محاسبه انواع بارهای وارد بر ساختمان
یکی از مهمترین مسائل طراحی و اجرای هر ساختمان و سازه عمرانی انواع بارهای وارد بر آن است. در واقع مهندسین طراح، همه تلاش خود را می‌کنند تا این بارها به طور کامل از قبل تشخیص داده شده و به درستی توزیع شود؛ زیرا هر چه توزیع بارهای وارد بر ساختمان متعادل‌‌تر باشد، مقاومت و ایمنی ساختمان بیشتر شده و طول عمر مفید ساختمان هم بالا می‌رود.
اما اگر به هر دلیلی مانند بی دقتی یا صرف نظر کردن از برخی موارد برای کاهش هزینه پروژه برخی از بارهای وارد بر ساختمان در نظر گرفته نشوند، احتمال خطر و ایجاد حوادث ناگوار جانی و مالی وجود دارد. پس همه مهندسان طراح و اجرایی باید انواع بارهای وارد بر ساختمان را بشناسند.
بارهای وارد بر ساختمان های بلند
در مهندسی عمران به نیروهایی که ساختمان را تحت فشار قرار میدهند بارهای وارد برساختمان می‌‌گویند و منظور از بارگذاری سازه نیز مجموع نیروهایی است که بر یک ساختمان وارد می‌شود. این نیروها را به دو گروه زیر تقسیم می‌کنند:
- نیروهای خارجی: منظور از نیروهای خارجی نیروهایی است که دقیقاً از خارج ساختمان به آن وارد میشوند.
- نیروهای داخلی: منظور از نیروهای داخلی، نیروهایی است که به دلیل وجود نیروهای خارجی در اجزای سازه ایجاد خواهند شد؛ بنابراین اگر نیروی خارجی وجود نداشته باشد، نیروی داخلی نیز ایجاد نخواهد شد.
مسیر انتقال بارهای وارد بر ساختمان چیست؟
مسیر انتقال بار در واقع مسیری است که یک نیرو باید در ساختمان طی کند تا بتواند از طریق اجزای ساختمان به زمین برسد؛ زیرا از نظر فنی وظیفه اصلی هر سازه که در داخل دیوارها و نماها پوشیده می‌شود انتقال نیروها به زمین است. به این صورت که سازه مورد نظر تمامی بار خارجی وارد شده به هر طبقه را از دال به طرف تیر فرعی، بعد به طرف تیر اصلی، سپس به ستون و در نهایت از ستون به پی و زمین منتقل می‌کند.
تمامی نیروهای داخلی اجزای سازه‌ای اعم از دال، تیر فرعی، تیر اصلی، ستون و پی به دلیل وجود نیروهای خارجی ایجاد میشوند. اگر انواع بارهای وارد بر ساختمان به هر کدام از این اعضا کمتر یا نهایتاً برابر با توان آن جزء باشد از نظر مقاومتی مشکلی برای ساختمان ایجاد نمی‌کند اما اگر به هر دلیلی، نیروهای وارد شده از توان مقاومتی اجزا بیشتر باشد به احتمال زیاد سازه تخریب شده و یا با مشکل مواجه می‌شود.
انواع نیروهای جانبی در ساختمان به صورت خارجی
در ادامه با انواع نیروهای جانبی که به ساختمان وارد میشوند، آشنا شوید:
1.نیروهای خارجی وارد بر ساختمان بر اساس اینکه از چه منبعی ایجاد میشوند به دو گروه زیر تقسیم می‌گردد:
- بارهایی که از طرف طبیعت مانند نیروی جاذبه زمین یا وزن اسکلت، بار برف، نیروی یخ زدگی، نیروی باران، نیروی باد و مواردی از این دست ایجاد میشوند.
- بارهایی که از طریق انسان مانند راه رفتن، جا به جایی وسایل، بار انفجار، بار ضربه و … ایجاد می شوند.
2. بارهای وارد بر ساختمان از نظر جهت اعمال نیرو به دو گروه زیر تقسیم میشوند:
- بارهایی که در جهت قائم وارد میشوند یا بارهای ثقلی مانند بارهای مرده، زنده، برف و … که به ساختمان وارد میشوند.
- بارهایی که در جهت افقی یا به صورت جانبی به ساختمان وارد می‌شود که از جمله آنها می‌توان به نیروهای ناشی از باد و زلزله اشاره کرد.
3. نیروهای خارجی وارد بر ساختمان از نظر سرعت اعمال بار نیز به دو گروه زیر تقسیم میشوند:
- بارهای استاتیکی که به آرامی به سازه و ساختمان وارد میشوند و از جمله آنها می‌توان به بارهای مرده اشاره کرد که در طول زمان هم ثابت می‌مانند و مقدارشان اضافه نمی‌شود.
- بارهای دینامیکی که همیشگی نیستند و به طور ناگهانی به سازه وارد میشوند. در نتیجه مقدار آن نسبت به زمان، می‌تواند تغییر کند. نیروهای باد و زلزله از جمله بارهای دینامیکی هستند.
تفاوت بار دینامیکی و استاتیکی
همانطور که در قسمت قبل گفتیم انواع بارهای وارد بر ساختمان از نظر سرعت به دو نوع استاتیکی و دینامیکی تقسیم میشوند. تفاوت اینجاست که در بارهای استاتیکی، مقدار بار در طول زمان اصلاً تغییر نمی‌کند؛ بنابراین نمی‌تواند آثار مخربی برای ساختمان ایجاد نماید و نسبت به هر بار استاتیکی وارد شده مانند جابه‌جایی یک واکنش صحیح و به موقع از سمت سازه وجود دارد.
اما در بارهای دینامیکی به دلیل تغییر میزان بار در طول زمان و ناگهانی بودنش، ممکن است از ظرفیت تحمل بار ساختمان بیشتر باشد که باعث آسیب و گاهاً تخریب سازه می‌شود. در واقع در بارهای دینامیکی در هر بار اعمال نیروی ناگهانی که انجام می‌شود واکنش سازه نیز کاملاً متفاوت خواهد بود. اگر بار دینامیکی از ظرفیت تحمل بار ساختمان کمتر باشد آسیب جدی به سازه نمی‌زند.
اما در صورتی که بیشتر از ظرفیت ساختمان باشد، می‌تواند حتی باعث ریزش سازه شود. تفاوت دیگر بارهای استاتیکی و دینامیکی به قانون دوم نیوتون یعنی F=m×a بر می‌گردد که می‌‌گوید هر نیرویی که به جسمی یا سازه‌ای وارد شود نیروی واکنشی در طرف آن جسم یا سازه دریافت خواهد کرد که به آن اینرسی می‌‌گویند.
بارهای دینامیکی که دارای شتاب هستند باعث ایجاد اینرسی در ساختمان میشوند اما در بارهای استاتیکی به دلیل شتاب صفر نیروی اینرسی در ساختمان ایجاد نخواهد شد. بنابراین زمانی که مثلاً به پی سازه یک نیروی خارجی افقی اعمال می‌شود اگر به صورت آهسته و استاتیکی باشد، سازه بدون اینکه بخواهد نیروی بیشتری را تحمل کند به نقطه ثانویه انتقال می‌‌یابد.
اما در صورتی که این نیرو به صورت مکانیکی و سریع اعمال شود در پی سازه شتاب ایجاد کرده و می‌خواهد سازه را سریعاً به نقطه ثانویه انتقال دهد، در حالی که اجزای ساختمان مانند سقف، تمایلی به این نوع جابه‌جایی سریع ندارند. در نتیجه احتمال ریزش وجود دارد. نیروی زلزله دقیقاً به همین صورت به پی ساختمان وارد می‌شود و هر چه شتاب بیشتری ایجاد کند، امکان ریزش ساختمان هم بیشتر خواهد شد.
بررسی بارهای اینرسی وارد بر ساختمان
نیروی اینرسی طبق قانون دوم نیوتون به شتاب و جرم سازه بستگی دارد. هر چه میزان شتاب و جرم یا هر دو بالاتر باشد اینرسی ایجاد شده و احتمال عدم تحمل بار توسط سازه بیشتر می‌شود. شتاب ناشی از نیروهای زلزله در سنگ بستر بر اساس ضریب بازتاب به شتاب سازه تبدیل خواهد شد. این شتاب به پارامترهای مختلفی بستگی دارد که همه آنها قابل کنترل و یا تغییر نیستند.
بنابراین اگر ما بخواهیم مقاومت یک سازه را نسبت به نیروی اینرسی ناشی از بارهای دینامیکی افزایش دهیم، بهترین و راحت‌ترین کار این است که جرم سازه را کاهش دهیم؛ زیرا یکی از پارامترهای اصلی تأثیرگذار در نیروی اینرسی m یا جرم سازه است. در ادامه با یک مثال واضح‌تر نقش نیروی اینرسی در ساختمان را توضیح می‌دهیم:
فرض کنید در یک ترن هوایی در شهربازی نشسته‌‌اید و ترن به صورت ناگهانی شروع به حرکت می‌کند. در نتیجه نیروی اینرسی ایجاد شده به دلیل شتابی که دارد شما را برحسب شدت نیرو به عقب پرت می‌کند و شما دوباره بعد از یک شوک به سر جای خود بر می‌‌گردید. همین اتفاق برای ساختمان هم می‌افتد، منتها ساختمان مانند سیستم بدنی نیست!
یک سازه صورت اینرسی‌های شدید نمی‌تواند بعد از این جابه‌جایی شوک‌آور به جای خود برگردد. هر چند بدن نیز گاهی توان برگشت به حالت عادی را ندارد. این شرایط بیشتر در تصادفات سخت و ناگهانی ایجاد می‌شود. هر چه وزن شما کمتر باشد برای حفظ تعادل، اینرسی کمتر و هر چه وزن بیشتر باشد برای حفظ تعادل، اینرسی بیشتری را باید تحمل کنید. دقیقاً در ساختمان هم همین اتفاق می‌افتد.
انواع نیروهای خارجی وارد بر ساختمان
در اینجا می‌خواهیم انواع بارهای خارجی که در قسمتهای قبلی به آنها اشاره کردیم و بر ساختمان وارد میشوند را به طور جزئی بررسی کنیم. مهمترین این بارهای خارجی عبارتند از:
- بارهای مرده
بارهای مرده در واقع همان بارهای ثابت یا استاتیکی هستند که در طول زمان تغییر نمی‌کنند. این بارها عموماً ناشی از وزن اجزای ساختمان است که از قبل نیز قابل پیشبینی هستند و از همان ابتدای ساخت سازه تا زمان تخریبشان ثابت می‌مانند. در واقع بارهای مرده وارد بر ساختمان، شامل وزن تیرها، ستون‌ها، دیوارها، تأسیسات و تجهیزات، کف‌ها و راه پله‌ها هستند. مقدار این بار از حاصل ضرب حجم در وزن مخصوص مصالح هر یک از اجزای گفته شده به دست می‌آید.
- بارهای زنده
بارهای زنده یکی دیگر از انواع بارهای وارد بر ساختمان هستند. در واقع بارهای زنده بارهای متحرک یا همان بارهای دینامیکی هستند که از نظر مقداری و یا محل اثر در سازه در طول زمان می‌توانند متفاوت باشند؛ مثلاً در مورد پل‌های عبور و مرور، وزن اتومبیل‌‌هایی که از روی پل‌ها رد میشوند یا در ساختمان‌‌ها وزن افرادی که در داخل سازه در حال رفت و آمد هستند در همه ساعات شبانه روز به یک اندازه و یک مقدار ثابت نیست.
در نتیجه با توجه به متغیر بودن شدت بار و نقطه اثر گذاری نمی‌توان مقدار دقیق این نوع بارها را از قبل به طور دقیق محاسبه یا پیشبینی نمود. به همین دلیل معمولاً مهندسین بارهای زنده را بر اساس جدول‌‌های آیین نامه که طبق آمارها و تحقیقات انجام شده روی سازه‌‌های مختلف به دست آمده‌‌اند به صورت تقریبی محاسبه می‌کنند تا بر اساس آن بتوانند سازه را مقاوم‌‌سازی کنند.
- بار ناشی از برف
بارش برف و تجمع آن روی بام و قسمتهای مختلف ساختمان مانند طاقچه و دیوارها، وزنی اضافه برای سازه ایجاد می‌کند؛ در واقع مقدار بار ثقلی وارد شده بر ساختمان را افزایش می‌دهد. این بار ثقلی باید هر چه سریع‌‌تر از روی ساختمان برداشته شود. به همین دلیل است که در مناطق پربرف خیلی سریع برف‌ها را پارو می‌کنند؛ زیرا در برخی شرایط این بار اضافی می‌تواند بحرانی شود و حتی گاهی مانند زلزله باعث تخریب سازه خواهد شد.
در اکثر آیین نامه‌های معتبر دنیا وزن برف انباشته شده روی بام از طریق وزن برف جمع شده روی سطح زمین افقی به دست می‌آید. البته در این آیین نامه‌‌ها ضرایبی برای این محاسبه در نظر گرفته شده تا به صورت نسبی بتوان مقدار برف تجمع یافته روی بام را محاسبه کرد. این ضرایب متغیر بوده و به موارد مختلفی مانند موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی ساختمان، کاربری ساختمان، بافت شهری و شکل آن بستگی دارد.
- بار ناشی از باد
بار باد نیز به دلیل تغییر جهت و شتاب در طول زمان ازجمله بارهای دینامیکی محسوب می‌شود؛ بنابراین برای پیشبینی آن باید از معادلات دینامیکی استفاده شود. با این حال در ساختمان‌های با ارتفاع کم و متوسط که میزان سختی سازه بالاست و رفتار ساختمان تقریباً صلب است آیین نامه این اجازه را به شما می‌دهد که اثرات دینامیکی نیروی باد را توسط بارهای استاتیکی معادل در نظر بگیرید. هنگام طراحی باید نیروی باد در تمام جهات سازه در نظر گرفته شود زیرا مشخص نیست در هر زمان دقیقاً از کدام ناحیه به سازه وارد می شود.
- بار ناشی از زلزله
زلزله یکی دیگر از انواع بارهای دینامیکی احتمالی است که ممکن است هر آن به ساختمان مورد نظر وارد شود؛ بنابراین مکان، شدت و زمان آن اصلاً مشخص نیست. به همین دلیل سازه مورد نظر باید طوری طراحی شود که در همه جهات بتواند نیروهای احتمالی زلزله را تحمل یا به عبارت دیگر مهار کند. از آنجایی که این کار بسیار سخت است و زمان و هزینه زیادی نیاز دارد، برای مقاوم سازی ساختمان در برابر نیروهای زلزله طبق آیین‌‌نامه باید سازه را در دو راستای عمود بر هم نسبت به زلزله مقاوم کنید.
انواع نیروهای داخلی
به طور کلی انواع نیروهای داخلی وارد شده به اعضای یک سازه عبارتند از:
- نیروهای محوری: نیروهای محوری نیروهایی هستند که در امتداد محور طولی عضو مورد نظر یعنی به صورت عمود بر سطح مقطع وارد شده و خود شامل نیروهای کششی و فشاری هستند.
- نیروهای برشی: نیروهای برشی، نیروهای غیر هم جهتی هستند که یک قسمت از عضو را در یک جهت و قسمت دیگرش را در جهت مخالف حرکت میدهند و در صورتی که بیشتر از ظرفیت تحمل باشند باعث شکست عضو خواهند شد.
- نیروهای خمشی: نیروهای خمشی نیروهای گشتاوری هستند که در صورت شدید بودن می‌توانند باعث خم شدن عضو مورد نظر شوند. این نیرو دقیقاً مانند نیرویی است که برای خم کردن لوله‌ها استفاده می‌شود.
- نیروهای پیچشی: نیروهای گشتاوری هستند که در صورت شدید بودن باعث تاب خوردگی اعضا میشوند.
ارسال نظر