالا و پایین بازشوها

گام ۳) نیروی کلی وارد بر بالا و پایین بازشوها

برای محاسبه نیروی وارد بر نوارهای اطراف بازشو، نیروی وارد بر گوشه‌های بازشوها را تعیین کنید:

گام ۴)

نوارهای انتخابی برای مهار بالا و پایین بازشوها باید حداقل دارای ظرفیت کششی 1350 پوند معادل ۶۱۳ کیلوگرم باشند.

برای محاسبه برش واحد وارد در کناره‌های بازشوها و تعیین الزامات پوشش دیوار، عرض فرعی هر خط برشی داخلی دیوار باید مشخص گردد:

گام ۵)

با استفاده از عرض فرعی خطوط برشی داخلی دیوار، حداکثر برش واحد وارد بر کناره‌های بازشو را می‌توان محاسبه نمود که برای تعیین ظرفیت مورد نیاز پانل‌های پوششی دیوار مورد نیاز هستند.

گام ۶)

پانل‌های انتخابی برای پوشش دیوار باید دارای حداقل ظرفیت برشی ۴۷۳ پوند بر فوت معادل حدود 704 کیلوگرم بر متر باشند.

به یاد داشته باشید که به‌عنوان یک معیار برای صحت سنجی محاسبات، حاصل جمع برش واحد ضرب‌در طول هر یک از پایه‌های مجاور بازشوها باید برابر با برش کل وارد بر بالای دیوار باشد:

فرضیات طراحی و محاسبات انجام شده باید با یکدیگر منطبق باشند. جمع برش موجود در خطوط نیروی خارجی باید برابر با نیروی موجود در مهار پایه باشد و جمع برش خطوط داخلی باید برابر صفر شود. نیروی گوشه و برش واحد وارد بر ناحیه گوشه باید در جهت این صحت سنجی تعیین گردند.

نیروی گوشه برای هر پایه از طریق حاصل‌ضرب برش واحد وارد بر هر پایه در طول مربوط به آن پایه به دست می‌آید:

گام 7)

برای محاسبه نیروی برشی واحد گوشه در هر پایه دیوار باید نیروی برشی وارد بر گوشه مشخص گردد و سپس بر طول پایه مربوطه تقسیم گردد:

گام 8)

گام 9)

انجام کنترل طراحی توسط جمع نیروها در هر خط برش، تحلیل را تکمیل می‌کند:

گام 10)

با استفاده از رابطه تغییر شکل (شکل ۳ رابطه ۳)، تغییر شکل کلی دیوار از طریق میانگین‌گیری مقادیر تغییر شکل‌های مثبت و منفی هر پایه محاسبه می‌گردد که در شکل ۴ نشان داده شده است.

با فرض اینکه حداکثر ظرفیت نهایی مهارهای پایه برابر ۲۵۰۰ پوند و لغزش میخ به‌اندازه 0.125 اینچ حدود 3.2 میلی‌متر؛ خواهیم داشت:

گام ۱۱)

APA روند طراحی مثال اخیر را با یک صفحه گسترده برنامه‌نویسی شده به‌صورت اتوماتیک انجام داده است. صفحه گسترده مذکور بر اساس روش آزمایش پیشین تهیه شده است و مقادیر نیروهای مهاری پایه و نیروی کششی وارد بر نوارهای اطراف بازشو و ظرفیت مورد نیاز پانل پوششی را برای مهندسان فراهم می‌آورد. در نهایت، ابزار مذکور به‌صورت اتوماتیک کنترل طراحی مرحله 9 را کامل می‌کند.

نتیجه‌گیری

با معرفی یک روش جدید برای تخمین مقادیر تغییر مکان‌های کلی و انجام صحت سنجی انتقال نیروهای اطراف بازشوی دیوارهای برشی FTAO، طراحان می‌توانند به یک ابزار ارزشمند دیگر برای طراحی سیستم مقاوم جانبی چوبی برای ساختمان‌های چوبی اعتماد کنند. روش طراحی FTAO کمک می‌کند تا طراحی ساختمان‌های چوبی با دیوارهای برشی بهبود یابد. این روش موجب افزایش انعطاف‌پذیری روند طراحی و کاهش مسائل اقتصادی در رابطه با سیستم مقاوم جانبی سازه می‌گردد.

منبع

 نوشته شده توسط تیم مترجمین موسسه 808

 اگر دوست دارید به تیم مترجمین 808 بپیوندید، با ما تماس بگیرید.

دریافت فایل PDF مقاله برای اعضای VIP رایگان است. سایر کاربران با پرداخت ۵۰۰ تومان می توانند اقدام به دریافت این فایل کنند.