بارهای وارد بر سازه

 

1- تعریف بار

در مهندسی عمران به نیرو میگن بار (دیگه تعریف از این راحت تر میخواستین🍑) و منظور از بارگذاری سازه، نیروهایی هستن که به سازه وارد میشن. نیروهای وارد بر سازه بطور کلی به دو دسته تقسیم میشن:

• نیروهای خارجی : نیروهایی که از خارج به سازه وارد میشن.
• نیروهای داخلی: نیروهایی که در اثر نیروهای خارجی در اجزای سازه  ایجاد میشن (پس اگه نیروی خارجی نداشته باشیم خبری از نیروی داخلی نیست).

 

2- مسیر انتقال بار

مسیری که بار طی میکنه تا به زمین برسه رو مسیر انتقال بار میگن (اونایی که مقاله سازه 🌳 رو نخوندن در جریان باشن که وظیفه اصلی سازه، انتقال بار به زمین است). سازه، بار خارجی وارد بر طبقه رو از دال به تیر فرعی، از تیرفرعی به تیر اصلی، از تیر اصلی به ستون و از ستون به پی و زمین منتقل میکنه. در اثر این نیروی خارجی در اعضای قاب یعنی دال، تیر فرعی، تیر اصلی، ستون و پی نیروی داخلی ایجاد میشه. حالا اگه نیروی داخلی ایجاد شده تو عضومون بیشتر از مقاومت عضو باشه، اون عضومون دچار آسیب میشه.

 

 

3- دسته بندی نیروهای خارجی

نیروهای خارجی براساس منشا بار، جهت اعمال بار و سرعت اعمال بار به سه دسته تقسیم میشن:

 

1-3- نیروهای خارجی براساس منشا بار

نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس منشا بار به دو دسته تقسیم میشن:

• بارهای وارد شده توسط طبیعت مانند بار جاذبه زمین (وزن اسکلت)، بار برف، بار باران، بار یخ زدگی،  بار باد و نیروی زلزله و …
• بارهای وارد شده توسط انسان مانند بار زنده (وسایل و تغییر مکان افراد)، بار انفجار و بار ضربه و…

 

 

2-3- نیروهای خارجی براساس جهت اعمال بار

نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس جهت اعمال به دو دسته تقسیم میشن:

• بارهای در جهت قائم یا بارهای ثقلی مانند بارهای مرده و زنده و برف و …
• بارهای در جهت افق یا بارهای جانبی مانند بار زلزله و باد و …

 

 

3-3- نیروهای خارجی براساس سرعت اعمال بار

نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس سرعت اعمال بار به دو دسته تقسیم میشن:

• بارهای استاتیکی🐢: این بارهای به آرومی به سازه وارد میشن و مقدارشون نسبت به زمان ثابته. مانند بار مرده
• بارهای دینامیکی🐇: این بارهای بطور ناگهانی به سازه وارد میشن و مقدارشون نسبت به زمان متغیره. مانند بار زلزله

 

 

تفاوت بین بار دینامیکی و استاتیکی

• بار استاتیکی نسبت به زمان مقدارش ثابته، برا همینم به ازای این نوع بار تنها یک پاسخ (مانند جابجایی) برای سازه وجود داره اما بار دینامیکی نسبت به زمان مقدارش متغیره، درنتیجه برای این نوع بار، در هر زمان یک پاسخ (مانند تاریخچه جابجایی) برای سازه وجود داره.
• طبق قانون دوم نیوتن (F=m×a) چنانچه به سازه شتابی اعمال بشه، متناسب با این شتاب در سازه نیروی اینرسی ایجاد میشه. بار دینامیکی شتاب داره پس در سازه نیروی اینرسی ایجاد میکنه، بار استاتیکی شتابش صفره درنتیجه در سازه نیروی اینرسی ایجاد نمیکنه. حالا فرض کنید به پی یک سازه قابی نیروی افقی اعمال بشه و اگر این نیرو بسیار آهسته و بصورت استاتیکی اعمال بشه، در این حالت بدون اینکه به سازه نیرویی ( اینرسی) اعمال بشه سازه به موقعیت ثانویه منتقل میشه (با این نیرو آب تو آدم تکون نمیخوره 🌊). اما اگر این نیرو سریع و بصورت دینامیکی اعمال بشه در پی سازه شتاب ایجاد میشه (دقیقا مثل زلزله) و پی به موقعیت ثانویه منتقل میشه اما سقف با نیرویی به نام اینرسی تمایل به حفظ حالت قبلی خودش داره (خدا این بار دینامیکی رو نصیب گرگ بیابونم نکنه🐺).

 

 

نیروی اینرسی 

نیروی اینرسی متناسب با جرم سازه و شتاب سازه (F=m×a) است. شتاب زلزله در سنگ بستر با استفاده از ضریب بازتاب به شتاب سازه تبدیل میشه. در شکل بالا a شتاب در زیر سازه است نه در سنگ بستر و چون سازه یک طبقه صلبیت بالایی داره، ضریب اصلاح طیف برابر یک شده و شتاب زیرسازه با شتاب سازه برابر میشه (برای درک بهتر، فایل نمونه مربوط به آموزش تصویری تحلیل استاتیکی معادل رو مطالعه کنید).

از اونجایی که شتاب سازه به پارامترهای زیادی تاثیر داره پس راحت ترین راه برای کاهش نیروی زلزله، کاهش جرم سازه است. مثال ملموس از نیروی اینرسی، زمانیه که شما تو اتوبوس وایسادین و اتوبوس یدفعه شروع به حرکت میکنه، نیروی اینرسی شما رو به عقب پرت میکنه یا وقتیکه اتوبوس درحال حرکته و یدفعه وایمیسته و نیروی اینرسی شما روبه جلو پرت میکنه (حالا هرچی چاق تر باشین یعنی جرم بیشتری داشته باشید، برای حفظ تعادلتون باید نیروی اینرسی بیشتری رو تحمل کنید💪 ).

 

 

4- انواع بار (نیرو) خارجی

مهمترین بارهای خارجی وارد بر سازه عبارتند از:

 

1-4- بارهاي مرده:

بارهای ثابتی (بارثابت یعنی باراستاتیکی) هستن که ناشی از وزن اجزای سازه بوده و در طول عمر سازه، مقدار و محل اثرشون ثابته. این بارها معمولا شامل وزن اجزای دائمی ساختمونن مثل وزن تیرها، ستون‌ها، کف‌ها، دیوارها، راه‌پله و وزن تاسیسات و تجهیزات. مقدار این باررو میتونید براحتی هرچه تمام تر از حاصلضرب حجم در وزن مخصوص مصالح مورد استفاده برای اجزای مختلف ساختمون بدست بیارین (وزن مخصوص مصالح رو باید از پیوست مبحث ششم مقررات ملی نگاه کنید👀📗).

 

 

2-4- بارهاي زنده:

بارهای متحرکی هستن که به لحاظ مقدار و محل اثر، وضعیت نامشخصی دارن. مثلا در پل، وزن ماشين هايي كه از روي پل رد میشن و در ساختمون وزن انسان هایی که تو ساختمون رفت و آمد میکنن مثال های ساده ای از بار زنده هستن. با توجه به ماهیت تصادفی بار زنده، برآورد مقدار دقیق اون غیر ممکنه. برا همینم بارهای زنده رو بر اساس جداول آیین نامه (که از آمارگیری ها و تحقیقات صورت گرفته برروی سازه ها با کاربری های مختلف بدست اومده) محاسبه میکنن (اگه یکم همت کنید و برید سراغ مبحث شش، بهتون قول میدم که جدولش باشه🔍). بار زنده براساس سرعت اثرش بر سازه، به صورت استاتیکی و دینامیکی درنظر گرفته میشه. وزن افرادی که در سازه رفت و آمد میکنن، نمونه ای از بار زنده استاتیکی  و بار ضربه ناشی از آسانسور نمونه ای از بار زنده دینامیکی است.

 

 

تفاوت بار مرده و زنده

فرق اساسی بارهای زنده با بارهای مرده در اینه که بارهای زنده متغیر و غیر قابل پیش بینی هستند. هم محل اثر این بارها میتونن تغییر کنن و هم مقدارشون کم و زیاد بشه و برا همینم تعیین دقیق اون غیرممکنه. در صورتیکه بارهای مرده ثابت و قابل پیش بینی هستن و ازاین جهت برآورد آن ها کار سختی نیست (با یک ضرب ساده بدست میان). درنتیجه تعیین مقدار بار زنده بر خلاف بار مرده، به طور مستقیم توسط مهندس محاسب امکان پذیر نبوده و باید مقدار آن توسط مطالعات آماری آیین‌نامه بیان شود (مبحث ششم نگو، احسن الکتاب فی المهندسی سیویل بگو. چون اگه نبود محاسبه بار زنده غیر ممکن بود ولی حالا که هست محاسبه بار زنده ساده تر از محاسبه بار مرده شده📝).

 

3-4- بار برف:

بطور کلی بارش برف و انباشته شدن آن بر روی بام، باعث ایجاد بارثقلی بر روی سازه میشه. این بار ثقلی در شرایط خاص میتونه بحرانی بشه و باعث تخریب سازه بشه. بار برف رو فقط باید برای بام و سطوح دیگر ساختمان که ممکنه برف روشون جمع بشه مانند بالکن ها در نظر گرفت (هرکه بامش بیش، بار برفش بیشتر 🌨). در بیشتر آیین نامه های معتبر بارگذاری دنیا، وزن برف انباشته شده روی بام رو از روی وزن برف انباشته شده روی سطح زمین افقی بدست میارن. برای این کار  بار برف روی سطح زمین با اعمال ضرایبی افزایشی و کاهشی به بار برف در بام تبدیل میشه. تو مبحث ششم، این ضرایب به موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی، بافت شهری (تاثیر کنار هم قرار گرفتن ساختمان ها)، شکل و کاربری ساختمان بستگی دارن.

 

 

4-4- بار باد:

باد همون جریان هواست که از نقاط پر فشار به نقاط کم فشار حرکت میکنه. باد از جمله بار‌های جانبی وارد بر سازه است. از اونجاییکه جهت و مقدار نیروی باد در طول زمان تغییر میکنه، پس ما با یک نیروی دینامیکی سروکار داریم و برای محاسبه ی نیروی آن باید از روش های دینامیکی استفاده کنیم. اما در ساختمون های با ارتفاع کم و متوسط که سختی سازه زیاده و رفتار سازه نسبتا صلبه، آیین نامه این اجازه رو به ما میده که اثرات دینامیکی  باد را توسط بارهای استاتیکی معادل درنظر بگیریم (درسته شما آیین نامه رو دوست ندارین ولی ببینیند آیین نامه چقد هواتونو داشته و کارتون رو ساده کرده😍).

باد میتونه در هر جهتی به سازه برخورد کنه. بنابراین در روند طراحی باید نیروی باد را در تمام جهات به سازه اعمال کرد و حالت بحرانی تر رو برای طراحی در نظر گرفت. ذرات هوا هنگامی که به مانعی برخورد می کنند، قسمتی از انرژی جنبشی خود را تبدیل به فشار وارد بر سطح میکنن و این موضوع باعث میشه که به سطح فشار و نیرو وارد بشه. بار باد به سرعت باد، شکل ساختمان، ارتفاع ساختمان، میزان پوشش و گرفتگی محیط اطراف ساختمان بستگی داره.

 

 

5-4- بار زلزله:

زلزله یک پدیده تصادفیه یعنی در هر مکان و زمانی احتمال وقوع زلزله وجود داره. بار زلزله در همه جهات به سازه نیرو وارد میکنه برا همینم سازه ها باید بگونه ای طراحی بشن تا در همه جهات، دارای سختی و مقاومت کافی در برابر نیروهای ناشی از زلزله باشن. از اونجا که طراحی سازه در همه جهت ها، کار دشوار و عملا غیر ممکنیه، آیین نامه ها بجای طراحی در همه جهات، سازه را در دو راستای عمود برهم در برابر نیروی زلزله طراحی میکنن. زلزله یک بار رفت و برگشتیه که در مدت زمان کوتاهی به سازه وارد میشه و در طول این زمان، مقدار و جهتش تغییر میکنه. پس نیروی زلزله، نیرویی دینامیکیه و برای تحلیل سازه باید از روش های دینامیکی استفاده بشه تا اثرات دینامیکی بار درنظر گرفته بشن.

از اونجاییکه تحلیل دینامیکی سازه ها کار پیچیده ایه، بسیاری از آیین نامه ها (از جمله استاندارد 2800 ) یک روش ساده شده ای رو پیشنهاد دادن که میاد بار دینامیکی رو با یک بار ثابت و استاتیکی که به زمان وابسته نیست جایگزین میکنه. بخاطر این ساده سازی یکسری خطا در محاسبات ایجاد میشه، اما برای اینکه این روش خطای زیادی ایجاد نکنه، آیین نامه ها محدودیت هایی رو برای استفاده از روش استاتیکی گذاشتن.

 

 

تفاوت بین بار باد و بار زلزله

درسته که بار باد و بار زلزله هر دو از نوع دینامیکی و جانبی هستند، اما این دو بار بظاهر شبیه تفاوت های اساسی با هم دارند:

• وقتی سازه تحت بار باد قرار میگیره، به سطح خارجیش فشار وارد میشه.  این بارگذاری از نوع نیرو است. در طرف مقابل وقتی سازه تحت حرکات تصادفی زمین در پایه قرار میگیره، نیروی اینرسی ای ایجاد میکنه که باعث ایجاد تنش میشه. این نوع بارگذاری از نوع جابجایی است.

 

 

• نیروی باد دارای نوسانات نسبتا کمی بوده و دارای میانگینی غیر صفره، برا هیمنم سازه تنش کمی رو تجربه میکنه و جهت تنش تنها زمانی که جهت باد عوض بشه تغییر میکنه (تنش فشاری به تنش کششی تبدیل میشه). این تغییر جهت باد طی یک مدت زمان طولانی اتفاق میوفته. از طرف دیگه، حرکت زمین در طول زلزله دارای نوسانات زیادیه که بصورت سیکلی پیرامون موقعیت اولیه سازه اتفاق میوفته (میانگین تقریبا صفر). بنابراین جهت تنش تحت بار زلزله در مدت زمان خیلی کوتاهی عوض میشه.

 

 

نکته:

محاسبه مقدار دقیق بعضی بارهای خارجی مثل بار زنده، باربرف، بار باد و بار زلزله غیر ممکنه. برا همینم  مهندسان طراح سازه برای حل این مشکل مجبورن از آیین نامه های بار گذاری (البته من تو این مقاله متوجه شدم که جمله معروف هیچ وقت یک ایرانی رو تهدید نکن در اصل هیچ وقت یک مهندس ایرانی رو مجبور به استفاده از مبحث ششم مقررات ملیش نکن بوده🤛👊🤜) استفاده کنن. در این آیین نامه ها، با درنظر گرفتن یک ضریب اطمینان منطقی، روش هایی برای محاسبه ی مقدار تقریبی بارهای وارد بر ساختمان ارایه شده.

 

5- انواع بار (نیرو) داخلی

بطور کلی نیروهای داخلی ایجاد شده در اعضای سازه عبارتند از:

 

1-5- نیروی محوری:

نیروهایی هستن که در امتداد محور طولی عضو یعنی عمود بر سطح مقطع عضو وارد میشن. نیروی محوری به دو دسته تقسیم میشن:

• نیروی فشاری: نیروی محوری ای که باعث کاهش طول عضو میشه.
• نیروی کششی: نیروی محوری ای که باعث افزایش طول عضو میشه.

 

 

2-5- نیروی برشی:

نیروهای غیر هم جهتی که یک بخش از عضو را در یک جهت و بخش دیگر عضو را در جهت مخالف هل میده. مثل نیرویی که برای پاره کردن ورق اعمال میشه.

 

 

3-5- نیروی خمشی:

گشتاوری که باعث خم شدن عضو میشه. مثل نیرویی که برای خم کردن لوله اعمال میشه.

 

 

4-5- نیروی پیچشی:

گشتاوری که باعث تاب خوردگی عضو میشه. مثل نیرویی که برای چلوندن حوله اعمال میشه.

 

 

تفاوت نیروی خمشی و نیروی پیچشی

نیرو یا باعث دوران یا باعث انتقال جسم میشه. به نیرویی که باعث دوران جسم میشه، گشتاور (M) میگن. مقدار گشتاور برابر با حاصلضرب نیرو (F) در فاصله محل اعمال نیرو تا محور دوران (d). حالا دو نوع گشتاور داریم یکی گشتاور خمشیه یکی هم گشتاور پیچشی. تو خمشی، گشتاور عمود بر محور عضوه مثل خم کردن میله، و تو پیچشی، گشتاور حول محور عضوه مثل چلوندن حوله یا نیرویی که به آچار برای باز یا بستن پیچ اعمال میشه.

 

 

اگر بخوایم با نیروی کمتری پیچ رو باز و بسته کنیم، میتونیم فاصله اعمال بار رو بیشتر کنیم.

تو شکل های پایین نمونه ای از نیروهای داخلی که در اثر بارهای خارجی در اعضای سازه ایجاد میشن رو نشون دادیم. در سازه خرپایی زیر تحت بار خارجی مرده، نیروهای داخلی کششی و فشاری در اعضا ایجاد شده.

 

 

در  سازه قابی زیر تحت بار خارجی زلزله، نیروهای داخلی کششی، فشاری و خمشی در اعضا (تیر و ستون و اتصال) ایجاد شده.