نکات مهم در بارگذاری سازه‌ها

مقدمه

مهندسی سازه، یکی از رشته‌های قدیمی در بین رشته‌های مهندسی است. بشر از ابتدا نیاز به سرپناه داشته و با پیشرفت جوامع، این علم از ساخت سرپناه به‌ ایجاد آسمان‌خراش‌ها و سایر زیرساخت‌ها نظیر: پل‌ها، بزرگراه‌ها و… توسعه‌یافته است؛ لذا باگذشت زمان، تحولات اساسی در مبانی این رشته اتفاق افتاده است. از جمله تغییراتی که با گذر زمان در یک سازه رخ می‌دهد، بارهای اعمالی به آن است. ازاین‌رو، انجمن‌های مختلفی در کشورهای مختلف دنیا تشکیل شده‌اند تا این تغییرات را رصد کرده و با تدوین و انتشار آیین‌نامه‌های به‌روز، مهندسین سازه را در طراحی سازه‌های جدید و مقاوم‌سازی سازه‌های قدیمی کمک کنند.

بارگذاری سازه یکی از مباحث مهم در تحلیل و طراحی سازه‌های مورداستفاده در مهندسی عمران است. به‌عبارت‌دیگر، سنگ بنای یک طراحی دقیق، بارگذاری صحیح سازه به‌عنوان گام نخست طراحی است. ازاین‌رو، در آزمون‌های مربوط به تعیین رتبه‌های مهندسی عمران، اعم از آزمون‌های نظام‌مهندسی و کارشناس رسمی دادگستری، این مبحث، بسیار حائز اهمیت است و بخش قابل‌توجهی از سؤالات را به خود اختصاص می‌دهد.

1. مفاهیم عمومی در خصوص ترکیبات بارگذاری

1.1. بار چیست؟

منظور از بار یک نیروست، مثل نیروی وزن؛ به‌عنوان‌مثال یک لپ‌تاپ که روی میز قرار گرفته به دلیل وجود گرانش که سبب ایجاد نیروی وزن می‌شود، به میز یک باری وارد می‌کند. به وزن این لپ‌تاپ بار ثقلی می‌گوییم.

2.1. ماهیت بارهای زنده و مرده ساختمان

فرض کنید می‌خواهیم یک سازه با کاربری مسکونی را طراحی کنیم. طبیعتاً برای طراحی، ابتدا باید برای به دست آوردن نیروهای وارده، سازه را تحلیل نماییم. حال سؤال اساسی این است که آیا برای این کار باید اطلاعات ساکنین، تعداد مهمان‌های احتمالی آن‌ها در آینده، وسایل و تجهیزات را از قبل دقیقاً داشته باشیم؟!  قطعاً جواب خیر است چون این کار نه منطقی بوده و نه ممکن است.

لذا محققین برای حل این مشکل از علمِ آمار و احتمالات استفاده کردند. به این صورت که به طور مثال یک جامعه آماری شامل 1000 واحد مسکونی را در نظرگرفته و تعداد ساکنین، وسایل، تجهیزات و غیره را به نسبت مساحت واحدها در بیشترین و کمترین حالت محاسبه کرده و با استفاده از روابط علم آمار و احتمالات اعدادی را به عنوان بارهای وارده با توجه به نوع کاربری ساختمان پیشنهاد داده‌اند. به‌عنوان‌مثال در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان که برگرفته از آیین‌نامه بارگذاری امریکا می‌باشد حداقل بار زنده گسترده یکنواخت برای کاربری مسکونی مقدار 200 کیلوگرم بر مترمربع می‌باشد. همچنین برای سایر کاربری‌ها و شرایط، اعداد مختص به هر یک در آیین‌نامه‌ها معرفی شده است (توجه داشته باشید که بار زنده به صورت یک نیروی ثقلی در راستای قائم و رو به پایین می‌باشد).

نکته مهم دیگری که در این رابطه حائز اهمیت می‌باشد این است که مقادیر بار زنده معرفی شده در آیین‌نامه‌ها اعدادی هستند که نزدیک به حداکثر جامعه آماری می‌باشند، نه متوسط آن؛ چرا که به دلیل عدم قطعیت بالایی که در تخمین این بارها وجود دارد و همچنین احتمال وقوع حالت حداکثر بار در طول عمر مفید سازه، بایستی طراحی سازه به گونه‌ای انجام شود که حاشیه اطمینان مناسب و کافی وجود داشته باشد. به این معنی که ممکن است بارهای زنده‌ی موجود در آیین‌نامه، تنها یک بار در طول عمر مفید سازه بر روی سازه اعمال شوند (یا حتی اصلاً رخ ندهند)، اما با توجه به اینکه احتمال رخداد آن وجود دارد، از نظر منطقی باید در طراحی سازه هم دیده شوند تا در صورت رخداد، سازه آسیبی از این بابت نبیند.

در مورد بارهای مرده برخلاف بارهای زنده این میزان از عدم قطعیت وجود نداشته و با تقریب خوبی می‌توان مقادیر بارهای مرده را محاسبه و در طراحی لحاظ نمود. خوشبختانه در نرم افزارهای طراحی سازه مانند نرم افزار Etabs این کار با دقت بالایی توسط نرم‌افزار برای المان‌های سازه‌ای محاسبه می‌شود و در مواردی همچون بار مرده سقف‌ها که شامل دیتیل‌های مختلفی می‌باشد (به‌عنوان‌مثال استفاده از سنگ یا موزاییک یا لمینت هر یک، بار مرده‌ی مختص به خود را داشته که باید پس از محاسبه، به سازه اعمال شوند)، مقادیر بار مرده اجزای مختلف سقف محاسبه و مقدار آن در نرم‌افزار اعمال می‌شود.

3.1. ترکیب بار چیست؟

ابتدا یک ساختمان مسکونی را فرض کنید که سازه این ساختمان طبیعتاً باید توانایی تحمل نیروی وزن المان‌های آن مانند تیر، ستون، دیوار، سقف، تجهیزات و…، به طور کلی بارهای مرده را داشته باشد. علاوه بر این موارد، بایستی توانایی تحمل بارهای زنده شامل افراد ساکن در آن و غیره را نیز داشته باشد. این احتمال با درصد وقوع بسیار بالایی به خصوص در کشور ما وجود دارد که در طول عمر مفید این ساختمان زلزله‌ای هم رخ دهد، لذا این ساختمان علاوه بارهای مرده و زنده‌ای که قبلاً اشاره شد بایستی بتواند در برابر بار ایجاد شده توسط نیروی زلزله نیز مقاومت کرده و حداقل، فرونریزد. در لحظه وقوع زلزله این سه بار (یعنی بار مرده + زنده + زلزله) به صورت هم‌زمان به سازه اعمال می‌شوند لذا فلسفه وجودی ترکیب بار در طراحی، اعمال هم‌زمان بارها به سازه و طراحی ساختمان بر اساس ایجاد یک حالت بحرانی (ترکیب بار بحرانی) در سازه می‌باشد.

علاوه براین که اعمال بارها به صورت هم‌زمان با واقعیت موجود سازگاری بیشتری دارد حالت بحرانی در طراحی هم طبیعتاً زمانی ایجاد می‌شود که بارها به صورت هم‌زمان به سازه اعمال شوند و نه به صورت جداگانه و تک‌به‌تک.

4.1. ضریب تشدید بار چیست؟

ضریب تشدید بار همان ضریبی است که در ساخت ترکیبات بار مورداستفاده قرار می‌گیرد؛ لذا در روش طراحی حالت حدی نهایی بارها به‌صورت ضریب دار خواهند بود. در شکل زیر ترکیب بارهای حالت حدی مقاومت نهایی در طراحی ساختمان‌ها  مطابق بند 6-2-3-3 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 98 مشاهده می‌کنید.

دلیل این موضوع که در ترکیب بار ضریب بار مرده 1.2 و ضریب بار زنده 1.6 در نظرگرفته شده است مربوط به تحقیقات و پژوهش‌هایی است که محققین در زمینه‌ی بارهای وارده به سازه و با استفاده از روش‌های مختلف آماری انجام داده‌اند. با توجه به میزان عدم قطعیت در برآورد بار، ضرایب تشدید بار برای بارهای مختلف متفاوت می‌باشد. همان‌گونه که در ترکیب بار شماره 2 و 3 از شکل بالا مشاهده می‌شود ضریب بار زنده به دلیل عدم قطعیت بیشتر نسبت به بار مرده عدد بیشتری دارد.

5. بررسی روش‌های مختلف طراحی در ترکیبات بار

در این بخش قصد داریم به‌صورت مفهومی و جزئی‌تر هر یک از روش‌های طراحی مرسوم در آیین‌نامه‌ها را معرفی کرده و به تفاوت‌های آن‌ها نیز بپردازیم.

1.5. مقایسه تغییرات ترکیبات بار در ورژن قدیم و جدید مقررات ملی ساختمان

ضوابط مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1392 برای طراحی و اجرای سازه‌های بتنی در برخی موارد منطبق بر آیین نامه بتن آمریکا و در برخی دیگر، به ضوابط آیین نامه بتن کانادا (CSA-94) شبیه است. در آیین نامه بتن آمریکا (ACI318) طراحی سازه‌ها بر اساس روش ضرایب بار و مقاومت (LRFD) و مشابه با آیین نامه فولاد آمریکا و مبحث دهم مقررات ملی ساختمان  می‌باشد. اما  آیین‌نامه بتن کانادا (CSA-94) از روش طراحی حالت حدی نهایی برای طراحی سازه‌های بتنی استفاده می‌کند. در ادامه این فصل به‌صورت کامل به بررسی انواع رویکردهای طراحی خواهیم پرداخت و در رابطه با روش حالت حدی و تنش مجاز توضیحات کافی ارائه خواهد شد

در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 92 باتوجه‌به این که مبنای طراحی سازه‌های بتنی مطابق مبحث نهم ویرایش 92 بر اساس آیین نامه کانادا درنظرگرفته است اختلافی بین ترکیبات بار سازه‌های بتنی و فولادی وجود دارد که ناشی از تفاوت نگرش طراحی سازه‌ها بر مبنای روش حالت حدی (مبحث نهم ویرایش سال 92) و روش ضرایب بار و مقاومت (مبحث دهم ویرایش سال 92) می‌باشد.

باتوجه‌به این که روش طراحی در هر دو آیین‌نامه‌ی بتن (ACI318) و فولاد امریکا (AISC) بر اساس روش ضرایب بار و مقاومت (LRFD) می‌باشد، لذا ضرایب ترکیبات بارها برای سازه‌های بتنی و فولادی در آیین نامه‌های آمریکا یکسان بوده و این ترکیبات بار مشابه با هم می‌باشند.

با ارائه نسخه جدید مبحث نهم(ویرایش 99) و مبحث ششم مقررات ملی ساختمان(ویرایش 98)، طراحی سازه‌های بتنی و فولادی هر دو بر اساس آیین‌نامه امریکا انجام می‌گیرد که این سبب می‌شود ترکیب بارهای طراحی هر دوی آن‌ها مشابه باشد

6. روش گام به گام ساخت ترکیبات بارگذری

یکی از مسائل مهم در طراحی یک سازه، تشخیص این موضوع است که از چه تعداد ترکیب بار و به چه علت استفاده کنیم، لذا به ذهن سپردن و یا رجوع به فایل‌های آماده از منابع دیگر جهت کپی کردن ترکیبات بار، قطعاً امری دقیق و مهندسی نخواهد بود؛ زیرا احتمال اینکه ترکیب بارهای موردنیاز هر پروژه باتوجه‌به شرایط متفاوت باشند وجود داشته و عدم فهم عمیق و پایه‌ای مفاهیمِ مربوط به ساخت ترکیبات بار، می‌تواند منجر به رخ‌دادن اشتباهات جبران‌ناپذیری در فرایند طراحی سازه شود. به همین منظور در ادامه، روند گام‌به‌گام ساخت ترکیب بارهای مورد نیاز طراحی بر اساس نسخه جدید مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 98) به طور کامل بررسی خواهد شد.

1.6. گام اول: آشنایی با مراجع و دستورالعمل‌های ساخت ترکیبات بارگذاری

در قدم ابتدایی باید با مرجع رسمی و معتبر آیین‌نامه‌ای، جهت ساخت ترکیبات بارگذاری آشنا شویم. برای مطالعه دقیق و کامل این قسمت حتما این ایبوک جامع را بر اساس فهرست مطالب دانلود کنید.

2.6. گام دوم: آشنایی با ترکیبات بارگذاری عمومی و پایه‌ای

مبحث ششم برای روش‌‌های مختلف طراحی و همچنین بر حسب نوع اسکلت سازه‌های فولادی یا بتنی یک سری ترکیب بار عمومی و پایه‌ای معرفی کرده است.

3.6. گام سوم: انتخاب ترکیب بارهای طراحی موردنیاز از میان ترکیب بارهای عمومی

در میان ترکیبات بار عمومی که در گام قبلی معرفی شد بسته به نوع سازه و شرایط محیطی آن بایستی تعدادی از آن‌ها را انتخاب کرد و نیازی نیست از همه ترکیبات عمومی در طراحی استفاده گردد. به‌صورت کلی بررسی این موضوع که احتمال اعمال چه بارهایی به ساختمان مدنظر برای طراحی وجود دارد بخش مهم گام سوم می‌باشد.

4.6. گام چهارم: معرفی حالات بار در نرم‌افزار

به جهت رعایت برخی ضوابط موجود در آیین‌نامه لازم است تا برای برخی از بارها مثل بار زنده، حالات دیگری را نیز اضافه کرده تا این موارد نیز در طراحی مدنظر قرار گیرند. در این گام علاوه بر تشریح حالات بار زنده به معرفی وزن مؤثر لرزه‌ای و یک حالـت بار با نام Mass جهت اصلاح وزن مؤثر لرزه‌ای نیز طبق استاندارد 2800 نیز می‌پردازیم.

5.6. گام پنجم: انتخاب ترکیبات بار مناسب باتوجه‌به شرایط هر سازه

همان گونه که در گام سوم ذکر شد ترکیب بارهای مورد نیاز از میان ترکیبات بار عمومی و پایه‌ای انتخاب و سپس در گام چهارم حالات مختلف بارها باتوجه‌به ضوابط آیین نامه‌ای معرفی شد. حال در این گام به بازنویسی ترکیبات بار انتخاب شده بر اساس دو گام قبلی می‌پردازیم.

ترکیبات بار انتخابی برای یک ساختمان متعارف مسکونی بتنی بدون زیرزمین مطابق با مبحث نهم ویرایش 99 به شرح زیر می‌باشد:

U1 = 1.4D

U2 = 1.2D+1.6(Live+Lred1.0+Lred0.5+Lpart)+0.5(L_r or S)

U3 = 1.2D+1.6(L_r or S)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)

U4 = 1.2D+1.0(Live+Lred1.0+Lred0.5+Lpart)+0.2S+1.0E

U5 = 0.9D+1.0E

همان گونه که مشاهده می‌شود بار باران (R) و بار باد (W) در ترکیبات بار فوق حذف شده‌اند. با حذف شدن بار باد دو عدد از ترکیب بارهایی که بار باد به‌عنوان بار اصلی آنها ذکر شده بود نیز حذف شده (ترکیبات بار شماره 4 و 6 از مبحث ششم ویرایش جدید) و تعداد ترکیب بارهای اصلی برای طراحی این سازه به 5 عدد رسیده‌اند.

نکته:

D بار مرده، SD سربار بار مرده (قسمت کف سازی) و Dpart بار مرده معادل دیوار (پارتیشن می باشد)

6.6. گام ششم: بسط ترکیب بارهای زلزله مطابق با ضوابط استاندارد 2800

در گام‌های 1 تا 5 به بررسی بارهای ثقلی و توضیحات مربوط به آن‌ها پرداختیم در گام ششم به معرفی بارهای ناشی از زلزله و ضوابط مربوطه به بار زلزله در استاندارد 2800 می‌پردازیم و بارهای نهایی شده در گام پنجم را بر حسب بارهای زلزله بسط و گسترش می‌دهیم. مشاهده خواهد شد که با اعمال بندها و ضوابط آیین نامه‌ای بنا به دلایل مختلف، تعداد ترکیب بارها افزایش می‌یابند.

7.6. گام هفتم: اعمال موارد خاص در ترکیبات بارگذاری

تا به اینجای کار موارد پایه‌ای در ساخت ترکیبات بار گفته شد، علاوه بر موارد ذکر شده نکات دیگری در ساخت ترکیبات ‌بار وجود دارد که نیازمند توجه بوده و تحت شرایط خاص، ممکن است سبب ایجاد تغییراتی در تعداد و ساختار ترکیبات بار شوند. این موارد عبارت‌اند از:

• مؤلفه قائم نیروی زلزله
• ضریب نامعینی
• ضریب اضافه مقاومت به جهت اعمال نیروی زلزله تشدید یافته

در این گام بر اساس شرایط و ضوابطی که در استاندارد 2800 به آن‌ها اشاره شده است به نحوه لزوم در نظرگرفتن و تعیین ضرایب هر کدام از موارد فوق پرداخته خواهد شد.

8.6. گام هشتم: جمع‌بندی

به‌عنوان جمع‌بندی مجموع ترکیبات بار برای یک سازه بتنی به شرح ذیل می‌باشد:

• مطابق مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ویرایش 99

به‌عنوان مثال برای یک سازه بتنی در منطقه با خطرنسبی خیلی زیاد A=0.35 و ضریب اهمیت I=1 و بدون داشتن دیوار حائل در زیرزمین (بارفشارخاک) و بارخودکرنشی ترکیب بارها به شکل زیر خواهند شد:

U01=1.4(D+SD+Dpart)

U02=1.2(D+SD+Dpart)+1.6(Live+Lred1.0+Lred0.5+Lpart)+0.5(L_r)

U03=1.2(D+SD+Dpart)+1.6(Live+Lred1.0+Lred0.5+Lpart)+0.5(S)

U04=1.2(D+SD+Dpart)+1.6(L_r)+1.0(Live+0.5Lred1.0+Lred0.5+Lpart)

U05=1.2(D+SD+Dpart)+1.6(S)+1.0(Live+0.5Lred1.0+Lred0.5+Lpart)

U06=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S+1.0(⍴_x ExAll+0.3⍴_yE_y) +E_ZL

U07=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S – 1.0(⍴_x ExAll+0.3⍴_yE_y) +E_ZL

U08=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S+1.0(⍴_x ExAll – 0.3⍴_yE_y) +E_ZL

U09=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S – 1.0(⍴_x ExAll – 0.3⍴_yE_y) +E_ZL

U10=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S+1.0(⍴_y EyAll+0.3⍴_x E_x) +E_ZL

U11=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S – 1.0(⍴_y EyAll+0.3⍴_x E_x) +E_ZL

U12=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S+1.0(⍴_y EyAll – 0.3⍴_x E_x) +E_ZL

U13=1.41(D+SD+Dpart)+1.0(Live+Lred1.0+0.5Lred0.5+Lpart)+0.2S – 1.0(⍴_y EyAll – 0.3⍴_x E_x) +E_ZL

U14=0.69(D+SD+Dpart)+1.0(⍴_x E_xAll+0.3⍴_yE_y) – E_ZL

U15=0.69(D+SD+Dpart) – 1.0(⍴_x E_xAll+0.3⍴_y E_y) – E_ZL

U16=0.69(D+SD+Dpart)+1.0(⍴_x E_xAll – 0.3⍴_yE_y) – E_ZL

U17=0.69(D+SD+Dpart) – 1.0(⍴_x E_xAll – 0.3⍴_yE_y) – E_ZL

U18=0.69(D+SD+Dpart)+1.0(⍴_y E_yAll+0.3⍴_xE_x) – E_ZL

U19=0.69(D+SD+Dpart) – 1.0(⍴_y E_yAll+0.3⍴_xE_x) – E_ZL

U20=0.69(D+SD+Dpart)+1.0(⍴_y E_yAll – 0.3⍴_xE_x) – E_ZL

U21=0.69(D+SD+Dpart) – 1.0(⍴_y E_yAll – 0.3⍴_xE_x) – E_ZL

ترکیبات بار برای سازه بتنی در منطقه با خطر نسبی زیاد، متوسط و کم (A<0.35) و ضریب اهمیت I=1 و بدون داشتن دیوار حائل در زیر زمین (بار فشار خاک) و بار خود کرنشی به چه صورتی است؟

7. نکات پیشرفته بارگذاری ساختمان

اگر این نکات را آموزش ببینید به‌راحتی می‌توانید طراحی هرگونه سازه‌ای را انجام دهید. از جمله این نکات:

1.  بار قائم زلزله
2. بارگذاری ذره‌بینی
3. بارگذاری OTE (One Time For Ever)
4. بارگذاری انواع دیگر سقف‌ها و دیواره
5.  نکات مربوط به باغ بام (Roof Garden)

می‌باشد. هر یک از این نکات را در ادامه به صورت مختصر برای شما عزیزان توضیح خواهیم داد.

1.7.بار قائم زلزله

همان‌طور که زلزله باعث اعمال شتاب و جابه‌جایی سازه در جهات اصلی افقی می‌شود، در جهت قائم نیز به سازه شتاب و جابه‌جایی اعمال می‌نماید. در مورد رفتار سازه تحت مؤلفه قائم زلزله، باید توجه داشت که عمده سازه‌های ساختمانی متعارف، برای ارتعاش در راستای قائم، نسبتاً صلب هستند. حرکات ارتعاشی زلزله یا زمین‌لرزه به‌جز حرکات افقی، شامل حرکات قائم نیز می‌شود. به این حرکات در راستای قائم مؤلفه قائم زلزله گفته می‌شود. حرکت زمین در راستای قائم هم مانند حرکت افقی آن می‌تواند باعث به وجود آوردن نیرو و جابه‌جایی در اعضا و المان‌های مختلف سازه‌ای شوند. مؤلفه قائم زلزله می‌تواند عامل تأثیرگذاری بر رفتار و خرابی سازه در طی زلزله داشته باشد.

برای درنظرگرفتن اثر بار قائم زلزله به‌کل ساختمان، آیین‌نامه‌ها درصد مشخصی از بار مرده ساختمان را پیش‌بینی کرده‌اند که به‌کل سازه به‌عنوان مؤلفه قائم زلزله اعمال گردد. در حال حاضر آیین_نامه_۲۸۰۰ این بار قائم را فقط برای سازه‌های ساخته‌شده در پهنه با خطر لرزه‌ای خیلی زیاد اجباری کرده است. در بقیه موارد بار قائم زلزله فقط به طره‌ها، تیرهای با دهانه بیشتر از ۱۵ متر و تیرهای با بار متمرکز قابل‌توجه اعمال می‌گردد.

نیروی قائم زلزله فقط به ترکیب­ بارهایی که دارای زلزله هستند اعمال می‌شود و برای سایر ترکیبات بار تغییری نخواهیم داشت.

یکی از ویژگی‌های مهم زلزله‌های حوزه نزدیک، دارابودن مؤلفه قائم قابل‌توجه با محتوای فرکانسی بالاست. که در بسیاری از موارد از مؤلفه افقی همان زلزله به مقدار قابل‌توجهی بیشتر است.

1.1.7. مؤلفه نیروی قائم زلزله در استاندارد ۲۸۰۰

نظر استاندارد ۲۸۰۰ در خصوص نیروی قائم زلزله به شرح زیر می‌باشد:
۹-۳-۳ نیروی قائم ناشی از زلزله
۱-۹-۳-۳ نیروی قائم ناشی از زلزله که اثر مؤلفه قائم شتاب زلزله در ساختمان است، در موارد زیر باید در محاسبات منظور شود.
الف) کل سازه ساختمان‌هایی که در پهنه با خطر نسبی خیلی زیاد واقع‌شده‌اند.
ب) تیرهایی که دهانه آنها بیشتر از پانزده متر می‌باشد، همراه با ستون‌ها و دیوارهای تکیه‌گاهی آنها.
پ) تیرهایی که با بار قائم متمرکز قابل‌توجهی در مقایسه با سایر بارهای منتقل‌شده به تیر را تحمل می‌کنند، همراه با ستون‌ها و دیوارهای تکیه‌گاهی آنها. در صورتی که بار متمرکز حداقل برابر با نصف مجموع بار وارده به تیر باشد، آن بار قابل‌توجه تلقی می‌شود.
ت) بالکن‌ها و پیش‌آمدگی‌هایی که به‌صورت طره ساخته می‌شوند.

در توضیح قسمت الف باید گفت که چون پهنه‌های با خطر نسبی خیلی زیاد دارای گسل‌های فعال بسیاری در محدوده خود می‌باشند، آیین نامه تصمیم به اعمال اثر نیروی قائم زلزله به‌کل سازه گرفته است.
با توجه به قسمت‌های “ب” و “پ” و “ت” از بند ۳-۳-۹-۱ آیین‌نامه ۲۸۰۰ این اعضا شامل کنسول‌ها، تیرهای با طول بیشتر از ۱۵ متر و تیرهایی که بار متمرکز قابل‌توجه دارند، می‌باشد که رعایت این بند در تمامی نواحی لرزه‌خیزی الزامی می‌باشد.

راستای نیروی قائم زلزله همانند نیروهای ثقلی است. همچنین این نیرو ضریبی از بارهای ثقلی نیز می‌باشد؛ بنابراین می‌توان اثر آن را مشابه با بارهای ثقلی منظور کرد.

شتاب قائم زلزله در مناطق نزدیک گسل بحرانی است و باید حتماً در نظر گرفته شود. به همین دلیل در اولین مورد از مواردی که زلزله قائم باید در تحلیل و طراحی سازه در نظر گرفته شود، استاندارد ۲۸۰۰ به سازه‌هایی که در منطقه با خطر لرزه‌خیزی خیلی زیاد قرار دارند اشاره می‌کند. در موارد بعدی هم استاندارد ۲۸۰۰ شرایط اعضا و المان‌هایی را بیان می‌کند که حتی اگر ساختمانی که عضوی از آن هستند در منطقه با خطر لرزه‌خیزی خیلی زیاد نبود، به‌واسطه شرایطشان زلزله قائم باید بر آن‌ها وارد شود.

همان‌طور که می‌دانید استاندارد ۲۸۰۰ لرزه‌خیزی در مناطق مختلف ایران را به چهار دسته مختلف تقسیم‌بندی کرده است که ما در اینجا این دسته‌بندی را به دو دسته کلی‌تر یعنی پهنه لرزه‌ای با خطر نسبی خیلی زیاد و سایر پهنه‌های لرزه‌ای تقسیم‌بندی می‌کنیم تا اعمال نیروی مؤلفه قائم زلزله را در هرکدام از این دسته‌بندی‌ها مشخص کنیم. همچنین برای یادآوری، نسبت شتاب مبنای طرح را که درواقع ضریبی از شتاب ثقل زمین است.

مطابق رابطه استاندارد ۲۸۰۰ در شرایطی که سازه در منطقه با خطر لرزه‌خیزی خیلی زیاد قرار دارد مقدار Wp برابر با بار مرده سازه بوده و باید به‌کل سازه اعمال شود. یعنی نیروی قائم زلزله وارد به‌کل سازه، در این حالت تنها ناشی از بار مرده سازه است. در سایر موارد هم مطابق با استاندارد ۲۸۰۰ مقدار Wp برابر با مجموع بار مرده وزنده است.

نیروی قائم زلزله باید در هر دو جهت روبه بالا و روبه پایین، جداگانه به سازه اعمال شود در نظر گرفتن نیروی قائم در جهت روبه بالا در طراحی پی ساختمان ضروری نیست.

بر اساس بند ۳-۱۲-۲ استاندارد ۲۸۰۰، ضریب بار زلزله قائم، باید ۱ در نظر گرفته شود.
۲-۱۲-۳ درصورتی‌که طراحی سازه بر اساس مقاومت انجام شود، در ترکیب بارهای زلزله طرح با سایر بارها، بارهای جانبی و بار قائم زلزله باید با ضریب بار ۱ در نظر گرفته شوند.

طبق بند ۳-۳-۹-۲ استاندارد ۲۸۰۰ ویرایش چهارم، در مورد بالکن‌ها و پیش‌آمدگی‌ها، نیروی قائم زلزله باید در دو جهت بالا و پایین و بدون منظور نمودن اثر کاهنده بارهای ثقلی در نظر گرفته شود.

2.1.7. ترکیب بار برای نیروی قائم زلزله

زلزله قائم فقط به ترکیب بارهایی که دارای نیروی زلزله (افقی) هستند، اعمال می‌شود و برای سایر ترکیبات بار تغییری نخواهیم داشت. جالب است بدانید که بر اساس بند ۶-۲-۳-۲ مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، در طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت، برای هر دو نوع سازه‌های فلزی و بتنی از ترکیبات مشابه استفاده می‌شود.

دربند ۳-۳-۹-۳ استاندارد ۲۸۰۰، نحوه ترکیب بارهای زلزله با بارهای ثقلی بیان‌شده است. ۳-۹-۳-۳ نیروی قائم و افقی زلزله باید هم‌زمان با بارهای مرده وزنده ترکیب‌شده و در طراحی اعضای سازه به کار رود.

در جلسات قبلی آموزش رایگان نرم‌افزار ایتبس گفتیم که بارهای ما به ۲ دسته “بارهای قائم” و “بارهای جانبی” تقسیم می‌شوند. بارهای قائم شامل بارهای:

1. بار مرده
2. بار زنده
3. بار برف
4. بار باران
5. بار سیل

می‌شوند. بارهای قائم، همان‌طور که از اسمشان مشخص است، بارهایی هستند که در جهت ثقل زمین، یعنی جهت روبه‌پایین به سازه اعمال می‌شوند. آمار بارهای جانبی از جوانب و کناره‌ها به سازه اعمال می‌شوند. بارهای جانبی شامل:

1. بار لرزه‌ای
2. بار باد
3. بار زمین
4. بار سیل

همان‌طور که مشاهده می‌کنید بار لرزه‌ای جزء بارهای جانبی می‌باشد؛ اما در بعضی مواقع بار لرزه‌ای، یک مؤلف قائم نیز پیدا می‌کند. اگر سازه‌ای را طراحی کردیم که این سازه در منطقه‌ای قرار داشت که پهنه خطر لرزه‌ پذیری آن منطقه بسیار شدید بود، آن موقع بار قائم زلزله نیز اضافه می‌شود.
این بار قائم زلزله زمانی که اضافه شود، در نرم‌افزار ایتبس دیگر تنها Ex و Ey نداریم و Ez نیز اضافه می‌شود. Ez که اضافه می‌شود، ضریبی نیز بعدها در ترکیبات بارگذاری اضافه می‌کند.

به همین علت است که ترکیبات بارگذاری در شهری مانند اصفهان برابر با ۱٫۶ و از فرمول ۱٫۶ Dead Load + x Live Load به دست می‌آید. اما اگر همین ساختمان با همین مشخصات را در استان دیگری مانند تهران، طراحی کنیم، علاوه بر قائم (dz)، مشاهده می‌کنیم که این بار قائم تأثیری نیز بر روی بار مرده می‌گذارد و ضریب آن به‌جای ۱٫۶، برابر با ۱٫۲۱ می‌شود.
بار قائم در مناطق با خطر لرزه‌ پذیری خیلی زیاد، برای ما بسیار اهمیت دارند و در جاهایی مانند تیر طره‌ها باید به آن‌ها دقت کنیم.

2.7. بارگذاری ذره‌بینی

به دومین نکته از نکات پیشرفته بارگذاری ساختمان می‌پردازیم. زمانی که یک سازه فولادی طراحی می‌کنیم، بار مرده‌ای داریم که این بار مرده بازخورد سازه و اسکلت می‌باشد. همچنین بارهای مرده دیگری مانند بار سرباره، متعلقات و جواهرات ساختمان نیز داریم که به آن‌ها بارهای Super Dead Load می‌گوییم.
در بارگذاری ذره‌بینی یک تفاوتی از ابتدا ایجاد می‌شود. زمانی که خواستیم در سازه تعریف کردنی‌ها را انجام دهیم از یک مولفه‌ای به نام بتن صفر یا C0 (بتنی که وزن آن برابر با صفر می‌باشد.) استفاده می‌کردیم.

• اما علت استفاده از این بتن چه بود؟

وقتی وزن یک المان سازه‌ای مانند سقف خود را برابر با ۰ قرار می‌دهیم، در بارگذاری‌ها خودمان این وزن را اعمال می‌کردیم.
اما اگر ما از بتنی استفاده کنیم که وزن آن مشخص باشد، مثلاً C25، باید در جدول بارگذاری، مقاطع دال بتنی و تیرچه‌ها حذف شوند تا وزن آن‌ها را ۲ بار محاسبه نکنیم.

برای این کار بار مرده مربوط به سازه و اسکلت را Dead Load قرار داده و در قسمت Load Pattern، بار Super Dead Load را نیز قرار می‌دهیم. باری که مربوط به اسکلت نمی‌باشد و باری است که بعدها اضافه می‌شود مانند بار سرامیک، را از نوع dLs قرار می‌دهیم.
البته این کاری که تا الان انجام داده‌ایم نیز نادرست نیست؛ ولی بارگذاری ذره‌بینی دید دقیق‌تری را نسبت به مرده اضافات و بار مرده اصلی می‌دهد.

• علت استفاده از بارگذاری ذره‌بینی:

ما گفتیم که چون در ترکیب بارها، ضریب بار مرده و بار اضافات یکی هستند همه را جزء Dead Load در نظر می‌گیریم. اما اگر بخواهیم دید درست‌تری داشته باشیم و سازه را روی المان‌های مختلف تجزیه‌وتحلیل کنیم که این بارها به چه صورت عمل می‌کنند باید از همان تکنیک Super Dead Load استفاده کنیم. مزیت آن این است که بارگذاری ما در سازه‌ها فولادی و بتنی بسیار شبیه یکدیگر هستند.

3.7.بارگذاری OTE (One Time For Ever):

این قسمت برای مهندسانی کاربرد دارد که تنها ۱ یا ۲ سازه طراحی نمی‌کنند و محدود به یک مکان خاص و سازه‌های مسکونی نیستند. در چنین حالتی به جای اینکه جدول بارگذاری مشخصی داشته باشیم و این جدول تنها برای سازه‌های مسکونی باشد؛ یک فایلی را می‌سازیم و بارگذاری‌های مربوط به بار مسکونی، بار اداری، بار تجاری، استادیوم ورزشی و همچنین شهرهای مختلف را در این فایل قرار می‌دهیم.
مزیت آن این است که به جای اینکه بخواهیم برای هر سازه، از ابتدا بارگذاری‌ها را انجام دهیم، می‌توانیم بارگذاری مربوط به آن سازه را انتخاب کنیم.

جمع‌بندی ونتیجه‌گیری

جهت آشنایی کامل با  “نکات مهم در بارگذاری سازه‌ها” به پکیج “جزوات کاربردی” در بخش گنجینه فایل وب‌سایت مراجعه فرمایید