مهار دیوار با شبکه الیاف که امروزه با نام تجاری وال‌مش شناخته می‌شود، اولین بار در پیوست ششم استاندارد 2800 به‌منزله راهکار نوین مهار لرزه‌ای دیوار معرفی شد. این استاندارد الزامات فنی مرتبط با مشخصات فنی مصالح و برخی جزئیات اجرایی را مطرح کرده، اما اشاره‌ای به مبانی محاسباتی آن نکرده است. این مبانی در فصل دوازدهم ضابطه 714 سازمان برنامه و بودجه کشور آورده شده و شامل دو رابطه ساده شده است.
با نگاه به رویکرد استانداردهای بین‌المللی نظیر ACI 549 و همچنین تنوع محصولات موجود در بازار، مطالعه دقیق‌تر این روابط و مقایسه آن‌ها با روابط مراجع بین‌المللی ضروری به نظر می‌رسد. با توجه به نوپا بودن این فناوری در صنعت ساختمان ایران، مطالعاتی از این دست به فراگیر شدن و کاربرد صحیح آن کمک شایانی خواهد کرد.
چرا محاسبات و طراحی وال‌مش مهم است؟
کامپوزیت‌های سیمانی تسلیح شده با الیاف در ایران طی چند سال اخیر توسعه یافته‌اند و امروزه به نام تجاری وال‌مش شناخته می‌شوند. با این حال این فناوری در صنعت ساختمان دنیا بیش از دو دهه است که معرفی شده و کاربرد فراوانی یافته است. در میان مراجع بین‌المللی، مؤسسه بتن آمریکا در سال 2013 میلادی راهنمای ACI549.4r-13 را منتشر کرد. این راهنما مبانی طراحی، اجرا و کنترل کیفیت سامانه‌های FRCM برای تعمیر و تقویت سازه‌های بتنی و مصالح بنایی را تشریح کرده است. پس از آن و با گسترش دامنه کاربرد این فناوری، در سال 2020 میلادی راهنمای ACI549.6r-20 منتشر شد که مبانی فنی بهره‌گیری از سامانه FRCM در سازه‌های مصالح بنایی را به‌طور جداگانه بیان می‌کرد. معیارهای پذیرش تعمیر و تقویت سازه‌های بتنی و مصالح بنایی با استفاده از کامپوزیت‌های تقویت شده با الیاف نیز در استاندارد AC 434 (International Code Council Evaluation Service, 2016) منتشر شده است.
در دیوارهای مصالح بنایی تقویت نشده، آسیب یا فروریزش عموماً به‌دلیل نداشتن استحکام کششی و درنتیجه شروع یک مکانیسم شکست مرتبط با واژگونی، خمش، برش و… ایجاد می‌شود. بسیاری از آسیب‌های وارده به میان‌قاب‌های بنایی تقویت‌نشده در زلزله ناشی، از لنگر خمشی در میان‌قاب حاصل از نیروی جانبی برون صفحه وارد به دیوار است.
فناوری FRCM در تقویت ظرفیت خمشی خارج از صفحه میان‌قاب‌های بنایی و مهار لرزه‌ای آن‌ها کاربرد داشته و بسیار مؤثر است. بسته به طراحی و مشخصات مکانیکی FRCM و همچنین شرایط بارگذاری پیش‌بینی شده در طراحی (خمش عمودی یا افقی) این سامانه ممکن است روی کل سطح دیوار یا به‌صورت نوارهای عمودی و افقی اعمال شده و مقاومت خمشی خارج از صفحه دیوار را افزایش دهد. با توجه به اهمیت حفاظت از سلامت و زندگی مردم در مناطق زلزله‌خیز و به حداقل رساندن خطرات ناشی از زلزله در ساختمان، مطالعات زیادی برای بررسی رفتار لرزه‌ای خارج از صفحه دیوارهای بنایی و عملکرد کامپوزیت سیمانی تقویت شده با الیاف در مقاوم‌سازی دیوار بنایی انجام پذیرفته است.
با وجود گسترش فناوری FRCM در مهار لرزه‌ای دیوارهای غیرسازه‌ای در ایران، به‌دلیل توسعه مداوم این فناوری و طیف وسیع محصولات موجود در بازار، فرایندهای طراحی و کنترل مشخصات مکانیکی این سامانه نیازمند انجام مطالعات فراوان است. طراحی این سامانه باید براساس مشخصات مکانیکی اندازه‌گیری شده در آزمایشگاه انجام شود و هر تأمین‌کننده‌ای مشخصات مکانیکی مصالح خود را به طور دقیق ارائه دهد تا طراحی براساس آن صورت گیرد.
رویکرد ضابطه 714 در طراحی و محاسبات وال‌مش
مبانی محاسبات مهار دیوار با شبکه الیاف در فصل دوازدهم ضابطه 714 ارائه شده است. این روابط شامل دو فرمول ساده است که ظرفیت و تقاضای خمشی دیوار تقویت شده را محاسبه کرده و با مقایسه آن‌ها کفایت طراحی را بررسی می‌کند. طراحی دیوار تقویت شده با بتن مسلح شده با الیاف در ضابطه 714 به طور خلاصه شامل مراحل زیر است:
- محاسبه ظرفیت خمشی دیوار تقویت شده
- محاسبه لنگر تقاضای دیوار
- بررسی کفایت طراحی
در این دستورالعمل ظرفیت خمشی دیوار تنها با در نظر گرفتن مقاومت کششی مش الیاف شیشه محاسبه می‌شود و مشخصات مکانیکی سامانه وال‌مش در نظر گرفته نمی‌شود. همچنین از سهم دیوار در تحمل لنگرهای خمشی صرف نظر شده است. ضریب کاهش مقاومت در نظر گرفته شده در این محاسبات (φ) 0.9 است. در محاسبه تقاضای خمشی، دیوار یک تیر ساده دو سر مفصل فرض شده و لنگر بیشینه وارد بر آن براساس روابط ساده موجود (0.125*W*L2) به دست آمده است.
رویکرد ACI 549 در طراحی و محاسبات وال‌مش
ارزیابی مقاومت خمشی دیوار تقویت شده در ACI 549 شامل دو مرحله است:
- شناسایی حالت خرابی دیوار
- محاسبه مقاومت خمشی دیوار تقویت شده
حالت های خرابی برای دیوار تقویت شده با FRCM یکی از دو حالت زیر است:
- خرد شدن مصالح بنایی دیوار تحت فشار: در این حالت کرنش در مصالح بنایی به حد نهایی خود می‌رسد
- شکست نوار FRCM: این شکست ممکن است با جدا شدن نوار وال‌مش از دیوار زیرکار (debonding)، لغزش مش در کامپوزیت به دلیل چسبندگی و اتصال ناکافی بین مش و پلاستر ماتریس یا گسیختگی کششی مش فایبرگلاس باشد. در صورت استفاده از مش با مقاومت کافی، ایده‌آل آن است خرابی نوار وال‌مش با گسیختگی شبکه الیاف آن رخ دهد تا از تمام ظرفیت کششی مش استفاده شود.
پس از مشخص شدن حالت شکست دیوار، ظرفیت خمشی آن با جمع ظرفیت خمشی حاصل از FRCM و ظرفیت خمشی دیوار بنایی به دست می‌آید. ضریب کاهش مقاومت در نظر گرفته شده در این محاسبات (φ) 0.6 است.
تفاوت در رویکرد ضابطه 714 و ACI 549 در محاسبات وال‌مش
با بررسی دو رویکرد مطرح شده، سه تفاوت بسیار مهم به چشم می‌خورد. اول آن که ضابطه 714 مشخصات دیوار مصالح بنایی و رفتار آن تحت فشار را در نظر نگرفته است. دیوار ممکن است از مصالح مختلفی (آجر، بلوک سیمانی، سفال یا هبلکس) تشکیل شده باشد که هر کدام حد کرنش و رفتار فشاری متفاوتی از خود نشان می‌دهند. این مسئله به‌خصوص در دیوارهایی که با مصالح ترد و شکننده (مانند بلوک سفالی) چیده شده‌اند می‌تواند تأثیرگذار باشد.
تفاوت دوم در محاسبه ظرفیت خمشی حاصل از نوار وال‌مش است. ضابطه 714 این ظرفیت را تنها براساس مقاومت کششی مش فایبرگلاس محاسبه کرده در صورتی که در ACI 549 مشاهده شد چسبندگی نوار وال‌مش به دیوار زیرکار یا اتصال بین مش و پلاستر نیز می‌تواند حالت کنترل‌کننده خرابی دیوار باشد. ACI 549 در محاسبه ظرفیت خمشی، وال‌مش را به‌عنوان یک سامانه واحد متشکل از مش و پلاستر در نظر گرفته و مشخصات مکانیکی سیستم را در محاسبات وارد کرده است.
اختلاف بعدی در انتخاب ضریب کاهش مقاومت است. ACI 549 تأکید کرده که ضریب کاهش مقاومت را براساس تعداد بسیار زیادی آزمایش‌های تجربی مشخص کرده و ضریب 0.6 را در نظر گرفته است. در صورتی که ضابطه 714 ضریب 0.9 را انتخاب کرده و مبنای انتخاب این ضریب را بیان نکرده است.
مقایسه نتایج محاسبات با هر دو رویکرد
به‌منظور مقایسه دقیق فرایند طراحی دو آیین‌نامه مذکور، یک مثال عددی در ادامه مطرح شده و به هر دو روش کنترل شده است. یک دیوار ساخته شده از بلوک سیمانی سبک با طول 2 متر و ارتفاع 3 متر با استفاده از 3 نوار 25 سانتی‌متری FRCM تقویت شده است.
مش تقویت‌کننده سامانه FRCM از نوع الیاف شیشه است و دارای رشته‌های طولی بافته شده از دو نخ تکس 134 است. فرض شده است دیوار مورد نظر در طبقه پنجم از ساختمانی 5 طبقه واقع در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد و نوع خاک 3 واقع شده است. سایر فرضیات مورد نیاز در حل مسئله در جدول زیر آمده است.
| مشخصات هندسی و مکانیکی دیوار | مشخصات FRCM | ||
| ارتفاع (H) | 3 متر | کرنش کششی نهایی (fuɛ) | 0.0267 |
| طول (L) | 2 متر | سختی (Ef) | 31000000 کیلونیوتن بر مترمربع |
| ضخامت (t) | 10 سانتی‌متر | ضخامت معادل یک رشته الیاف (tf) | 0.000026 متر |
| جرم واحد سطح (wp) | 100 کیلوگرم بر مترمربع | مقاومت کششی اولیه مش شیشه (ftf) | 1500 نیوتن بر 5 سانتی‌متر |
| مقاومت فشاری اسمی مصالح بنایی (fmu) | 3600 کیلونیوتن بر متر مربع | مقاومت کششی مش پس از 28 روز قرارگیری در محلول قلیایی مطابق استاندارد ASTM E2098 (fʹtf) | 1200 نیوتن بر 5 سانتی‌متر |
| کرنش کششی نهایی مصالح بنایی (muɛ) | 0.0035 | ||
| ضریب مقاومت مصالح بنایی (γ) | 0.7 | ||
| ضریب عمق تار خنثی (β) | 0.7 | ||
ظرفیت خمشی طراحی به هر دو روش ارائه‌شده در ضابطه 714 و ACI549.6r-20 محاسبه شد. نتایج این دو روش به‌طور خلاصه در جدول زیر آمده است.
| ظرفیت خمشی اسمی (kN.m) | ضریب φ | ظرفیت خمشی طراحی (kN.m) | |
| ACI549.6r-20 | 0.88 | 0.6 | 0.528 |
| ضابطه 714 | 8/1 | 0.9 | 62/1 |
نتایج نشان می‌دهد ضابطه 714 ظرفیت خمشی اسمی دیوار را 2 برابر ACI 549 به دست آورده است. با اعمال ضرایب کاهش مقاومت، این اختلاف بیشتر شده و به 3 برابر می‌رسد.
سخن پایانی
همان‌طور که بررسی شد مبانی طراحی ضابطه 714 برای مهار لرزه‌ای دیوارها با شبکه الیاف، محدود به دو رابطه ساده‌سازی شده است که برخی از جنبه‌های عملکرد سامانه را در نظر نمی‌گیرد. همچنین اختلاف چشمگیر موجود در نتایج حاصل از محاسبات ضابطه 714 و ACI 549 می‌تواند مبنای نگرانی منطقی جامعه مهندسی باشد. با توجه به بررسی انجام شده در این مقاله، بازنگری در مبانی محاسباتی مهار دیوار با شبکه الیاف در ضابطه 714 ضروری به نظر می‌رسد.
