دیوار برشی در Etabs

انتخاب مکان مناسب جهت قرارگیری دیوارهای برشی

1.  قرارگیری دیوار برشی در دهانه های بلند نسبت به دهانه های کوتاه ارجح است.
2. قرار گیری دیوار برشی در دهانه های متوالی ارجح است.
3. طرز انتخاب محلهای دیوار برشی بهتر است به گونه ای باشد که سازه منظم باشد و بین مرکز جرم و سختی فاصله نیافتد.
4. بهتر است تعداد دهانه های دیوار برشی از طبقات بالا به پایین به تدریج اضافه شود.
5. بهتر است دیوارهای برشی بین ستونها قرار گیرند هر چند منعی برای این موضوع وجود ندارد.

تقریب و برآورد اولیه طول مورد نیاز برای دیوار برشی

تقریب و برآورد اولیه طول لازم برای دیوار در سیستم های دوگانه باعث میشود که قابهای ساختمان برای 25 و دیوارهای برشی برای 75% باربری جانبی طرح شوند بطوریکه محاسبه کردن اولیه طول لازم برای دیوار برشی طراح را به سوی یک طرح بهینه هدایت خواهد کرد. طول مورد نیاز برای دیوار برشی در هر جهت با استفاده از رابطه تقریبی زیر بدست می آید:

در رابطه بالا برش پایه در هر راستای X و Y ساختمان fy تنش تسلیم آرماتورهای افقی ،دیوار fc مقاومت فشاری مشخصه بتن tw ضخامت دیوار است که معمولاً برابر 25 سانتیمتر قرار می دهیم و نسبت آرماتور افقی پیش بینی شده در تراز پایین دیوار نسبت به آرماتور حداقل آیین نامه می باشند. مقدار آرماتور افقی دیوار برشی در یک ساختمان متعارف در طبقه پایین، چیزی در حدود 2 تا 3 برابر مقدار حداقل آیین نامه ای ( آرماتور حداقل آیین نامه برابر 0.0025) میباشد.
مقدار طولی که از رابطه بالا برای دیوار بدست می آید می بایست مقدار آن به سمت بالا گرد شود و در هر جهت X و Y بطور جداگانه تامین شود. به طور مثال اگر مقدار Lw برابر 6.3 متر بدست آمد، بایستی مقدار 7 متر دیوار برشی در هر امتداد X و Y جانمایی شود. چنانچه به دلیل ضوابط معماری نتوانستید این مقدار از دیوار برشی را در یک یا هر دو جهت تامین نمایید؛ نگران نباشید که ساختمان شما قادر به تحمل برش حاصل از بار جانبی نیست بلکه سهم دیوار برشی ساختمان شما از برش پایه کمتر شده و سهم قاب ها بیشتر می گردد و در نتیجه مقاطع قاب ها بزرگتر بدست می آیند، یعنی سهم قاب های ساختمان شما در باربری جانبی بیشتر از 25 درصد و سهم دیوارها کمتر از  75 درصد خواهد شد.

تعیین ضخامت دیوار

در دیوارهای سازهای محدودیتهای هندسی زیر باید مورد توجه قرار گیرند.
الف – ضخامت دیوار نباید کمتر از ۱۵۰ میلیمتر اختیار شود.
ب در دیوارهایی که در آنها اجزای مرزی مطابق بند 9-20-4-3-3 به کار گرفته می شود، عرض عضوی مرزی نباید کمتر از ۳۰۰ میلیمتر در نظر گرفته شود.

مراحل در ETABS

1- ترسیم دیوارهای برشی:Draw > Draw Area Objects > Create Walls in Region or at Clicks (plan)

2- معرفی مقاطع دیوارهای برشی: Define > Wall/Slab/Sections

3- اختصاص مقاطع دیوار برشی

4- مش بندی دیوارهای برشی: برای مش بندی مراحل زیر را انجام می دهیم:

ابتدا تمامی دیوارها را انتخاب میکنیم سپس دستور Edit > Mesh Areas را اجرا می کنیم.

در پنجره باز شده جهت مش بندی طولی و ارتفاعی دیوار می بایست گزینه سوم گزینه Mesh Quads/Triangles into را انتخاب کنیم.

با انتخاب گزینه سوم دو جعبه مقابل آن فعال میشود که جعبه اول تعداد مش بندی در جهت طولی می باشد که هر چقدر تعداد المانها بیشتر شود دقت محاسبات بیشتر خواهد شد. معمولاً عرض المان ها نباید بیشتر از 0.5 متر شود. در جعبه دوم تعداد مش بندی در ارتفاع دیوار می باشد که در صورت عدم وجود بازشو و انتخاب حالت دیوار از نوع Membrane باید در ارتفاع از عدد 1 استفاده کنیم و سپس بر روی دکمه OK کلیک می نمائیم.

نکته: بعد از مش بندی دیوارها یک سری نقاط در تراز فونداسیون ایجاد می شوند که این نقاط باید همانند بقیه نقاط در این تراز با مراجعه به قسمت (Assign > Joint/Point > Restraints (Supports مفید شوند. تکیه گاهی که اینجا تعریف می شود به صورت گیردار کامل باید تعریف شود (تعریف این تکیه گاه به صورت مفصلی هم معمولاً در نتایج نرم افزار باعث تغییر قابل ملاحظه نسبت به حالت قبل نخواهد شد).

5- نام گذاری دیوارهای برشی و ستون های متصل به آن

برای طراحی دیوارهای برشی باید آنها را نامگذاری کرد (این نامگذاری تاثیری در محاسبات ندارد فقط امکان خروجی و طراحی دیوارهای برشی به وجود می آید). ستون های اطراف دیوار برشی نیز با دیوارها باید نامگذاری شوند که میبایست برای هر دیوار سطحی و ستونهای خطی اطراف آن یک نام برای آنها تعریف کنیم برای این کار مراحل زیر را انجام می دهیم:

برای سایر دیوارها و ستون های متصل به دیوارها همانند روش قبل عمل می کنیم. فقط در قسمت انتخاب Pier باید یک نامگذاری جدید برای دیوارها و ستون ها را ایجاد کنیم.

نکته: تیرهای متصل به دیوار برشی بهتر است که طراحی نشوند به این خاطر به این تیرها مقطعی اختصاص نمی دهیم. برای این منظور ابتدا تمامی تیرهای متصل به دیوار برشی را انتخاب کرده و دستور Assign > Frame/Line > Frame Section را اجرا میکنیم و گزینه NONE را انتخاب میکنیم و بر روی گزینه OK کلیک می نمائیم.

6-بررسی ترک خوردگی یا عدم ترک خوردگی دیوارهای برشی

برای این مرحله ابتدا می بایست سازه را تحلیل کرده باشیم.
برای دیوارهای ترک خورده جهت آنالیز و طراحی سازه از ضریب 0.35 و برای دیوارهای ترک نخورده از ضریب 0.7 استفاده می شود. برای بررسی ترک خوردگی دیوارها باید در ترکیب بارهای بحرانی ترکیب بارهایی که در آنها بیشترین تنش کششی در دیوار به وجود میآید مقدار تنش های کششی ماکزیمم را مشاهده کرده و با تنش کششی ترک خوردگی بتن (که از رابطه 9-14-3 مبحث نهم بر حسب واحد نیوتن بر میلیمتر مربع به دست می آید مقایسه نمود.

در صورتی که مقدار تنش موجود از تنش ترک خوردگی مذکور کمتر باشد دیوار ترک نخورده و در غیر این صورت دیوار ترک خورده است. ترکیب بارهایی که طبق آنها این کنترل انجام می شود همان ترکیب بارهای طراحی سازه است. انتخاب ترکیب بار باید به گونه ای انجام شود که کمترین بار فشاری در دیوارها ایجاد شود به همین جهت بهتر است که از ترکیب بارهایی استفاده کنیم که شامل بار زنده نباشند و همچنین ضریب بار مرده آنها حداقل باشد از بین این ترکیب بارها باید ترکیب باری انتخاب شود که شامل حالت بار زلزله به موازات راستای دیوار مورد نظر باشد یعنی اگر دیوار در راستای محور X باشد باید ترکیب باری که شامل زلزله جهت X است و یا زلزله جهت X در آن ضریب بزرگتری دارد استفاده شود.

برای مشاهده تنش ها در دیوار تحت هر یک از این ترکیب بارها هم باید به منوی:

دستور Display > Show Member Forces/Stress Diagram > Shell Stresses/ Forces اجرا کرده و در پنجره ظاهر شده ترکیب بار مورد نظر را انتخاب کرده و در ناحیه Component Type گزینه Stresses را فعال کرده و گزینه S22 که نشان دهنده تنش قائم دیوار است باید انتخاب گردد برای اینکه بتوان به راحتی نواحی کششی که دارای تنش بیش از مقدار تنش ترک خوردگی بتن هستند را تشخیص داد بهتر است که در قسمت Contour Range برای مقادیر Min و Max به ترتیب همان تنش ترک خوردگی مثبت و منفی را انتخاب می.کنیم در قسمت Stress Averaging هم بهتر است گزینه at All Joints انتخاب شود.
از دستور گفته شده ترکیب بارهای مختلف را انتخاب کرده و تنش های موجود را با مقدار تنش مجاز که از رابطه زیر بدست می آوریم مقایسه می کنیم.

همان طور که در شکل بالا پیداست دیوار در طبقه اول دوم و سوم در گوشه خود دچار ترک خوردگی شده است که می بایست ضریب ترک خوردگی را به دیوارها و ستون های آنها وارد کنیم.

7- اعمال ضرائب ترک خوردگی به دیوارهای برشی و ستونهای متصل به آن

بعد از مشخص شدن تکلیف ترک خوردگی یا عدم ترک خوردگی دیوارها باید قفل برنامه را باز کرده و به مرحله قبل از آنالیز سازه برگردیم و این ضرایب را به دیوارهای برشی و ستونهای متصل به آنها که جزیی از سیستم دیوار برشی میباشند اعمال نماییم. برای اعمال ضرایب ترک خوردگی به دیوارها بعد از انتخاب آنها باید به منوی Assign > Shell/Area > Shell Stiffness Modifiers و برای ستونهای متصل به آنها به منوی Assign > Frame/Line > Frame Property Modifiers مراجعه می کنیم.
برای دیوارها: در پنجره جدید باز شده برای اعمال ضرائب ترک خوردگی یا عدم ترک خوردگی دیوارها در حالت استفاده حالت Membrane مقدار زیر را وارد می کنیم.

برای ستون های متصل به دیوار: در این حالت علاوه بر ممان اینرسی باید مساحت نیز در ضریب اصلاح ضرب شود. این به دلیل نقش مهم مساحت ستون در محاسبه ممان اینرسی کل دیوار است. برای ضریب اصلاح ممان اینرسی هم حول محوری این ضریب را اعمال کنیم که در محاسبه ممان اینرسی دیوار موثر است. پس باید این اصلاح را حول محوری که عمود بر صفحه دیوار است اعمال کنیم چون قبلا یک ضریب 0.7 از طریق منوی Define برای ستونها اعمال کرده ایم برای ضریب ترک خوردگی ممان اینرسی اگر دیوار ترک نخورده باشد دیگر لازم به اعمال ضریب دوم نیست اما اگر دیوار ترک خورده باشد باید یک ضریب 0.5 را اعمال کنیم که تا در ضریب 0.7 قبل ضرب شده و عدد 0.35 که مورد نظر است نتیجه شود به این ترتیب خواهیم داشت.

ستون متصل به دیوار ترک نخورده : Cross-Section (axial) Area = 0.7
ستون متصل به دیوار ترک خورده : Cross-Section (axial) Area = 0.35 Moment of Inertia about 2 axis= 0.5
8- تنظیمات طراحی دیوار برشی

دستور Options > Preferences > Shear Wall Design را اجرا کرده و با توجه به نوع آیین نامه تنظیمات زیر را انجام می دهیم.

(1) آیین نامه 99-318 ACI : مطابق بند 9-20-4-3-2-1- مبحث نهم در دیوارهای سازه ای نسبت آرماتور در هیچ قسمت نباید از 0.0025 سطح دیوار کمتر باشد. مطابق بند 9-20-4-3-2-2- مبحث نهم هم حداکثر این مقدار 0.04 است. بر این اساس باید در قسمت Edge Design PT-Max و Edge Design PC-Max به ترتیب معرف حداکثر درصد فولاد کششی و فشاری المان های مرزی یا به عبارتی میلگردهای انتهایی که در ستون های اطراف دیوار قرار می گیرند؛ عدد 0.04 را وارد کنیم و در قسمت Section Design IP-Min معرف حداقل درصد میلگرد قائم دیوار می باشد عدد 0.0025 را وارد نماییم. در قسمت مربوط به Section Design IP-Max معرف حداکثر درصد میلگرد قائم دیوار می باشد؛ می توان عدد 0.04 را وارد نمود؛ اما جهت جلوگیری از تراکم آرماتور و رعایت محدودیت های اجرایی و محل وصله بهتر است همان پیش فرض برنامه یعنی عدد 0.02 را قبول نماییم. در قسمت Rebar Units واحد 2^cm و در قسمت Rebar Length Units واحد cm^2/m را انتخاب می نمائیم.
(2) آیین نامه 05-318 ACI :تمام تنظیمات آن مشابه آیین نامه 99-318 ACI می باشد ولی در قسمت System Cd باید مقدار 0.7R را وارد نمایید.

9- تنظیمات قبل از طراحی دیوارهای برشی

برای طراحی دیوارهای برشی در برنامه سه روش مختلف تعریف شده است که میتوان به یکی از این سه روش برای طراحی دیوارها استفاده کنیم این سه روش عبارت اند از:

1. Simplified Tand C: روش تبدیل لنگر و نیروی محوری دیوار به دوستون روی آلمان های لبهای کناری این روش به روش المان مرزی موسوم است چناچه از این روش استفاده کنیم برنامه دو AS برای المانهای لبه ای ارائه می دهد و برای آرماتورهای طولی و عرضی در دیوار می توانیم از آرماتور حداقل استفاده کنیم.
2. Uniform Reinforcing :روش میلگرد گذاری یکنواخت که در این روش دور تا درو دیوار از یک میلگرد یکنواخت استفاده می شود.
3. General Reinforcing :این روش به روش طراحی عمومی شناخته می شود. در این ،روش مقطع دیوار به طور کامل در برنامه SD ساخته شده و سپس مقطع ساخته شده به دیوارها اختصاص داده می شود. برنامه بر اساس مقطع نسبت داده شده طراحی را انجام میدهد. این روش برای هر نوع دیوار با هر نوع شکلی قابل استفاده است.

1-9 روش طراحی ساده (Simplified T and C)

دستور Select Pier Ids را اجرا کرده و همه نوع دیوارها را انتخاب می کنیم.
دستور Design > SWD > Assign Pire Section for Checking > simplified c and t Section را اجرا کرده تا برای طراحی دیوارها از روش طراحی المان لبه ای استفاده شود.
دوباره دستور Select by Pier Ids را اجرا کرده و همه نوع دیوارها را انتخاب می کنیم.
Design > Shear Wall Design > View/Revise Overwrites را اجرا کرده و تنظیمات آن را مطابق شکل دستور زیر انجام می دهیم.

2-9 روش طراحی عمومی (General Reinforcing)

روش استفاده از برنامه SD بسیار دقیق است. در این روش مقطع دیوار در برنامه SD ساخته شده و پس از اختصاص مقاطع به دیوارها، کفایت مقاطع دیوارها بررسی میشود مراحل زیر را انجام می دهیم :

دستور شده Design > Shear Wall Design > Define Pier Sections for Checking را اجرا کرده و در جعبه ظاهر روی دکمه Add Pire Section کلیک نمائید.

در جعبه ویرایش Section Name نام دیوار مثلاً WI را وارد کرده و از کشوی Base Material مصالح مورد نظر را انتخاب کرده و دکمه Section Designer را کلیک نمائید.

پنجره برنامه Section Designer ظاهر میشود دستور Draw > Draw Structural Shape > IWide Flange را اجرا کرده و در مبدا مختصات کلیک نمائید و از حالت ترسیم خارج شوید سپس روی مقطع I ایجاد شده کلیک راست کنید و مشخصات مقطع را وارد نمائید:

دستور Draw > Draw Reinforcing Shape > Rectangular Pattern را اجرا کرده و در سه موقیت (یکی مبدا مختصات یکی سمت راست و یکی سمت چپ) کلیک نمائید روی هر یک از میلگردهای ایجاد شده کلیک راست کرده و مشخصات آنها را وارد نمائید:

نکته:در برنامه SD پوشش بتن از روی میلگرد در نظر گرفته میشود بنابراین ابعاد آرایش مستطیلی میلگردها برابر (پوشش بتن * (2) – طول با عرض المان) خواهند بود. بعد میلگرد گذاری اندازه بیرون تا بیرون آرایش میلگردگذاری است.
روی آرایش میلگردهای سمت چپ و راست و وسط مقطع کلیک راست کرده و مشخصات آنها را مطابق شکل های زیر وارد می کنیم:

با کلیک روی دکمه Done مقاطع ساخته خواهند شد:

سپس روی دکمه OK کلیک میکنیم تا دیوار W1 به برنامه تعریف گردد.

چند نکته در مورد مدل کردن دیوارهای برشی

• دیوارها چه در جهت X باشند و چه در جهت و جه در جهت Y در هر صورت باید به صورت افقی همانند روش بالا مدل شوند. دلیل آن این است که باید محور 3 در برنامه SD به دیوار عمود باشد چون که محورهای محلی در ETABS همیشه محور 3 عمود بر دیوار می باشد.
• طول دیوارها را باید برابر آکس به آکس محور مور نظر که قرار است دیوار در آنجا قرار (گیرد به اضافه یک بعد ستون در نظر گرفت برای) ستونهای دارای عرض مساوی در دو طرف).
• ستون ها را میتوان در این روش جزء دیوار مدل کرد و آرماتورهای مورد نیاز آلمان لبه ای یا مرزی در این ستونها قرار داد و از نتایج برنامه در مورد ستون ها صرف نظر کرد و این نتایج را در آخر برای ستون ها در نظر گرفت.

با استفاده از دستور Select > by Pier Ids دیوار مورد نظر برای اختصاص مقطع را انتخاب کرده و سپس با استفاده از دستور Design > SWD > Assign Pier Sections for Checking > General Reinforcing Pier Section مقطع مورد نظر را به دیوار اختصاص می دهیم.

10- انتخاب ترکیب بار طراحی دیوارهای برشی

برای انتخاب ترکیب بارهای طراحی دیوارها به قسمت Design > Shear Wall Design > Select Design Combo مراجعت نموده و در قسمت List of Combos ترکیب بارهای مورد نظر را انتخاب کرده و با زدن بر روی دکمه Add ترکیب بارهای مورد نظر به سمت راست (برای طراحی) منتقل می شوند.(همان ترکیب بارهایی که برای طراحی سازه بتنی به نرم افزار معرفی نموده ایم).

11-محاسبه طول آلمان لبه ای

۱-۳-۳-۴-۲۰-۹- در کناره ها و اطراف بازشوها در دیوارهای سازه ای و دیافراگم ها که در آنها تنش فشاری بتندر دورترین تا فشاری مقطع تحت اثر بارهای نهایی به انضمام اثر ،زلزله از 0.2fc بیشتر باشد باید اجزای لبه مطابق ضوابط بندهای9-20-4-3-3-2- تا 9-20-4-3-3-4- پیش بینی می شود مگر آنکه در تمام طول دیوار با دیافراگم میلگردگذاری عرضی ویژه پیش بینی شده باشد. اجزای مرزی را می توان در قسمت هایی که تنش 0.15fc فشاری بتن در آنها از کمتر باشد قطع کرد. تنش فشاری بتن با فرض توزیع خطی تنش در مقطع دیوار و بر اساس مشخصات مقطع ترک نخورده محاسبه می شود.
مطابق با بند آیین نامه در محل هایی که تنش فشاری از مقدار 0.2*fc بیشتر شود باید از اجزا لبه ای استفاده نمود و در آن ناحیه از میلگردهای عرضی ویژه استفاده نمود مراحل کار به صورت زیر می باشد:

• محاسبه مساحت و ممان اینرسی مقاطع برای این کار دستور Design>SWD >Define Pier Sections for Checking را اجرا نموده و مقطع دیوار مورد نظر را انتخاب نموده و گزینه Modify/Show Pire Section را انتخاب می نمائیم و در جعبه ظاهر شده گزینه Section Designer کلیک می کنیم و سپس دستور Display > Show Section Properties را اجرا نموده و مساحت و ممان اینرسی مقطع نشان داده می شوند.

• می توان از ترکیب بار (1.05DL+1.275LL+1.4025E) در صورت استفاده از آیین نامه 99-318 ACI برا محاسبه تنش فشاری حداکثر استفاده نمود دستور Display>Show Tables را اجرا کرده و به قسمت ANALYSIS RESULTS رفته و تیک گزینه Wall Output را زده و در قسمت Select Load Cases/Combos ترکیب باری را که بیشترین تنش فشاری را ایجاد می کند همان ترکیب بار (بالا را انتخاب میکنیم و OK می نمائیم:

مقایسه کردن تنش فشاری حداکثر با مقدار مجاز آیین نامه اگر مقدار آن از مقدار 0.2*fc کمتر باشد یعنی نیازی به اجزا لبه ای ندارد ولی اگر مقدار آن بیشتر از 0.2*fc ،باشد نیاز به اجزا لبه ای داشته و طول جزء لبه ای تا قسمتی که تنش به مقدار 0.15*fc برسد، ادامه دارد:

12 –شروع به طراحی دیوارهای برشی

برای طراحی و کنترل دیوارهای برشی از منوی Design بر روی گزینه Shear Wall Design رفته و دستور طراحی یعنی گزینه Start Design/Check of Structure را اجرا می کنیم .
بعد از چند ثانیه عمل طراحی دیوارها به پایان میرسد برای مشاهده نتایج باید به منوی Design>SWD>Display Design Info برویم .

طبق آیین نامه در ناحیه ویژه قطر خاموت ها حداقل 8 سانتی متر و فاصله خاموت ها از هم برابر کوچکترین مقدار { یک چهارم ضلع کوچکتر مقطع ستون (1.4*60=15 سانتی متر) ، هشت برابر کوچکترین قطر میلگرد طولی (17.6cm=2.2*8) ، 12.5 سانتی متر} می باشد. در عضوهایی که قسمتی از ارتفاع آنها با یک دیوار بتنی گرفته شده است در تمام قسمت آزاد عضو باید آرماتورگذاری ویژه اجرا شود. میلگرد برشی13.71cm2/m می باشد. بنابراین از خاموت های در تمام طول ستون و در طول ناحیه لبه ای (85cm) استفاده میکنیم

طبق آیین نامه در ناحیه ویژه قطر خاموتها حداقل 8 سانتی متر و فاصله خاموتها از هم برابر کوچکترین مقدار { یک چهارم ضلع کوچکتر مقطع ستون (1.4*60=15 سانتی متر) ، هشت برابر کوچکترین قطر میلگرد طولی (17.6cm=2.2*8) ، 12.5 سانتی متر} می باشد. در عضوهایی که قسمتی از ارتفاع آنها با یک دیوار بتنی گرفته شده است در تمام قسمت آزاد عضو باید آرماتورگذاری ویژه اجرا شود. میلگرد برشی13.71cm2/m می باشد. بنابراین از خاموتهای در تمام طول ستون و در طول ناحیه لبه ای (cm(85 استفاده می کنیم.