ضریب رفتار سیستم سازه‌ای فلزی بر اساس آئین نامه طراحی ساختمان‌ها در برابر زلزله (استاندارد ۱۱۰۰) تعیین میشود. مطابق این استاندارد، این نوع سیستم می‌تواند یکی از انواع سیستم قاب ساختمانی ساده با دیوار برشی متوسط یا ویژه یا سیستم دوگانه با قاب خمشی و دیوار برشی متوسط یا ویژه انتخاب شود. بدیهی است در صورت انتخاب سیستم دوگانه، الزامات مربوطه، بایستی مطابق ضوابط آئین نامه رعایت شود. برای طراحی دیوار برشی برای اسکلت فلزی، استفاده از دیوار برشی معمولی مطابق آئین نامه بارگذاری آمریکا ASCE 7-10 برای نواحی با خطر لرزه‌خیزی متوسط و بالاتر مجاز نیست.
با توجه به عدم شناخت مناسب در مورد ترکیب سیستم‌های مختلف لرزه‌ای، در ساختمان‌های فولادی ترکیب دیوار برشی بتنی با سیستم‌های دیگر لرزه بر جانبی مانند مهاربندی در یک راستا مجاز نیست.
آئین نامه AISC 341-10 دو حالت برای طراحی دیوار برشی کامپوزیت با ستون فولادی تعریف نموده است. این سه حالت در کنار حالتی که ستون فولادی هیچ اتصالی به دیوار ندارد، شرح داده شده است. در هر یک از این حالت‌ها نحوه مدلسازی و طراحی متفاوت است.
در این حالت ستون فولادی کاملاً در داخل دیوار بتنی قرار گرفته و توسط آرماتورهای قائم و خاموت‌های پیرامونی محصور میشود. این حالت می‌تواند مناسب‌ترین گزینه، هم از نظر فنی و هم از نظر اقتصادی، برای استفاده از سیستم دیوار برشی بتنی در قاب فولادی باشد. در این صورت، نیروی محوری و لنگر خمشی به وسیله عملکرد مختلط دیوار بتنی و ستون فولادی توسط برشگیرهای متقارن مهیا میشود. نیروی برشی نیز توسط دیوار بتنی تحمل میشود.
برای این روش مطابق آئین نامه AISC 341-10، ستون فولادی بایستی به تنهایی قادر به تحمل کل نیروهای کشش و فشار ناشی از لنگر واژگونی دیوار باشد. به عبارت دیگر از باربری دیوار در مقابل نیروی محوری و لنگر خمشی اعمالی می‌بایست صرف نظر شود. همچنین نیروی برشی نیز توسط دیوار برشی بتنی تحمل میشود.
بهره‌گیری از این حالت منجر به افزایش مقطع ستون فولادی، ابعاد و تعداد میل مهاری کششی کف ستون شده که علاوه بر جنبه‌های اقتصادی طرح، بروز مشکلات اجرایی را نیز محتمل می‌سازد. علاوه بر این، با توجه به ظرفیت بالای مقطع ستون فولادی، به تعداد بیشتری برشگیر نسبت به حالت قبل نیاز است. با توجه به تعبیه برشگیرها تنها در یک وجه ستون، طبیعتاً تراکم برشگیرها نیز بیشتر خواهد بود. با توجه به موارد فوق استفاده از این سیستم توصیه نمی‌شود.
در این حالت ستون فولادی و دیوار بطور کامل از هم مجزا هستند. در این روش با توجه به نوع اتصال تیر بین دو ستون به دیوار، نیروهای طراحی متفاوت خواهند بود. اگر تیر فولادی از داخل دیوار عبور کند، تحت بار جانبی تیر در برش و خمش، ستون‌های اطراف در فشار و کشش قرار خواهند داشت. در اینجا ستون‌ها بایستی برای نیروی زلزله تشدید یافته طرح شوند. همچنین برای این حالت توصیه میشود فاصله دیوار برشی بتنی و ستون فولادی کم نبوده تا نیروی برشی و لنگر خمشی آن قابل توجه نشود. همچنین از آنجا که برش تیر ناشی از نیروی زلزله است، اتصال تیر به ستون بایستی قادر به تحمل نیروی برشی دو طرفه باشد. بطور مثال از اتصال با ورق جان به تنهایی یا در ترکیب با نشیمن سخت شده استفاده شود. علاوه بر این کفایت دیافراگم بین ستون و دیوار بایستی یرای تحمل کشش و فشار ایجاد شده بین آنها کنترل شود.
در صورتی که با ارائه دیتایل مناسب، اتصال تیر به دیوار بصورت مفصلی اجراء شود، بصورت مثال با تعبیه Insert Plate در دیوار تیر بصورت مفصلی به آن متصل شود. در تیر و ستون اطراف دیوار، هیچ نیرویی ناشی از بار جانبی ایجاد نخواهد شد. دقت شود در این حالت نیز نیروهای قابل توجهی در دیافراگم حد فاصل انتهای دیوار تا ستون ایجاد شود که ضروری است در طراحی دیافراگم مدنظر قرار گیرد. با توجه به عدم وجود ضوابط کافی و همچنین ابهامات متعدد در طراحی، استفاده از این حالت مناسب نیست.
با توجه به آنکه ستون‌های متصل مدفون یا نیمه مدفون در دیوار، المان‌های تغییر شکل کنترل هستند، نیازی به طرح این ستون‌ها برای نیروهای تشدید یافته نیست. اما اگر دیوار برشی و ستون فولادی منفصل از هم باشند، طرح ستون‌های فولادی مربوطه، همانند ستون‌های فولادی در اسکلت‌های فولادی دیگر و برای ترکیبات بار شامل زلزله تشدید یافته می باید صورت گیرد.
مطابق آئین نامه AISC 341-10، ضرایب ترک خوردگی دیوار برشی بتنی بایستی منطبق بر موارد ذکر شده در آئین نامه ACI 318-08; Chapter 10 باشد. مطابق این آئین نامه ضریب اصلاح سختی خمشی و پیچشی دیوار، بسته به مقدار تنش کششی بتن تحت ترکیبات بار نهایی، برای دیوار ترک خورده برابر عدد ۰/۳۵ و برای دیوار ترک نخورده برابر عدد ۰/۷ است.
با توجه به ضوابط اجرایی، از جمله نیاز به محصور شدن کامل ستون در حالت مدفون، الزام به ادامه یافتن آرماتورهای افقی دیوار تا پشت ستون، عدم درگیری آرماتورهای قائم با تیر طبقه در صورت وجود، فاصله میلگرد قائم تا پروفیل فولادی، حداقل پوشش بتنی روی میلگرد و حداقل ضخامت دیوار برشی در قسمت المان مرزی، حداقل ضخامت دیوار برشی بتنی در قاب فولادی ۳۱ سانتیمتر است. به منظور حل مشکل تداخل میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی با ورق کف ستون، می‌توان عرض دیوار را در نواحی انتهایی افزایش داد.
ستون فولادی انتهایی دیوار و میلگردهای قائم موبوطه می‌بایست در تمام ارتفاع خود توسط خاموت‌هایی با قطر حداقل ۱ میلیمتر و در فواصلی که ستون‌های قاب خمشی ویژه مشخص شده، محصور شوند. این خاموت‌ها جهت ایجاد پایداری میلگردهای قائم و همچنین محصور نمودن بتن اطراف ستون استفاده می‌شوند. با توجه به اجرای ستون زودتر از نصب خاموت‌ها، فقط می‌توان از خاموت‌های U شکل برای ستون‌های کامپوزیت استفاده نمود.
در محل روی هم قرار گیری دو خاموت U شکل، حداقل مقدار همپوشانی ۳ طول مهاری میلگرد خاموت در کشش بایستی رعایت شود. بجای این روش توصیه میشود خاموت‌ها در انتهای خود دارای قلاب ۳۵ درجه بوده و میلگرد گوشه ستون را نیز در بر گیرد. همچنین مطابق ACI318-10 آرایش خاموت‌ها باید بگونه‌ای باشد که هر میلگرد قائم حداکثر یک در میان در گوشه یک خاموت با زاویه کمتر از ۳۵ درجه قرار بگیرد. فاصله خالص میلگرد قائم که در گوشه خاموت قرار نگرفته تا میلگردهای مجاور از ۵ سانتیمتر بیشتر نشود.
در صورت استفاده از ستون فولادی مدفون، می‌بایست حداقل از ۴ عدد میلگرد قائم با فواصل حداکثر ۱ سانتیمتر استفاده شود. حداقل میزان میلگرد در ناحیه انتهایی دیوار ۰/۴٪ سطح مقطع ناحیه انتهایی است. برای عدم تداخل میلگردهای قائم ستون‌ها با تیرهای متصل به آن، بطور معمول، آرایش آنها به گونه‌ای در نظر گرفته شود که این میلگردها به چهار وجه ستون نزدیک باشند.
فاصله آزاد (خالص) بین میلگردهای قائم و همچنین بین میلگردهای قائم و پروفیل فولادی نباید برابر قطر میلگردهای قائم و ۴ سانتیمتر کمتر باشد. فاصله حداقل میلگردهای طولی بایستی در محل وصله‌های پوششی نیز رعایت شود. همچنین ضوابط مربوط به پوشش بتنی روی میلگردها بایستی مطابق آئین نامه ACI318-08 لحاظ گردد. حداقل مقدار پوششی به اندازه ۴ سانتیمتر توصیه میشود.
در حالتی که از ستون فولادی بصورت مدفون در دیوار برشی استفاده میشود، برشگیرهای اطراف ستون بایستی حداقل در دو وجه آن و بصورت متقارن تعبیه شوند. برشگیرها می‌توانند در صورت وجود فضای کافی، بر روی قسمت خارجی بال ستون فولادی و در غیر این صورت، در دو سمت جان و یا بر روی وجه داخلی بال ستون نصب شوند. اگر تنها از یک برشگیر بر روی وجه داخلی هر بال ستون استفاده شود، این برشگیرها بایستی در طرفین جان بصورت چپ و راست قرار گیرند.
با توجه به آنکه ستون‌های متصل مدفون یا نیمه مدفون در دیوار، المان‌های تغییرشکل کنترل هستند، کف ستون‌های متصل به این المان‌ها می‌باید برای کل ظرفیت کششی و کل ظرفیت فشاری ستون فولادی طرح شوند. اما اگر دیوار برشی و ستون فولادی منفصل از هم باشند، طرح کف ستون‌های فولادی، همانند ستون‌های فولادی در اسکلت‌های فولادی دیگر و برای ترکیبات بار شامل زلزله تشدید یافته می‌باید صورت گیرد.
در صورتی که میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی، در داخل فونداسیون ادامه نیافته، بلکه به کف ستون جوش شوند. این گزینه با توجه به عدم وجود فضای مناسب برای جوش انتهای خم میلگرد به کف ستون توصیه نمی‌شود. میل مهارها بایستی برای نیروهای کششی و فشاری ذکر شده در این قسمت به علاوه ظرفیت کششی میلگردهای جوش شده به کف ستون محاسبه شوند. نکته دیگر آنکه در حالت استفاده از گزینه ستون فولادی مدفون، کف ستون نیز مدفون بوده و دچار خمش نمی‌شود. بنابراین ابعاد ورق کف ستون بیشتر تابع مسائل اجرائی و محیطی (خوردگی) است. همچنین در این حالت نیازی به ورق‌های سخت کننده برای کنترل خمش ورق کف ستون نیست. هر چند ممکن است برای انتقال نیروی کششی از ستون به کف ستون از این ورق‌ها استفاده کرد. در صورتی که بتوان ستون را با جوش نفوذی کامل به کف ستون جوش داد، نیاز به ورق‌های سخت کننده کف ستون بطور کامل حذف خواهد شد.
برای اتصال ستون فولادی به فونداسیون در حالت‌های مدفون یا نیمه مدفون، روش‌های مختلفی وجود دارد. یکی از این روش‌ها آن است که ابعاد ناحیه انتهایی دیوار بتنی به اندازه کافی بزرگتر از ابعاد کف ستون در نظر گرفته شود. بطوری که میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی، بدون تداخل با کف ستون از مجاور آن عبور کرده و به میلگردهای انتظار فونداسیون متصل شوند. بدین منظور ابعاد کف ستون می‌بایست تا حد امکان کوچک در نظر گرفته شود. به منظور کاهش ابعاد ورق کف ستون، می‌توان از محدوده داخلی پروفیل جهت تعبیه میل مهارها استفاده نمود.
به عنوان روش دیگر می‌توان، علاوه بر سوراخ‌های میل مهار، با تعبیه سوراخ‌های اضافی در کف ستون، میلگردهای قائم اطراف ستون فولادی را از داخل این سوراخ‌ها عبور داد. در این حالت بایستی در نقشه‌های کف ستون‌ها، محل و تعداد تمامی سوراخ‌ها شامل سوراخ‌های میل مهار و سوراخ‌های مربوط به میلگردهای قائم بطور مشخص و با اندازه گذاری معلوم شوند. در این حالت توصیه میشود اولاً ابعاد کف ستون برای قرار گیری تمام میلگردها و میل مهارها، به اندازه کافی بزرگ در نظر گرفته شود. ثانیاً تراکم میلگردهای اطراف ستون‌های فولادی زیاد نباشد.
ضخامت سقف در محل اتصال به دیوار برشی بتنی بایستی جوابگوی تنش‌های برشی افقی ناشی از بار زلزله انتقال یافته از سقف به دیوار باشد. بطور مثال سقف‌های تیرچه بلوک با ضخامت دال بتنی ۵ سانتیمتر، ممکن است جوابگوی این برش نبوده و بنابراین سیستم سقف کامپوزیت با ضخامت دال بتنی مناسب توصیه میشود. ترجیحاً ضخامت دال این سقف از ۱ سانتیمتر کمتر در نظر گرفته نشود.
اتصال سقف به دیوار برشی باید برای برش اصطکاک طرح شده و میلگردهای برش اصطکاکی مناسب میلگردهای دوخت بصورت L شکل در محل اتصال تعبیه شوند. میلگردهای خمشی یا حرارتی سقف نیز بایستی بطور کامل داخل دیوار مهار شوند. علاوه بر این سقف می‌بایست برای عملکرد داخل صفحه دیافراگم تحت اثر بار زلزله کنترل و طرح شود. بطور مشخص تنش‌های داخل صفحه بررسی شده و Collector و Chord مناسب طراحی شوند.
به دلیل مسائل اجرایی، توصیه میشود تیرچه‌های سقف تیرچه بلوک یا تیرچه‌های سقف کامپوزیت موازی صفحه دیوار اجراء شوند و نه عمود بر آن.
بایستی دقت نمود که قاب‌های فولادی ساده همراه با دیوار برشی بتنی، برخلاف قاب‌های فولادی مهاربندی یا قاب‌های فولادی خمشی، قبل از اجرای دیوار از پایداری مناسبی در برابر بارهای اعمالی برخوردار نیستند. بنابراین مناسب است در هنگام اجرای اسکلت مهارهای موقت مناسب برای سازه در نظر گرفته شود. همچنین بتن ریزی و اجرای دیوار هر طبقه لزوماً می بایست همزمان با اجرای سقف همان طبقه صورت گیرد. به عبارت دیگر اجرای دیوار برشی بتنی پس از اجرای کامل تمام سقف‌ها با قرار دادن ریشه انتظار دیوار در سقف طبقات مجاز نیست.
در برخی مواقع نیاز است تیری در صفحه دیوار یا عمود بر آن به دیوار متصل شود. بطور مثال ممکن است اتصال تیر، تیرچه سقف یا تیر شمشیری پله به دیوار برشی بتنی مورد نظر باشد. در این حالت در محل اتصال تیر بایستی قبل از بتن ریزی دیوار، صفحات انتظار مناسب تعبیه نمود. برای طرح این صفحه ابتدا بایستی بر اساس ابعاد تیر و اتصالات آن، حداقل ابعاد ورق را محاسبه نموده و سپس آرایشی برای بولت‌ها بر اساس ملزومات آئین نامه‌ای حداقل فواصل بولت‌ها از هم و از لبه ورق در نظر گرفته شود. اتصال ساده تیر به ورق تحت اثر نیروی برشی این است که با فاصله اعمال میشود. بنابراین اتصال تحت لنگر خمشی نیز قرار می‌گیرد.
برای محاسبه نیروی کششی هر بولت ابتدا بایستی بر اساس دو معادله تعادل نیرو و لنگر و با سعی و خطا محل تار خنثی یا مقطع شامل بولت‌های کششی و قسمتی از صفحه تحت فشار بدست آورده و سپس نیروی کششی هر بولت را محاسبه نمود. با داشتن نیروی کششی و برشی هر بولت می‌توان با استفاده از مقادیر مقاومت اسمی هر پیچ در برش و کشش، بولت‌های اتصال را طراحی کرد. ضخامت ورق اتصال نیز، بر اساس کنترل حالت‌های حدی لهیدگی (bearing)، پاره شدگی ورق اتصال (tear out) در مجاورت سوراخ‌ها و همچنین برش قالبی (block shear) محاسبه میشود.
بایستی دقت نمود در صورتی که تیر عمود بر صفحه به دیوار متصل شود، ضخامت دیوار می‌بایست چنان باشد که بولت‌ها بتوانند در آن مهار شوند. همچنین در صورتی که تیری در صفحه دیوار به آن متصل شود، عرض ورق اتصال از ضخامت دیوار بیشتر در نظر گرفته نشود.