دانلود مقاله عمران بارگذاری ساختمان

فهرست مطالب

گفتار نخست.. 2

شناخت بارها و سامانه‌هاي انتقال بار و تعاريف.. 2

1-1) كليات.. 2

1-2) معرفي انواع بارها3

1-3) مباني احتمالاتي بارگذاري سازه:11

1-4) تعاريف سازه‌اي.. 18

قاب‌ها:29

شكل‌پذيري:31

سيستم مهاربندي افقي:32

گفتار دوم. 33

بارهاي مرده (Dead load)33

2-1) كليات.. 33

2-2) بار مرده سقف‌ها34

2-3) بار تيغه‌ها و جداگرها (Partition Loading)42

2-4)‌ بار مرده پله‌ها44

گفتار سوم. 48

بارهاي زنده (Live loads)48

3-1) كليات.. 48

3-2) بار زنده كف‌ها:49

3-3) اثر بدترين آرايش سربارهاي زنده56

3-4) بارهاي وارد بر دست‌اندازها، نرده‌ها، جان‌پناه بام‌‌ها و حفاظ پاركينگ‌ها.58

3-5) شيوه اعمال بار خودروها و وسايل نقليه (بر اساس آيين‌نامه 519)60

3-6) كاهش سربارهاي زنده62

3-7) سربارهاي ضربه‌اي.. 67

3-8) بارهاي حين اجراي ساختمان:75

3-9) نمونه‌ها76

3-10) تمرين‌ها88

گفتار چهارم. 95

بار برف (Snow load)95

4-1) كليات.. 95

4-2) بار برف بام‌ها96

گفتار پنجم. 105

بارگذاري باد (Wind load)105

5-1) كليات.. 105

5-2) بارهاي ناشي از اثر باد106

5-3) فشار و نيروي موثر باد بر ساختمان‌ها و ساير سازه‌ها110

5-4) ضوابط عمومي طراحي سازه براي باد120

5-5) نمونه‌ها121

5-6) تمرين‌ها127

پيوست شماره 1:131

جرم مخصوص مواد و جرم واحد مصالح و اجزاي ساختمان. 131

پيوست شماره 2. 139

بار زنده كف انبارهاي اجناس.. 139

پيوست شماره 3. 143

روش تحليلي ديناميكي محاسبه بار باد در ساختمان‌هاي خاص... 143

گفتار نخست

شناخت بارها و تعاريف سامانه‌هاي انتقال بار و بارگذاري

1-1) كليات

سازه‌هاي عمراني به عنوان يك فرآورده توليدي و صنعتي با كاربرد مشخص بوده كه با توجه به نوع كاربري و استفاده موردنظر، بارهاي مشخصي به آن وارد مي‌شود. اين سازه عمراني اگر پل باشد، مطمئناً بارهاي وارده بر آن با يك سد يا ساختمان مسكوني متفاوت خواهد بود. در پل بار اصلي وارده بر سازه آن، علاوه بر وزن پل، وزن خودروهاي عبوري و همچنين بار فشار سيلاب‌ها مي‌باشد، در حالي كه در سدها بار اصلي، فشار آب پشت سد و خطرات ناشي از لرزش‌هاي زمين لرزه مي‌باشند. در يك ساختمان كه كاربري مسكوني دارد، نيز مقادير بارهاي اصلي با ساختماني كه كاربري درماني يا تجاري دارد، متفاوت خواهد بود.

به عنوان يك تعريف كلي، بارگذاري تعيين حداكثر بار وارد بر يك سازه در مدت سن سودمندش با ريسك و خطر قابل پذيرش مي‌باشد. بطور كلي سازه‌هاي موجود را به سه دسته مي‌توان بخش كرد كه عبارتند از:

1. سازه‌هاي عادي و رايج، ساختمان‌هاي مسكوني، بيمارستان‌ها، مدارس و ... بوده و داراي حداقل سن 50 سال مي‌باشد. در اين نوع سازه‌ها، ريسك و خطر قابل قبول بين 10-5% است، احتمال خطا و اشتباه در بارگذاري و تعيين بار اين نوع سازه‌ها تقريباً نزديك به صفر مي‌باشد، چرا كه به وفور ساخته شده و بارها تا اندازه‌ زيادي شناخته مي‌شوند.

2. سازه‌هاي صنعتي نظير ساختمان‌هاي كارخانه‌ها، سوله، دكل‌هاي انتقال برق و ... بوده و داراي حداقل 25 سال سن مي‌باشند. در اين دسته از سازه‌ها ريسك و خطر قابل قبول بين 1-5/0% است و احتمال خطا در بارگذاري و تعيين بار اين نوع سازه‌ها تا اندازه‌اي وجود دارد.

3. سازه‌هاي عمراني نظير سدها، پل‌ها، اسكله‌ها و .. بوده و داراي حداقل سن 200-50 سال مي‌باشند. در اين دسته‌ از سازه‌ها ريسك قابل قبول بين 1-5/0% است و با نظر به اينكه با توجه به شرايط ساختگاهي (به ويژه در سدها) نوع بارگذاري، طراحي و محاسبات متغير بوده و به شدت تاثيرپذير است، از ضرايب اطمينان بالايي در تعيين بارها استفاده مي‌شود.

1-2) معرفي انواع بارها

بارهاي وارده بر سازه با توجه به منبع و منشاء انتشار بارها و رفتارها و تغييرات آنها دسته‌بندي مي‌شوند. به هرحال، با توجه به جميع شرايط دسته‌بندي زير را مي‌توانيم براي بارها داشته باشيم:

1. بار مرده (Dead Load):

اين نوع بار به دليل ثابت بودن مقدار آن تا انتهاي سن و عمر سازه به اين نام ناميده مي‌شود. وزن اجزاي سازه‌اي نظير سقف، تير و ستون‌ها، تيغه‌بندي، كف‌سازي‌ها و ... به عنوان بار مرده شناخته شده‌اند و مي‌توان اين اجزا را با توجه به ابعاد هندسي و وزن حجمي و جزئيات اجرايي و فني آنها با بهره‌گيري از جداول وزن مصالح كه در مبحث مقررات ملي ساختمان ارائه شده است، بدست آورد.

در تعيين اين بار، بويژه در سازه‌های رايج مسكوني بايد دقت زيادي داشت و دليل آن نيز سهم زياد اين نوع بار در كل بارهاي وارده بر سازه مي‌باشد. شيوه و روش محاسبه اين نوع بار در گفتار دوم ارائه خواهد شد.

2. بار زنده (Live Load ):

بار زنده يا سربار در بيشتر مواقع با توجه به نوع كاربري سازه مشخص شده و به دو گونه كلي ايستا و ضربه‌اي دسته‌بندي مي‌شود. براي نمونه بار زنده در ساختمان‌هاي مسكوني در حالت ايستا، وزن انسان‌ها و بارهاي متغير وارده بر سازه مسكوني بوده و در حالت ضربه‌اي، وزن آسانسور يا بالابر مي‌باشد. مطمئناً خوانندگان درنظر خواهند داشت كه بار زنده يك پل با بار زنده يك سد متفاوت است.

3. بارهاي حين ساخت (As Built Load):

بارهاي حين ساخت با توجه به روش اجرا و مراحل اجرايي سازه تعيين مي‌شوند. در بسياري از مواقع در ساخت و سازها‌، بارهاي حين ساخت بيش از بارهاي بهره‌برداري سازه بوده و ضرورت دارد كه طراحي سازه براي اين حالت بار و اين نوع بارگذاري بررسي شود. در اجراي پل‌ها، از جراثقال‌هايي استفاده مي‌شود كه وزنشان بيش از وزن و بارهاي حالت بهره‌برداري مي‌باشد.

در ساختمان‌هاي مسكوني نيز بايد دال و سقف براي محل‌هاي دپوي مصالح (گچ، سيمان و ماسه) طراحي و كنترل شود.

4. بار برف (Snow load):

بار برف مربوط به سقف‌هاي پوشاننده ساختمان بوده و با توجه به شرايط جغرافيايي محل ساختمان متغير مي‌باشد. مطمئناً در مناطق برف‌گير و كوهستاني، بار برف بيشتر و در مناطق گرم و كويري بار برف بسيار كم مي‌باشد. در اين رابطه مبحث ششم، مقررات ملي ايران نقشه پهنه‌بندي ريزش برف را تهيه نموده است.

5. بار يخ (Ice load):

در مناطق سردسير، احتمال يخبندان آب در بعضي سازه‌هاي خاص مي‌باشد كه بايد درنظر گرفته شود.

6. بار باد (Windload):

منشاء باد، تغييرات آب و هوايي مي‌باشد. در بسياري از حالت‌ها، باد همراه با آب بوده و اثرات فرسايشي آب نيز بايد درنظر گرفته شود. بار باد تحت عنوان فشار ناشي از وزش باد نيز بيان شده و مقدار فشار باد به صورت يك نمودار در سطح زمين كمتر و در ارتفاع بيشتر مي‌شود. همچنين سرعت و فشار باد در مناطق شهري با ساختمان‌هاي بلند كمتر از فشار باد در دشت باز و يا در ارتفاع خواهد بود. فرمول‌هاي زير را مي‌توانيم جهت رابطه بين فشار باد و سرعت آن بنويسيم:

P=1/2ρ.v²

P=0.00256v² lb/ft²

P=0.0625v² kg/m²

P: فشار v: سرعت جابجايي ρ: جرم مخصوص هوا

سرعت باد در سطح زمين، كمتر از ارتفاع بوده و با رابطه زير تغيير مي‌كند.

نمايه (1-1): نمودار تغيير سرعت باد با ارتفاع

بار باد در ايران، جزء بارهاي مهم براي برخي مناطق و بعضي از انواع ساز‌ه‌ها مي‌باشد. سازه‌هاي سبك يا سازه‌هاي با سقف سبك ضروري است براي بار باد كنترل شوند. اجزاي غيرسازه‌اي نظير تيغه‌هاي رو به باد، دودكش‌ها، نرده‌ها، ديوارهاي محوطه و حياط‌سازي و ... از مواردي مي‌باشند كه بايد به صورت مستقل از سازه بررسي شوند. در گفتار پنجم توضيحات مفصلي در ارتباط با بار باد داده خواهد شد.

7. بار زلزله (Earthquake load):

زلزله و زمين لرزه، پديده‌اي طبيعي است كه پيامد سرد شدن كره زمين مي‌باشد. كره زمين داراي هسته‌اي مذاب و پوسته‌اي سرد و سخت شده است كه ضخامت اين پوسته در نقاط كوهستاني به 20 كيلومتر و در نقاط قعر اقيانوس‌ها به 5 كيلومتر مي‌رسد. در واقع پوسته زمين از صفحات و تكه‌هاي جدا از هم تشكيل شده و به فصل مشترك اين صفحات و تكه‌ها گسل (Fault) گفته مي‌شود. گسل‌ها خود به دو دسته فعال و غيرفعال تقسيم مي‌شوند. گسل‌هاي فعال عموماً به گسل‌هايي گفته مي‌شود كه در دوازده‌ هزار سال گذشته فعاليت داشته و لايه‌هاي آبرفتي زمين از فعاليت آنها تاثير پذيرفته است.

بطور كلي بايد از احداث ساختمان تا فاصله 5 كيلومتري در مجاورت گسل‌هاي فعال و محل‌هايي كه امكان بوجود آمدن شكستگي در سطح زمين هنگام زلزله وجود دارد، اجتناب شود و تا فاصله 50 كيلومتري از گسل، خطر لرزه‌خيزي بالايي براي ساختمان درنظر گرفته مي‌شود.

در كل‌ باري به نام بار زمين‌لرزه وجود نداشته و زمين‌لرزه فقط در ساختمان ايجاد لرزش نموده شتاب و تغيير شكل‌هايي در آن ايجاد مي‌كند كه حاصلضرب جرم در شتاب زلزله (ma_g)، نيروي زلزله مي‌باشد. بار زلزله، وابسته به سه عامل اصلي فاصله ساختمان تا كانون زلزله، جنس خاك بستر ساختمان و ويژگي‌هاي ديناميكي سازه ساختمان مي‌باشد.

در كل، در زمين‌هايي كه ممكن است بر اثر زلزله ناپايداري ژئوتكنيكي نظير روانگرايي در خاك‌هاي ماسه‌اي سست، نشست زياد، زمين لغزش، سنگ ريزش يا پديده‌هاي مشابه ايجاد گردد و يا در زمين‌هاي متشكل از خاك رس سست و ماسه‌اي اشباع بايد امكان ساخت و شرايط لازم براي ساخت بنا با بهره‌گيري از مطالعات ساختگاه و آزمايش‌هاي ويژه بررسي گردد.

در رابطه با محاسبه بار زمين‌لرزه، آيين‌نامه 2800 زلزله مورد استفاده قرار گرفته و در ارتباط با نحوه محاسبه بار زلزله نيز در درس مهندسي زلزله بحث و بررسي بيشتري صورت مي‌گيرد.

8. بار حرارتي (Termal load):

مصالح ساختماني مورد استفاده در ساختمان‌ها، داراي انبساط طولي و عرضي در اثر حرارت و گرما مي‌باشد. هنگامي كه بر فرض مثال، يك تيرآهن فولادي از دو انتها بسته شده باشد، به دليل عدم توانايي در تغيير شكل‌هاي گرمايي، داراي تغيير شكلي برابر ∆L=λL∆t خواهد بود، در حالي كه عملاً‌ به دليل بسته بودن، =0∆ مي‌باشد. بنابراين در اين حالت نيروي p در اين تيرآهن ايجاد خواهد شد كه مي‌توان آن را از رابطه بدست آورد. يعني:.

نيروها‌ و بارهاي حرارتي اكثراً در ساختمان‌هايي كه داراي طول زيادي مي‌باشند، ايجاد مي‌شود. به همين دليل با توجه به طول اين ساختمان‌ها و شدت گرمايي محيط سعي مي‌‌شود بين طول‌هاي 50-30 متر حتماً يك درز جدايش و گرمايي درنظر گرفته شود. اندازه اين درز بين 10-3 سانتيمتر بوده و به آن Expansion jointنيز گفته مي‌شود.

در محل درز جدايش، ضروري است دو ستون كنار هم و با فاصله درز جدايش درنظر گرفته شود كه در شكل زير اين مطلب به روشني نمايش داده شده است:

نمايه (1-2): نمايشي از درز انبساط يا اجرايي در دو ستون كنار هم

نوع ديگر بار گرمايي، بار گرمايي عرضي يا گراديان گرمايي مي‌باشد. اين بار در سازه‌هاي ضخيمي كه در معرض تابش و نور مستقيم آفتاب قرار دارند، رخ مي‌دهد. در اين سازه‌ها سطح در معرض نور آفتاب، داراي درجه گرمايي 60 درجه سانتيگراد در وسط روز و سطح زيرين داراي درجه گرماي 30 درجه سانتيگراد بوده و اين اختلاف درجه گرما، در صورت بسته بودن سازه، مطمئناً ايجاد تنش‌هاي گرمايي در عضو و سازه خواهد نمود.

نمونه روشن اين پديده را مي‌توان در شاه‌تيرهاي اصلي پل‌ها ديد. اين شاه‌تيرها در وسط روز در صورت بسته بودن از دو سر شاه‌تير مطمئناً متحمل تنش‌هاي اضافي خواهند شد. نمايش اين حالت در شكل زير ارائه شده است.

نمايه (1-3): نمايشي از تغييرات حرارت در يك پل (گراديان گرمايي)

به همين جهت ضرورت دارد در دو انتهاي شاه‌تير پل‌ها از درزهاي جدايش گرمايي بين تيرنشيمن‌ شاه‌تير و شاه‌تير (Girder) استفاده نمود.

9. بارهاي ناشي از فشار آب و رانش خاك:

خاك و آب به دليل نداشتن ايستايي، روي بدنه و جداره ظروف نگهدارنده آنها فشار وارد مي‌كنند. اين جداره از نظر سازه‌اي مي‌تواند ديواره حايل نگهدارنده حجم مشخصي از خاك، ديواره زيرزمين‌ها، ديواره استخر و ... باشد. فشار خاك با توجه به مشخصات مكانيكي آن تعيين شده و در هر حالت نبايد كمتر از فشار مايع، معادل با وزن مخصوص 500 دكانيوتن بر مترمكعب باشد. در صورتي كه خاك مجاور ديوار در معرض سربارهاي متحرك يا ثابت قرار گيرد، تاثير اين سربارها در افزايش ميزان فشار پشت ديوار حايل بايد در محاسبات درنظر گرفته شود.

براي محاسبه فشار آب از رابطه استفاده مي‌شود.

(الف) (ب)

نمايه (1-4): الف) نمايشي از فشارهاي وارده توسط آب

ب) نمايشي از فشارهاي فعال و غيرفعال خاك

در محاسبه فشار خاك، ضرايب K_p, K_aنيز وارد محاسبات مي‌شود. نحوه محاسبه K_p, K_aو انواع روش‌هاي محاسبه و طراحي ديوارهاي حائل در دروس مهندسي پي بررسي مي‌شود.

در كل براي طراحي ديوارهاي حايل و شالوده‌هاي آنها ضرايب اطمينان در مقابل واژگوني و لغزش پي به ترتيب برابر با 75/1 و 5/1 در نظر گرفته می شود.

البته بايد درنظر داشت كه در بسياري موارد، تراز آب زيرزميني، بالاتر از كف زيرزمين بوده و اثر آن بايد در محاسبه فشار وارد بر ديوار ديده شود و در اين موارد بايد براي فشار خاك با وزن مخصوص خاك غوطه‌ور و اشباع، همراه با فشار كامل ايستايي آب زيرزميني طراحي شود. در طراحي كف زيرزمين در اين حالت، اثر فشار بركنش آب زيرزميني (Uplift) بايد به صورت فشار كامل ايستايي بر تمام كف درنظر گرفته شود. اين فشار بايد بر اساس اختلاف تراز زيركف نسبت به بالاترين تراز آب زيرزميني محاسبه شود. ضريب اطمينان موجود در مقابل فشار بركنش كف، حداقل برابر5/1 درنظر گرفته مي‌شود.

نمايه (1-5): نمايش فشار بركنش كف زيرزمين ناشي از آب زيرزميني (uplift)

10. بارهاي انفجاري:

اتاق‌هاي كنترل مهم (نظير كنترل شيرهاي نفت، كنترل مركزي نيروگاه‌ها و ...) و پناهگاه‌هاي هنگام جنگ در برابر انفجار بايد مقاوم و پايدار باشند. در تعيين بارهاي انفجاري از استاندارد US.ARMY-TM5استفاده مي‌شود. به عنوان نمونه براي اتاق كنترل، باري معادل انفجار 250Ib مواد منفجره به فاصله 50 فوت (15 متري) براي بارگذاري و تحليل استفاده مي‌گردد:

نمايه (1-6): نمايش چگونگي اعمال بارهاي انفجاري بر اتاقك

در جزيره خارك جهت تاسيسات و اتاق‌هاي كنترل لوله‌هاي نفتي از فاصله انفجاري برابر 8 متر جهت مواد منفجره استفاده شده است و حتي‌الامكان به صورت مدفون در زير خاك طراحي شده‌اند.

1-3) مباني احتمالاتي بارگذاري سازه:

بارهاي غيردائمي كه در هنگام استفاده و بهره‌برداري از ساختمان به آن وارد مي‌شود، شامل بارهاي زنده، برف، باد، زلزله و ... مي‌باشند كه با توجه به نوع كاربري ساختمان يا هر بخش از آن و مقداري كه احتمال دارد در طول سن ساختمان به آن وارد گردد، تعريف مي‌شوند و مي‌توان مقادير برگزيده براي بارگذاري به عنوان مقادير احتمالاتي كه با درصد زيادي احتمال وارد شدن به ساختمان را دارند، درنظر داشت.

بنابراين ضرورتاً آيين‌نامه‌هاي تعيين بارهاي ساختماني بر اساس تجزيه و تحليل داده‌هاي آماري مربوط به بارهاي زنده، باد، زلزله، برف و ...، بارها را تعيين و پيشنهاد مي‌كنند كه در زير به صورت مختصر و گذرا به آن مي‌پردازيم:

- مشاهدات آماري:

يكي از روش‌هاي نمايش مشاهدات آماري، استفاده از نمودارهاي ستوني يا ميله‌اي مي‌باشد (Bar chart or histogram).

نمونه: بار زنده مورد استفاده براي انبار مسكوني در يك ساختمان 9 طبقه و در طبقات زيرزمين، همكف و اول به شرح زير مي‌باشد كه با توجه به زياد بودن حجم جدول، مي‌توان آن را به صورت نمودار زير نمايش داد:

(جدول 1-1): بار زنده مورد استفاده انبار مسكوني

اول

همكف

زيرزمين (Kg/m²)

ناحيه

2/36

8/17

10

A

4/74

6/72

72

B

8/59

5/42

7/225

C

7/87

9/55

1/55

D

با فرض اينكه براي ساختمان مذكور، 220 اندازه‌گيري انجام شده باشد، مي‌توان نمودار ميله‌اي را براي آن ترسيم نمود:

اين نمودار آماري، نشان دهنده تعداد 41 موارد اندازه‌گيري بار بين 50-60Kg/m² كيلوگرم و 3 مورد اندازه‌گيري بار بين 230-240Kg/m²كيلوگرممي‌باشد.

نمودار ميله‌اي نمونه ارائه شده را مي‌توان به صورت يك نمودار پيوسته و منحني نمايش داد:

نمايه (1-8): نمودار پيوسته

- توابع احتمالاتي

1. تابع چگالي احتمال (Probability density function):

اين تابع ميزان و مقدار توزيع را در نقطه xو در عرض dxمشخص مي‌كند.

نمايه (1-8): تابع چگالي احتمال

2. تابع توزيع احتمال (Cumulative distribution function):

بايد درنظر داشت كه در حالت نرمال شده براي تابع توزيع داريم:

3. ميانگين متغير تصادفي (Expected value- mean):

در حالت پيوسته

در حالت منقطع وناپيوسته (متوسط)

در حالتي كه ارزش هر اندازه‌گيري m _iباشد:

نمونه: دانشجويي نمرات زير را در پايان ترم كسب كرده است. مطلوب است معدل نمرات درسي وي.

جدول (1-2): نمرات كسب شده دانشجو:

نمره (X_i)

واحد (m_i)

درس

14

3

رياضي

12

3

فيزيك

17

2

ادبيات

15

1

متره و برآورد

11

3

استاتيك

18

2

رسم فني

معدل يا ميانگين:

4. واريانس (Variance):

5. انحراف معيار (Standard deviation):

6. ضريب تغييرات (Coefficient of variation):

نمونه:

متغير تصادفي X بين دو مقدار a,b به صورت يكنواخت تغيير مي‌كند. مطلوب است محاسبه ميانگين، واريانس و ضريب تغييرات.

نمايه (1-10): نمودار متغير تصادف

نمونه:

در مدت 20 سال، بيشينه سرعت باد در منطقه‌اي به شرح جدول زير بدست آمده است. مطلوب است محاسبه ويژگي‌ها آماري سرعت باد

سرعت باد با زمان بازگشت V_R=R

= P [V>V_R] احتمال تجاوز سرعت باد از در هر سال

لگاريتم مي‌گيريم:

(دوره بازگشت 50 ساله) سال 50 = R : اگر

تمرين: از مشاهدات آماري مربوط به بيشينه ارتفاع آب در رودخانه‌اي (H) تابع چگالي احتمال f_H(h) به شكل زير بدست آمده است. مطلوبست مقادير ميانگين m_H، واريانسو ضريب تغييرات.

تعداد صفحات:135

متن کامل را می توانید دانلود نمائید چون فقط تکه هایی از متن در این صفحه درج شده (به طور نمونه) و ممکن است به دلیل انتقال به صفحه وب بعضی کلمات و جداول و اشکال پراکنده شده یا در صفحه قرار نگرفته باشد که در فایل دانلودی متن کامل و بدون پراکندگی با فرمت وردwordکه قابل ویرایش و کپی کردن می باشند موجود است.