بخشی از پاورپوینت
اسلاید 1 :
عناصر و جزییات ساخت
جلسه اول
اسلاید 2 :
بارهای وارد بر سازه
1- تعریف بار
در مهندسی عمران به نیرو بار میگویند و منظور از بارگذاری سازه، نیروهایی هستند که به سازه وارد میشوند. نیروهای وارد بر سازه بطور کلی به دو دسته تقسیم میشوند:
نیروهای خارجی: نیروهایی که از خارج به سازه وارد میشوند.
نیروهای داخلی: نیروهایی که در اثر نیروهای خارجی در اجزای سازه ایجاد میشوند (بنابرین اگر نیروی خارجی وجودد نداشته باشد، نیروی داخلی هم وجود ندارد).
اسلاید 3 :
بارهای وارد بر سازه
2- مسیر انتقال بار
مسیری که بار طی میکند تا به زمین برسد را مسیر انتقال بار میگویند (وظیفه اصلی سازه، انتقال بار به زمین است). سازه، بار خارجی وارد بر طبقه را از دال به تیر فرعی، از تیرفرعی به تیر اصلی، از تیر اصلی به ستون و از ستون به پی و زمین منتقل میکند. در اثر این نیروی خارجی در اعضای قاب یعنی دال، تیر فرعی، تیر اصلی، ستون و پی نیروی داخلی ایجاد میشود. حال اگر نیروی داخلی ایجاد شده در عضو بیشتر از مقاومت عضو باشد، آن عضو دچار آسیب میشود.
اسلاید 4 :
3- دسته بندی نیروهای خارجی
نیروهای خارجی براساس منشا بار، جهت اعمال بار و سرعت اعمال بار به سه دسته تقسیم میشوند:
3-1- نیروهای خارجی براساس منشا بار
نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس منشا بار به دو دسته تقسیم میشوند:
بارهای وارد شده توسط طبیعت مانند بار جاذبه زمین (وزن اسکلت)، بار برف، بار باران، بار یخ زدگی، بار باد و نیروی زلزله و …
بارهای وارد شده توسط انسان مانند بار زنده (وسایل و تغییر مکان افراد)، بار انفجار و بار ضربه و…
اسلاید 5 :
3-2- نیروهای خارجی براساس جهت اعمال بار
نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس جهت اعمال به دو دسته تقسیم میشوند:
بارهای در جهت قائم یا بارهای ثقلی مانند بارهای مرده و زنده و برف و …
بارهای در جهت افق یا بارهای جانبی مانند بار زلزله و باد و …
اسلاید 6 :
3-3- نیروهای خارجی براساس سرعت اعمال بار
نیروهای خارجی وارد بر سازه براساس سرعت اعمال بار به دو دسته تقسیم میشوند:
بارهای استاتیکی: این بارها به آرامی به سازه وارد میشوند و مقدار آنها نسبت به زمان ثابت است. (مانند بار مرده)
بارهای دینامیکی: این بارها بطور ناگهانی به سازه وارد میشوند و مقدار آنها نسبت به زمان متغیر است. (مانند بار زلزله)
اسلاید 7 :
تفاوت بین بار دینامیکی و استاتیکی
بار استاتیکی نسبت به زمان مقدارش ثابت است، اما بار دینامیکی نسبت به زمان مقدارش متغیر است. طبق قانون دوم نیوتن (F=m×a) چنانچه به سازه شتابی اعمال بشود، متناسب با این شتاب در سازه نیروی اینرسی ایجاد میشود. بار دینامیکی شتاب دارد بنابراین در سازه نیروی اینرسی ایجاد میکند، بار استاتیکی شتابش صفر است درنتیجه در سازه نیروی اینرسی ایجاد نمیکند. حالا فرض کنید به پی یک سازه قابی نیروی افقی اعمال شود و اگر این نیرو بسیار آهسته و بصورت استاتیکی اعمال شود، در این حالت بدون اینکه به سازه نیرویی ( اینرسی) اعمال شود سازه به موقعیت ثانویه منتقل میشود. اما اگر این نیرو سریع و بصورت دینامیکی اعمال شود در پی سازه شتاب ایجاد میشود (دقیقا مثل زلزله) و پی به موقعیت ثانویه منتقل میشود اما سقف با نیرویی به نام اینرسی تمایل به حفظ حالت قبلی خودش دارد.
اسلاید 8 :
تفاوت بین بار دینامیکی و استاتیکی
اسلاید 9 :
نیروی اینرسی
نیروی اینرسی متناسب با جرم سازه و شتاب سازه (F=m×a) است. شتاب زلزله در سنگ بستر با استفاده از ضریب بازتاب به شتاب سازه تبدیل میشود. در شکل بالاa شتاب در زیر سازه است نه در سنگ بستر و چون سازه یک طبقه صلبیت بالایی دارد، ضریب اصلاح طیف برابر یک شده و شتاب زیرسازه با شتاب سازه برابر میشود.
از آنجایی که شتاب سازه به پارامترهای زیادی تاثیر دارد بنابراین راحت ترین راه برای کاهش نیروی زلزله، کاهش جرم سازه است. مثال ملموس از نیروی اینرسی، زمانی است که شما داخل اتوبوس ایستادید و اتوبوس یک دفعه شروع به حرکت میکند، نیروی اینرسی شما رو به عقب پرت میکند یا وقتیکه اتوبوس درحال حرکته و یک دفعه می ایستد و نیروی اینرسی شما روبه جلو پرت میکند (حالا هرچقدر چاق تر باشید یعنی جرم بیشتری داشته باشید، برای حفظ تعادلتان باید نیروی اینرسی بیشتری را تحمل کنید).
اسلاید 11 :
4- انواع بار (نیرو) خارجی
مهمترین بارهای خارجی وارد بر سازه عبارتند از:
4-1- بارهاي مرده:
بارهای ثابتی (بارثابت یعنی باراستاتیکی) هستند که ناشی از وزن اجزای سازه بوده و در طول عمر سازه، مقدار و محل اثر آنها ثابت است. این بارها معمولا شامل وزن اجزای دائمی ساختمان هستند مثل وزن تیرها، ستونها، کفها، دیوارها، راهپله و وزن تاسیسات و تجهیزات. مقدار این بار را میتوانید براحتی هرچه تمام تر از حاصلضرب حجم در وزن مخصوص مصالح مورد استفاده برای اجزای مختلف ساختمان بدست بیاورید.
اسلاید 12 :
4-2- بارهاي زنده:
بارهای متحرکی هستند که به لحاظ مقدار و محل اثر، وضعیت نامشخصی دارند. مثلا در پل، وزن ماشين هايي كه از روي پل رد میشوند و در ساختمان وزن انسان هایی که در ساختمان رفت و آمد میکنند مثال های ساده ای از بار زنده هستند. با توجه به ماهیت تصادفی بار زنده، برآورد مقدار دقیق آن غیر ممکن است. به همین دلیل بارهای زنده را بر اساس جداول آیین نامه (که از آمارگیری ها و تحقیقات صورت گرفته برروی سازه ها با کاربری های مختلف بدست آمده) محاسبه میکنند. بار زنده براساس سرعت اثرش بر سازه، به صورت استاتیکی و دینامیکی درنظر گرفته میشود. وزن افرادی که در سازه رفت و آمد میکنند، نمونه ای از بار زنده استاتیکی و بار ضربه ناشی از آسانسور نمونه ای از بار زنده دینامیکی است.
اسلاید 13 :
تفاوت بار مرده و زنده
فرق اساسی بارهای زنده با بارهای مرده در این است که بارهای زنده متغیر و غیر قابل پیش بینی هستند. هم محل اثر این بارها میتوانند تغییر کنند و هم مقدارشان کم و زیاد شود و به همین علت تعیین دقیق آن غیرممکن است. در صورتیکه بارهای مرده ثابت و قابل پیش بینی هستند و از این جهت برآورد آن ها کار سختی نیست (با یک ضرب ساده می توان بدست آورد). درنتیجه تعیین مقدار بار زنده بر خلاف بار مرده، به طور مستقیم توسط مهندس محاسب امکان پذیر نبوده و باید مقدار آن توسط مطالعات آماری آییننامه بیان شود (مبحث ششم).
اسلاید 14 :
4-3- بار برف:
بطور کلی بارش برف و انباشته شدن آن بر روی بام، باعث ایجاد بارثقلی بر روی سازه میشود. این بار ثقلی در شرایط خاص میتواند بحرانی شود و باعث تخریب سازه شود. بار برف را فقط باید برای بام و سطوح دیگر ساختمان که ممکن است برف روی آن جمع شود (مانند بالکن ها) در نظر گرفت. در بیشتر آیین نامه های معتبر بارگذاری دنیا، وزن برف انباشته شده روی بام را از روی وزن برف انباشته شده روی سطح زمین افقی بدست می آورند. برای این کار بار برف روی سطح زمین با اعمال ضرایبی افزایشی و کاهشی به بار برف در بام تبدیل میشود. در مبحث ششم، این ضرایب به موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی، بافت شهری (تاثیر کنار هم قرار گرفتن ساختمان ها)، شکل و کاربری ساختمان بستگی دارند.
اسلاید 15 :
4-4- بار باد:
باد همان جریان هواست که از نقاط پر فشار به نقاط کم فشار حرکت میکند. باد از جمله بارهای جانبی وارد بر سازه است. از آنجایی که جهت و مقدار نیروی باد در طول زمان تغییر میکند، پس ما با یک نیروی دینامیکی سروکار داریم و برای محاسبه ی نیروی آن باید از روش های دینامیکی استفاده کنیم. اما در ساختمان های با ارتفاع کم و متوسط که سختی سازه زیاد است و رفتار سازه نسبتا صلب است، آیین نامه این اجازه را به ما میدهد که اثرات دینامیکی باد را توسط بارهای استاتیکی معادل درنظر بگیریم. باد میتواند در هر جهتی به سازه برخورد کند. بنابراین در روند طراحی باید نیروی باد را در تمام جهات به سازه اعمال کرد و حالت بحرانی تر را برای طراحی در نظر گرفت. ذرات هوا هنگامی که به مانعی برخورد می کنند، قسمتی از انرژی جنبشی خود را تبدیل به فشار وارد بر سطح میکنند و این موضوع باعث میشود که به سطح فشار و نیرو وارد شود. بار باد به سرعت باد، شکل ساختمان، ارتفاع ساختمان، میزان پوشش و گرفتگی محیط اطراف ساختمان بستگی دارد.
اسلاید 16 :
4-5- بار زلزله:
زلزله یک پدیده تصادفی است یعنی در هر مکان و زمانی احتمال وقوع زلزله وجود دارد. بار زلزله در همه جهات به سازه نیرو وارد میکند به همین علت سازه ها باید بگونه ای طراحی شوند تا در همه جهات، دارای سختی و مقاومت کافی در برابر نیروهای ناشی از زلزله باشند. از آنجا که طراحی سازه در همه جهت ها، کار دشوار و عملا غیر ممکنی است، آیین نامه ها بجای طراحی در همه جهات، سازه را در دو راستای عمود برهم در برابر نیروی زلزله طراحی میکنند. زلزله یک بار رفت و برگشتی است که در مدت زمان کوتاهی به سازه وارد میشود و در طول این زمان، مقدار و جهتش تغییر میکند. بنابراین نیروی زلزله، نیرویی دینامیکی است و برای تحلیل سازه باید از روش های دینامیکی استفاده شود تا اثرات دینامیکی بار درنظر گرفته شوند.
از آنجایی که تحلیل دینامیکی سازه ها کار پیچیده ای است، بسیاری از آیین نامه ها (از جمله استاندارد 2800 ) یک روش ساده شده ای را پیشنهاد دادند که بار دینامیکی را با یک بار ثابت و استاتیکی که به زمان وابسته نیست جایگزین میکنند. بخاطر این ساده سازی یکسری خطا در محاسبات ایجاد میشود، اما برای اینکه این روش خطای زیادی ایجاد نکند، آیین نامه ها محدودیت هایی را برای استفاده از روش استاتیکی گذاشتند.
اسلاید 17 :
تفاوت بین بار باد و بار زلزله
درست است که بار باد و بار زلزله هر دو از نوع دینامیکی و جانبی هستند، اما این دو بار بظاهر شبیه تفاوت های اساسی با هم دارند:
وقتی سازه تحت بار باد قرار میگیرد، به سطح خارجی آن فشار وارد میشود. این بارگذاری از نوع نیرو است. در طرف مقابل وقتی سازه تحت حرکات تصادفی زمین در پایه قرار میگیرد، نیروی اینرسی ای ایجاد میکند که باعث ایجاد تنش میشود. این نوع بارگذاری از نوع جابجایی است.
اسلاید 18 :
تفاوت بین بار باد و بار زلزله
نیروی باد دارای نوسانات نسبتا کمی بوده، به همین علت سازه تنش کمی را تجربه میکند و جهت تنش تنها زمانی که جهت باد عوض شود تغییر میکند (تنش فشاری به تنش کششی تبدیل میشه). این تغییر جهت باد طی یک مدت زمان طولانی اتفاق می افتد. از طرف دیگر، حرکت زمین در طول زلزله دارای نوسانات زیادی است که بصورت سیکلی پیرامون موقعیت اولیه سازه اتفاق می افتد. بنابراین جهت تنش تحت بار زلزله در مدت زمان خیلی کوتاهی عوض میشود.
اسلاید 19 :
نکته:
محاسبه مقدار دقیق بعضی بارهای خارجی مثل بار زنده، باربرف، بار باد و بار زلزله غیر ممکن است. به همین دلیل مهندسان طراح سازه برای حل این مشکل مجبوراند از آیین نامه های بار گذاری استفاده کنند. در این آیین نامه ها، با درنظر گرفتن یک ضریب اطمینان منطقی، روش هایی برای محاسبه ی مقدار تقریبی بارهای وارد بر ساختمان ارایه شده.
اسلاید 20 :
5- انواع بار (نیرو) داخلی
بطور کلی نیروهای داخلی ایجاد شده در اعضای سازه عبارتند از:
5-1- نیروی محوری:
نیروهایی هستند که در امتداد محور طولی عضو یعنی عمود بر سطح مقطع عضو وارد میشوند. نیروی محوری به دو دسته تقسیم میشوند:
نیروی فشاری: نیروی محوری ای که باعث کاهش طول عضو میشود.
نیروی کششی: نیروی محوری ای که باعث افزایش طول عضو میشود.
