در عصر مدرن، سازه‌های فضایی با بهره‌گیری از فناوری‌های نوین و طراحی‌های خلاقانه، جایگاه ویژه‌ای در معماری پیشرفته به خود اختصاص داده‌اند. این سازه‌ها به واسطه استفاده از مصالح سبک و مقاوم، توانایی تحمل بارهای جانبی مانند باد، برف و زلزله را دارا بوده و عملکرد بسیار بالایی از خود نشان می‌دهند. شرکت سازه فضایی آوش سازه، به عنوان یکی از برترین و معتبرترین تولیدکنندگان سازه‌های فضاکار در ایران، با تکیه بر تخصص مهندسین و طراحان حرفه‌ای، همواره در تلاش است تا با ارائه راهکارهای نوین، ایمنی و عملکرد سازه‌ها را بهبود بخشد. این مقاله با بررسی جامع اثرات بارهای ناشی از باد، برف مبنا و زلزله، سعی در ارائه راهکارهای بهینه جهت طراحی و تحلیل سازه‌های فضایی دارد.

سازه فضایی و بار های وارده بر آن

در عصر مدرن ، سازه ‌های فضایی نقش مهمی در معماری پیشرفته ایفا می‌کنند و به واسطه طراحی‌های هوشمندانه، مقاومت بالایی در برابر نیروهای مخرب نظیر باد، برف و زلزله از خود نشان می ‌دهند. شرکت سازه فضایی آوش سازه ، یکی از برترین و معتبرترین تولیدکنندگان سازه فضاکار در ایران ، با استفاده از تخصص مهندسین و طراحان حرفه‌ای ، همواره در تلاش برای ارائه راهکار های نوین جهت ارتقای ایمنی و عملکرد سازه ‌ها است. این مقاله با بررسی جامع بارهای ناشی از باد ، برف مبنا و زلزله ، تلاش دارد تا راهکار های بهینه در طراحی سازه ‌های فضایی را ارائه نماید .

بارهای ناشی از برف

بار برف وارده بر بام بستگی به شرایط آب و هوایی ، فرم ، نوع ، ابعاد ، نسبت ناحیه و جهت استقرار سازه و میزان تصعید حرارت از طریق بام و تفاوت دمای داخل سازه و خارج آن دارد .

بار برف مبنا

بار برف مبنا تابع آب و هوا و شرایط اقلیمی عبارت است از حداکثر بار برف قابل انتظار برحسب وزن بر واحد سطح در دوره بازگشت متوسط تعیین شده (به طور نمونه ۲۵، ۵۰، ۱۰۰،۱۵۰ و یا ۲۰۰ سال). معمولاً نقشه ‌هایی که دارای خطوط هم تراز بار برف مبنا می‌ باشند، در کشورها در مقیاس درشت نمود تهیه شده‌اند .

اثر بار برف

بار برف یکی از مؤثرترین کنش‌های وارده بر سازه فضایی پوشاننده فضا های وسیع در مناطق سردسیر و معتدل به شمار می‌رود. با توجه به آن که نسبت بار برف به بار مرده سازه ‌های فضاکار در مناطقی از کشور قابل ملاحظه است نحوه توزیع بار برف در این نوع سازه ‌ها نقش مهمی در طراحی اجزای سازه فضاکار ایفا می‌کند. ملزومات بارگذاری برف که برای سازه‌های متعارف تهیه شده‌اند، نمایشگر کنش‌های ناشی از برف در چنین سازه‌هایی تلقی نمی‌گردند.

بار برف بر روی سقف سازه

شدت و شیوه توزیع بار برف روی سقف ‌ها تابعی از شرایط آب و هوایی، توپوگرافی، شکل ساختمان و مصالح پوشش سقف، دمای سقف، برف گیر، جهت کل باد و زمان می‌باشد. تمامی حالات محتمل بارگذاری از قبیل بارگذاری برف متقارن، نامتقارن، برف انباشتگی موضعی، یخبندان کلی یا موضعی، آویزه‌های یخی (قندیل) و نظایر آن باید در بارگذاری لحاظ گردد.

احتساب بار برف در سازه های فولادی

بسته به موقعیت جغرافیایی و محل قرارگیری سازه از نظر مقدار ریزش برف شکل سازه وزش باد و .... بارهای حاصل از برف بر سازه ها تعیین و اعمال میشود. بار برف معمولاً به صورت درصدی از حداکثر بار برف روی زمین برآورد می شود.

اندازه گیری بار برف

بار برف Prبر روی بام ها ، را با توجه به زاویه شیب بام، برای هر متر مربع تصویر افقی سطح آن از رابطه زیر تعیین می کنند.

Pr = Cs * Ps

Ps باربرف مبناست که برای نقاط مختلف کشور بین ۲۵ تا ۲۰۰ کیلوگرم بر متر مربع متغیر است و Cs ضریب اثر شیب در بام هاست. بدیهی است هر چه شیب پشت بام بیشتر باشد، مقدار انباشتگی بار برف کمتر است. بعلاوه ممکن است حداکثر تأثیر بار برف زمانی به وقوع پیوندد که بار برف وضع نامتقارن داشته باشد .

بار باد

برخی نکات در مورد بارهای ناشی از باد بر انواع سازه های فضاکار زیر مجموعه ها و اجزای سازه و همچنین اجزای غیر سازه ای و پوشانه های سازه فضاکار ارائه شده اند . این نکات عمدتاً در مورد سازه های فضاکار دارای انتظام هندسی و تقارن در توزیع سختی و جرم صادق بوده و با انحراف از این ویژگی ها میزان دقت در کاربرد این ملزومات نیز کاهش می یابد. در مورد سازه های ، نا منظم شامل سازه هایی با شکل هندسی متفاوت با اشکال مورد بحث در این قسمت سازههای دارای فرم های هندسی پیچیده سازه های واقع در ساختگاه های با آثار نامعمول باد یا مواردی که نوع و رفتار پوشانه ها به گونه ای است که تخمین پاسخ دینامیکی سیستم به آثار ناشی از باد مستلزم بررسی های ویژه است.

آزمایش تونل باد

باید از مطالعات عددی و آزمایشگاهی متناسب با نوع و میزان اهمیت پروژه بهره گیری شود . انجام آزمایش های تونل باد بسته به امکانات قابل دسترسی در مقیاس های واقعی یا بر مدل های به مقیاس کوچک شده همراه با مدل سازی و تحلیل واقع گرایانه آثار توأم باد و سازه به منظور تعیین آثار ناشی از باد بر سازه و پاسخ دینامیکی سازه در این حالت ها ضروری خواهد بود؛

جایگزین تونل باد 

با این وجود در مواردی که امکانات انجام آزمایش های تونل باد با دقت مورد نظر فراهم نباشد مطالعات عددی روشنگر رفتار دینامیکی سازه در مقابل آثار محتمل ناشی از باد به عنوان مطالعات حداقل برای چنین سازه هایی الزامی است.

همان طور که بیان شد ، برخی انواع پیچیده سازه های فضاکار را باید با شبیه سازی دقیق فرم و مصالح در تونل باد آزمایش نموده، فشارهای

ناشی از باد را برای بارگذاری تحلیل و طراحی آنها به دست آورد.

حساب کردن بار باد در سازه های فولادی

بار ناشی از وزش باد عموماً به صورت جانبی و افقی بر سازه اعمال می شود. در سازه های بلند و سبک اثرات باد از اهمیت ویژه ای برخوردار است. در کلیه ساختمان های متعارف که دارای پلان متقارن و مستطیل شکل هستند . باد سبب فشار در قسمت بادگیر و مکش در پشت یادگیر می شود. البته ممکن است سبب مکش یا فشار در پشت بام ها نیز شود که در اغلب حالات از اثر عمودی بار باد در مقابل بار برف صرف نظر می شود .

فشار یا مکش ناشی از باد بر روی سطوح ساختمان 

P=Ce*Cq*q

که در این روابط q فشار مبنای باد است که از ضابطه آیین نامه تعیین می شود. Ceضریب اثر تغییر سرعت و Cq ضریب شکل است که با توجه به نوع سازه و شکل هندسی آن تعیین می گردد.

بارهای ناشی از زلزله

زلزله نیز مانند باد از جمله بارهای جانبی وارد بر ساختمان است. با توجه به آنکه پاسخ سازه به آثار ناشی از زمین لرزه ماهیت دینامیکی دارد

مشخصه های دینامیکی سازه ، شالوده و خاک زیر شالوده و همچنین ویژگی های ژئوتکنیکی لرزه ای ساختگاه خصوصیات توپوگرافی محل

وضعیت لرزه زمین ساختی و شرایط لرزه خیزی و زمین شناسی مهندسی منطقه نوع و مکانیسم محتمل گسلش ، محتوای فرکانسی ، طول مدت نوسان های شدید زمین و احتمال وقوع زلزله در حوزه نزدیک و بروز پدیده هایی از قبیل روان گرایی و گسترش جانبی خاک تأثیر قابل توجهی در پاسخ لرزه ای سازه خواهند داشت.

ایمنی سازه فضا کار 

با توجه به سبک بودن و در عین حال سختی و صلبیت قابل ملاحظه شبکه های فضاکار و همچنین درجه نامعینی قابل ملاحظه آنها که اغلب

مسیرهای متعدد ثانویه برای انتقال بارها را فراهم می سازد، سازه فضاکار در مقابل زلزله از ایمنی نسبی بیشتری در قیاس با انواع سازه های سنتی برخوردار است. اما این مزایا نباید منجر به عدم دقت لازم از سوی طراحان و مسئولان کنترل طرح شود.

طراحی برای مقاومت در برابر زلزله

ا

ز دیدگاه شکل پذیری می توان طراحی اعضای فشاری ( به منظور ممانعت از بروز کمانش کلی) و اتصالات به منظور جلوگیری از شکست نارس یا کمانش موضعی و همچنین طراحی پیونده ها را به نحوی انجام داد که سازه فضاکار رفتار شکل پذیری از خود بروز دهد. شرایط ساختگاهی و احتمال بروز روان گرایی باید مورد بررسی قرار گیرد و تدابیر لازم در طراحی پی پایه ها و تکیه گاه های سازه فضاکار به عمل آید.

کم خطر بودن سازه فضا کار

با توجه به درجات نا معینی قابل ملاحظه سازه های فضاکار شبکه ای انتظار می رود مقاومت سازه های فضاکار در مقابل گسیختگی پیش رونده در صورت طراحی مناسبی قابل ملاحظه و در نتیجه خطر پذیری لرزه ای این سازه ها به ویژه با توجه به سبکی وزن و نیروهای اینرسی در قیاس با بسیاری از سیستم های سازه ای دیگر اندک باشد ، با این همه بروز ناپایداری دینامیکی ناشی از زلزله در سازه های فضاکار در صورت وقوع می تواند بسته به نحوۀ همبندی و ویژگی های سازه فضاکار منجر به گسیختگی گردد.

بررسی کامل بار زلزله در سازه فولادی

زلزله به حرکت افقی و عمودی زمین گفته میشود که اصولاً مقدار حرکت عمودی نسبت به حرکت افقی، ناچیز است و بدین جهت اثر حرکت افقی زلزله کاملاً قابل توجه بوده و عملاً از آن به عنوان بار زلزله یاد می شود. هرگاه زمین محل قرارگیری سازه به ناگاه حرکت کند، جرم سازه تمایل به مقاومت در برابر حرکت خواهد داشت و نیرویی برشی بین جرم و زمین به وجود خواهد آمد.

محاسبه نیروی زلزله

بر طبق استاندارد ۲۸۰۰ ایران ویرایش سوم حداقل نیروی برش پایه یا مجموع نیروهای جانبی زلزله در هر یک از امتداد های ساختمان با استفاده از رابطه زیر محاسبه می گردد:

V = C.W

C = ABI / R

که W وزن مؤثر ساختمان است که شامل بار مرده و درصدی از بار زنده است. Cضریب زلزله است که در آن A شتاب مبنای طرح، B ضریب بازتاب ساختمان ، Iضریب اهمیت ساختمان و R ضریب رفتار ساختمان است.