بار باد در بارگذاری سازه‌ای چیست؟‌

بار باد در تاریخ: ۱۴۰۰/۰۶/۰۳ 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.

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 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. ‌

 

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.

• 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)

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.