یک سازه برای مقاومت در برابر انواع مختلف بارها طراحی شده است که می‌تواند در طول عمر خود آنها را تحمل کند. بنابراین بارها مهمترین پارامتر در طراحی سازه هستند و ماهیت و مقدار بارهایی که ممکن است متحمل شوند باید به طور دقیق محاسبه و تعریف شوند.
انواع مختلفی از بارها وجود دارد. اما سؤال این است که کدام بارها ممکن است به طور همزمان رخ دهند که باید در هنگام تعیین بارگذاری طرح، مورد توجه قرار گیرند. از این رو، دانستن طبقه‌بندی مختلف بارها بسیار مهم است.
دسته‌بندی بارها
بارها بر اساس موارد زیر دسته‌بندی می‌شوند:
- جهت بار
- مدت زمان بارگذاری
- توزیع فضایی بار
- توزیع مکانی بار
جهت بارگذاری
بارها بر اساس جهتی که بر روی سازه وارد می‌شوند به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند:
- بارهای ثقلی(عمودی)
- بارهای جانبی (افقی)
بارهای ثقلی بارهایی هستند که در جهت گرانش (جهت عمودی) وارد می‌شوند در حالی که بارهای جانبی در دو جهت دیگر (افقی) عمل می‌کنند. این طبقه‌بندی در محاسبه سیستم سازه‌ای مورد نظر مهم است.
مدت زمان بارگذاری
با توجه به مدت زمان، بارها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- بارهای دائمی
- بارهای موقت
توزیع فضایی بارگذاری
توزیع فضایی بارها به معنای فضایی است که بار در آن وارد می‌شود. بر این اساس بارها به صورت زیر دسته بندی می‌شوند:
- بارهای متمرکز
- بارهای توزیع شده
- بارهای متفاوت
این یک طبقه‌بندی بسیار رایج است که ما اغلب با آن مواجه می‌شویم. بارهای متمرکز بارهایی هستند که فضای اشغال شده توسط آنها آنقدر کم است که ما آن را متمرکز می‌دانیم.
توزیع زمانی بارها
توزیع زمانی، همان نرخ تغییر در بزرگی بار است. بر این اساس بارها به دو دسته تقسیم می‌شوند:
- استاتیک
- پویا
بارهای استاتیک، مستقل از زمان هستند و مقدار بار نسبت به زمان تغییر نمی‌کند (حداقل ما آن را اینطور فرض می‌کنیم). خود وزن سازه یک بار استاتیک است.
بارهای دینامیکی بارهای متغیر در زمان هستند. اندازه خود را با توجه به زمان تغییر می‌دهند. تغییر بسیار محسوس است و بر سازه تأثیر می‌گذارد. وسایل نقلیه در حال حرکت بر روی عرشه پل یا نیروهای ایجاد شده در اثر زلزله از جمله بارهای دینامیکی هستند.
منابع بارها
بر اساس منبع، بارها به انواع مختلفی طبقه‌بندی می‌شوند. بعضی از آنها :
- بارهای زلزله ( لرزه‌ای )
- بار باد
- بار ساخت و ساز
- بار برف
- بار خاک
طبقه‌بندی فوق انواع عمده بارهای وارد بر سازه را پوشش می‌دهد. حال اجازه دهید برخی از انواع متداول بارهای وارد بر سازه را ببینیم و این بارها ممکن است در یک یا چند دسته از طبقه‌بندی‌های ذکر شده قرار گیرند.
انواع بار
موارد زیر، انواع متداول بارهایی هستند که یک سازه می‌تواند تجربه کند. همه بارهای ذکر شده در اینجا ممکن است همیشه روی یک سازه اثر نگذارند، زیرا به عملکرد سازه نیز بستگی دارد.
بارهای مرده
این بار در دسته بار گرانشی، بار دائمی، بار گسترده، بار استاتیک است.
هر سازه‌ای از عناصر مختلفی ساخته شده است و این عناصر دارای وزنی هستند که قابل تغییر نیستند و هرگز با گذشت زمان تغییر نمی‌کنند. از این رو به آن بار مرده می‌گویند.
تعیین بار مرده بسیار ساده است. وزن واحد ضربدر حجم عنصر، بار مرده را می‌دهد.
بار مرده = وزن واحد * حجم
وزن واحد مواد مختلف را می‌توان به صورت تجربی یا از استانداردهای ساختمانی دریافت کرد.
بارهای فوق مرده
بارهای دائمی روی سازه غیر از وزن خود سازه، بار فوق مرده هستند. این بارها شامل بارهای ناشی از راه اندازی دائمی ماشین‌‌آلات یا برج‌ها‌ی آب و همچنین دیوارهای جداکننده (که دائمی هستند)، سقف‌های کاذب در صورت وجود هستند.
بارهای زنده
این بار در دسته بار ثقلی، بار موقت است.
این بار با توجه به زمان متفاوت است. حداقل بارهای زنده در هر متر مربع برای انواع مختلف سازه‌ها در استانداردهای ساختمانی آورده شده است.
بار زنده با توجه به عملکرد سازه تغییر می‌کند. به عنوان مثال، افراد و مبلمان بخش عمده‌ای از بار زنده برای ساختمان‌های مسکونی را تشکیل می‌دهند. همچنین، ترافیک وسایل نقلیه بار زنده را برای جاده‌ها و پل‌ها تشکیل می‌دهد.
با این حال، بارهای زنده به طور همزمان در تمام طبقات و در تمام زمان‌ها وارد نمی‌شوند، بنابراین می‌توان آنها را کاهش داد. این فرآیند کاهش بار زنده نامیده می‌شود.
بار زنده یا تحمیلی می‌تواند بار گسترده یا بار متمرکز باشد. به طور کلی طراحان آن را به عنوان یک بار گسترده در نظر می‌گیرند.
بار باد
این بار در دسته بار جانبی، بار موقت، بار گسترده جانبی، بار دینامیکی است.
باد به عنوان یک بار عمل می‌کند و به عنوان تنشی بر سازه در نظر گرفته می‌شود. تنش باد به عوامل مختلفی مانند ارتفاع سازه، زمین، توپوگرافی و سرعت باد بستگی دارد. برای جزئیات در مورد طراحی باد، به استاندارد بارها مراجعه کنید. با افزایش ارتفاع سازه، بار باد بحرانی می‌شود. برای ساختمان‌های با ارتفاع کمتر (6 تا 7 طبقه) بار باد قابل توجه نیست. گاهی اوقات، بار باد نیز باعث مکش به بالا می‌شود. اگر سازه‌ای نتواند این را تحمل کند، بار دائمی اضافی باید در نظر گرفته شود.
بار برف
این بار در پاییز و زمستان رایج است. بار برف توسط برف در هنگام بارش برف به پشت بام تحمیل می‌شود. در هنگام بارش برف اضافه بار انباشته می‌شود. این اگر در نظر گرفته نشود خطرناک می‌شود، زیرا برف معمولاً با باد حرکت می‌کند و باعث ایجاد بار نامتعادل و نامتقارن به سقف می‌شود.
بار زلزله
این بار در دسته بار جانبی، بار موقت، متمرکز یا گسترده، بار دینامیکی است.
اگرچه ما آن را بار لرزه‌ای می‌نامیم، اما نیروی اینرسی ناشی از تغییر شکل (شتاب) زمین در اثر لرزش شدید زمین لرزه است. طراحی این بارگذاری به عواملی مانند اهمیت سازه، شتاب طیفی و ضریب کاهش نیز بستگی دارد.
بارهای لرزه‌ای عموماً به عنوان بار متمرکز بر روی هر طبقه در نظر گرفته می‌شوند. همچنین می‌توان آن را به عنوان بار گسترده و پیوسته در نظر گرفت که آن را برای تجزیه و تحلیل و طراحی پیچیده استفاده می‌کنند. هر یک از بار لرزه‌ای یا بار باد بر سازه موثر است و نیازی به محاسبه هر دو نیست.
بار خاک
این بار در دسته بار جانبی، بار گسترده، بار استاتیک است.
باری که به دلیل خاک اطراف به صورت جانبی به سازه وارد می‌شود. بار ناشی از فشار زمین با توجه به عمق خاک، هر نوع اضافه بار، نوع خاک و میزان رطوبت آن متفاوت است. فشار زمین ممکن است فعال، غیرفعال یا در حالت استراحت باشد. تئوری‌های مختلف فشار زمین مانند نظریه رانکین برای محاسبه مقادیر فشار زمین استفاده می‌شود. فشار زمین بار اصلی در طراحی سازه‌هایی مانند دیوارهای حائل، سدها، تکیه‌گاه پل‌ها و زیرزمین‌ها است.
بارهای ویژه
به غیر از موارد ذکر شده، بارهای بیشتری وجود دارد که به عملکرد سازه بستگی دارد. بعضی از آنها:
- بار دما
- فشار هیدرواستاتیک
- بار ساخت و ساز
- بار انفجار
عملکرد سازه
همانطور که قبلا ذکر شد، بسیار بعید است که یک سازه تمام بارهای فوق را در یک زمان خاص تجربه کند. از این رو، تعیین نوع بارهایی که یک سازه می‌تواند در یک زمان تجربه کند بسیار مهم است و بستگی به عملکرد سازه دارد.
به طور مثال:
- بارهایی مانند بار مرده، بار ترافیک وسایل نقلیه (بار تحمیلی)، بار باد بر روی پل‌ها و به ندرت بارهای لرزه ای اعمال می‌شود.
- ساختمان‌های معمولی بارهایی مانند بار مرده، بار تحمیلی، باد یا بار لرزه‌ای دریافت می‌کنند. در مناطقی که بارش برف رایج است، بار برف در نظر گرفته می‌شود.
- یک دیوار حائل، بار مرده، بار اضافی (بار تحمیلی)، بار خاک و گاهی اوقات بارهای لرزه‌ای را تجربه می‌کند.
تونل‌ها بار مرده، بار خاک و بارهای لرزه‌ای را تجربه می‌کنند. - یک سازه عظیم مانند پل‌ها که به صورت قطعه قطعه مونتاژ می‌شود، بارهای ساختمانی نیز باید در نظر گرفته شود. اگر در طراحی در نظر گرفته نشود، ممکن است در بسیاری از موارد منجر به انحراف اولیه شود.
- بار انفجاری توسط یک بمب یا هر نوع مشابه دیگری ایجاد می‌شود. ارزیابی این بار و طراحی برای آن غیرممکن است. راه بهتر این است که به سمت فروپاشی پیشرونده بروید که بخش عمده‌ای از سازه را ایمن می‌کند.
- بار دما، تنش‌های ثانویه ایجاد می‌کند که ممکن است بسته به عملکرد سازه در نظر گرفته شود.
بنابراین ترکیبات بار توسط استانداردهای ساختمان با ضرایب بار (وزن‌دهی) برای انواع مختلف بارها به منظور اطمینان از ایمنی سازه تحت سناریوهای مختلف بارگذاری حداکثر مورد انتظار، تعریف و مشخص می‌شوند.
منبع: www.thestructuralblog.com
