بار باد در بارگذاری سازه‌ای چیست؟‌

بار باد در تاریخ: ۲۹ فروردین ۱۴۰۱  به‌روزرسانی شده است!

اخباری از بار باد که هرگز فاش نشد!

تا کنون با خود فکر کرده‌اید که اعمال بار زلزله در نرم‌افزار هنگام طراحی سازه کافی نیست؟

معمولاً وقتی درباره طراحی سازه‌ای مطالعه می‌کنیم متوجه خواهیم شد که درباره سیستم‌های باربر سازه‌ای، قاب خمشی، دیوار برشی، مهاربندهای ساختمانی و …  بیشتر صحبت شده و در هیچ یک از این آموزه‌ها سخنی از بار باد به میان نیامده است.

بارهای جانبی اصول طراحی سازه‌های ما را تشکیل می‌دهند آن‌قدری که بارهای جانبی برای ما خطرساز هستند بارهای قائم یا بارهای عمودی خطرساز نیستند.

یکی از نیروهای جانبی وارد بر سازه، بار باد ساختمان است که در هنگام طراحی سازه ها حتما باید به آن توجه شود.

من به شما اخطار می‌دهم این طرز فکر که بار باد کم اهمیت است اشتباه است و فقط کافیست نگاهی به  تصویر زیر بیندازید تا به تفکر اشتباه خود پی ببرید!

 

 

 

 

تمایل دارید این جلسه و جزوه آموزشی آن را دانلود کنید؟
اين جلسه حاوي

1. فيلم آموزشي بالا
2. ۲ جزوه آموزشي براي درک بهتر ويديو به زبان فارسي

ميباشد، اگر تمايل داريد تمامي۴۴ قسمت آموزش ايتبس و تمامي جلسات آموزش سيف را دانلود کنيد، بايد عضو الماسي شهر نوين عمران ومعماري باشيد! چنانچه تاکنون ثبت نام نکرديد از طريق دکمه زير ثبت نام کنيد.

تاکنون بيش از ۲۰۰۰ نفر عضو الماسي شهر نوين عمران ومعماري شده اند!

هزينه عضويت تنها ۲۹ هزار تومان

خيلي سريع من را عضو الماسي کن!

 

در این جلسه به بار باد می‌پردازیم. باری که بعضی مواقع ما در سازه‌های مسکونی به علت زمان تناوب و فرکانس سازه از آن صرف نظر می‌کنیم. اگر بعدها فرکانس سازه را بررسی کردیم و متوجه شدیم که فرکانس از یک حدی بیشتر یا کمتر است باید به جای بارهای لرزه‌ای بر روی بار باد مانور دهیم که به‌طور مفصل در این جلسه از آموزش رایگان نرم‌افزار ایتبس در مورد آن توضیح خواهیم داد.

از چندین جلسه قبل وارد بارگذاری ساختمان شدیم و گفتیم که بارهای ساختمانی به ۲ دسته “بارهای قائم” و “بارهای جانبی” تقسیم می‌شوند. به بیان دیگر ۲ نوع بار، به سیستم باربر سازه‌ای وارد می‌شود که سیستم باربر سازه‌ای باید در مقابل این بارها از خود مقاومت نشان دهد.
در سیستم‌های باربر قائم در مورد بار مرده، بار زنده، بار برف و در سیستم باربر جانبی در مورد بار زلزله و بار باد صحبت کردیم. در این جلسه به سراغ بار باد می‌رویم.

بار باد عمدتاً به قاب‌های بیرونی اثر خواهد کرد و این نیرو برای قاب‌های داخلی کاهش می‌یابد .

سازه‌ای با جرم بیشتر در مقابل بار باد به‌طور مؤثرتر مقاومت می‌کند و سازه‌ای که سطح بیرونی کمتری داشته باشد عملکرد بهتری دارد؛ زیرا نیروی باد کمتری جذب می‌کند.

سختی سازه در مقدار تأثیر نیروی باد مؤثر نیست.

نیروی باد با بیشتر شدن ارتفاع از سطح زمین، افزایش می‌یابد.

باد در حقیقت جریان هوا است که از نقاط پرفشار به نقاط کم فشار حرکت می کند.

 

بار باد در بارگذاری سازه‌ای چیست؟

بارهای جانبی اصول طراحی سازه‌های ما را تشکیل می‌دهند؛ چرا که انقدر که بارهای جانبی برای ما خطرناک هستند، بارهای قائم این چنین نیستند. زمانیکه در مورد بارهای جانبی صحبت می‌کنیم در ابتدا بار زلزله را بیان می‌کنیم و می‌گوییم سازه باید در مقابل بار زلزله مقاوم باشد. در نتیجه بقیه بارها را کنار می‌گذاریم. این به این معنا نیست که بار باد اصلا اهمیتی ندارد. متاسفانه خیلی از آموزش‌های کشور در مورد بار باد اصلا صحبت نکرده و آن را وارد نرم‌افزار نمی‌کنند. شاید در دید اول اینکار درست باشد اما قرار نیست که ما تا آخر عمر فقط ساختمان‌های ۲طبقه و یا ۳طبقه طراحی کنیم.
به نظر من، بار زلزله فقط توانسته است برندسازی کند و تفاوت‌ها و تمایزهای خود را بیشتر نشان دهد.
زمانیکه ما تمام ریزش‌ها، خرابی‌ها و مشکلات سازه را در برابر بارهای جانبی بررسی کنیم، ۹۸% آن‌ها ناشی از بار زلزله است و ۱ یا ۲% مشکلات سازه‌های خاص مربوط به بار باد می‌باشد. ‌

ماهیت بار باد:
باد یکی از مهم‌ترین بارهای وارد برسازه می‌باشد که همواره در طول مدت بهره‌برداری سازه واردشده و اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای را تحت تأثیر قرار می‌دهد.

بار باد نیز همانند بار زلزله، یک نیروی جانبی دینامیکی است. نیروهای دینامیکی، نیرویی‌های هستند که مقدارشان وابسته به زمان است و در طول زمان تغییر می‌کنند و لذا جزء نیروهای تصادفی قرار می‌گیرند که تحلیل آن‌ها، نیازمند تسلط بر علم آمار و احتمالات است.

بار باد از ۳ دیدگاه، یک نیروی تصادفی است:

الف) در یک نقطه مشخص، سرعت باد در هرلحظه از زمان تغییر می‌کند.
ب) سرعت لحظه‌ای باد از نقطه‌ای به نقطه دیگر تغییر می‌کند و لزوماً باهم برابر نیستند
ج) جهت ورزش باد، هرلحظه تغییر می‌کند (که خود به‌نوعی در دو دیدگاه قبلی تأثیرگذار است)

سرعت مبنا و فشار مبنای باد
سرعت باد، مشخصه اساسی باد است که بنا بر مشاهدات و آزمایش‌ها، هرچه ارتفاع افزایش یابد، سرعت باد هم افزایش پیدا می‌کند. از سوی دیگر، باگذشت زمان هم، سرعت باد تغییر می‌کند.

سازمان هواشناسی، سرعت مبنای باد را سرعت متوسط در ارتفاع مبنا (یعنی ارتفاع ۱۰ متر) در نظر می‌گیرد.

با استفاده از سرعت مبنای باد، فشار مبنای باد (q) را به‌دست می‌آوریم. فشار مبنای باد، بر اساس سرعت مبنای باد تعیین‌شده و فشاری است که در اثر وزش باد در ارتفاع ۱۰ متری از سطح زمین به ساختمان وارد می‌شود .

فشار مبنا فشاري است كه باد با سرعتي برابر با سرعت مبناي بر سطحي عمود بر جهت وزش باد اعمال شود.

فشار مبنای باد، بر اساس سرعت متوسط ساعتی باد که احتمال تجاوز از این مقدار در سال ۲ درصد است و به‌طور متعارف با دوره بازگشت ۵۰ ساله بیان می‌شود.

از سرعت مبنای باد، میانگین عددی سرعت باد در دوره بازگشت ۵۰ ساله با احتمال تجاوز ۲ درصد در سال می‌باشد که در ارتفاع ۱۰ متری از سطح زمین و روزانه ۸ نوبت رأس ساعت گرینویچ اندازه‌گیری می‌شود.

هرچه سرعت باد بیشتر باشد، انرژی جنبشی بیشتری داشته و هنگام برخورد به ساختمان، کاهش سرعت بیشتری خواهد داشت (شتاب کاهنده‌ی بیشتر) و لذا فشار بیشتری به سازه وارد خواهد کرد.

در آیین نامه برای در نظر گرفتن اثرات باد، از سرعت مبنای باد در ارتفاع مشخص (۱۰ متر) از سطح زمین و در منطقه‌ای مسطح و بدون مانع استفاده می‌شود.

•احتمال تجاوز مقدار سرعت باد در هر منطقه‌ای از سرعت مبنای باد در هرسال برای دوره بازگشت ۵۰ سال کمتر از ۲ درصد است.

•با افزایش سرعت باد، در وجه بادپناه (پشت به باد) جریان‌های چرخشی (گردباد) ایجاد می‌شود که موجب ایجاد نواحی با فشار منفی (مکش) در سمت بادپناه می‌شود.

•اگر سرعت باد در محدوده اي باشد كه باعث ايجاد نيروي بادي با فركانسي نزديك به فركانس سازه شود،باعث ايجاد تشديد مي شود. تشديد سبب افزايش
نيروهاي باد مي شود.

•شدت بار باد به تغییرات سرعت و نیزپاسخ ساختمان بستگی دارد.

•برخلاف میانگین سرعت باد که آن را به‌صورت استاتیکی می‌توان در نظر گرفت، تغییرات سرعت باد و تغییر بار باد، بسیار سریع و ناگهانی بوده و ماهیت آنها به‌صورت دینامیکی است.

تغییرات سرعت باد با ارتفاع
سرعت باد در نزدیکی سطح زمین (در تراز تقریباً صفر )به علت نیروی برشی ناشی از لزجت سیال (هوا)تقریباً برابر با صفر است. هرچه از سطح زمین بالاتر برویم، به دلیل کاهش نیروی برشی مقدار سرعت باد افزایش می‌یابد. ارتفاعی که در آن سرعت باد ثابت می‌گردد، ارتفاع گرادیان و سرعت در این ارتفاع سرعت گرادیان نامیده می‌شود. منحنی تغییرات سرعت باد با ارتفاع، تابع نوع و شدت جریان‌های آشفته و آرام است. این جریان‌ها بستگی به ناهمواری سطح زمینی که باد در آن می‌وزد، وابسته است.

تا ارتفاع گرادیان، سرعت باد تحت تأثیر ناهمواری‌های زمین است، به این بخش از هوا لایه‌مرزی گفته می‌شود.

علل تشکیل باد
•اختلاف فشار ناشی از تفاوت دما در قسمتهای مختلف جو زمین، موجب جریان هوایی می‌شود که باد نامیده می‌شود.
هوای با فشار کم در اثر سبکی به بالا صعود می‌کند و روی هوای با فشار زیاد و سنگین جریان می‌یابد، این جابجایی تولید باد می‌کند.
باد عبارتی است برای حرکت هوا به‌صورت افقی. حركت هوا در جهت عمودی یا نزدیک به آن جریان نامیده می‌شود.
باد پدیده‌ای بسیار پیچیده است که تحلیل آن به‌صورت علمی و قطعی تا حد زیادی مشکل است.

سرعت باد در نزدیکی سطح زمین (در تراز تقریباً صفر) به علت نیروی برشی ناشی از لزجت سیال (هوا) تقریباً برابر با صفر است.
•هرچه از سطح زمین بالاتر برویم، به دلیل کاهش نیروی برشی مقدار سرعت باد افزایش می‌یابد.
•ارتفاعی که در آن سرعت باد ثابت می‌گردد، ارتفاع گرادیان و سرعت در این ارتفاع سرعت گرادیان نامیده می‌شود.
•منحنی تغییرات سرعت باد با ارتفاع، تابع نوع و شدت جریانهای آشفته و آرام است. این جریانها بستگی به ناهمواری سطح زمینی که باد در آن می‌وزد، وابسته است.

وقتی توده‌ای از هوای متحرک به مانعی برخورد می‌کند با حرکت از دو طرف ساختمان دوباره به‌هم‌پیوسته و به حرکت خود ادامه می‌دهد. چون توده‌هوای بیشتری از سطح ثابتی عبور می‌کند، سرعت باد افزایش یافته و جریانهای آشفته ایجاد می‌شود. آشفتگی جریان باعث حرکت ذرات هوا در تمام جهات می‌شود و به‌طور معمول ضخامت زیادی را تحت تأثیر قرار می‌دهد. سرعت جریان آشفته بسیار متغیر بوده و بازمان تغییر می‌کند.

بستگی به اینکه میانگین سرعت باد را در چه بازه زمانی به‌دست آوریم. میانگین سرعت متفاوت خواهد بود مثلاً ممکن است میانگین سرعت باد در یک ساعت ۱۰ متر بر ثانیه باشد درحالی‌که میانگین سرعت در یک دقیقه ۳۰ متر بر ثانیه باشد.
طولانی‌ترین زمان متوسط گیری در کارهای مهندسی باد یک ساعت است .
سرعت میانگین باد در آیین‌نامه آمریکا حداکثر سرعت باد در یک مایل از مسیر حرکت باد در نظر گرفته می‌شود.

روش محاسبه بار باد
روش 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. این روش طبیعتا دقت کمتری دارد اما در عوض ساده‌تر است.

روش دینامیکی:مناسب برای ساختمان‌های بلند و لاغر (ساختمان‌هایی با ارتفاع بیش از ۱۲۰ متر و نسبت ارتفاع ساختمان به عرض بیش از ۵ (سازه‌های غیر ساختمانی مثل دودکش، مخازن، دکل‌ها که زمان تناوب ارتعاشات طبیعی آنها بیش از یک ثانیه است.)
روش طراحی دینامیکی برای تعیین اثرات کلی باد شامل پاسخ تشدید شده و عمدتاً برای ساختمان‌های بلند و سازه‌های لاغر (به‌جز نما و پوسته خارجی و اعضای سازه‌ای ثانویه) به‌کار می‌رود.
ساختار این روش مشابه روش استاتیکی است، با این تفاوت که ضریب اثر جهشی باد و ضریب بادگیری به‌طور متفاوتی تعیین می‌شوند.
در تحلیل دینامیکی، اثرات دینامیکی باد، عیناً لحاظ می‌شود؛ یعنی تغییرات سرعت و فشار باد را وارد محاسبات می‌کنیم و لذا این تحلیل، درعین‌حال که دقت بالایی دارد، اما دشوار است.

روش تجربی:
شامل آزمایش تونل باد یا سایر روش‌های تجربی می‌باشد، این روش می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین برای روش‌های استاتیکی و دینامیکی به‌کار رود.
تونل باد: برای تعیین ضرایب فشار خارجی، طراحی نما و پوسته خارجی و ساختمانهایی که هندسه آنها به‌طور نامحسوسی از شکل معمول متفاوت است، مناسب می‌باشد.
شامل آزمایش تونل باد یا سایر روش‌های تجربی می‌باشد، این روش می‌تواند به‌عنوان یک جایگزین برای روش‌های استاتیکی و دینامیکی به‌کار رود.
این روش مخصوصاً برای ساختمان‌هایی که ممکن است در معرض اثرات جستی باد یا گرفتگی قسمتی از عبور جریان توسط موانع بالادست جریان، ریزش گردبادی قرار می‌گیرند، استفاده شود.
روش تجربی همچنین برای تعیین ضرایب فشار خارجی، طراحی نما و پوسته خارجی و نیز ساختمان‌هایی که هندسه آن‌ها به‌طور محسوسی از شکل معمول متفاوت است، مناسب است.
استفاده از روش تجربی برای تمامی ساختمان ها مجاز است.

چگونگی تأثیر باد بر ساختمان
وزش باد می‌تواند هم به سطوح خارجی و هم به سطوح داخلی نیرو وارد کند و هرکدام از این سطوح نیز می‌توانند بسته به شرایط، تحت‌فشار (فشار مثبت) یا تحت مکش (فشار منفی) قرار گیرند:
سطوح خارجی
تأثیر بادبر سطوح خارجی ساختمان، به دو حالت زیر است:
الف)فشار مثبت
سطوحی که مستقیماً در مقابل باد قرار دارند (سطوح بادگیر) تحت تأثیر فشار قرار دارند که نیروی قابل‌توجه و مهمی در تحلیل ساختمان محسوب می‌شود.

ب) فشار منفی
سطوحی که موازی با باد یا پشت به باد هستند، تحت تأثیر مکش (فشار منفی) قرار دارند؛ چون وقتی‌که جریان باد، مولکول‌های هوای روی آن‌ها را با خود می‌برد، خلأ ناچیز و موقتی روی آن‌ها ایجاد می‌شود و نوعی تمایل به بیرون‌زدگی روی آن‌ها به وجود می‌آید که آن را مکش می‌نامیم.

سطوح داخلی
ورود یا خروج هوا از بازشوهای ساختمان باعث اعمال نیرو (فشار یا مکش) به سطوح داخلی ساختمان می‌شود. مقدار این فشار یا مکش، به بزرگی مساحت بازشو نسبت به‌کل مساحت جانبی داخل ساختمان بستگی دارد.

الف)فشار مثبت
اگر مساحت بازشوهای رو به باد بیشتر از بازشوهای پشت به باد باشد، مقدار هوای وارد شده به ساختمان بیشتر از هوای خارج‌شده از ساختمان بوده و درنتیجه باعث ایجاد فشار در داخل سازه می‌شود (گویا هوای واردشده نمی‌تواند به‌طور کامل خارج شود و لذا به دیوارهای داخلی، فشار می‌آورد)

ب)فشار منفی
اگر مساحت بازشوهای پشت به باد بیشتر از بازشوهای رو به باد باشد، مقدار هوای خارج‌شده از ساختمان بیشتر از هوای واردشده به ساختمان می‌شود و درنتیجه باعث ایجاد فشار منفی (مکش) در داخل سازه می‌شود (گویا هوای واردشده، هوای موجود در سازه را هم با خود می‌کشد و می‌برد و لذا دیوارهای داخلی را می‌مکد).

آشنایی با بار باد:

بار باد از جمله نیروهای جانبی وارد بر سازه است که در بارگذاری سازه‌ای باید برای کلیه ساختمان‌ها و کلیه اجزای آن‌ها با توجه به مبحث ششم مقررات ملی ساختمان لحاظ گردد. بنابراین مهندس عمران طراح در هنگام طراحی سازه (چه طراحی سازه بتنی و چه طراحی سازه فولادی) 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. زمانیکه در مورد بار باد صحبت می‌کنیم منظورمان:
• بار باد استاتیکی
• بار باد در ساختمان‌های کوتاه
• بار باد جزئی
• بار باد در شرایط یخ‌زدگی
• اثر گردبادی
می‌باشد که این بارها بسیار برای ما حائز اهمیت هستند. در این جلسه ساده‌ترین و جامع‌ترین حالت بارگذاری بار باد را بررسی می‌کنیم.
برای محاسبه بار باد ۲ مبحث بسیار مهم را پیشه‌رو داریم:
۱) مبحث ششم مقررات ملی ساختمان
۲) آئین‌نامه ASCE-7 که مربوط به بارگذاری کشور آمریکا می‌باشد.

در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان فرمولی برای محاسبه بار باد نوشته شده است:

P = Iw q Ce Cg Cp

P: فشار خارجی که به صورت استاتیکی در جهت عمود بر سطح چه در حالت فشار وارد بر سطح یا مکش به سمت خارج از سطح، عمل می‌کند.
Iw: ضریب اهمیت برای بار باد
q: فشار مبنای باد
Ce: ضریب بادگیری
Cg: ضریب اثر جهشی
Cp: ضریب فشار خارجی که بر مساحت وجه مورد نظر میانگین‌گیری شده باشد.
در ادامه هر یک از ضریب‌ها را به اختصار توضیح می‌دهیم.

• ضریب اهمیت ساختمان (Iw)

همان‌گونه که گفته شد، در فرمول محاسبه بار باد ضریبی تحت عنوان ضریب اهمیت ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. برای تعریف این مقدار، ابتدا باید به طبقه‌بندی صورت گرفته در آیین‌نامه ۲۸۰۰ بر روی ساختمان‌ها اشاره کنیم. در این آیین‌نامه ساختمان‌ها با توجه به نوع کاربری و میزان آسیب‌رسانی ناشی از خرابی آن‌ها، در چهار گروه خطر پذیری طبقه بندی می‌گردند. پس از اینکه نوع سازه مشخص گردید، ضریب اهمیت آن مطابق جدول زیر محاسبه می‌شود.

ضریب اهمیت باد
هرچه اهمیت سازه‌ای که می‌سازیم، بیشتر باشد، باید آن را در برابر نیروهای بزرگ‌تری، طراحی و مقاوم‌سازی کنیم. به‌عنوان‌مثال طبیعت عملکرد بدون وقفه یک بیمارستان، بسیار بیشتر از یک ساختمان تجاری است!
ضریب بزرگ‌تر از ۱، یعنی به دلیل حساسیت بالای سازه، نیروی وارد برسازه (مثلاً بیمارستان‌ها) را افزایش می‌دهیم و ضریب کوچک‌تر از ۱ نیز یعنی به دلیل حساسیت کمتر سازه (مثلاً مرغ داری‌ها)، نیروی وارد برسازه را کاهش می‌دهیم.
کلاً سازه‌ها ازنظر اهمیت به ۴ گروه خطرپذیری تقسیم می‌شوند که برای تشخیص این‌که سازه ما، در کدام گروه خطرپذیری قرا دارد، از جدول ۶-۱-۱ مبحث ششم استفاده می‌کنیم.
سازه‌هایی که غالباً مهندسان عمران با آن‌ها سروکار بیشتری دارند (مثل ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، هتل‌ها، کارگاه‌ها و پارکینگ‌ها)، جزء گروه خطرپذیری ۳ هستند و ضریب خطرپذیری آن‌ها ۱ است (یعنی مقدار نیروهای اعمال‌شده به سازه را، نه کاهش می‌دهیم و نه افزایش).

• فشار مبنای باد (q)

ضریب q، سرعت باد در هر منطقه را برای محاسبه بار باد دخالت می‌دهد. مناطق مرکزی مانند اصفهان که بار شدیدی نمی‌وزد در مقایسه با شهر دیگری مانند تبریز سرعت بادشان بسیار متفاوت است.
آئین‌نامه مبحث ششم از طریق پارامتر q سرعت باد را برای ما در سازه‌ها دخالت می‌دهد.

• ضریب بادگیری (Ce)

ضریب بادگیری همان‌طور که از اسمش پیداست، میزان بادگیر بودن ساختمان را مشخص می‌کند. این ضریب از دیدگاه مبحث ششم، تنها به ارتفاع ساختمان، میزان ناهمواری اطراف ساختمان و نیز احیاناً تأثیر خیز سرعت در بالای تپه‌ها وابسته است؛ هر چه ساختمان، ارتفاع بیشتری داشته باشد و ناهمواری محیط کمتر باشد، ساختمان بادگیرتر است و نیروی باد بیشتری به آن وارد می‌شود.

در ابتدای کار باید تشخیص دهیم که پروژه ما در چه نوع زمینی احداث می‌شود:
۱) هموار
۲) ناهموار
۳) بالا آمدگی و یا تپه‌ها
زمین‌های ناهموار و بالا آمدگی‌ها بیشتر در سازه‌های خاص استفاده می‌شود. در این جلسه از آموزش رایگان نرم‌افزار ایتبس ما زمین را زمین هموار در نظر می‌گیریم.
زمین‌های هموار به ۲ دسته زمین باز و زمین پرتراکم تقسیم می‌شود.

در زمین‌های باز:

Ce = (h/10)0.2 ≥ ۰٫۹

و در زمین‌های پر تراکم:

Ce = 0.7 (h/12)0.3 ≥ ۰٫۷

معمولا زمین‌های ما از نوع زمین هموار پرتراکم می‌باشد.
زمین‌های ناهموار و تپه‌ها را در آموزش‌های پیشرفته‌تر، یعنی جعبه ابزار طراحی سازه‌های بتنی، برای شما توضیح خواهیم داد.

 

• ضریب اثر جهشی (Cg)

در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان برای این ضریب جدولی آورده شده است که حالات مختلف آن را بیان کرده است.
ما حالت کل سازه و اعضای اصلی آن را در نظر می‌گیریم که این ضریب برابر ۲ می‌باشد.

• ضریب فشار خارجی (Cp)

در ابتدا باید بگویم که این پارامتر اندکی با سایر پارامترها متفاوت است. ما باید تشخیص دهیم که ساختمان ما جزء ساختمان‌های بلند می‌باشد یا ساختمان‌های کوتاه. ساختمان‌های بیشتر از ۲۰ متر را ساختمان‌های بلند و ساختمان‌های کمتر از ۲۰ متر را به عنوان ساختمان‌های کوتاه در نظر می‌گیریم. معمولا در ساختمان‌های کوتاه، بار باد به علت ارتفاع، چنان اهمیتی ندارد. در نتیجه بار باد را کنار گذاشته و سازه را بر اساس بار زلزله طراحی می‌کنیم.
زمانیکه ما در مورد بار زلزله صحبت می‌کنیم هرچه ارتفاع سازه بیشتر شود نیروی برشی کمتر می‌شود. اما برای بار باد اینگونه نیست. با افزایش ارتفاع نیروی باد نیز اضافه می‌شود پس بار باد برای ساختمان‌های بلند بیشتر حائز اهمیت است.
اما یک مورد خاص در سازه‌های کوتاه وجود دارد و آن طراحی سوله‌ها می‌باشد. سوله‌ها به علت وزن کمی که دارند، بار باد بسیار در آن‌ها خطرساز است. در این جلسه آموزش نرم‌افزار ایتبس، ما تنها در مورد ساختمان‌های بلند صحبت می‌کنیم.
در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان تصویر زیر قرار داده شده است.

 

در این تصویر Cp را در وجه‌های متفاوت برای ما توضیح داده است. به‌راحتی می‌توان پارامتر Cp را محاسبه و در فرمول جایگذاری کرد.
اما در ساختمان‌های کوتاه این ضریب از طریق حاصلضرب Cg * Cp مطرح می‌شود.

 

۴ راه بار باد:

در آموزش بار باد ما یک ۴راهی را در شهر نوین عمران و معماری به وجود آوردیم به نام ۴راه بار باد. نام خیابان‌های این ۴ راه
• پشت به باد
• رو به باد
• مکش
• فشار
می‌باشد. در ابتدا پلان مربعی شکل زیر را در نظر بگیرید.

 

همانطور که مشاهده می‌کنید بار باد در جهتی می‌وزد. مبحث ششم به ما طراحان سازه توصیه کرده است که بار باد را در جهت اصلی سازه‌ها در نظر بگیریم و نیازی نیست که این ۲ جهت همزمان باشد.
در این پلان ما ۴ وجه داریم که در مقابل بار باد قرار می‌گیرد. سطح آبی رنگ، سطح رو به باد و سطح‌های قرمز رنگ، پشت به باد می‌باشد. جهت‌های عقربه‌ای شکل نیز در قسمت رو به باد، فشار و در قسمت‌های پشت به باد، مکش هستند.

در تصویر دیگر ارتفاع نیز وجود دارد که با افزایش ارتفاع بار باد نیز افزایش پیدا می‌کند. در سقف‌های شیب‌دار که هم شیب منفی و هم شیب مثبت داریم، در یک طرف رو به باد به صورت فشار و مکش و در طرف دیگر پشت به باد به صورت مکش وجود دارد.

راه‌های مقابله با بار باد:

در جلسات ابتدایی آموزش نرم‌افزار ایتبس، در مورد سیستم‌های باربر سازه‌ای مانند سیستم‌های قاب خمشی، مهاربندها و… صحبت کردیم. یکی از سیستم‌های باربر سازه‌ای، سیستم باربر جانبی و دیگری سیستم باربر قائم می‌باشد. در سیستم باربر جانبی مانند قاب‌های خمشی، اتصالات از نوع گیردار هستند. این اتصال باعث می‌شود که سختی جانبی در سازه به وجود بیاید. سختی جانبی باعث می‌شود سازه در مقابل بارهای جانبی از خود مقاومت نشان دهد.
زمانیکه سختی جانبی را افزایش و یا کاهش دهیم در بار زلزله تفاوت‌هایی را مشاهده می‌کنیم. یعنی زمانیکه با بار زلزله کار می‌کنیم سختی جانبی برای ما اهمیت دارد اما در مورد بار باد، سطحی که مقابل بار باد قرار می‌گیرد اهمیت دارد. علت شکل‌ها و معماری‌های متفاوت در آسمان خراش‌ها همین است.

دوگانگی رفتار سازه‌ها:

خیلی از مواقع شنیده‌ایم که سازه‌های خود را بهینه طراحی کنید. بهینه طراحی کردن به شکل‌های متفاوت وجود دارد اما چیزی که بین ما طراحان سازه‌ای بسیار معروف است این است که سازه‌های ما وزن سبکی را داشته باشند.

اما آیا همیشه بهینه بودن سازه‌ها خوب است؟

آزمایش‌ها و مشاهدات به ما می‌گوید که سازه‌ها هرچه قدر سبک‌تر باشند در مقابل بار زلزله عملکرد بهتری دارند ولی استفاده از سازه‌های سبک باعث می‌شود که در مقابل بار باد ضعیف‌تر باشند. بار باد در مقابل سازه‌های سنگین رفتار بهتری دارند.

شکل و ارتفاع سازه و همچنین منطقه احداث سازه ازلحاظ سرعت باد، دو عامل بسیار مهم در میزان تأثیرگذاری بار بادبر روی سازه است. بنابراین به این دو پارامتر در طراحی و ساخت سازه اهمیت ویژه‌ای قائل شد.

در مورد ساختمان‌هایی معمولی که در شهرها ساخته می‌شوند، به دلیل نزدیکی ساختمان‌های مجاور تأثیر بادبر این ساختمان‌ها بسیارکم بوده که معمولاً در بارگذاری در این‌گونه ساختمان‌ها نادیده گرفته می‌شود. ولی ساختمان‌های بلندمرتبه که در محیط باز احداث می‌شوند یا سازه‌های صنعتی اثر بار باد قابل‌توجه خواهد بود.

سازه‌های بلند که ارتفاع آنها نسبت به ابعادشان در پلان بزرگ است در برابر واژگونی و تغییرمکان جانبی حالت بحرانی‌تری دارند. اندازه‌گیری بار باد یکی از عوامل مهم برای طراحی سازه‌های بلندتر از ۱۰ طبقه است. برای بررسی اثر باد برسازه، روش‌های مختلفی ( تئوری و تجربی) وجود دارد.