کتاب بارهای طراحی سازه ها

توضیحات
در فرآیند طراحی سازه ها به منظور تامین اهداف عملکردی آن ها، بارگذاری سازه و آشنایی با بارهای وارد بر سازه و چگونگی تعیین مقادیر بارهای طراحی سازه نقش بسیار مهمی ایفا می کند. اگر چه آشنایی با چگونگی تعیین بارهای طراحی سازه هابر مبنای آیین نامه های طراحی امری ضروری برای یک مهندس طراح است، ولی این مهارت تنها زمانی مفید واقع می شود که طراح با چگونگی اعمال این بارها بر سازه ها در فرآیند طراحی سازه تسلط کافی داشته باشد. این امر مستلزم آشنایی با اصول و مبانی بارگذاری و تعیین بارهای وارد بر سازه می باشد. نکته ویژه این کتاب ارائه مطالب تکمیلی و جدید در زمینه عدم قطعیت بار و مقاومت، بارهای زنده، بخصوص بار برف، بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله و نیز مطالبی برای سیستم های مقاوم در برابر بارهای مقاوم در برابر بارهای قائم و جانبی و روش های تقریبی و دقیق تحلیل این سیستم ها است. مفاهیم پایه و مقدماتی بارگذاری سازه ها بصورتی ساده و قابل فهم برای مهندسین و دانشجویان مهندسی بیان شده اند. این مفاهیم توسط مثال های متعددی در مورد مسائل کاربردی در باگذاری مطرح شده اند. در این کتاب سعی شده تا تغییرات عمده اخیر در ویرایش سوم مبحث 6 شامل ضریب اهمیت بارهای برف، یخ زدگی و باد، جز و بار زنده قرار گرفتن بار تیغه ها، تغییرات شرایط نامساعدترین وضعیت بارگذاری زنده،باردست انداز و حفاظ پارکینگ، شرایط و نحوه کاهش سربار، مطالب افزوده شده برای بار برف، خاک، آب،یخ زدگی و سیل و بالاخره تغییرات اساسی در بارباد و نیز ترکیبات بارگذاری در نظر گرفته شود. همچنین در فصل بارهای زلزله به تغییرات عمده ویرایش چهارم استاندارد 2800 نیز اشاره شده است.
مقدمه
در فرآیند طراحی سازه¬ها به منظور تأمین اهداف عملکردی آن¬ها، بارگذاری سازه و آشنایی با بارهای وارد بر سازه و چگونگی تعیین مقادیر بارهای طراحی سازه نقش بسیار مهمی ایفا می¬کند. اگرچه آشنایی با چگونگی تعیین بارهای طراحی سازه¬ها بر مبنای آیین¬نامه¬های طراحی امری ضروری برای یک مهندس طراح است، ولی این مهارت تنها زمانی مفید واقع می¬شود که طراح با چگونگی اعمال این بارها بر سازه¬ها در فرآیند طراحی سازه تسلط کافی داشته باشد. این امر مستلزم آشنایی با اصول و مبانی بارگذاری و تعیین بارهای وارد بر سازه می¬باشد آشنایی با این اصول در اکثر موارد نیازمند آشنایی با مباحث پیچیده و پیشرفته در مورد ماهیت احتمالاتی بارهای طراحی سازه، رفتار هر یک از اعضای سازه، عدم قطعیت موجود در رفتار اعضا و رفتار کلی یک سازه می¬باشد. از طرف دیگر درس بارگذاری اولین آشنایی بسیاری از دانشجویان مهندسی عمران با پیچیدگی موجود در پدیده¬های طبیعی همچون باد و زلزله، مفاهیم و اصول رفتار سازه در برابر این پدیده¬ها می¬باشد. این امر استفاده از زبانی ساده به منظور آموزش مفاهیم اساسی در مورد ماهیت بارهای وارد بر سازه و چگونگی رفتار سازه در برابر این بارها را ضروری می¬نماید.
سال¬های طولانی تدریس درس بارگذاری در دانشکده¬ی عمران دانشگاه تهران مؤلف را بر آن داشت تا اقدام به تهیه¬ی کتابی در مورد بارهای طراحی وارد بر سازه¬ها نماید. هدف اصلی از تألیف این کتاب، ایجاد فهمی عمیق از اصول بارگذاری به منظور کاربرد مناسب آن¬ها در مهندسی سازه و دروس طراحی سازه های فولادی و بتنی با بکارگیری زبانی ساده و بدون پیجیدگی است. در واقع ضمن تأکید بر نقش آمار و احتمالات و تئوری تصمیم¬گیری آماری در موضوعات بارگذاری مهندسی عمران، هدف مؤلف، طرح مسائل کاربردی در مورد انواع بارهای وارد بر اجزای مختلف ساختمانها از دید مقاومت مصالح، مکانیک خاک، طراحی سازه¬ها، و ساخت و ساز می¬باشد.
انگیزه¬ی مولف از نگارش کتاب، تشویق دانشجویان این درس برای مطالعه کاملتر مباحث بارگذاری به کمک این مجموعه بوده است. نکته ویژه این کتاب با توجه به انتشار ویرایش سوم مبحث 6 مقررات ملی ساختمانی، علاوه بر مطالب تکمیلی و جدید در زمینه آمار و احتمالات، بارهای زنده، بار برف (که برای اولین بار مطالب کاملی از آئین نامه¬ها آورده شده)، بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله، ارائه مطالبی برای سیستمهای مقاوم در برابر بارهای قائم و جانبی و روشهای تقریبی و دقیق تحلیل این سیستمها است.
در این کتاب، مفاهیم پایه و مقدماتی بارگذاری سازه¬ها به صورتی ساده و قابل فهم برای مهندسین و دانشجویان مهندسی بیان شده¬اند. این مفاهیم توسط مثال¬های متعددی در مورد مسائل کاربردی در بارگذاری مطرح شده و تمارینی در پایان هر فصل به منظور ارتقای درک دانشجویان از این مفاهیم آورده شده¬اند. این تمارین می¬توانند فرصتی برای دانشجویان فراهم کنند تا به میزان تسلط خود بر مطالب، آگاهی پیدا کنند. مطالب موجود در این کتاب برای دانشجویان سال سوم یا چهارم دانشگاهها، اساتید و محققینی که در مورد بارهای وارد بر سازه‌ها و نیز مقاومت مورد نیاز آنها مطالعه می¬کنند، تنظیم گردیده است. برای مطالعه¬ی کتاب، داشتن اطلاعات مقدماتی در مورد مفاهیم آمار و احتمالات، مقاومت مصالح و تحلیل سازه‌ها مورد نیاز است.
در این كتاب سعی شده تا تغییرات عمده اخیر در ویرایش سوم مبحث 6 شامل ضریب اهمیت برای بارهای برف، یخ‌زدگی و باد، جزو بار زنده قرارگرفتن بار تیغه‌ها، تغییرات شرایط نامساعدترین وضعیت بارگذاری بار زنده، بار دست‌انداز و حفاظ پاركینگ، شرایط و نحوة كاهش سربار، مطالب افزوده شده برای بار برف، خاك، آب، یخ‌زدگی و سیل و بالاخره تغییرات اساسی در بار باد و نیز تركیبات بارگذاری در نظر گرفته شود. همچنین در فصل بارهای زلزله به تغییرات عمده ویرایش چهارم استاندارد 2800 نیز اشاره شده است.
این کتاب از 11 فصل تشکیل شده است. در فصل اول مقدمات بارگذاری، انواع بارها، مبانی احتمالاتی بارگذاری سازه¬ها و چگونگی کاربرد این مفاهیم در تعیین بارهای وارد بر سازه بیان شده است. علاوه بر معرفی مختصر برخی متغیرهای تصادفی و توابع احتمال حاکم بر آنها، عدم قطعیت در مقادیر بارها و مقاومت برای تامین ایمنی، مبانی طراحی به روش حالت حدی و قابلیت اعتماد سازه¬ها در این فصل بحث شده است.
در فصل دوم، بارهای مرده و چگونگی تعیین این بارها بر اساس جزئیات اجزای سازه¬ای و غیرسازه‌ای در ساختمان¬ها ارئه شده است. در این فصل مفاهیم مربوط به بار معادل یکنواخت کف تیغه¬های ساختمان و چگونگی تعیین این مقادیر بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و استاندارد بارهای طراحی سازه¬ها ASCE7-05 بیان شده است.
در فصل سوم به ماهیت بارهای زنده پرداخته شده است تا با آشنا نمودن خوانندگان کتاب با ماهیت این بارها، چگونگی تعیین مقادیر این بارها به گونه¬ای صحیح و قابل اطمینان بیان شود. در ادامه موارد، کاهش سربار به منظور دستیابی به طرحی اقتصادی بیان شده است. علاوه بر این چگونگی رفتار سازه‌ها در برابر بارهای دینامیکی و اصول بارگذاری مربوط به این بارها در فصل سوم بیان شده است.
در فصل چهارم ماهیت بار برف و چگونگی تعیین آن بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان بیان شده است. علاوه بر آن به منظور درک بهتر و کاملتر از بار برف، الگوی بارگذاری برف بر اساس استاندارد ASCE7-05 ارائه شده است. ضمنا، در این فصل بار موضعی برف، برف انباشتگی بر روی بام¬های پایین¬تر، بار اضافی ناشی از ریزش باران بر روی برف، ناپایداری حاصل از برف انباشگی در بارگذاری برف بیان می¬شود. با توجه به تغییرات در ویرایش سوم مبحث 6 مقررات ملی ساختمانی كشور، بارهای حاصل از فشار خاک و اثرات خود كرنشی در فصل پنجم و بارهای ناشی از آب، یخ‌زدگی و سیل در فصل ششم به اختصار آورده شده است.
در فصل هفتم به سیستم¬های باربر ثقلی ساختمان پرداخته می¬شود. علاوه بر معرفی انواع دال‌های سازه‌ای، چگونگی تعیین نحوه¬ی انتقال بار در سازه و تعیین سطح بارگیر اجزای سازه¬ای مانند تیرها وستون¬ها مرور می¬شود. در پایان این فصل نیز روش¬های تحلیل تقریبی سازه¬ها در برابر بار جانبی بیان شده است.
در فصل هشتم به ماهیت بارهای ناشی از باد و چگونگی تعیین این بارها پرداخته می¬شود. ابتدا چگونگی تعیین باد مبنای بارگذاری مرور شده و در ادامه، مفاهیم و پارامترهای مؤثر بر بارهای ناشی از باد ارائه می¬شود. در پایان نیز معیارهای طراحی سازه در برابر باد و آثار دینامیکی باد بر سازه های انعطاف پذیر آورده می¬شود.
هدف اصلی در فصل نهم ایجاد درکی ساده از مفاهیم مربوط به پدیده¬ی زلزله و مبانی لرزه-شناسی می¬باشد. در این فصل به پدیده¬ی زلزله و دلایل وقوع آن پرداخته می¬شود و مکانیزم¬های ایجاد خرابی در سازه¬ها طی یک زلزله و انواع امواج لرزه¬ای بیان می¬شود. علاوه بر آن، پارامترهای تأثیرگذار در شدت خرابی حاصل از زلزله نیز ارائه می¬شود.
در فصل دهم به مباحث مربوط به بارهای ایجاد شده در سازه¬ها در اثر زلزله پرداخته می¬شود. در این فصل با هدف¬های طراحی سازه، روش¬های تحلیل سازه در برابر زلزله و اصول تحلیل خطی استاتیکی سازه¬ها مرور می¬شود. علاوه بر آن، بر اساس ضوابط استاندارد 2800، چگونگی تعیین نیروی زلزله وارد بر سازه بر طبق روش تحلیل خطی استاتیکی ارائه شده و در ادامه، تغییرشکل ایجاد شده در سازه¬ها و چگونگی کنترل سازه¬ها در برابر بار زلزله سطح بهره¬برداری بررسی می¬شود. در این فصل، به انواع دیافراگم¬ها کف و چگونگی عملکرد آن¬ها در برابر بار جانبی و همچنین نیروهای وارد براین دال¬ها در طی زلزله پرداخته می¬شود. در پایان نیز، چگونگی تعیین بار ناشی از زلزله وارد بر سازه¬های غیرساختمانی ارائه می¬شود.
فصل یازدهم به ویژگی¬های سیستم¬هایی باربر جانبی ومعرفی انواع سیستم¬های باربر جانبی می¬پردازد. در ادامه انواع اتصالات در سازه¬های فولادی اشاره شده و در پایان، روش¬های تقریبی تحلیل سازه در برابر بار جانبی ارائه می¬شود.
در فصل دوازدهم به انواع روش¬های طراحی سازه پرداخته می¬شود و روند طراحی در روش-های تنش مجاز و حالت حدی بیان می¬شود. در ادامه ترکیبات بار طراحی در هر دو روش تنش مجاز و حالت حدی بر اساس مبحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد ASCE7-05 پرداخته می¬شود. فصل سیزدهم نیز بارهای وارد بر پلها را به اختصار مرور می¬کند.
تهیه¬ی این کتاب که سه سال به طول انجامیده است بدون همراهی و یاری دانشجویان شایسته دانشکده عمران پردیس دانشکده¬های فنی دانشگاه تهران مقدور نبود. در اینجا مؤلف از این دانشجویان به ویژه آقای مهندس محمد مطلبی نصرآبادی در تهیه پیش¬نویس اولیه کتاب در سال 1390، تشکر و قدردانی می نماید.
هر چند طی باز¬ خوانی¬های مکرر، سعی و تلاش فراوانی به عمل آمده تا نوشته¬ی حاضر از کمترین اشتباهات برخوردار باشد، لیکن همچون سایر منابع علمی این اثر نیز دارای کمبودهایی است که با مطالعه عمیق تر روشن خواهد شد. پیشاپیش ضمن پوزش از خوانندگان محترم به لحاظ احتمال وجود اشتباهات و اشکالاتی که از نظر نویسنده به دور مانده، از دریافت نقطه نظرات، پیشنهادات و رهنمود¬های همکاران محترم و دانشجویان عزیز، استقبال می شود.
سید مهدی زهرائی
زمستان 1392
Mzahrai @ ut.ac.ir
فهرست مطالب
فصل 1 بارگذاری و عدم قطعیت
1.1 انواع بارهای وارد بر سازه
1.2 مراحل طراحی سازه
1.3 عدم قطعیت در ایمنی یك سازه
1.4 چند توزیع احتمال‌های مفید
1.5 طراحی احتمالاتی و تئوری قابلیت اطمینان سازه‌ها
تمرین‌های فصل 1
فصل 2 بارهای مرده
2.1 مقدمه
2.2 تعریف بارهای مرده
2.3 دیوارهای محیطی و تیغه‌های ثابت
تمرین‌‌های فصل 2
فصل 3 بارهای زنده
3.1 مقدمه
3.2 بار زنده
3.3 تخمین مقدار بار زنده
3.4 موارد خاص از بارهای زنده
3.5 نامناسب‌ترین وضعیت بارگذاری زنده
3.6 كاهش سربار
3.7 بارهای ضربه‌ای
تمرین‌های فصل 3
فصل 4 بار ناشی از فشار خاك و آثار خودكرنشی
4.1 فشار جانبی خاك
4.2 تعیین فشار جانبی خاك در حالات حدی
4.3 كنترل پایداری دیوارهای حائل
4.4 آثار خودكرنشی
تمرین‌های فصل 4
فصل 5 بار ناشی از فشار آب، سیل و یخ‌زدگی
5.1 بار فشار آب
5.2 بار سیل
5.3 بار یخ‌زدگی
تمرین‌های فصل 5
فصل 6 بار برف
6.1 مقدمه
6.2 بار برف
6.3 بار برف مبنا
6.4 بار برف بام‌های مسطح
6.5 حداقل مقدار بار برف
6.6 بار برف بام‌های شیب‌دار
6.7 بارگذاری نامتقارن برف
6.8 بار موضعی برف
6.9 برف انباشتگی روی بام‌های پایین‌تر
6.10 بار حاصل از برف انباشتگی در دیواره‌ی جان‌پناه‌ها و مجاورت ‌خرپشته‌ها
6.11 اثر ساختمان‌ها و عوارض زمینی مجاور در برف انباشتگی
6.12 لغزش برف
6.13 بار اضافی ناشی از ریزش باران روی برف
6.14 ناپایداری حاصل از آب انباشتگی
تمرین‌های فصل 6
فصل 7 سیستم ساختمانی مقاوم در برابر بار ثقلی
7.1 مقدمه
7.2 سیستم‌های ساختمانی مقاوم در برابر بارهای قائم
7.3 دال كف
7.4 محاسبه بار وارد بر هریک از اجزای اصلی سیستم باربر قائم سازه¬ها
7.5 تقریبی سازه‌ها در برابر بار قائم
تمرین‌های فصل 7
فصل 8 بار ناشی از باد
8.1 مقدمه
8.2 باد
8.3 اثر باد بر سازه‌ها
8.4 سرعت و فشار مبنای باد
8.5 فشار و كشش ناشی از نیروی باد
8.6 ضریب بادگیری (اثر تغییر سرعت )
8.7 ضریب اثر جهش باد Cg
8.8 ضریب فشارCp
8.9 ضوابط عمومی طراحی سازه‌ها برای باد
8.10 تحلیل دینامیكی بار باد
تمرین‌های فصل 8
فصل 9 مروری بر لرزه‌شناسی
9.1 مقدمه
9.2 زلزله و ماهیت آن
9.3 گسل‌ها
9.4 کانون، مرکز و عمق زلزله
9.5 موج‌های لرزه‌ای
9.6 شدت و بزرگی زلزله
9.7 ساز و كار خرابی در زلزله
فصل 10 بار ناشی از زلزله
10.1 مقدمه
10.2 تاریخچه
10.3 هدف طراحی
10.4 راستای نیروی زلزله
10.5 روش‌های تحلیل سازه در برابر زلزله
10.6 مقدمه‌ای بر دینامیك سازه
10.7 ساختمان منظم و نامنظم
10.8 حدود اعتبار روش تحلیل استاتیكی خطی
10.9 روش تحلیل خطی استاتیكی بر اساس ضوابط استاندارد 2800
10.10 توزیع نیروی جانبی زلزله در ارتفاع ساختمان
10.11 بررسی ساختمان در برابر واژگونی
10.12 لنگر پیچشی ناشی از نیروهای جانبی زلزله
10.13 توزیع نیروی برشی در پلان
10.14 تغییر مكان جانبی نسبی طبقات
10.15 اثر P-∆
10.16 مؤلفه قائم نیروی زلزله
10.17 نیروی زلزله وارد بر قطعات الحاقی
10.18 دیافراگم‌ها و نیروی وارد بر آن‌ها در زلزله
10.19 تأثیر خصوصیات معماری در زلزله
10.20 كنترل سازه برای بار زلزله سطح بهره‌برداری
10.21 سازه‌های غیرساختمانی
تمرین‌های فصل 10
فصل 11 سیستم سازه‌ای مقاوم در برابر بار جانبی
11.1 مقدمه
11.2 سیستم باربر جانبی
11.3 انواع سیستم‌های باربر جانبی
11.4 انواع اتصالات در سازه‌های فولادی
11.5 تحلیل تقریبی قاب‌ها در مقابل بارهای جانبی
تمرین‌های فصل 11
فصل 12 تركیبات بارگذاری
12.1 مقدمه
12.2 هدف از طراحی سازه‌ها
12.3 روش طراحی تنش مجاز
12.4 روش طراحی حالت حدی
تمرین‌های فصل 12
فصل 13 بارگذاری پلها
13.1 مقدمه
13.2 بار دائمی
13.3 بار بهره‌برداری
13.4 اثرات مربوط به بار بهره‌برداری
13.5 اثر ترمز
13.6 نیروی گریز از مركز
13.7 بارهای پیاده‌رو
13.8 نیروهای ناشی از حرارت
13.9 نیروی ناشی از جریان آب بر پایه‌ها
13.10 بار زلزله
منابع و مراجع