Стена жесткости — это элемент структурно-инженерной системы, предназначенный для сопротивления боковым силам в плоскости , как правило, ветровым и сейсмическим нагрузкам.
Стена сдвига сопротивляется нагрузкам, параллельным плоскости стены. Коллекторы, также известные как элементы сопротивления , передают сдвиг диафрагмы на стены сдвига и другие вертикальные элементы системы сопротивления сейсмической силе. Стены сдвига обычно изготавливаются из легких каркасных или укрепленных деревянных стен, обшитых материалом, устойчивым к сдвигу, таким как фанера или другие структурно жесткие панели, железобетон , армированная каменная кладка или стальные пластины.
Хотя фанера является традиционным материалом, используемым для деревянных (бревенчатых) стен сдвига, достижения в области технологий и современные методы строительства привели к появлению готовых вариантов, таких как листовая сталь и панели со стальной подложкой, используемые для узких стен, ограничивающих проем, которые, как оказалось, обеспечивают более высокую сейсмостойкость.
Во многих юрисдикциях проектирование стен жесткости регламентируется Международным строительным кодексом и Международным жилищным кодексом.
Стена сдвига жестче в своих главных осях X и Y, чем в своей оси Z. Она рассматривается как первичная конструкция, которая обеспечивает относительно жесткое сопротивление вертикальным и горизонтальным силам, действующим в ее плоскости. В этом комбинированном состоянии нагрузки стена сдвига развивает совместимые осевые, сдвиговые, крутильные и изгибные деформации, что приводит к сложному распределению внутренних напряжений. Таким образом, нагрузки передаются вертикально на фундамент здания. Следовательно, существует четыре критических механизма разрушения; как показано на рисунке 1. Факторы, определяющие механизм разрушения, включают геометрию, нагрузку, свойства материала, ограничение и конструкцию. Стены сдвига также могут быть построены с использованием легких стальных диагональных элементов связи, привязанных к точкам коллектора и анкера.
Коэффициент гибкости стены определяется как функция эффективной высоты, деленной либо на эффективную толщину, либо на радиус инерции сечения стены. Он тесно связан с пределом гибкости, который является границей между элементами, классифицируемыми как «тонкие» или «коренастые». Тонкие стены уязвимы к режимам разрушения из-за прогиба, включая выпучивание Эйлера в плоскости из-за осевого сжатия, выпучивание Эйлера вне плоскости из-за осевого сжатия и боковое торсионное выпучивание из-за изгибающего момента. В процессе проектирования инженеры-строители должны учитывать все эти режимы разрушения, чтобы гарантировать, что конструкция стены безопасна при различных видах возможных условий нагрузки.
В реальных структурных системах стены сдвига могут функционировать как связанная система вместо изолированных стен в зависимости от их расположения и соединений. Две соседние стеновые панели можно считать связанными, когда интерфейс передает продольный сдвиг для сопротивления режиму деформации. Это напряжение возникает всякий раз, когда секция испытывает изгибное или ограниченное напряжение деформации, и его величина зависит от жесткости элемента соединения. В зависимости от этой жесткости эксплуатационные характеристики связанного участка будут находиться между эксплуатационными характеристиками идеального однородного элемента с аналогичным общим поперечным сечением плана и объединенными эксплуатационными характеристиками независимых составных частей. Другое преимущество соединения заключается в том, что оно увеличивает общую жесткость на изгиб непропорционально жесткости на сдвиг, что приводит к меньшей деформации сдвига.
Расположение стены жесткости существенно влияет на функциональность здания, например, на естественную вентиляцию и дневное освещение. Требования к производительности различаются для зданий с различными функциями.
В гостиничных или общежитийных зданиях требуется много перегородок, что позволяет вставлять перегородки. В этих структурах предпочтительнее традиционная ячеистая конструкция (рисунок 2) и используется регулярное расположение стен с поперечными стенами между комнатами и продольными хребтовыми стенами, фланкирующими центральный коридор.
Конструкция из стен сдвига в центре большого здания, часто охватывающая шахту лифта или лестничную клетку, образует ядро сдвига . В многоэтажных коммерческих зданиях стены сдвига образуют по крайней мере одно ядро (рисунок 3). С точки зрения обслуживания здания, ядро сдвига вмещает коммунальные службы, включая лестницы, лифты, туалеты и служебные стояки. Требования к эксплуатационной пригодности здания требуют надлежащего расположения ядра сдвига. С точки зрения конструкции, ядро сдвига может усилить устойчивость здания к боковым нагрузкам, т. е. ветровой нагрузке и сейсмической нагрузке, и значительно повысить безопасность здания.
Бетонные стены жесткости армируются как горизонтальной, так и вертикальной арматурой (рисунок 4). Коэффициент армирования определяется как отношение общей площади бетона для сечения, взятого ортогонально арматуре. Строительные нормы и правила определяют максимальное и минимальное количество арматуры, а также детализацию стальных стержней. Обычные методы строительства для монолитных железобетонных стен включают традиционные подъемы с опалубкой, скользящую опалубку, прыжковую опалубку и туннельную опалубку.
Традиционный метод подъема ставней следует использовать, когда общее количество стен невелико или расположение нерегулярно. При этом методе стены формируются по одному этажу за раз вместе с колоннами. Хотя это и медленно, этот метод может обеспечить превосходное качество отделки или текстуру.
Скользящая формовка — это метод укладки бетона, при котором подвижная форма используется для создания непрерывной экструзии стены. Этот метод очень эффективен для хорошо подходящих конструкций, таких как фланцевые и стержневые стеновые системы. Можно получить очень точную толщину стены, но поверхность будет шероховатой из-за истирания формы о стены.
Формовка с перескоком, также известная как подъемная формовка, представляет собой метод строительства, при котором стены отливаются дискретными слоями. Это процесс «стоп-старт» с дневными швами, сформированными на каждом уровне слоя. Подобно скользящей формовке, эффективна только для конструкций с повторяющимся расположением стен. Более того, она удобна для добавления соединений и выдавливания на уровне пола из-за дискретных особенностей. Тем не менее, включение дневных швов оставляет более высокие шансы на дефекты и несовершенства.
Строительство туннельной опалубки использует опалубочную систему для заливки плит и стен в ходе одной операции заливки. Подходит для ячеистых конструкций с регулярным повторением как горизонтальных, так и вертикальных элементов. Преимущество этого метода заключается в том, что строительство может осуществляться одновременно вертикально и горизонтально, тем самым повышая целостность и устойчивость конструкции.
Из-за функциональных требований проектировщик может выбрать неплоские сечения, такие как C,L [ необходимо разъяснение ] , в отличие от плоских сечений, таких как прямоугольные/стержневые колокольные сечения. Неплоские сечения требуют 3D-анализа и являются областью исследований.
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 отказа . Различные методы моделирования стен сдвига охватывают макромодели, такие как модифицированные элементы балки-колонны, до микромоделей, таких как 3D-модели конечных элементов. Соответствующий метод моделирования должен:
С течением времени были разработаны различные модели, включая макромодели, модели вертикальных линейных элементов, модели конечных элементов и многослойные модели. В последнее время стали популярными 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. [1]