آشنایی با بار باد
معمولاً وقتی درباره طراحی سازه ای مطالعه میکنیم متوجه خواهیم شد که در باره سیستم های باربر سازه ای ، قاب خمشی ، دیوار برشی ،مهاربند های ساختمانی و … بیشتر صحبت شده و در هیچ یک از این آموزه ها سخنی از بار باد به میان نیامده و ممکن است سوال های زیر برایتان به وجود آمده باشد که:
- آیا هنگام طراحی یک سازه، به این نکته توجه کرده اید که چرا بار باد (Wind Load) را کم اهمیت می شماریم؟
- آیا در سازه های معمولی بارباد اهمیت دارد و یا بار زلزله؟
- آیا در ساختمان های بلند و یا برج ها و آسمان خراش ها، بار باد (wind Load) و یا بار زلزله (Earthquake load) را باید محاسبه کنیم؟
- ساختمان های معمولی داخل شهرها جزء سازه های صلب یا انعطاف پذیراند؟
- ساختمان های بلند و برج ها جزء کدام دسته از ساختمان ها قرار دارند؟
دراین مقاله قصد داریم که درباره بار باد و روش طراحی سازه و تمامی سوال های بالا با شما سخن بگوییم و شما را با آیین نامه ASCE7 نیز آشنا سازیم. با شهر نوین عمران و معماری همراه باشید تا در کمتر از ۱۰ دقیقه شما را با اهمیت بالای بار باد آشنا سازیم.
بار باد در بارگذاری سازه ای چیست؟
بار باد از جمله نیروهای جانبی وارد بر سازه است که در بارگذاری سازه ای باید برای کلیه ساختمان ها و کلیه اجزای آنها با توجه به مبحث ششم مقررات ملی ساختمان | فصل دهم لحاظ گردد. بنابراین مهندس عمران طراح در هنگام طراحی در ابتدا بار باد و بار زلزله وارد بر سازه را باید محاسبه کرده و سپس اثر هر یک که بر سازه بیشتر باشد را در طراحی لحاظ کند.بار بادی که بر سازه وارد میشود به طور غیر هم زمان به صورت افقی بر هر یک از امتداد های سازه (محور های اصلی ساختمان) اثر میگذارد و باید در جهت مشخص شده مورد بررسی قرار گیرد.
انواع بارهای وارده بر یک سازه
بارهای وارده بر سازه بیشتر به صورت بار عمودی (قائم) و بارجانبی (افقی) هستند:
بار عمودی (قائم)
بارهای قائم شامل بار مرده بوده و رفتار سازه تحت اثر بارهای قائم متغیر، یکسان است.
بار جانبی (افقی)
بار جانبی شامل بارهای زیر است که در این بین بار باد و زلزله رایج ترین آنها هستند که نحوه‌ی اثر این نیروها و رفتار سازه تحت این نیروها متغیر است.
- بار لرزه‌ای (زلزله)
- بار باد
- بار مهار
- سونامی
- و…
انواع سازه ها
سازه ها به طور کلی به دو دسته زیر تقسیم میشنود:
- سازه های صلب (Rigid Structures)
- سازه های انعطاف پذیر (Flexible Structures)
صلبیت یک سازه به دو پارامتر (زمان تناوب تحلیلی و فرکانس سازه) وابسته است که با توجه به مقدارآنها سازه در دسته بندی مربوطه قرار میگیرد و جالب توجه این است که معمولاً سازه های صلب در بار زلزله و سازه های انعطاف پذیر در بار باد بسیار حائز اهمیت هستند.
تفاوت بار باد و زلزله
بین بار باد و زلزله تفاوت هایی وجود دارد که به شرح آنها می پردازیم:
| ردیف | بار زلزله | بار باد |
|---|---|---|
| ۱ | بار زلزله به جرم سازه و نحوه‌ی توزیع جرم بستگی دارد.
بار به مرکز جرم سازه وارد میشود. |
بار باد به سطح اکسپوز (مساحت در معرض باد) سازه بستگی دارد.
|
| ۲ | بار زلزله بین قاب‌های داخلی و بیرونی و ستون‌های موجود در سازه تقسیم خواهد شد. به طور مثال با اثر کردن در محل جرم آنها | بار باد عمدتاً به قاب‌های بیرونی مثلاً قاب‌های اکسپوز اثر خواهد کرد و این نیرو برای قاب‌های داخلی کاهش می‌یابد. |
| ۳ | سازه‌ای با جرم کمتر، عملکردی بهتر در طول زمین لرزه از خود نشان میدهد.
زیرا بار کمتری را جذب می‌کند و مساحت اکسپوز تاثیری در عملکرد هنگام زلزله ندارد. |
سازه‌ای با جرم بیشتر در مقابل بار باد به طور موثر‌تر مقاومت می‌کند.
سازه‌ای که سطح بیرونی کمتری داشته باشد عملکرد بهتری دارد. زیرا نیروی باد کمتری جذب می‌کند. |
| ۴ | سختی سازه در مقدار تاثیر نیروی زلزله موثر است. | سختی سازه در مقدار تاثیر نیروی باد موثر نیست. |
| ۵ | مقدار برش پایه در تراز پایین بیشتر و با افزایش ارتفاع از سطح زمین به دلیل کاهش وزن تجمعی کاهش می‌یابد. | نیروی باد با بیشتر شدن ارتفاع از سطح زمین و در صورت ثابت ماندن سطح اکسپوز افزایش می‌یابد. |
| ۶ | میرایی سازه در محاسبات لرزه‌ای لحاظ خواهد شد. | میرایی سازه در شرایط عادی مثل آنالیز استاتیکی در محاسبات نیروهای باد لحاظ نخواهد شد. |
| ۷ | اینرسی (لختی) سازه اصلی‌ترین فاکتور ایجاد کننده نیروی زلزله است. | اینرسی کمترین تاثیر در ایجاد نیروی باد را دارد. |
| ۸ | نیروی زلزله عمدتاً در تراز پایه‌ی سازه اعمال میشود. | نیروی باد در هر گره از سطح اکسپوز اعمال میشود. |
| ۹ | اگر سازه‌ای که تحت اثر بار زلزله قرار دارد، مرکز جرم و مرکز سختی بر هم منطبق نباشد پیچش ایجاد خواهد شد. | بار باد نمی‌تواند باعث ایجاد پیچش در سازه شود. |
| ۱۰ | نوع خاکی که سازه بر روی آن قرار دارد در عملکرد آن در حین زلزله دخیل است. | نوع خاک زیر سازه بر عملکرد آن هنگام بار باد اثر چندانی ندارد. |
| ۱۱ | عملکرد سازه در هنگام زمین لرزه میتواند با نصب ایزولاتور (جداساز) لرزه‌ای که سبب تقلیل انتقال نیرو زلزله از زمین به سازه میشود، بهبود پیدا کند. | عملکرد سازه در هنگام بار باد میتواند با بهتر کردن شکل سازه از طریق ایجاد لبه‌های انحنا دارد (قوس دار) بهبود پیدا کند. |
| ۱۲ | اثر ساکشن (مکش) در طول اثر بار زلزه رخ نمیدهد. | هنگام اعمال بار باد بر سازه، به دلیل ایجاد ساکشن فشار منفی رخ میدهد. |
| ۱۳ | جابجایی سازه به سمت عقب و جلو نسبت به مرکز جرم خواهد بود و این خود سبب ایجاد تنش معکوس در اعضا میشود. | جابجایی سازه نسبت به موقعیت اولیه‌ی تغییر شکل استاتیکی خواهد بود و جابجایی عقب و جلو در مقایسه با بار زلزله کمتر و در نتیجه تنش معکوس کمتری ایجاد خواهد شد. |
| ۱۴ | جابجایی طبقات در حین زلزله در طبقات بالاتر بیشتر خواهد بود و جابجایی به صورت سهمی رخ خواهد داد. | جابجایی در طبقات بالاتر در مقایسه با بار زلزله کمتر خواهد بود و جابجایی به صورت خطی است. |
| ۱۵ | بیشترین مقدار تغییر شکل سازه در حدود ۰/۴ ٪ خواهد بود. | بیشترین مقدار تغییر شکل سازه در حدود ۰/۵٪ خواهد بود. |
| ۱۶ | المان‌های غیر سازه داخل ساختمان نظیر اثاثیه، قفسه‌ی انباری و غیره به دلیل داشتن جرم و سختی ناچیز میتواند در حین زلزله باعث آسیب شوند. | المان‌های غیر سازه‌ای مثل شیشه‌های بزرگ، روکش‌های فلزی و غیره می‌توانند تحت اثر بار باد دچار آسیب شوند. |
| ۱۷ | نیروی زلزله میتواند به طور تصنعی با استفاده از میز لرزه‌ای تولید شود. | نیروی باد به طور تصنعی میتواند در تونل باد مدل سازی شود. |
| ۱۸ | نیروی زلزله میتواند به کانون زلزله و شرایط زمینی که موج از آن عبور می‌کند وابسته باشد. | نیروی باد میتواند به ساختار زمین شناسی و عوارض سطح زمین (توپوگرافی) بستگی داشته باشد. |
| ۱۹ | مدت زمان اثر زلزله میتواند از چند ثانیه تا چند دقیقه متغییر باشد و هیچ گونه پیش آگهی ندارد. | مدت زمان اثر باد میتواند از چند دقیقه حتی تا چند ساعت متغییر باشد (طوفان) و قبل از ایجاد خسارت پیش آگهی میدهد. |
| ۲۰ | منطقه‌ی اثر نیروی زلزله وسعت بیشتری دارد. | منطقه‌ی اثر باد در مقایسه با زلزله وسعت کمتری دارد به جز طوفان‌ها. |
| ۲۱ | پیش بینی شکل گیری وقوع زلزله فقط بر پایه‌ی احتمالات استوار است. | پیش بینی شکل گیری طوفان‌ها به طور دقیق امکان پذیر است. |
انواع ساختمان ها و تاثیر بار باد بر آنها
۱ . ساختمان‌های کوتاه مرتبه
با کاهش ارتفاع سازه، سرعت و فشار باد کاهش یافته و نیروی ناشی از باد نیز کاهش خواهد یافت.
در ساختمان‌های کوتاه مرتبه نیروی باد کمتر و معمولاً نیروی زلزله بیشتر بوده مگر آنکه وزن سازه کم باشد.
در ساختمان‌های کوتاه و با وزن زیاد، نیروی باد در مقایسه با نیروی زلزله تعیین کننده نیست،اما در ساختمان‌های بلند یا سبک، احتمالاً اثر ناشی از باد نیروی غالب بر سازه میباشد.
۲ . ساختمان‌های بلند مرتبه و لاغر
با افزایش ارتفاع، سرعت و فشار باد افزایش چشمگیری خواهد یافت. در این گونه از سازه‌ها اثرات ناشی از باد شدید بوده و نیروی باد ممکن است از نیروی زلزله بیشتر شود و نیروی غالب سازه محسوب شود.
چگونه ارتفاع سازه های بلند را بدست آوریم؟جهت مطالعه بیشتر کلیک کنید.
در این ساختمان‌ها و در سازه‌های لاغر غیر ساختمانی نظیر دودکش‌ها، مخازن و دکل‌ها، محاسبه بار باد به روش استاتیکی کافی نبوده و باید از روش تحلیل دینامیکی و یا از آزمایش تونل باد (در صورت اهمیت زیاد سازه) استفاده کرد.
اخباری از بار باد که هرگز فاش نشد!
تا کنون با خود فکر کرده اید که اعمال بار زلزله در نرم افزار هنگام طراحی سازه کافی نیست؟
اما به شما اخطار میدهم این طرز فکر که بار باد کم اهمیت است اشتباه است و فقط کافیست نگاهی به تصویر زیر را بیندازید تا به تفکر اشتباه خود پی ببرید.
انواع اثر بار باد درساختمان
وزش باد بر سطوح مختلف یک سازه به شکل های زیر تاثیر میگذارد که باعث ایجاد فشار و مکش بر روی سطوح خارجی یک سازه می شود و در صورتی که سازه دارای بازشو باشد، وزش باد باعث ایجاد فشار و مکش داخلی در ساختمان می شود.
فشار خارجی (فشار مستقیم در سمت بادگیر)
سطوحی از ساختمان که مستقیماً در مقابل باد قرار دارند، تحت تاثیر فشار خارجی باد قرار میگیرند که نیروی ناشی از این فشار بسیار قابل توجه است.
مکش خارجی (مکش در سمت پشت به باد و سطوح موازی به باد)
سطوحی که پشت به باد و یا موازی با آن هستند، تحت جریان باد تمایل به بیرون زدگی دارند و مکش خارجی در طراحی به عنوان یک فشار منفی در نظر گرفته میشوند.
میزان فشار یا مکش داخلی بر روی دیوارها و بام از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا با فشار یا مکش خارجی جمع شده و اثر مضاعف بر ساختمان میگذارد.
فشار داخلی (فشار مثبت داخلی)
زمانی که مساحت بازشدگی در سمت رو به باد، نسبت به پشت به باد بیشتر باشد در این حالت جریان هوای وارد شده به ساختمان از هوای خارج شده از ساختمان بیشتر است و هوای وارد شده به ساختمان نمی‌تواند از آن خارج شود که این امرمنجر به ایجاد فشار در داخل سازه خواهد شد.
مکش داخلی (فشار منفی داخلی و یا مکش)
وقتی مساحت بازشدگی‌ها در سمت پشت به باد نسبت به سمت رو به باد بیشتر باشد در این حالت جریان هوا از سمت داخل به خارج ساختمان حرکت کرده و در داخل ساختمان مکش ایجاد میشود.
میزان فشار یا مکش داخلی به بزرگی مساحت بازشو نسبت به مساحت جانبی ساختمان بستگی دارد.
انواع روش های محاسبه بار باد
بار باد وارده بر ساختمان باید با یکی از روش های زیر با توجه به شرایط ساختمان محاسبه گردد:
استاتیکی
روش طراحی استاتیکی برای طراحی سازه و ساختمان هایی با ارتفاع کم و متوسط و نیز نما و پوسته خارجی مناسب است.
سازه یا اجزائی که در این روش طراحی میشوند، نسبتاً صلب میباشد و به جزئیات خصوصیات دینامیکی این سازه ها یا اجزاء آنها نیازی نیست و اثرات دینامیکی باد میتواند توسط بارهای استاتیکی معادل بیان شود.
دینامیکی
روش طراحی دینامیکی برای تعیین اثرات کلی باد شامل پاسخ تشدید شده و عمدتاً برای ساختمان های بلند و سازه های لاغر (بجز نما و پوسته خارجی و اعضای سازه ای ثانویه) به کار می رود.
ساختار این روش مشابه روش استاتیکی است، با این تفاوت که ضریب اثر جهشی باد و ضریب بادگیری به طور متفاوتی تعیین میشوند.
تجربی
روش طراحی تجربی شامل آزمایش تونل باد یا سایر روش های تجربی می باشد، این روش میتواند به عنوان یک جایگزین برای روش های استاتیکی و دینامیکی به کار رود.
این روش مخصوصاً برای ساختمان هایی که ممکن است در معرض اثرات جستی باد یا گرفتگی قسمتی از عبور جریان توسط موانع بالادست جریان، ریزش گردبادی یا اثرات ناپیداری آیرو دینامیکی قرار میگیرند، استفاده شود.
روش تجربی همچنین برای تعیین ضرایب فشار خارجی، طراحی نما و پوسته خارجی و نیز ساختمان هایی که هندسه آن ها به طور محسوسی از شکل معمول متفاوت است، مناسب است.
پارامترهای مهم در طراحی سازه هارا بیشتر بشناسیم.
از اهمیت بارها در کتاب های معدودی در سطح جهان مثل ASEC7 (ویرایش ۱۶) صحبت شده است که ما در این مقاله به نکات مهم آن میپردازیم.
انواع بار باد وارده بر یک سازه مطابق آیین نامه آمریکا
بارهای وارده بر یک سازه مطابق آیین نامه آمریکا به دو دسته زیر تقسیم میشوند:
- بار وارده به سیستم باربر سازه ای ( Main Wind Force Resisting System )
- بار وارده بر پوشش ها و نما ها (Components and Cladding)
انواع روش های محاسبه بار باد مطابق آیین نامه های معتبر کانادا و آمریکا
محاسبه بار باد مطابق آیین نامه های کانادا و آمریکا به سه روش زیر انجام میشود:
-
روش هدایتی (Directional Method)
در روش هدایتی با انجام محاسبات تفصیلی، بار باد به صورت دقیق محاسبه میشود.
-
روش پوش (Envelop Method)
در روش پوش با محاسبات ساده و استفاده از نمودار های آماده بار باد (Wind Load) به راحتی محاسبه میگردد.
-
روش تونل باد (Wind Tunnel Method)
زمانی که به ارتفاع یک سازه زیاد باشد و محاسبه بارباد امکان‌پذیر نباشد از روش تونل باد استفاده میشود.
سرعت باد پایه ( Basic Wind Speed )
مفهوم سرعت باد پایه در مبحث ۶ و آیین نامه ASCE7 کمی با هم متفاوت است اما در کل هر دو از یک چیز صحبت میکنند.
پارامترهای مهم در محاسبه سرعت باد پایه
- سرعت لحظه‌ای ۳ ثانیه
- دروه ۵۰ ساله
- ارتفاع ۱۰ متری از سطح زمین
برای تبدیل سرعت باد پایه مبحث ۶ مقررات ملی به سرعت باد پایه در ASCE7
بایستی که عدد سرعت باد پایه در مبحث ۶ مقررات ملی را در عدد ۱/۵ ضرب کنیم.
عوامل موثر در محاسبه بار باد
نوع آیین نامه
به طور کلی عوامل موثر در محاسبه بار باد به آِیین‌نامه ای که مرجع مهندس عمران طراح است، مربوط میشود که معمولاً مهندسان ایرانی از دو آیین نامه زیر استفاده میکنند:
آیین‌نامه بارگذاری ایران (مبحث ششم مقررات ملی ایران)
مطابق مبحث ششم مققرات ملی ایران عوامل زیر در محاسبه بار باد تاثیر دارند:
- میانگین سرعت باد در منطقه
- ارتفاع سازه
- شکل هندسی ساختمان
- موانع مجاور ساختمان
برای حرفه ای تر شدن آیین نامه (ASCE7) را نیز فراگیرید.
از پکیج آموزشی جلسه سوم کماندوهای طراحی جهت یادگیری محاسبه بار باد درآیین نامه بارگذاری آمریکا استفاده کنید.
آیین نامه بارگذاری آمریکا (ASCE7)
مطابق آیین نامه بارگذاری آمریکا (ASCE7) عوامل زیر در محاسبه بار باد تاثیر دارند:
- سرعت باد پایه
- شرایط محیطی
- ارتفاع متوسط ساختمان
- میزان بازشدگی ساختمان
- ضریب جهت باد
- توپوگرافی منطقه
- اثر تند باد
با مقایسه عوامل موثر بر محاسبه بار باد در آیین‌نامه مبحث ششم و آیین‌نامه بارگذاری آمریکا میتوانیم میتوان نتیجه گرفت که آیین نامه ASCE7 آمریکا به دلیل اعمال المان های بسیار در فرمول های محاسبه بارباد، جواب های دقیق تری را به دنبال دارد.
محاسبه بار باد در ساختمان
بار خالص کل باد برای یک ساختمان از جمع جبری بارهای وارده بر سطوح رو و پشت به باد (فشار و یا مکش که دربالا توضیح داده ایم) بدست میآید.
فشار خالص ناشی از باد در یک جزء یا تمام سطوح ساختمان از جمع جبری فشار و یا مکش ناشی از بار باد بدست میآید.
در برخی از موارد این بار را میتوان از جمع حاصلضرب فشار یا مکش در مساحت سطوح که فشار یا مکش میانگیری شده باشد، محاسبه کرد.
