دیوار برشی چیست؟ بررسی جامع انواع، مزایا و نحوه اجرا

دیوار برشی یک دیوار سازه‌ای است که برای مقاومت در برابر بارهای جانبی مانند باد و زلزله طراحی می‌شود. این دیوارها نیروهای جانبی وارد بر سازه را جذب کرده و به شالوده منتقل می‌کنند. این فرایند، اثرات مخرب نیروهای زلزله و باد بر سازه را کاهش می‌دهد. دیوارهای برشی در بسیاری از سازه‌ها، از جمله ساختمان‌ها و پل‌ها، به‌منظور تقویت استحکام و پایداری سازه‌ها استفاده می‌شوند.

دیوار برشی چیست؟

دیوار برشی (به انگلیسی Shear Wall) یک دیوار سازه‌ای است که وظیفه اصلی آن مقاومت در برابر بارهای جانبی مانند باد و زلزله می‌باشد. به همین دلیل، دیوارهای برشی جزو دیوارهای مهاری به حساب می‌آیند. این دیوارها در بخش‌های داخلی و خارجی سازه‌ها اجرا می‌شوند و باید به فونداسیون متصل شوند تا عملکرد بهینه داشته باشند. این دیوارها می‌توانند از جنس بتن، فولاد یا مواد ترکیبی باشند و بسته به نوع و نیاز پروژه، ممکن است در موقعیت‌های مختلف سازه‌ای مورد استفاده قرار گیرند.

طبق تعریف مبحث ۹ مبحث مقررات ملی ساختمان، دیوار برشی، دیواری است که بطور عمده زیر اثر بارهای جانبی واقع در میان صفحه خود قرار می‌گیرد و نقش عمده آن مشارکت در تحمل و انتقال این نیروها می‌باشد. همچنین در بخش دیگر این مبحث گفته می‌شود که دیوار برشی نوعی دیوار سازه‌ای است که به عنوان عامل مقاوم در برابر بارهای جانبی تعبیه می‌شود.

طبق استاندارد ۲۸۰۰، تعریف زیر از دیوار برشی ذکر شده است: دیوار برشی دیواری است که نیروهای جانبی افقی را با عملکرد میان‌صفحه‌ای تحمل کرده و به شالوده منتقل می‌کند. در تمامی این تعاریف، ویژگی مقاومت در برابر بارهای جانبی دیوار برشی مورد تأکید است.

انواع دیوار برشی

دیوارهای برشی بر اساس معیارهای مختلفی از جمله مصالح، شکل ظاهری، ساختار و… دسته‌بندی می‌شوند. در این بخش، به‌طور مفصل به بررسی انواع مختلف دیوار برشی پرداخته می‌شود.

دیوارهای برشی با توجه به جنس و مصالح به‌کاررفته به دسته‌های زیر تقسیم می‌شوند:

• دیوار برشی فولادی
• دیوار برشی مصالح بنایی
• دیوار برشی بتن مسلح
• دیوار برشی مرکب

دیوار برشی فولادی

دیوار برشی فولادی با استفاده از ورق‌های فولادی اجرا می‌شود. این ورق‌ها بین ستون‌ها و تیرهای افقی قرار می‌گیرند. عملکرد این نوع دیوارها از نظر انتقال نیروهای برشی و خمشی شباهت زیادی به شاه‌تیرهای صفحه‌ای دارد. به این صورت که صفحات فولادی دیوار مشابه جان شاه‌تیر عمل کرده و ستون‌ها نقش بال‌های آن را ایفا می‌کنند. همچنین تیرهای افقی علاوه بر ایفای نقش سخت‌کننده، در پایداری کلی دیوار مؤثر هستند.

این نوع سازه معمولاً در ساختمان‌های بلندمرتبه با اسکلت فلزی به‌کار می‌رود. از مزایای دیوار برشی فولادی می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سبک بودن نسبت به سایر دیوارهای برشی
• اجرای سریع
• انعطاف‌پذیری بالا
• مقاومت بالا در برابر زلزله
• اشغال فضای کمتر

با وجود مزایای متعدد دیوار برشی فولادی، هزینه اولیه بالای آن از معایب این نوع دیوار به شمار می‌رود.

دیوار برشی با مصالح بنایی

دیوار برشی با مصالح بنایی از اجر، سنگ یا بلوک سیمانی پیش‌ساخته سبک ساخته می‌شود. فضای توخالی داخل آجرها یا بلوک‌ها با دوغاب سیمانی پر می‌شود. این نوع دیوار برشی می‌تواند به صورت مسلح یا غیرمسلح اجرا شود.

در نوع مسلح، میلگردهای افقی و عمودی داخل دیوار قرار می‌گیرند و مصالح بنایی مانند بلوک یا آجر هم‌راستا با این میلگردها در دیوار اجرا می‌شوند. مسلح‌سازی این دیوارها به‌منظور مقاوم‌سازی آن‌ها در برابر بارهای لرزه‌ای صورت می‌گیرد.

در نوع غیرمسلح، دیوار برشی از مقاومت کمتری برخوردار است و معمولاً در برابر بارهای جانبی شدید مانند زلزله آسیب‌پذیرتر است.

دیوار برشی بتن مسلح

دیوار برشی بتن مسلح یکی از مطمئن‌ترین و رایج‌ترین انواع دیوار برشی است که در مقابله با بارهای جانبی به کار می‌رود. این نوع دیوار، به‌ویژه در مناطق زلزله‌خیز، کاربرد فراوانی دارد. دیوار برشی بتن مسلح از بتن و آرماتورهای افقی و عمودی تشکیل می‌شود و به‌خوبی در برابر نیروهای برشی و خمشی ناشی از بارهای جانبی مقاومت می‌کند. این دیوارها می‌توانند به صورت پیش‌ساخته یا درجا اجرا شوند.

در دیوارهای برشی پیش‌ساخته، اجزاء در کارخانه تولید شده و پس از ساخت به محل پروژه منتقل و نصب می‌شوند. در دیوارهای درجا، دیوار برشی بتن مسلح در محل پروژه ریخته می‌شود.

این دیوارها در بسیاری از انواع ساختمان‌ها، از جمله مسکونی، تجاری و بلندمرتبه، کاربرد دارند. هنگام طراحی و قرارگیری این نوع دیوار در پلان، باید تا حد امکان متقارن باشد و مرکز ثقل هر طبقه در نزدیکی مرکز صلبیت دیوارها قرار گیرد. از مزایای دیوار برشی بتن مسلح می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقاومت بالا
• شکل‌پذیری خوب
• عملکرد بسیار خوب در برابر زلزله
• ایجاد سختی جانبی بالا
• طول عمر بالا
• قابلیت طراحی انعطاف پذیر

مراحل اجرای دیوار برشی

بعد از بررسی و طراحی دیوار برشی مورد نظر و آماده‌سازی محل اجرا، مراحل اجرای دیوار برشی شامل موارد زیر است:

1. آرماتورگذاری: آرماتورهای افقی و عمودی با دقت و مطابق با نقشه‌های اجرایی در محل نصب می‌شوند. در صورت نیاز به اسپیسر، آنها نیز به طور مناسب جایگذاری می‌شوند.
2. قالب‌بندی: قالب‌های بتنی به دقت نصب شده و پس از اطمینان از جایگذاری صحیح آن‌ها، با استفاده از پین و گوه به هم متصل می‌شوند. انتخاب قالب مناسب و توجه به قیمت قالب‌ بتن از اهمیت زیادی برخوردار است، زیرا این موضوع تأثیر زیادی بر هزینه‌های پروژه خواهد گذاشت.
3. بتن‌ریزی: در نهایت، بتن‌ریزی با دقت و به صورت یکنواخت انجام می‌شود. توجه به ویبره صحیح و دقیق بتن و استفاده از بتن با اسلامپ مناسب در هنگام اجرای بتن‌ریزی ضروری است تا بتن به‌طور کامل متراکم و یکدست شود.

دیوار برشی مرکب

دیوار برشی مرکب یکی از انواع دیوارهای برشی است که از ترکیب دو یا چند مصالح مختلف در کنار یکدیگر ساخته می‌شود. هدف از ترکیب این مصالح، بهبود عملکرد سازه در برابر بارهای جانبی است. از انواع دیوار برشی مرکب می‌توان به ورق‌های فولادی تقویت‌شده مدفون در بتن مسلح و خرپاهای مدفون در بتن مسلح اشاره کرد. همچنین، این دیوارها ممکن است همراه با قاب فولادی یا قاب مرکب طراحی شوند.

دیوارهای برشی با توجه به شکل ظاهری به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند که شامل موارد زیر است:

• U شکل یا کانالی
• تخت
• T شکل
• L شکل
• I شکل
• صلیبی
• حلقوی

در این قسمت به معرفی دو نمونه رایج از این دیوارهای برشی، یعنی دیوار برشی تخت و کانالی، میپردازیم:

دیوار برشی کانالی

این دیوار مقطعی شبیه به U یا کانال دارد و معمولاً در هسته سازه، مانند اطراف آسانسور، پله‌ها و هسته مرکزی قرار می‌گیرد. به دلیل شکل خاصی که دارد، در مقابل پیچش عملکرد بهتری از خود نشان می‌دهد.

دیوار برشی تخت

این دیوار برشی دارای مقطع مربع یا مستطیل‌شکل است و ساده‌ترین نوع دیوار برشی است که در اکثر پروژه‌ها استفاده می‌شود. دیوار برشی I شکل نوعی دیوار برشی تخت به حساب می‌آید.

دیوارهای برشی از نظر ساختار به دو نوع زیر تقسیم می‌شوند:

• دیوار برشی مونولیتیک
• دیوار برشی جفت

در این قسمت به بررسی این دو نوع دیوار برشی میپردازیم.

دیوار برشی مونولیتیک

دیوار برشی مونولیتیک یکی از انواع پرکاربرد و اصلی دیوارهای برشی است که به صورت یکپارچه و بدون درز ساخته و اجرا می‌شود. واژه “مونولیتیک” به معنای یکپارچگی کامل است.

از ویژگی‌های این دیوار می‌توان به یکپارچگی کامل و استحکام بالا، جذب نیروهای برشی، عملکرد ضد زلزله، پایداری زیاد و دوام طولانی اشاره کرد. دیوارهای برشی مونولیتیک می‌توانند از مصالح مختلفی مانند فولاد، بتن مسلح یا مصالح دیگر ساخته شوند. همچنین این دیوارها از نظر ظاهری می‌توانند دارای اشکال مختلفی از جمله L شکل، T شکل، U شکل و… باشند. دیوار برشی مونولیتیک همچنین می‌تواند در انواع مختلفی مانند دیوارهای کوتاه، اسکوات و طره‌ای اجرا شود.

دیوار برشی کوتاه

در دیوار برشی کوتاه، نسبت طول به ارتفاع دیوار (L/H) زیاد است، به طوری که ارتفاع دیوار، کوتاه و طول آن زیاد است. این دیوارها بیشتر تحت تأثیر نیروی برشی قرار می‌گیرند تا نیروی خمشی.

دیوار برشی اسکوات

در دیوار برشی اسکوات، ارتفاع دیوار کوتاه است اما عرض آن زیاد می‌باشد و نسبت عرض به ارتفاع بیشتر است. این دیوارها نسبت به دیوارهای برشی کوتاه عملکرد بهتری در برابر برش دارند، اما در معرض خم‌شدگی بیشتری هستند.

دیوار برشی طره‌ای

دیوار برشی طره‌ای مشابه یک تیر طره‌ای است که از یک طرف به سازه متصل و از طرف دیگر آزاد است. این دیوارها معمولاً در ساختمان‌های بلند و با بار جانبی زیاد مورد استفاده قرار می‌گیرند.

دیوار برشی جفت

نوع دیگری از دیوار برشی، دیوار جفت یا کاپل یا کوپله است. این دیوار برشی شامل دو دیوار است که به وسیله تیرهای اتصال به هم متصل می‌شوند، اما هرکدام از این دیوارها به صورت جداگانه و مستقل عمل می‌کنند. تیرهای اتصال نیروها را بین دو دیوار منتقل کرده و عملکرد کلی سازه را تقویت می‌کنند. این سیستم برای افزایش پایداری و کاهش پیچش در سازه استفاده می‌شود. همچنین در پروژه‌هایی که نیاز به فضای خالی و بازشو دارند، کاربرد دارد.

دیوارهای برشی با توجه به نوع اتصال به ستون‌ها در ابتدا و انتها به انواع زیر تقسیم‌بندی می‌شوند:

• دیوار برشی بدون ستون انتهایی
• دیوار برشی با یک ستون هم‌عرض در ابتدا یا انتها
• دیوار برشی با دو ستون هم‌عرض در ابتدا و انتها
• دیوار برشی با یک یا دو ستون ضخیم‌تر از عرض دیوار در ابتدا و انتها

مزایا

• مقاومت بالا در برابر نیروهای جانبی
• مقاومت در برابر نیروهای افقی و عمودی
• افزایش سختی ساختمان
• کاهش پیچش سازه
• افزایش درجه ایمنی ساختمان در مقابل ریزش و شکست
• کاهش خسارت
• شکل‌پذیری بالا
• اجرای و پیاده‌سازی سریع و آسان
• افزایش فضای مفید موجود در طبقه
• امکان جانمایی در فضای محدود
• تحمل بار ثقلی حتی با وجود ترک‌های زیاد
• کارایی در ساختمان‌های بند

معایب

دیوارهای برشی، علاوه بر مزایای فراوانی که دارند، معایبی نیز دارند. این دیوارها باید به‌صورت پیوسته در طول ساختمان اجرا شوند که این امر ممکن است باعث محدودیت در پلان معماری و محدود کردن طرح‌های داخلی شود. همچنین، در صورتی که دیوار برشی به‌درستی ساخته و اجرا نشود، ممکن است دچار شکست و ریزش گردد که می‌تواند خطرات مالی و جانی جبران‌ناپذیری به دنبال داشته باشد. دیوارهای برشی همچنین از نظر تطبیق‌پذیری با تغییرات آینده محدودیت دارند. به‌عبارت‌دیگر، اگر در آینده نیاز به تغییراتی در پلان طبقات یا بازشوها باشد، اعمال تغییرات در دیوار برشی مشکل‌ساز خواهد بود.

آرایش میلگرد در دیوار برشی

آرایش میلگردها در دیوار برشی به دو صورت یکنواخت یا متمرکز انجام می‌شود که به صورت زیر می‌باشند:

• آرایش یکنواخت: در این حالت، میلگردهای عمودی به طور یکنواخت در سراسر دیوار قرار می‌گیرند و برای دیوارهایی مناسب است که نیروی برشی نسبتاً یکنواختی را تحمل می‌کنند.
• آرایش متمرکز: در این نوع آرایش، میلگردهای عمودی در نواحی خاص دیوار مانند کناره‌ها، گوشه‌ها یا نقاطی که تحت بار بیشتری قرار می‌گیرند، متمرکز می‌شوند. این نوع آرماتورگذاری برای مواقعی استفاده می‌شود که نیاز به تقویت بیشتر در بخش‌های خاصی از دیوار وجود دارد.

انواع شکست در دیوار برشی

دیوارهای برشی یکی از اجزای اصلی در سیستم‌های مقاوم در برابر بارهای جانبی هستند، با این حال، در برابر شرایط بارگذاری شدید ممکن است دچار شکست شوند. در این بخش به بررسی انواع شکست در دیوار برشی پرداخته می‌شود. بررسی انواع شکست کمک شایانی به طراحی ایمن و مناسب دیوار برشی خواهد کرد. شکست در دیوار برشی را می‌توان به دو دسته کلی تقسیم کرد:

• شکست ناشی از خود دیوار برشی
• شکست ناشی از تیرهای همبند

در دیوارهای برشی، چهار نوع شکست اصلی مشاهده شده که شامل موارد زیر است:

• شکست چرخشی پایه شالوده: در این نوع شکست، دیوار در محل اتصال به فونداسیون دچار چرخش بیش از حد شده و منجر به گسیختگی در پایه آن می‌شود.
• شکست برشی: این نوع شکست معمولاً در دیوارهای کوتاه و ضخیم مشاهده می‌شود.
• شکست لغزندگی: زمانی اتفاق می‌افتد که دیوار نسبت به فونداسیون یا سایر طبقات دچار حرکت نسبی شود. این نوع شکست اغلب به دلیل مهار ناکافی دیوار یا ضعف در اتصالات رخ می‌دهد.
• شکست خمشی: در دیوارهای بلند، تحت اثر لنگرهای خمشی زیاد، ممکن است ترک‌های افقی در نزدیکی پایه دیوار ایجاد شود که نشان‌دهنده شکست خمشی است.

در دیوارهای برشی که دارای بازشو هستند، تیرهای همبند وظیفه انتقال نیرو بین دو قسمت دیوار را ایفا می‌کنند و از ضعیف‌ترین بخش سیستم به شمار می‌روند. بنابراین احتمال شکست در آن‌ها زیاد است. شکست در تیرهای همبند معمولاً به یکی از اشکال زیر اتفاق می‌افتد:

• شکست خمشی: زمانی که لنگر خمشی زیادی در تیر ایجاد شده و باعث جاری شدن آرماتورهای خمشی و در نهایت گسیختگی آن‌ها می‌شود.
• شکست کششی قطری: در این حالت، نیروی کششی زیادی در تیر همبند ایجاد شده و ترک‌های قطری گسترده‌ای به صورت الگوی X شکل در آن ظاهر می‌شود.
• شکست قطری فشاری – کششی: ترکیبی از نیروهای فشاری و کششی در دو جهت مورب باعث گسیختگی بتن و آرماتورها می‌شود.

چه سازه‌ای نیازمند دیوار برشی است؟

برای پاسخ به این سوال که چه سازه‌ای نیاز به دیوار برشی دارد، می‌توان گفت به طور کلی هر سازه‌ای که نیاز به مقاومت در برابر بارهای جانبی اعم از زلزله و باد دارد، باید در آن از دیوار برشی استفاده شود. در واقع، ساختمان‌های بتنی و بلندمرتبه، ساختمان‌های فولادی با هسته بتنی، سازه‌های با بازشوهای زیاد در نما، پل ها، سازه‌های صنعتی و انبارها، برج‌های مسکونی و اداری، و سازه‌های بیمارستانی و حیاتی از جمله سازه‌هایی هستند که معمولاً در آن‌ها از دیوار برشی استفاده می‌شود. به طور کلی، هرچه ارتفاع یک سازه بیشتر باشد، نیاز به دیوار برشی و سیستم مقاوم در برابر بارهای جانبی در آن افزایش می‌یابد.

جانمایی دیوار برشی در ساختمان

بهترین محل برای قرارگیری دیوارهای برشی باید در قسمتی از ساختمان باشد که به خوبی بتوانند نیروی جانبی را جذب و به فونداسیون منتقل کنند. بهترین موقعیت برای قرارگیری دیوارهای برشی معمولاً در هر نیمه از ساختمان و به صورت متقارن است. اما در بسیاری از موارد به دلیل محدودیت‌های معماری و طراحی، این دیوارها اغلب در گوشه‌ها، اطراف هسته مرکزی (مانند آسانسور و راه‌پله) و یا بخش‌های انتهایی ساختمان قرار می‌گیرند. رایج‌ترین مکان‌ها برای قرارگیری دیوار برشی اطراف هسته مرکزی ساختمان (مانند اطراف هسته آسانسور و راه‌پله)، در امتداد دیوارهای خارجی (پیرامونی)، امتداد محورهای متقارن ساختمان و بین دهانه‌ها می‌باشد.

نکاتی برای جانمایی دیوار برشی

برای جانمایی دیوار برشی در یک سازه باید نکات زیر را رعایت کرد:

• تقارن دیوارهای برشی در پلان ساختمان: این نکته بسیار مهم است زیرا در صورتی که دیوارهای برشی به صورت متقارن در پلان پخش نشوند، ممکن است پیچش ناخواسته در سازه رخ دهد.
• اتصال به فونداسیون: دیوارهای برشی برای انتقال موثر نیروها باید حتماً با فونداسیون درگیر باشند.
• وجود بازشو در دیوار برشی: وجود بازشوهایی مانند در و پنجره باید با دقت طراحی شود و برای حفظ عملکرد دیوار، از تیرهای همبند یا تقویت مناسب استفاده گردد.
• توجه به بارهای ثقلی و جانبی
• توجه به تداخل با تاسیسات
• توجه به مکان دسترسی به سیستم‌های اضطراری

به طور کلی، دیوارهای برشی در نقاطی از ساختمان قرار می‌گیرند که بتوانند سختی جانبی لازم را تأمین کرده و از جابجایی‌های بیش از حد جلوگیری کنند.

تغییر ضخامت دیوار برشی با افزایش ارتفاع

آیا ضخامت دیوار برشی با افزایش ارتفاع تغییر میکند؟ در پاسخ به این سوال باید گفت که در بیشتر پروژه‌ها، ضخامت دیوار برشی در طول ارتفاع ساختمان ثابت باقی می‌ماند؛ بنابراین، طراحی دیوار برشی باید به‌گونه‌ای انجام شود که قادر به تحمل بارهای وارده در طول ارتفاع خود باشد. با این حال، در برخی شرایط خاص مانند ساختمان‌های بسیار بلند یا سازه‌هایی با بارگذاری پیچیده، ممکن است تغییراتی در ضخامت دیوار برشی در ارتفاع‌های مختلف ایجاد شود. این موارد معمولاً نادر هستند.

ترمیم دیوار برشی

زمانی که دیوار برشی به دلیل فرسایش، زلزله یا آسیب‌های دیگر دچار آسیب و کاهش مقاومت می‌شود، ترمیم دیوار برشی انجام می‌گیرد. ترمیم این دیوارها معمولاً با استفاده از موادی همچون بتن مسلح، الیاف کربنی یا شیشه‌ای، رزین‌های اپوکسی، چسب‌های پلیمر و اپوکسی، پانل‌های فولادی تقویتی، الیاف فولادی و… صورت می‌گیرد.

دیوار برشی ویژه و متوسط

دیوارهای برشی ویژه و متوسط دو نوع متفاوت از دیوارهای برشی هستند که برای مقاوم‌سازی سازه‌ها در برابر نیروهای جانبی طراحی می‌شوند. در این قسمت به معرفی و تفاوت‌های این دو نوع دیوار برشی پرداخته می‌شود:

• دیوار برشی ویژه: این دیوار با استفاده از استانداردهای خاص طراحی و تقویت می‌شود تا نیروی جانبی بسیار زیاد، به‌ویژه در برابر زلزله‌های شدید، تحمل کند. دیوار برشی ویژه به گونه‌ای طراحی می‌شود که در مقابل بارهای زیاد دچار شکستگی ناگهانی نشود و از رفتار غیرخطی و جذب انرژی بسیار خوبی برخوردار است.
• دیوار برشی متوسط: این دیوار برشی به اندازه دیوار برشی ویژه تقویت نمی‌شود و برای ساختمان‌هایی با اهمیت کمتر و بارگذاری کمتر استفاده می‌شود. دیوارهای برشی متوسط مقاوم در برابر نیروهای جانبی هستند، اما به اندازه دیوارهای ویژه نمی‌توانند انرژی زیادی را جذب کنند و ممکن است در شرایط شدیدتر دچار شکستگی شوند.

از تفاوت‌های دیوار برشی ویژه و متوسط می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مقاومت بهتر دیوار برشی ویژه در برابر زلزله
• مقاومت بهتر دیوار برشی ویژه در برابر تغییر شکل‌های بزرگ
• پیچیدگی طراحی و تقویت بیشتر دیوار برشی ویژه