В строительном проектировании стена на сдвиг — это двумерный вертикальный элемент системы, предназначенный для противодействия поперечным силам в плоскости, обычно ветровым и сейсмическим нагрузкам.
Сдвиговая стена воспринимает нагрузки, параллельные плоскости стены. Коллекторы, также известные как тормозные элементы, передают сдвиг диафрагмы на сдвиговые стенки и другие вертикальные элементы системы сопротивления сейсмическим силам. Сдвиговые стены обычно представляют собой легкие каркасные или скрепленные деревянные стены с тонкими устойчивыми к сдвигу панелями на поверхности каркаса или представляют собой железобетонные стены, стены из армированной каменной кладки или стальные пластины.
Фанера является обычным материалом, используемым в деревянных (деревянных) стенах, работающих на сдвиг, но с развитием технологий и современными методами строительства другие сборные варианты позволили использовать сборки на сдвиг в узких стенах, которые падают по обе стороны от проема. Доказано, что листовая сталь и панели со стальной подложкой вместо конструкционной фанеры в стенах, работающих на сдвиг, обеспечивают более высокую сейсмостойкость.
Аспекты структурного проектирования
Механизмы нагрузки и отказа
Сдвиговая стенка более жесткая по своей главной оси, чем по другой оси. Он рассматривается как основная конструкция, обеспечивающая относительно жесткое сопротивление вертикальным и горизонтальным силам, действующим в ее плоскости. В условиях комбинированной нагрузки в стенке сдвига возникают совместимые осевые, сдвиговые, крутильные и изгибные деформации, что приводит к сложному распределению внутренних напряжений. Таким образом, нагрузки передаются вертикально на фундамент здания. Таким образом, существует четыре механизма критического отказа; как показано на рисунке 1. Факторы, определяющие механизм разрушения, включают геометрию, нагрузку, свойства материала, ограничения и конструкцию. Стены, работающие на сдвиг, также могут быть построены с использованием диагональных распорок из легкой стали, привязанных к коллекторам и точкам крепления.
Коэффициент гибкости
Коэффициент гибкости стены определяется как функция эффективной высоты, деленной либо на эффективную толщину, либо на радиус вращения секции стены. Это во многом связано с пределом гибкости, который представляет собой границу между элементами, классифицируемыми как «стройные» или «коренастые». Тонкие стены уязвимы к видам разрушения, вызванным короблением, включая продольный короб Эйлера из-за осевого сжатия, коробление Эйлера вне плоскости из-за осевого сжатия и боковой изгиб при кручении из-за изгибающего момента. В процессе проектирования инженерам-строителям необходимо учитывать все эти виды отказов, чтобы гарантировать безопасность конструкции стены при различных возможных условиях нагрузки.
Эффект связи сдвиговых стенок
В реальных конструктивных системах несущие стены могут функционировать как связанная система, а не как изолированные стены, в зависимости от их расположения и соединений. Две соседние стеновые панели можно считать соединенными, если интерфейс передает продольный сдвиг, чтобы противостоять моде деформации. Это напряжение возникает всякий раз, когда секция испытывает напряжение изгиба или ограниченного коробления, и его величина зависит от жесткости соединительного элемента. В зависимости от этой жесткости характеристики соединенной секции будут находиться между показателями идеального однородного элемента с одинаковым поперечным сечением в плане и комбинированными характеристиками независимых составных частей. Еще одним преимуществом соединения является то, что оно увеличивает общую жесткость на изгиб непропорционально жесткости на сдвиг, что приводит к меньшей деформации сдвига.
Расположение в зданиях различного назначения
Расположение несущей стены существенно влияет на функции здания, такие как естественная вентиляция и дневное освещение. Требования к производительности различаются для зданий различного назначения.
Здания гостиниц и общежитий
Здания гостиниц или общежитий требуют большого количества перегородок, позволяющих вставлять несущие стены. В этих конструкциях предпочтительна традиционная ячеистая конструкция (рис. 2) и используется регулярное расположение стен с поперечными перегородками между комнатами и продольными стенками, обрамляющими центральный коридор.
Коммерческие здания
Конструкция из сдвиговых стен в центре большого здания, часто охватывающая шахту лифта или лестничную клетку, образует ядро сдвига. В многоэтажных коммерческих зданиях несущие стены образуют как минимум одно ядро (рис. 3). С точки зрения инженерных коммуникаций здания, в сдвиговом сердечнике размещаются коммунальные службы, включая лестницы, лифты, туалеты и служебные стояки. Требования к эксплуатационной надежности здания требуют правильного расположения сдвигающегося сердечника. С конструктивной точки зрения, сдвиговое ядро может усилить устойчивость здания к боковым нагрузкам, то есть ветровой и сейсмической нагрузке, и значительно повысить безопасность здания.
Методы строительства — бетон
Бетонные стены, работающие на сдвиг, армируются как горизонтальной, так и вертикальной арматурой (рис. 4). Коэффициент армирования определяется как отношение общей площади бетона к сечению, перпендикулярному арматуре. Строительные нормы и правила определяют максимальное и минимальное количество арматуры, а также детализацию стальных стержней. Распространенные методы строительства монолитных железобетонных стен включают традиционные подъемники с ставнями, скользящую форму, прыжковую форму и туннельную форму.
Метод жалюзийных лифтов
Традиционный метод подъемников со ставнями следует использовать, когда общее количество стен небольшое или их расположение неравномерно. В этом методе стены формируются по одному этажу вместе с колоннами. Несмотря на то, что этот метод медленный, он может обеспечить превосходное качество отделки или текстуру.
Метод скользящей формы
Скользящая формовка — это метод укладки бетона, при котором движущаяся форма используется для создания непрерывной экструзии стены. Этот метод очень эффективен для хорошо подходящих конструкций, таких как фланцевые системы и системы несущих стенок. Можно добиться очень точной толщины стенки, но поверхность получается шероховатой из-за истирания формы на стенках.
Метод формы перехода
Формирование прыжков, также известное как формирование лазания, представляет собой метод строительства, при котором стены отливаются отдельными подъемниками. Это процесс «стоп-старт», в котором дневные суставы формируются на каждом уровне подъема. Как и скользящая формовка, прыжковая формовка эффективна только для конструкций с повторяющимся расположением стен. Кроме того, благодаря дискретным функциям его удобно добавлять на уровне пола. Тем не менее, включение дневных швов повышает вероятность появления дефектов и дефектов.
Метод туннельной формы
При строительстве туннельных опалубок используется система опалубки для отливки плит и стен за одну операцию заливки. Подходит для ячеистых конструкций с регулярным повторением как горизонтальных, так и вертикальных элементов. Преимущество этого метода в том, что конструкция может продвигаться одновременно по вертикали и горизонтали, тем самым повышая целостность и устойчивость конструкции.
Неплоские сдвиговые стены
Из-за функциональных требований проектировщик может выбрать неплоские секции, такие как C, L [необходимы пояснения], в отличие от плоских секций, таких как прямоугольные или стержневые секции колокола. Неплоские сечения требуют 3D-анализа и являются областью исследований.
Техники моделирования
Методы моделирования постепенно обновлялись в течение последних двух десятилетий, переходя от линейной статики к нелинейной динамике, что позволяет более реалистично представлять глобальное поведение и различные режимы отказов. Различные методы моделирования стенок сдвига варьируются от макромоделей, таких как модифицированные элементы балки-колонны, до микромоделей, таких как трехмерные модели конечных элементов. Соответствующая техника моделирования должна:
Со временем были разработаны различные модели, включая макромодели, модели вертикальных линейных элементов, модели конечных элементов и многослойные модели. В последнее время стали популярны элементы балок-колонн с фибровым сечением, поскольку они могут правильно моделировать большинство глобальных режимов реагирования и отказов, избегая при этом сложностей, связанных с моделями конечных элементов.
