دیوار برشی مختلط فولادی پر شده با بتن

دیوار برشی مختلط فولادی پر شده با بتن (CFCSW) می تواند با بهره گیری از مزایای دو جزء فولاد و بتن، مزایای بسیاری را به همراه داشته باشد. در سال های اخیر استفاده از اجزای سازه ای کامپوزیت (مختلط) فولاد – بتن، از جمله ستون‌های توخالی فولادی پرشده با بتن (CFT)، دال‌های مرکب و تیرهای مرکب، به دلیل ویژگی‌های عالی خود از طریق ترکیب مزایای بتن و مصالح فولادی مانند ظرفیت مقاومت بالا، بهبود عملکرد مقاومت در برابر آتش، به طور گسترده در ساختمان‌ها و پل‌های مدرن مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در پایان قرن نوزدهم مهندسان در عمل به شکل پذیری عالی و صرفه جویی در هزینه پی بردند و توسعه اینگونه عناصر سازه ای در طول قرن بیستم به طور عمده در آمریکای شمالی، ژاپن و اروپا شدت یافت. ایده اولیه دیوارهای برشی مختلط بیش از 30 سال است که مطرح شده است. با این حال، در مقایسه با سایر اجزای سازه‌ای مختلط، کاربرد دیوارهای برشی مختلط (CFCSW) به دلیل تحقیقات ناکافی و استانداردهای ناقص در مهندسی عملی هنوز محدود است.

اجزای سازه‌ای کامپوزیت فولاد – بتن، از جمله دیوارهای برشی، عمدتاً به عنوان اعضای خمشی برای مقاومت در برابر نیروهای جانبی، از جمله بارهای لرزه‌ای و باد در ساختمان‌ها و بارهای تحمیلی اضافی در تأسیسات هسته‌ای عمل می‌کنند. استفاده از دیوارهای برشی بتن مسلح سنتی (RC) در چنین کاربردهائی، معمولاً نیاز به قفس میلگرد با فاصله کم با قطر زیاد دارد و این امر به طور قابل توجهی برنامه ساخت را طولانی می کند و شرایط بتنریزی را در دیوارهای برشی RC با آرماتورهای متراکم دشوار میکند. علاوه بر این، وجود بار محوری شدید، منجر به طراحی دیوارهای برشی RC ضخیم (ضخامت 30 تا 70 سانتیمتر و گاهی بیشتر) می شود و از این رو فضای قابل استفاده ساختمان را اشغال می کند. با این حال، CFCSW می تواند کاستی های دیوارهای برشی سنتی RC را به حداقل برساند. ایده اولیه دیوار برشی مختلط شامل دو صفحه فولادی خارجی است که از طریق انواع مختلف اتصالات مانند اتصالات برشگیر و دیافراگم به بتن پر شده متصل می شوند. CFCSW ابتدا در تاسیسات هسته ای برای مقاومت در برابر بارهای لرزه ای جانبی مورد مطالعه و استفاده قرار گرفت که عملکرد سازه ای عالی را نشان داد و سپس در سیستم اسکلت فولادی در ساختمان های مرتفع استفاده شد.

در CFCSW، صفحات فولادی از طریق اتصالات برشگیر به هسته بتنی مهار می شوند، اما همچنان احتمال کمانش موضعی خارج از صفحه ورق های فولادی وجود دارد، اگرچه بتن این ورق ها را از یک طرف مهار کرده است. اینکه کمانش موضعی ورق های فولادی در محدوده پلاستیک باشد یا در محدوده الاستیک وابسته به لاغری است که تابعی از نسبت فاصله بین برشگیرها به ضخامت صفحه فولادی است.

مزایای بی نظیر بتن و فولاد در کنار یکدیگر موجب رفتار بینظیر CFCSW شده است. از طرفی محصور شدن بتن درون ورقهای فولادی موجب افزایش ظرفیت باربری و شکلپذیری بتن شده و از طرف دیگر هسته بتنی با به تأخیر انداختن کمانش موضعی ورقهای فولادی ظرفیت کمانشی بخش فولادی را افزایش می‌دهد. عمل کامپوزیت به اندازه گل میخ برشی، فاصله و لاغری صفحه فولادی بستگی دارد که در نهایت بر سختی خمشی کل مقطع دیوار تأثیر میگذارد.

نتایج آزمایشات  Usami و همکاران (1995 میلادی) نشان داد که مقاومت نهایی CFCSW بیشتر از جمع ساده مقاومت نهایی فولاد و بتن است، که می تواند بیانگر این واقعیت باشد که اثر کامپوزیت موجب افزایش عملکرد دو جزء مجزا شده است. این موضوع قبلاً نیز در آزمایشات انجام شده توسط Akiyama و همکاران (1991 میلادی) تأیید شده بود. در آزمایشات آنها مقاومت دیوار برشی مختلط 751 تن به دست آمد که از مقدار مجموع 707.4 تن برای فولاد و بتن بیشتر است. علاوه بر این، سختی دیوار برشی مختلط بیشتر از مجموع سختی دیوار برشی بتنی و فولادی است. لذا می توان نتیجه گرفت که شکل پذیری CFCSW به دلیل رفتار کامپوزیت بسیار افزایش یافته است.

حسن عراقی، مولف و مدرس دانشگاه