کلید برشی چیست؟ راهنمای کامل کاربرد و انواع آن در سازه‌های بتنی و فولادی

آیا تا‌به‌حال فکر کرده‌اید که ساختمان‌های عظیم، دیوارهای حائل بلند یا پایه‌های پل چگونه در برابر نیروهای جانبی شدید مانند زلزله یا فشار خاک مقاومت می‌کنند و دچار لغزش نمی‌شوند؟ در مهندسی عمران، همیشه چالشی میان نیروهای مخرب و تمهیدات مقاوم‌سازی در جریان است. یکی از راه حل‌های کاربردی و مهم برای این مشکل، کلید برشی است. در این مقاله، به بررسی دقیق چیستی کلید برشی، نحوه عملکرد، انواع کاربردها و نکات اجرایی آن می‌پردازیم.

تعریف کلید برشی

کلید برشی یا Shear Key یک المان بتنـی یا فولادی است که در محل اتصال دو عضو سازه‌ای قرار می‌گیرد تا نیروهای برشی را منتقل کند و از لغزش یا جابه‌جایی نسبی بین آن دو جلوگیری کند. این کلید معمولا به‌صورت یک برجستگی یا فرورفتگی کنترل‌شده ساخته می‌شود تا میان دو بخش سازه نوعی قفل مکانیکی ایجاد شود. استفاده از کلید برشی در سازه‌های بتنی و فولادی رایج است و در بخش‌هایی مانند دیوارهای حائل، فونداسیون، اتصال تیر به ستون، قطعات پیش‌ساخته و بیس‌پلیت ستون‌های فولادی دیده می‌شود. هدف اصلی این المان، افزایش درگیری و مقاومت برشی بین دو سطح و انتقال مطمئن نیروها در شرایطی مانند زلزله، فشار جانبی یا بارهای سنگین است. اما چرا نام آن کلید برشی است؟ از آنجا که این قطعه وظیفه انتقال نیروی برش پایه از سازه به زمین را بر عهده دارد و مانند یک کلید در قفل یعنی همان خاک چفت می‌شود، به آن کلید برشی می‌گویند.

عملکرد کلید برشی در سازه

عملکرد کلید برشی در سازه، ایجاد یک قفل مکانیکی مطمئن برای ممانعت از لغزش افقی و جابجایی نسبی میان دو عضو سازه‌ای است تا نیروی برشی بتواند به‌صورت ایمن و کامل از یک بخش به بخش دیگر منتقل شود. این المان‌ها در تحلیل رفتار لرزه‌ای، وظیفه مهم کنترل جابجایی‌های جانبی و جلوگیری از سقوط سازه مانند عرشه پل از روی سرستون را بر عهده دارند. به دلیل هندسه خاص و ارتفاع کوتاه، کلیدهای برشی دارای سختی بسیار بالایی هستند؛ از این رو مهندسین در محاسبات خود از سهم لنگر خمشی صرف‌نظر کرده و طراحی آن‌ها را به طور کامل بر اساس مکانیزم برش اصطکاکی انجام می‌دهند.

نقش محوری کلید برشی در ایجاد یکپارچگی، قابل قیاس با نقش گل میخ‌های برشی در سیستم‌های سقف کامپوزیت است؛ چراکه هر دوی آن‌ها به عنوان برشگیر عمل کرده و اتصال مطمئن بین دو المان را تضمین می‌کنند. در پروژه‌های عمرانی، توجه به این جزئیات فنی دقیق به اندازه ملاحظات اقتصادی حائز اهمیت است. برای نمونه، هنگام انتخاب سیستم‌هایی نظیر سقف عرشه فولادی با دال مجوف، توجه به مشخصات فنی و قیمت ورق عرشه فولادی برای بهینه‌سازی هزینه‌ها و عملکرد سقف، کاملاً حیاتی است. این دقت نظر در تمام مراحل، از طراحی برش اصطکاکی در کلید برشی فونداسیون تا انتخاب متریال سقف، ضامن پایداری و ایمنی کلی بنا است.

انواع کلید برشی و محل استفاده آن‌ها

کلیدهای برشی انواع مختلفی دارند. هر نوع از آن‌ها برای شرایط خاصی طراحی شده است. انتخاب مناسب میان آن‌ها به نوع سازه و نیروی واردشده بستگی دارد. برخی از کلیدهای برشی برای سازه‌های فلزی مناسب‌اند و برخی دیگر برای سازه‌های بتنی یا پیش‌ساخته. در ادامه انواع کلید برشی به تفکیک محل استفاده توضیح داده شده‌اند.

کلیدهای برشی در پل‌ها

پل‌ها تحت نیروهای برشی و خمشی زیادی قرار دارند. کلیدهای برشی در اتصالات فولادی تیر به عرشه یا ستون‌ها نصب می‌شوند. آن‌ها انتقال نیرو را بین اجزا پل آسان می‌کنند. این کلیدها مانع لغزش تیرها می‌شوند و از ترک خوردن یا شکست جزئی جلوگیری می‌کنند. در پل‌های فلزی، جنس کلیدها معمولا فولادی هستند تا مقاومت کافی داشته باشند. در پل‌های بتنی، از کلیدهای برشی فلزی یا ترکیبی استفاده می‌شود تا اتصالات دال‌ها و ستون‌ها پایدار بماند.

کلید برشی در دیوارهای حائل و زیرزمین

دیوارهای حائل و سازه‌های زیرزمینی تحت فشار جانبی خاک قرار دارند. کلیدهای برشی بین دیوار و پی نصب می‌شوند. این کلیدها مانع لغزش دیوار نسبت به پی می‌شوند. آن‌ها نیروهای برشی ناشی از خاک را جذب می‌کنند و فشار را به پی منتقل می‌کنند. استفاده از کلید برشی باعث می‌شود دیوار پایدار بماند و ترک یا جابه‌جایی رخ ندهد. در پروژه‌های زیرزمینی، انتخاب دقیق کلید و محل نصب اهمیت زیادی دارد.

کلید برشی در پی ساختمان

پی ساختمان باید نیروهای عمودی ستون و نیروهای جانبی را تحمل کند. کلیدهای برشی بین ستون و پی نصب می‌شوند. این کلیدها فشار برشی را به طور یکنواخت توزیع می‌کنند و مانع جابه‌جایی ستون‌ها می‌شوند. در ساختمان‌های بتنی، کلیدها ممکن است با آرماتورهای اضافی تقویت شوند. نصب صحیح کلید برشی، مقاومت پی را افزایش داده و خطر ترک یا شکست در پی را کاهش می‌دهد.

کلید برشی در ستون فلزی

ستون‌های فلزی ممکن است تحت نیروهای برشی، خمشی و پیچشی قرار گیرند. کلیدهای برشی در محل اتصال تیر به ستون نصب می‌شوند. آن‌ها نیروهای برشی را منتقل می‌کنند و مانع لغزش تیر می‌شوند. جنس کلید برش ستون نیز معمولا فولاد سخت است تا مقاومت کافی داشته باشد. اگر برای ساخت کلید برشی به فکر خرید مقاطع فولادی مثل خرید قوطی آهن نیز باشید احتمالا به دلیل خرید عمده ، هزینه نهایی کمتری پرداخت خواهید کرد.

کلید برشی در بیس پلیت

بیس پلیت نقطه اتصال ستون به پی است. گاهی به دلایلی مثل ناکافی بودن انکر بولت ها یا کوچک بودن صفحه ستون نیروهای برشی به طور کامل خنثی نمی‌شوند .در اینجا مهندسان از کلید برشی استفاده می‌کنند. کلیدهای برشی در این قسمت نیروهای برشی را بین ستون و پی منتقل و از حرکت یا جابه‌جایی ستون جلوگیری می‌کنند. نصب کلید برشی در زیر بیس پلیت باعث می‌شود ستون در برابر نیروهای جانبی پایدار باقی بماند. طراحی کلید برشی باید با وزن و ارتفاع ستون هماهنگ باشد. ممکن است قیمت صفحه ستون کوچک، کمتر باشد اما گاهی نیاز به میلگرد بیشتر یا کلید برشی پیدا می‌کند.

کلیدهای برشی در سازه‌های پیش‌ساخته بتنی

سازه‌های پیش‌ساخته بتنی در کارخانه تولید و سپس در محل نصب می‌شوند. اتصالات بین قطعات در این سازه‌ها باید مقاوم و پایدار باشند. کلید برشی سازه‌های پیش‌ساخته در برخی موارد با آرماتورهای اضافی تقویت می‌شود.

مشکلات و خرابی‌های احتمالی در صورت عدم اجرای صحیح کلید برشی

اگر کلید برشی به درستی اجرا نشود، ممکن است اتصالات بتنی نتوانند بارهای برشی را به درستی تحمل کنند و اعضای سازه به‌صورت نسبی جابه‌جا شوند. این وضعیت موجب ایجاد ترک‌های کنترل‌نشده در محل اتصال و کاهش دوام سازه می‌شود. در سازه‌های هیدرولیکی، اجرای نادرست کلید برشی باعث نشت آب و فرسایش داخلی می‌گردد. از آن گذشته، در هنگام وقوع زلزله، با عدم اجرای صحیحی کلید برشی ، سختی جانبی سازه کاهش پیدا می‌کند و ممکن است مفاصل پلاستیک ناخواسته در اتصالات شکل بگیرند. همچنین کلیدهای برشی کوچک یا نامناسب، تمرکز تنش در بتن ایجاد کرده و باعث خردشدگی موضعی می‌شوند. رعایت ابعاد مناسب، آماده‌سازی صحیح سطح اتصال، بتن‌ریزی دقیق و استفاده از مصالح مقاوم، اصلی‌ترین راهکارها برای جلوگیری از این خرابی‌ها هستند.

روش طراحی کلیدهای برشی

طراحی کلید برشی با تعیین نیرویی شروع می‌شود که باید در محل اتصال منتقل شود. مهندس ابتدا این نیرو را از تحلیل سازه به‌دست می‌آورد. پس از مشخص شدن مقدار برش، نوع کلید بر اساس شرایط سازه انتخاب می‌شود؛ در این خصوص، برای اتصال‌های بتنی معمولا از کلید بتنی استفاده می‌شود و برای اتصال‌های فولادی از کلید فلزی بهره گرفته می‌شود. . در صورتی که مهندس برای سازه shear lug طراحی کند، بسته به نوع آن ، محفظه کلید برشی نیز در بتن در نظر گرفته می‌شود تا کلید درون محفظه قرار گیرد. این محفظه عموما با فوم یا مواد پرکننده موقت پر می‌شود تا پس از نصب بیس‌پلیت، با گروت پر شود.

در مرحله بعد، ظرفیت کلید باید با نیروی برشی مقایسه شود. در کلیدهای بتنی، این ظرفیت بر اساس برش اصطکاکی و برش در آرماتورهای عبوری تعیین می‌شود. در این روش، زبری سطح، مقدار آرماتور عبوری از صفحه تماس، و مقاومت بتن نقش اصلی دارند و باید به دقت بررسی شوند. مهندس با استفاده از رابطه‌های مربوط، مقدار آرماتور لازم را محاسبه می‌کند تا اتصال بتواند برش را تحمل کند. در کلیدهای فولادی، وضعیت متفاوت است. در این حالت باید مقاومت بتن در برابر لهیدگی، مقاومت جوش کلید به بیس‌پلیت و مقاومت خود کلید در برابر برش کنترل شوند.

پس از تعیین ظرفیت، نوبت به انتخاب ابعاد می‌رسد. ارتفاع و عرض کلید باید به گونه‌ای تعیین شوند که تنش‌های موضعی در بتن از حد مجاز بیشتر نشوند. در AISC که سازمان استانداردساز طراحی سازه‌های فولادی آمریکاست گفته شده  ، ارتفاع کلید بهتر است حداقل ۱.۵ برابر عرض و عرض آن حداقل ۰.۷۵ برابر ارتفاع در نظر گرفته شود .

فاصله کلیدها و تعداد آن‌ها نیز بر اساس طول اتصال مشخص می‌شود. در این مرحله، مهندس باید طول مهاری آرماتورها یا قطعه فولادی را هم کنترل کند تا انتقال نیرو به‌طور کامل انجام شود.

در بخش پایانی طراحی، جزئیات اجرایی بررسی می‌شود. سطح تماس باید زبر، تمیز و بدون مواد جداکننده باشد. محل کلید نسبت به درزهای اجرایی باید به‌درستی انتخاب شود. همچنین روش بتن‌ریزی و تراکم آن باید به‌گونه‌ای باشد که ضعف در ناحیه اتصال ایجاد نشود. با رعایت این مراحل، کلید برشی می‌تواند عملکرد مورد نیاز را تامین کرده و از لغزش یا جابجایی اجزای سازه جلوگیری کند.

مزایا و معایب استفاده از کلید برشی

مانند هر المان سازه‌ای دیگر، استفاده از کلید برشی نیز مزایا و چالش‌های خود را دارد. در جدول زیر، مزایا و معایب استفاده از کلید برشی به صورت جدول، مختصر و مفید ارائه شده است:

مزایا	معایب
ایمنی بالا در برابر لغزش	سختی و پیچیدگی اجرا
افزایش مقاومت جانبی	نیاز به خاک بکر و دست‌نخورده
صرفه‌جویی اقتصادی در پی	افزایش گودبرداری
افزایش سختی اتصال	چالش‌های بتن‌ریزی

سخن پایانی

کلید برشی شاید در ظاهر یک بخش کوچک و پنهان در زیر خاک باشد، اما نقشی مهمی در ایمنی و پایداری سازه‌ها، به‌ویژه دیوارهای حائل و سازه ‎های بلند ایفا می‌کند. این قطعه با مکانیزم ساده اما مهندسی شده خود، با استفاده از مقاومت خاک، مانع از بروز فجایع ناشی از لغزش می‌شود. برای مهندسین و پیمانکاران، دقت در اجرای صحیح این المان به اندازه محاسبات روی کاغذ اهمیت دارد. یک کلید برشی که بد اجرا شده باشد، در عمل هیچ کارایی نخواهد داشت.