مقاومت برشی اسمی دیوارهای برشی بتن آرمه ویژه

یکی از مباحثی که در ورژن جدید آیین نامه بتن آمریکا 19-3181 ACI دچار تغییرات زیادی شده است مقاومت برشی اسمی دیوارهای برشی بتن آرمه ویژه میباشد. طبق بخش 18.10.3.1 نیروی برشی طراحی Ve برابر است با:

𝑉𝑒=𝛺𝑣𝜔𝑣𝑉𝑢≤3𝑉𝑢

𝑉𝑢: نیروی برشی نهایی است که از تحلیل سازه تحت اثر ترکیبات بار ضریب دار به دست می آید.
𝛺𝑣: ضریب اضافه مقاومت بوده و مطابق جدول 18.10.3.1.2 به شرح زیر محاسبه می شود:

𝜔𝑣: ضریب تشدید برش دینامیکی بوده و مطابق بند 18.10.3.1.3 و به شرح زیر محاسبه می شود:

با توجه به مطالب فوق دیوارهای برشی عموماً باید برای ۳ برابر نیروی برشی ناشی از تحلیل سازه تحت اثر ترکیبات بار ضریبدار طراحی شوند و به همین دلیل طراحی دیوارهای برشی بسیار سخت شده و در بسیاری از شهرها نظام مهندسی ساختمان به دلیل غیر اجرایی بودن دیتیل های دیوار برشی ویژه اجازه استفاده از این سیستم سازه ای را نمی دهد.

از طرفی طبق بند 18.10.4.4 برای همه قطعات قائم دیوار برشی ویژه که نیروی جانبی مشترکی دارند، مقاومت برشی اسمی نباید بیشتر از   در نظر گرفته شود. برای هر یک از قطعات قائم دیوار به تنهایی مقاومت برشی اسمی نباید بیشتر از  در نظر گرفته شود که Acv سطح مقطع ناخالص كل ديوار و Aow سطح مقطع ناخالص قطعه قائم دیوار به تنهایی در جهت نیروی برشی میباشد و ضریب تشدید برش دینامیکی بوده و مطابق بند 18.10.3.1.3 به شرح زیر محاسبه به دلیل اینکه در متن این بند از واژه ” قطعات قائم دیوار استفاده شده است به نظر می رسد استفاده از این بند مختص دیوارهای دارای بازشو بوده و برای دیوارهای جداز هم قابل استفاده نمیباشد در شکل مربوط به تفسیر همین بند قطعه قائم دیوار نشان داده شده است.

 در تفسیر این بند از واژه “چندین دیوار ” استفاده شده است پس : قاعدتاً این بند برای دیوارهای جدا از هم نیز قابل استفاده میباشد. متن تفسیر این بند به شرح زیر می باشد:

 طبق متن تفسیر این بند برای دیوارهای برشی جدا از هم نیز میتوان از این افزایش مقاومت برشی اسمی در طراحی استفاده نمود. پس از بحث و گفتگو درباره زوایای مختلف استفاده از این افزایش مقاومت برشی اسمی، به این نتیجه می رسیم که بهتر است در این باره از پشتیبانی فنی ACI استعلام گرفته شود. به همین جهت با پشتیبانی فنی ACI مکاتبه نمودم که خوشبختانه نظر ما را تایید نمودند. در ادامه بخشی از متن پرسش و پاسخ مطرح شده با پشتیبانی فنی 19-3181 ACI که مربوط به این بند میباشد، آورده شده است.

نکته ای که وجود دارد این است که در پاسخ پشتیبانی فنی 19-ACI 318M از واژه load path” استفاده شده است همچنین در متن تفسیر این بند دلیل استفاده از حد بالای برای حداکثر مقاومت برشی اسمی هر یک از قطعات قائم دیوار به تنهایی محدود کردن درجه باز توزیع نیروی برشی عنوان شده است. بنابراین باید به مسیر نیرو بین دیوارهای مختلف توجه ویژه داشت به عبارت دیگر اعضای متصل کننده دیوارها باید برای اختلاف حداکثر مقاومت برشی اسمی یک دیوار و کل مجموعه دیوار طراحی شوند تا امکان باز توزیع نیروی برشی بین دیوارها فراهم شود. نکات دیگری که در این زمینه وجود دارد این است که چه ضوابطی باید برای “مسیر نیرو” برآورده شود؟ آیا دیافراگم اجزای . کننده نیز میتوانند به عنوان “مسیر جمع نیرو” در نظر گرفته شوند؟ آیا همه دیوارها باید در یک صفحه باشند یا باز توزیع نیروی برشی میتواند بین دیوارهای واقع در صفحات مختلف نیز رخ دهد؟

نیروی برشی نهایی (V) وارد بر دیوارهای برشی بتن آرمه ویژه

 با بررسی بندهای آیین نامه 19-31881 ACI و همچنین استعلام از پشتیبانی فنی ACI راهکاری برای افزایش حد بالای مقاومت برشی اسمی دیوار ارائه گردید. در این مقاله بندهای آیین نامه ای مرتبط با نیروی برشی نهایی وارد بر دیوارهای برشی بتن آرمه ویژه و همچنین پاسخ استعلام از پشتیبانی فنی ACI بررسی گردیده و سپس به روش اعمال ضوابط فوق در نرم افزار 20.0.0 ETABS پرداخته شده است.  برای مجموعه دیوارهای برشی که در یک راستا و یک صفحه قائم قرار دارند و بین آنها مسیری برای باز توزیع نیروی برشی وجود دارد حد بالای مقاومت برشی اسمی را برابر و برای هر یک از قطعات قائم دیوار به تنهایی یا هر یک از دیوارها برابر در نظر گرفت، که Acv سطح مقطع ناخالص کل دیوار و Acw سطح مقطع ناخالص قطعه قائم دیوار یا هر یک از دیوارها به تنهایی در جهت نیروی برشی میباشد.
یکی از ابهاماتی که در این ارتباط وجود دارد این است که آیا برای این باز توزیع نیروی برشی و افزایش حد بالای مقاومت برشی اسمی  باید همه دیوارها در یک صفحه قائم قرار داشته باشند یا اینکه باز توزیع نیروی برشی می تواند بین دیوارهای واقع بر صفحات قائم متفاوت هم رخ دهد؟
برای بر طرف کردن این ابهام از پشتیبانی فنی ACI استعلام گرفته شد که مشخص البته باید خاطر نشان کرد بعضی از همکاران از پروفسور Moehler در این ارتباط سوال پر سیده اند و نظر ایشان خلاف نظر پشتیبانی فنی ACI بوده و معتقدند باز توزیع نیروی برشی می تواند بین دیوارها در صفحات قایم متفاوت مجاز نمی باشد. در ادامه بخشی از متن پرسش و پاسخ مطرح شده با پشتیبابی 19-31881 ACI  که مربوط به این بند می باشد، آورده شده است.

البته باید خاطر نشان کرد بعضی از همکاران از پروفسور Moehler در این ارتباط سوال پر سیده اند و نظر ایشان خلاف نظر پشتیبانی فنی ACI بوده و معتقدند باز توزیع نیروی برشی می تواند بین دیوارهای واقع بر صفحات قائم متفاوت نیز رخ دهد. لذا گردید دیوارها باید در یک صفحه قائم قرار داشته باشند و باز توزیع برش بین دیوارها تصمیم گیری در این ارتباط نیاز به قضاوت مهندسی طراح دارد. از نظر اینجانب حتی اگر باز توزیع نیروی برشی بین دیوارهای واقع بر صفحات قائم متفاوت نیز رخ دهد،این پدیده باعث بروز پیچش در سازه میگردد در حالی که اثر این پیچش در تحلیل خطی سازه دیده نشده است به همین دلیل در جهت اطمینان توصیه میشود از باز  توزیع نیروی برشی بین دیوارهای واقع بر صفحات قائم متفاوت صرف نظر گردد. تصمیم نهایی در این خصوص به خواننده واگذار می گردد.
علاوه بر نکات مطرح شده، سه نکته در ارتباط با نیروی برشی نهایی وارد بر دیوارهای برشی بتن آرمه ویژه وجود دارد:
از آنجا که برای محاسبه Mr باید تاثیر نیروی محوری در دیوار در نظر گرفته شود مقدار آن برای ترکیبات بار ،مختلف متفاوت میباشد. با توجه به این موضوع آیا در محاسبه ضریب اضافه مقاومت برای هر ترکیب بار (𝛺v) باید Mpr و Mu متناظر با همان ترکیب بار را در نظر گرفت؟
طبق استعلام از پشتیبانی فنی ACI بله باید Mpr و Mu متناظر با همان ترکیب بار را در نظر گرفت.

آیا برای تشدید نیروی برشی هر ترکیب بار باید از ضریب تشدید محاسبه شده برای همان ترکیب بار استفاده کرد یا اینکه باید از بیشترین ضریب تشدید محاسبه شده برای تشدید نیروی برشی همه ترکیبات بار استفاده کرد؟
طبق استعلام از پشتیبانی فنی ACI باید از بیشترین ضریب تشدید محاسبه شده، برای تشدید نیروی برشی همه ترکیبات بار استفاده کرد.

در بند 18.10.3.1.1 ذکر شده است، Vu نیروی برشی به دست آمده از تحلیل سازه تحت اثر نیروی جانبی آیین نامه ای با ترکیبات بار ضریب دار می باشد.

سوالی که مطرح می شود این است که آیا ضرایب تشدید نیروی برشی باید در کل Vu ضرب شود یا تنها در قسمتی از آن که ناشی از بارهای لرزه ای می باشد؟
بعضی از همکاران با این استدلال که این تشدید نیروی برشی تنها برای قسمتی از V میباشد که ناشی از بارهای لرزه ای است راهکارهایی برای اعمال این موضوع در ETABS ارائه نموده اند اهمیت این موضوع زمانی زیاد است که درصد زیادی از نیروی برشی نهایی ناشی از فشار خاک است و تشدید همه نیروی برشی ممکن است منجر به طراحی بسیار دست بالا گردد. طبق استعلام از پشتیبانی فنی ACI باید ضرایب تشدید در کل نیروی برشی ناشی از هر ترکیب بار ضرب شود حتی اگر آن ترکیب بار شامل فشار جانبی خاک باشد.

نکته دیگری که باید به آن توجه داشت این است که و به ترتیب حدود بالای مقاومت برشی اسمی مجموعه دیوار و مقاومت برشی اسمی هر یک از قطعات قائم دیوار به تنهایی یا هر یک از دیوارها میباشند. طبق بند 18.10.4.1 بنا بر این در طراحی دیوار برشی باید به این نکته توجه داشت که نرم افزار ETABS ضریب ac را درست محاسبه کرده باشد در غیر اینصورت باید اصلاحات لازم را آیین نامه 19-318 ACI مقاومت برشی دیوار برابر است با:

نرم افزار ETABS برای محاسبه ضریب 𝛼𝑐 به اشتباه hw را برابر ارتفاع طبقه فرض می کند در حالیکه hw برابر ارتفاع کل دیوار میباشد. تعريف hw طبق فصل ۲ آیین نامه 19-ACI 318M برابر است با:

این در حالیست که در راهنماي طراحی دیوار برشی نرم افزار ETABS تعریف زیر برای hw  آورده شده است:

بنابراین در این طراحی دیوار برشی باید به این نکته توجه داشت که نرم افزار ETABS ضریب 𝛼𝑐 را درست محاسبه کرده باشد، در غیر اینصورت باید اصلاحات لازم را  اعمال نمود.

البته نیاز است درباره روند کار ETABS بررسی بیشتری شود از همین رو تعداد زیادی دیوار برشی ویژه مدل کرده و با استفاده از نرم افزار 20.0.0 ETABS به تحلیل و طراحی آنها با استفاده از آیین نامه -14-318 ACI و 19-318 ACI در دو حالت لرزه ای و غیر لرزه ای پرداختم. در بررسی نتایج تحلیل و طراحی موارد زیر مشاهده گردید:

۱- در صورت استفاده از آیین نامه 19-318 ACI اگر ضریب 𝜆 را تغییر دهیم ETABS از غیر لرزه ای استفاده می کند.

۲- با برداشتن تیک گزینه Lightweight Concrete همچنان ضریب 𝜆 تاثیر داده می شود. اگر میخواهیم این ضریب تاثیر داده نشود، باید مقدار آن برابر ۱ لحاظ گردد.

3- مقدار حد بالای مقاومت برشی اسمی یک ضابطه کنترلی بوده و نرم افزار اجازه تغییر آن را به کاربر نمیدهد. چنانچه مقدار آن با اصلاح ضریب کاهش مقاومت برشی لرزه ای (𝜙v) اصلاح شود مقدار مقاومت برشی اسمی نیز تغییر کرده و درست نمی باشد.
۴- در بعضی موارد وقتی فایلهای ورژنهای پایین تر توسط 20.0.0 ETABS باز شد، باگهاي بسیاري در نر مافزار مشاهده گردید، به همین دلیل در صورت باز کردن فایلهاي ورژن پایی نتر باید احتیاط لازم صورت پذیرد و نتایج طراحی چک شوند.

5- نتایج متفاوت براي فایلهاي یکسان در کامپیوترهاي مختلف مشاهده شد، به نحوي که در بعضی کامپیوترها به اشتباه مقدار نیروي محوري در برش بتن تاثیر گذار بود. به همین دلیل باید دقت کافی در چک کردن نتایج صورت پذیرد.

با توجه به موارد مطرح شده میتوان گامهای زیر را برای طراحی برشی دیوار برشی بتن آرمه ویژه در نرم افزار 20.0.0 ETABS انجام داد (باقی ورژنها چک نشده اند).
1- محاسبه ضرایب 
۲- محاسبه ضریب 𝛼𝑐 با استفاده از ارتفاع کل دیوار (𝛼c1)
3- محاسبه ضریب 𝛼𝑐  با استفاده از ارتفاع طبقه (𝛼c2)
4- اصلاح ضریب کاهش مقاومت برشی برای هر دو حالت لرزه ای و غیر لرزه ای

5- تنظیم آیین نامه 19-318 ACI به عنوان آیین نامه طراحی

6-اصلاح ضریب کاهش مقاومت برشی بتن و طراحی دیوارهاي برش

7- اگر طراحی برشی دیواری جوابگوی برش وارده نبود، ذخیره یک فایل جداگانه و اختصاص Pler Label یکسان به همه دیوارهای هم راستای واقع بر یک صفحه قائم و طراحی برشی دیوارها

8- در صورتی که مقاومت برشی مجموعه دیوارها جوابگوي برش وارده بود،خواندن نیروي برشی دیوار از فایل اصلی و طراحی دستی دیوار مورد نظر با لحاظ کردن حد بالاي مقاومت برشی اسمی برابر .

9-لحاظ کردن بیشترین میلگرد برشی محاسبه شده در مراحل ۶، ۷ و ۸ برای هر یک از دیوارهای بررسی شده در این مراحل شایان ذکر است در این روش میلگردهای برشی دیوارها به درستی طراحی میشوند و نیازی به محاسبه دستی و اصلاح مساحت میلگردهای برشی به دلیل محاسبه اشتباه 𝛼c توسط نرم افزار ETABS نیست.
برای صحت سنجی روش طراحی پشنهادی محاسبات دستی یک دیوار برشی به طول ۴ متر و عرض ۸۰ سانتی متر که به آن نیروی برشی 4,000,000 وارد شده است، با نتایج طراحی با استفاده از نرم افزار 20.0.0 ETABS به روش گفته شده مقایسه گردیده است برای این دیوار 0.17 = 𝛼c می باشد.
-چک کردن حد بالای مقاومت برشی اسمی

-محاسبه مساحت میلگرد برشی

و

برای طراحی اجزای جمع کننده نیز می توان گامهای زیر را انجام داد:
۱- محاسبه نسبت بیشترین مقدار در بین دیوارهای واقع بر یک صفحه قائم به مقدار

۲- تشدید نیروی زمین لرزه توسط ضریب محاسبه شده در مرحله قبل

۳ مدل کردن تیرها توسط مقطع ستونی

۴- اختصاص دیافراگم از نوع Semi-Rigid به سقفها و طراحی دیافراگم و اجزای جمع کننده طبق بند ۳-۸ استاندارد ۲۸۰۰
۵- ساخت فایل جداگانه و اعمال نیروی موثر دیافراگم طبق رابطه ۳-۱۵ و طراحی دیافراگم و اجزای جمع کننده طبق بند ۳-۸ استاندارد ۲۸۰۰
6- برای دیافراگم و هر یک از اجزای جمع کننده بحرانی ترین حالت طراحی طبق بندهای ۴ و ۵ لحاظ شود.