بارگذاری سوله؛ محاسبه مطابق آیین‌نامه به همراه آموزش تصویری در SAP2000

در این مقاله چه می‌آموزیم؟

• 1. سوله چیست؟
  • 1.1 سهم بارگیر قاب‌های سوله
• 2. محاسبه بار مرده
  • 1.2 بار مرده واحد سطح (بام)
  • 2.2 بار مرده واحد طول (دیوارهای پیرامونی)
• 3. محاسبه بار زنده
  • 1.3 بار زنده بام
  • 2.3 بار جرثقیل
• 4. محاسبه بار برف
  • 1.4 بار متوازن برف
  • 2.4 بار برف نامتوازن
  • 3.4 انباشتگی برف در بام پایین‌تر
  • 4.4 بار برف لغزنده
• 5. محاسبه بار باد
  • 1.5 فشار یا مکش خارجی باد
  • 2.5 فشار یا مکش داخلی باد
• 6. محاسبه بار زلزله
• 7. نحوه اعمال بارگذاری سوله در نرم‌افزار SAP2000
  • 1.7 نحوه محاسبه بار مرده
    • 1.1.7 بار مرده واحد سطح (بام)
    • 2.1.7 بار مرده واحد طول (دیوار پیرامونی)
  • 2.7 بار زنده
    • 1.2.7 بار زنده بام
    • 2.2.7 بار زنده جرثقیل
  • 3.7 بار برف
    • 1.3.7 بار متوازن برف
    • 2.3.7 بار نامتوازن برف
    • 3.3.7 انباشتگی بار برف در بام پایین‌تر
    • 4.3.7 برف لغزنده
  • 4.7 بار باد
  • 5.7 بار زلزله
  • 6.7 ترکیبات بارگذاری
• 8. نتیجه‌گیری

1. سوله چیست؟

در ابتدا مطلوب است تعریفی استاندارد از سوله داشته باشیم، سوله ساختمان فولادی پیش‌ساخته‌ای است که معمولاً جهت ساخت سالن‌های صنعتی، ورزشی، انبارها و … مورداستفاده قرار می‌گیرد. از مزیت‌های اصلی ایجاد سوله برخورداری از عرض بیشتر دهانه سازه است که به دلیل آزادی فضای ورود و خروج به سازه، امکان کار در فضای سوله تسهیل می‌گردد.

ازنظر اجزا و مصالح، سوله به سازه‌ای گفته می‌شود که دارای اجزای ذیل است:

ستون، رفتر (تیر)، پرلین (لاپه)، استرات، وال پست (ستون کله و راسته)، بادبند، سگراد (مهاربندهای سقف)، سینه بند، پیچ و مهره، سایبان (سقف)

شکل 1 نمای شماتیک یک سوله یک دهانه

شکل 2 نمای کلی قاب‌های سوله

1. 1 سهم بارگیر قاب‌های سوله

مهم‌ترین قسمت طراحی سوله، بارگذاری آن است زیرا برخلاف سازه‌های متداول مراحل طراحی کوتاه‌تری دارد اما در عوض بارگذاری آن بخش‌های بیشتر و پیچیده‌تری (مانند بارگذاری بار باد، بارگذاری بار برف نامتوازن، انباشتگی برف در بام پایین‌تر، بار برف لغزنده، بار جرثقیل) نسبت به سایر سازه‌ها دارد که همین امر بر اهمیت موضوع بارگذاری در چنین سازه‌هایی افزوده است. بارهای وارد بر سازه به دو دسته بارهای ثقلی و لرزه‌ای تقسیم می‌شوند که لازم است سهم (دهانه) بارگیر و نحوه محاسبه آن برای هر قاب بیان شود.

الف) سهم بارگیر در سازه‌های متعارف: در این‌گونه سازه‌ها با توجه به اینکه بار باد را اعمال نمی‌کنیم و قاب‌ها بدون شیب هستند لذا سهم بارگیر ثقلی را در نظر می‌گیریم که محاسبه آن برای هر ستون طبق شکل زیر برابر است با ناحیه‌ای اطراف ستون که از هر سمت ستون، نصف دهانه را در بر بگیرد

ب) سهم بارگیر قاب های سوله‌:

طبق شکل زیر سهم بارگیر قاب‌ها برابر خواهد شد با:
1- قاب‌های ابتدا و انتهای سوله: با توجه به شکل سهم بارگیر این قاب‌ها (که با رنگ زرد نشان داده شده است) برابر با نصف سهم بارگیر قاب‌های میانی یعنی نصف فاصله بین دو قاب متوالی است.
2- قاب‌های میانی: با توجه به شکل سهم بارگیر این قاب‌ها (که با رنگ سبز نشان داده شده است) از هر طرف برابر با نصف فاصله بین دو قاب متوالی است.

شکل 4 تعیین سهم بارگیر قاب‌های سوله

2. محاسبه بار مرده

بار مرده به دو بخش بار واحد سطح (بار مرده بام) و بار واحد طول (بار مرده دیوار) تقسیم می‌شود.

2. 1 بار مرده واحد سطح (بام) سوله

بام سوله‌ها با توجه به جزئیات بارگذاری (جدول 1) برخلاف بام‌های دیگر که علاوه بر قسمت سازه‌ای سقف دارای کف سازی، نازک‌کاری (سقف کاذب) هستند، فقط دارای قسمت سازه‌ای بوده که همین امر باعث می‌شود به‌طور قابل‌توجهی سبک‌تر از بار مرده بام در ساختمان‌های متعارف باشد.

شکل 5 اجزای بام سوله

جدول 1 جزئیات بارگذاری مرده سقف

2.2 بار مرده واحد طول (دیوارهای پیرامونی)

به دلیل اینکه دیوارهای سوله متکی بر زمین هستند، در حالت عادی باری به سازه اعمال نمی‌کنند؛ اما به دلیل پیوستگی قاب و دیوار هنگام زلزله، جرم دیوارها در تعیین نیروی زلزله مؤثر خواهد بود که این اثر در بالای ستون بیشترین اثر خود را دارد و در پای ستون صفر می‌شود. البته با توجه به شیب‌دار بودن قاب، سهم ستون‌های قاب‌های ابتدا و انتهای سالن قدری بیشتر است که در جهت ساده‌سازی از آن صرف‌نظر می‌کنیم. جهت محاسبه بار واحد طول دیوار کافی است که طول بارگیری هر ستون را در وزن واحد سطح دیوار ضرب کنیم. با توجه به اینکه ضخامت دیوار پیرامونی اکثر سوله ها 35 سانتی‌متر است داریم:

شکل 6 نمای دیوار آجری پیرامونی سوله

جدول 2 جزئیات بارگذاری مرده دیوار پیرامونی

لازم به ذکر است که، توصیه می‌شود با توجه به ضوابط موجود در پیوست ششم آیین‌نامه 2800، با استفاده از المان‌های افقی و قائم (وال پست‌ها) دیوارهای غیرسازه ای از سازه سوله جداسازی شده و اصطلاحاً به‌صورت غیر چسبیده اجرا شوند تا در هنگام اعمال بار باد و زلزله تأثیری بر عملکرد مناسب سازه اصلی نداشته باشند. برای آشنایی بیشتر با وال پست و نحوه‌ی اجرای آن، می‌توانید به ایبوک وال پست و یا دوره‌ی آشنایی با مهار صحیح المان‌های غیرسازه ای در سایت سبزسازه مراجعه نمایید.

3. محاسبه بار زنده در سوله

بار زنده در سوله‌ها به دو بخش بار واحد سطح (بار زنده بام) و بار زنده دینامیکی (بار جرثقیل) تقسیم می‌شود.

1.3 بار زنده بام

طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، بار زنده عبارت است از بارهای غیردائمی که در حین بهره‌برداری و استفاده از ساختمان به آن وارد می‌شود. بارهای زنده با توجه به نوع کاربری ساختمان و یا هر بخش آن و مقدار باری که در طول عمر ساختمان به آن وارد می‌شود، محاسبه و تعیین می‌شود. جدول زیر حداقل مقدار بار زنده گسترده روی کف‌ها را بر اساس نوع کاربری آن مطابق مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398 نشان می‌دهد.

2.3 بار جرثقیل سوله

طبق بند 6-5-9 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، بار زنده جرثقیل به بار بهره‌برداری آن بستگی دارد. در جرثقیل‌های پل‌دار و تک‌ریلی بارهای طراحی تیرهای زیر سری به همراه اتصالات و نشیمن‌گاه‌های آن‌ها باید دربرگیرنده حداکثر بار چرخ پل جرثقیل، ضربه قائم و بارهای جانبی و طولی ناشی از حرکت جرثقیل باشند.

شکل 7 تصویر شماتیک انواع جرثقیل

نیروهای وارده از جرثقیل به براکت (نشیمن‌گاه تیر حمال جرثقیل) ستون سوله به‌صورت زیر می‌باشد:

– حداکثر بار چرخ جرثقیل: طبق بند 6-5-9-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، حداکثر بار چرخ در جرثقیل‌های پل‌دار عبارت است از: بار ناشی از وزن پل به‌علاوه مجموع بار بهره‌برداری جرثقیل و وزن ارابه در موقعیتی از قرارگیری ارابه بر روی زیر سری که بیشترین اثر را در آن ایجاد نماید.

– نیروی ضربه قائم Q: طبق بند 6-5-9-2 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، برای در نظرگیری اثر ضربه قائم یا نیروی ارتعاشی ایجادشده، حداکثر بار چرخ جرثقیل باید مطابق با درصدهای زیر افزایش یابد.

– بار جانبی H: طبق بند 6-5-9-3 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، بار جانبی تیر زیر سری جرثقیل دارای ارابه‌های برقی باید برابر 20 درصد مجموع بار ضریب دار جرثقیل و وزن ارابه و بالابر در نظر گرفته شود. این بار به‌صورت افقی و در امتداد عمود بر محور تیر زیر سری )به سمت تیر زیر سری و یا در خلاف آن( و در سطح تماس چرخ با تیر زیر سری در نظر گرفته‌شده و به نسبت سختی جانبی تیرهای زیر سری در نظرگرفته شده طرفین و سازه نگه‌دارنده آن‌ها توزیع می‌شود.

– نیروی طولی N: طبق بند 6-5-9-4 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، نیروی طولی وارد بر تیر زیر سری جرثقیل به‌جز جرثقیل پلی با چرخ‌دنده دستی باید برابر 10 درصد حداکثر بار چرخ جرثقیل محاسبه شود. بار طولی باید به‌صورت افقی در امتداد محور تیر زیر سری و در هر یک از جهات در سطح تماس چرخ با تیر زیر سری اثر داده شود.

4. محاسبه بار برف سوله

برخلاف سازه‌های متعارف که معمولاً فقط بار متوازن در نظر گرفته می‌شود، در سوله‌ها بار برف شامل حالت‌های زیر می‌شود که به بررسی آن‌ها می‌پردازیم:

1- بار متوازن برف
2- بار نامتوازن برف
3- انباشتگی بار برف در بام پایین‌تر
4- بار برف لغزنده

1.4 بار متوازن برف

طبق بند 6-7-2 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، بار برف بر روی بام، P_r، با توجه به شیب و دمای بام، برف‌گیری و اهمیت سازه، برای هر مترمربع تصویر افقی سطح آن تعیین می‌شود و به‌عنوان یک امکان بارگذاری برف در نظر گرفته می‌شود.

P_r=I_S C_n C_h C_s P_s

C_n: ضریب برف‌گیری
C_s: ضریب شیب
C_h: ضریب شرایط دمایی
I_S: ضریب اهمیت بار برف
P_s: بار برف مبنا

نحوه محاسبه پارامترهای P_r :

– بار برف مبنا P_g: طبق بند 6-7-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، بار برف زمین،P_g، وزن لایه برف بر روی سطح افقی زمین است که بر اساس آمار موجود در منطقه احتمال تجاوز از آن در سال 2% باشد. (دوره بازگشت 50 سال) بار برف زمین در مناطق مختلف کشور را باید با توجه به تقسیم‌بندی مشخص‌شده در جدول 6-7-1 یا در شکل پیوست 6-5 حداقل برابر با این مقادیر در نظر گرفت:

نکته: این بار می‌توان با انجام مطالعات دقیق‌تر آماری برای منطقه موردنظر نیز اعمال نمود. ولی مقدار آن نباید کمتر از 0.8 مقدار بار منطقه مربوطه در نظر گرفته شود.

شکل 8 جدول تقسیم‌بندی شهرهای کشور از نظر بار برف طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398

– ضریب برف‌گیری C_n: طبق بند 6-7-4 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، اثر ناهمواری محیط و ساخت‌وساز اطراف و میزان برف‌گیری بام ساختمان به کمک ضریب برف‌گیری، حاصل از جدول 6-7-2 در نظر گرفته می‌شود.

الف) بام برف‌ریز: در این حالت، بام بالاتر از محیط اطراف است و محافظتی از اطراف وجود ندارد.

شکل 9 بام برف‌ریز

ب) بام برف‌گیر: بام‌هایی که از موانع اطراف خود پایین‌تر هستند و یا بر روی بام، واحدهای تأسیساتی بزرگ مستقر بوده و یا ارتفاع دست‌انداز بام و سایر برجستگی‌ها از روی بام بیشتر از ارتفاع برف متوازن باشد

پ) بام نیمه برف‌گیر: بام‌هایی که جز بام‌های برف‌ریز و برف‌گیر نباشند را بام نیمه برف‌گیر می‌گویند.

ناحیه پرتراکم: شامل محیط شهری و حومه شهری، محیط باغ و جنگل و سایر محیط‌های شامل ناهمواری و موانع متعدد و متراکم با ارتفاع 9 متر یا بیشتر.

ناحیه باز: محدوده‌ای که در آن ساختمان‌ها، درختان یا موانع دیگر به‌صورت پراکنده قرارگرفته یا در مجاورت دریاچه ساحل باز یا همراه با پوشش‌های گیاهی کم ارتفاع واقع‌شده است. ضمناً مناطقی که در آن‌ها تراکم ساختمان‌ها یا موانع یا ارتفاع آن‌ها شرایط ناحیه پرتراکم را نداشته باشند مشابه ناحیه باز تلقی می‌شوند.

ضریب شرایط دماییC_h: طبق بند 6-7-5 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، ضریب شرایط دمایی از جدول 6-7-3 با توجه به شرایط مورد انتظار ساختمان در سال‌های عمر مفید تعیین می‌شود

ضریب شیب C_s :طبق بند 6-7-6 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398 برای بام‌های مسطح، ضریب شیب برابر واحد است. برای بام‌های شیب‌دار ضریب شیب برحسب زاویه شیب α به‌صورت زیر تعیین می‌شود:

شکل 12 زاویه α

      C_s=1      α≤α₀        (الف-3-7-6)

C_s=1-(α-α₀)/(70-α₀ )   α₀ ≤α≤70°          (ب-3-7-6)

      C_s=0       α≥α₀ (پ-3-7-6)

زاویه °α با توجه به شرایط سطح شیب‌دار مشخص می‌شود.

اگر سطح بام لغزنده باشد: شامل بام‌های با پوشش‌های فلزی، سنگ برگ، شیشه‌ای و پوشش لاستیکی، پلاستیکی و قیراندود با سطوح صاف و هموار است.

C_h=1 ⇒ α₀=5°

C_h=1.1 ⇒ α₀=10°

C_h>1.1 ⇒ α₀=15°

اگر سطح بام غیر لغزنده باشد: شامل بام‌های با ورقه‌های پوشش آسفالتی و چوبی می‌شود.

C_h=1 ⇒ α₀=30°

C_h>1 ⇒ α₀=45°

2.4 بار برف نامتوازن

طبق بند 6-7-7-1 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، در نظر گرفتن بار نامتوازن برف برای بام‌های با شیب کمتر از 4% و شیب بیشتر از 60% درصد لازم نیست. برای بام‌های با فاصله افقی کمتر از 6 متر بین تاج و پای شیب با تیرهای با تکیه‌گاه ساده بین تاج و پای شیب، بار نامتوازن یکنواخت برف در حالت پشت به باد با شدتI_SP_g در نظر گرفته‌شده و قسمت رو به باد بدون برف در نظر گرفته می‌شود.

برای سایر بام‌ها، بار نامتوازن شامل بار گسترده 0.3P_r در سمت بادگیر و در سمت پشت به باد P_r به‌اضافه سربار به‌شدت بر واحد سطح افقی برابر γh_d √i و در فاصله افقی8h_d/(3√i) از تاج شیب به سمت پای شیب خواهد بود. i، بیانگر شیب سقف (تانژانت زاویه شیب) است. ارتفاع انباشت برفh_d برحسب متر از رابطه زیر به دست می‌آید:

h_d=0.12∛(L_u ) ∜(100Ps+50)-0.5

در رابطه فوق،L_u فاصله افقی تاج تا پای شیب در قسمت رو به باد، برحسب متر است. برای طول افقی ناحیه افقی ناحیه پشت به باد کمتر از 6 متر از مقدار 6 متر برای L_u استفاده شود.

3.4 انباشتگی برف در بام پایین‌تر

انباشتگی برف در بام پایین‌تر: طبق بند 6-7-9 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، اگر در سازه موردنظر بامی وجود داشت که پایین‌تر از بام اصلی بود (مانند بام بچه سوله: به بخشی کوچک از سوله گفته می‌شود که معمولاً به‌صورت تک‌شیب به قسمت اصلی سوله متصل است) باید انباشتگی بار برف در بام پایین‌تر در نظر گرفته شود که مقدار آن به بار برف متوازن بام پایین‌تر اضافه می‌شود.

– اگر h_c/h_b <0.2 باشد نیازی به در نظر گرفتن انباشتگی برف در بام پایین‌تر نیست.
– انباشتگی برف را برای دو حالت پشت به باد و رو به باد محاسبه می‌کنیم و هرکدام که بحرانی‌تر بود آن را در نظر می‌گیریم

الف) حالت پشت به باد:

h_b=p_r/γ , γ=0.43p_g+2.2,h_c=h₀-h_b,P_d=γh_d

h_d=0.12∛(L_u ) ∜(100p_g+50)-0.5

P_d: شدت انباشت بار برف که توزیع بار آن به‌صورت مثلثی است
ب) حالت روبه باد:

شکل 15 انباشتگی برف در امکان رو به باد

h_b=P_r/γ  ,  γ=0.43P_g+2.2  ,  h_c=h₀-h_b  ,  P´_d=γh´_d

h´_d=3/4 h_d=3/4 [0.12∛(L_u ) ∜(100P_g+50)-0.5]

h´_d: ارتفاع انباشت بار برف در حالت پشت به باد
اگر h´_d˃h_d ⇐ امکان پشت به باد بحرانی است و مقدار W برابر خواهد شد با:

h_d ˂h_c ⇒ W=4h_d ˂ 8h_c

h_d ˃h_c ⇒ W=(4h²_d)/h_c ˂ 8h_c

اگر h´_d<h_d ⇐ امکان رو به باد بحرانی است و مقدار W برابر خواهد شد با:

h´_d˂h_c ⇒ W=4h´_d˂ 8h_c

h´_d˃h_c ⇒ W=(4h´²_d)/h_c ˂ 8h_c

4.4 بار برف لغزنده

طبق بند 6-7-11 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، در مناطق 4، 5، 6 بار برف، اگر در سازه مورد نظر بامی وجود داشت که پایین‌تر از بام اصلی بود (مانند بام بچه سوله) باید لغزش برف بام بالاتر بر روی بام پایین‌تر در نظر گرفته شود که مقدار آن به‌صورت خطی به بار برف متوازن بام پایین‌تر اضافه می‌شود.

– در بام‌های لغزنده با شیب بیشتر از 2% نیاز به در نظر گرفتن برف لغزنده می‌باشد.
– در بام‌های غیر لغزنده با شیب بیشتر از 15% نیاز به در نظر گرفتن برف لغزنده می‌باشد.

با توجه به اینکه بچه سوله به سوله متصل است بنابراین دو سازه مجاور محسوب می‌شوند که در این صورت مقدار d (فاصله بین دو لبه بچه سوله و سوله) برابر با صفر خواهد بود

شکل 16 بار برف لغزنده در سوله

مقدار برف لغزنده برابر است با:

0.4p_r W[(4.5-d)/(4.5C_s )]

نکته بسیار مهم: از بین برف لغزنده و انباشتگی برف هرکدام که بحرانی‌تر باشند آن را در نظر می‌گیریم و به بار متوازن برف بام پایین (بام بچه سوله) اضافه می‌کنیم.

5. محاسبه بار باد سوله

طبق بند 6-10-1 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، ساختمان‌ها و سازه‌ها و کلیه اجزا آن‌ها باید برای اثر ناشی از باد، بر اساس ضوابط این فصل طراحی و ساخته شوند. این اثر باید با توجه به میانگین سرعت باد در منطقه، ارتفاع و شکل هندسی ساختمان‌ها و میزان پوشش و گرفتگی که موانع مجاور برای آن‌ها در مقابل باد ایجاد می‌کنند، محاسبه شوند. برای تعیین اثر ناشی از باد طراحی باید فرض شود که باد به‌صورت افقی و در هر یک از امتدادها، ترجیحاً در امتداد محورهای اصلی ساختمان و «به‌طور غیر هم‌زمان» بر ساختمان اثر نماید.

در بارگذاری بار باد سوله، اثر باد باید در امتداد مشخص‌شده در جهت موردنظر نیز بررسی شود. در طراحی اعضاء سازه اثر ناشی از بار باد با بار زلزله جمع نمی‌گردد و هرکدام بحرانی‌تر شد آن را ملاک طراحی قرار می‌دهیم. کلیه اعضاء سازه باید برای اثر هر یک از این دو که بیشتر باشد، طراحی شوند.
وجه‌های یک سوله به 6 بخش تقسیم می‌شوند که در شکل زیر نشان داده‌شده‌اند:

قسمت موازی با باد:

بخش 1 : ناحیه‌ای که تمام ستون‌های رو به باد به‌جز ستون قاب اول را شامل می‌شود
بخش 1E : شامل ستون قاب اول از بخش 1 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه y می‌باشد
بخش 2 : ناحیه‌ای که تمام رفترهای رو به باد به‌جز رفتر قاب اول را شامل می‌شود
بخش 2E : شامل رفتر قاب اول از بخش 2 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه y می‌باشد
بخش 3 : ناحیه‌ای که تمام رفترهای پشت به باد به‌جز رفتر قاب اول را شامل می‌شود
بخش 3E : شامل رفتر قاب اول از بخش 3 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه y می‌باشد
بخش 4 : ناحیه‌ای که تمام ستون‌های پشت به باد به‌جز ستون قاب اول را شامل می‌شود
بخش 4E : شامل ستون قاب اول از بخش 4 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه y می‌باشد

قسمت عمود بر باد:

بخش 5 : ناحیه‌ای که تمام ستون‌های رو به باد به‌جز ستون قاب اول را شامل می‌شود
بخش 5E : شامل ستون قاب اول از بخش 5 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه x می‌باشد
بخش 6 : ناحیه‌ای که تمام ستون‌های پشت به باد به‌جز ستون قاب اول را شامل می‌شود
بخش 6E : شامل ستون قاب اول از بخش 6 است که سهم بارگیر آن به‌اندازه x می‌باشد
مقدار x برابر است با

x=max⁡{1 m , عرض سوله %4 ,min⁡{ سوله عرض4% ,شانه ارتفاع %40 }}

مقدار y برابر است با:

y=max⁡{6 m ,2x}

شکل 17 تقسیم‌بندی وجه‌های سوله

نکته: علامت فشار در جمع جبری مثبت و علامت مکش منفی است.

طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، فشار خالص باد از جمع جبری فشار خارجی و فشار داخلی به دست می‌آید.

1.5 فشار یا مکش خارجی باد

طبق بند 6-10-4-1 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، فشار خارجی یا مکش تحت باد در بارگذاری سوله بر روی جز یا کل سطح یک ساختمان باید با استفاده از رابطه ذیل به دست آید:

P=I_w qC_e C_t C_g C_p C_d

p: فشار یا مکش خارجی استاتیکی در جهت عمود بر سطح است که در حالت فشار به سمت رو و به سطح و در حالت مکش به سمت خارج از سطح عمل می‌کند.

I_w: ضریب اهمیت بار باد

q: فشار مبنای باد

C_e: ضریب اثر تغییر سرعت

C_t: ضریب پستی‌وبلندی زمین

C_g: ضریب اثر تندباد

C_p: ضریب فشار

C_d: ضریب هم‌راستایی باد

2.5 فشار یا مکش داخلی باد

طبق بند 6-10-2 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، فشار یا مکش داخلی در اثر باد از رابطه زیر به دست می‌آید:

P_i=I_w qC_e C_t C_gi C_pi C_d

P_i: فشار داخلی که به‌صورت استاتیکی در جهت عمود بر سطح به شکل فشار وارد بر سطح با مکش به سمت خارج از سطح عمل می‌کند.

C_gi: ضریب اثر تندباد
C_pi: ضریب اثر بازشو

ضریب اهمیت سازه I_w: طبق بند 6-1-6 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398، ساختمان‌ها و سایر سازه‌ها باید بنا بر میزان خطرپذیری جانی، سلامت و رفاهی که بر اساس میزان آسیب یا خرابی و با توجه به کاربری آن‌ها مطابق جدول 6-1-1 تعیین می‌شود، برای اعمال بار سیل، باد، برف، زلزله و یخ دسته‌بندی گردند. به هر ساختمان یا سیستم سازه‌ای بایستی بالاترین گروه خطرپذیری ممکن اختصاص یابد. حداقل نیروهای طراحی برای سازه‌ها باید بر اساس ضرایب اهمیت ارائه‌شده در جدول 6-1-2 که از آن در سایر فصول این مبحث استفاده‌شده، تعیین گردد. اختصاص گروه‌های خطرپذیری مختلف به یک ساختمان یا سیستم سازه‌ای برای انواع مختلف شرایط بارگذاری (برای نمونه، باد یا زلزله) امکان‌پذیر است.

شکل 19 گروه‌بندی خطرپذیری ساختمان‌ها طبق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 1398

فشار مبنای باد q : فشار مبنای باد بنا به تعریف، فشاری است که باد با سرعتی برابر با سرعت مبنای باد بر سطحی عمود بر جهش وزش باد اعمال می‌کند و بر اساس سرعت متوسط ساعتی باد که احتمال تجاوز از این مقدار در سال 2% است و به‌طور متعارف با دوره بازگشت 50 ساله بیان می‌گردد.

ضریب اثر تغییر سرعت C_e: طبق بند 6-10-6-4 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، ضریب اثر تغییر سرعت،C_e تغییرات سرعت باد با ارتفاع و نیز اثرات ناشی از تغییرات در زمین اطراف و توپوگرافی را لحاظ می‌کند. این مقدار بر اساس توزیع جهشی باد در ارتفاع روی دو نوع زمین اطراف، باز و یا متراکم به شرح ذیل تعیین می‌شود:

الف) برای زمین باز از رابطه زیر تعیین می‌شود. زمین باز، زمینی است که در آن ساختمان‌ها، درختان و موانع دیگر به‌صورت پراکنده بوده و یا به مناطق مشرف‌به دریاچه، دریا و یا کنار ساحل باز اطلاق می‌گردد.

C_e=(Z/10)^0.2≥0.9

ب) برای زمین متراکم از رابطه زیر تعیین می‌شود. زمین متراکم به زمین حومه شهری، شهری، جنگل متراکم که تا یک کیلومتر و یا 20 برابر ارتفاع ساختمان در بالادست هرکدام بیشتر باشد، امتداد پیدا کند اطلاق می‌شود.

C_e=0.7(Z/12)^0.3≥0.7

مقدار Z برابر است با:

با توجه به اینکه سوله طبق بند 6-10-9 مبحث ششم ویرایش 1398، جزء ساختمان‌های با ارتفاع کمتر از 20 متر و نسبت ارتفاع به عرض آن کمتر از 1 است لذا داریم:

Z=max{ h ,6m}

ضریب پستی بلندی زمین C_t: طبق بند 6-10-7 مبحث ششم ویرایش 1398، با توجه به اینکه سوله‌ها معمولاً در زمین‌های هموار و دور از تپه یا پرتگاه احداث می‌شوند لذا مقدار آن برابر با  C_t =1 است.

ضرایب ترکیبی C_p C_g روی سازه باربر اصلی و اجزاء پوششی نما و دیوارها: طبق بند 6-10-9-1 مبحث ششم ویرایش 1398 ضرایب ترکیبی C_p C_g برای محاسبه فشار و مکش کلی رو سازه باربر اصلی جانبی (جهت باد همسو با شیب سقف) در شکل 6-10-4 و برای محاسبه فشار یا مکش جزئی روی اجزاء پوششی نما و دیوارها (جهت باد عمود بر شیب سقف) در شکل 6-10-5 داده شده است.

1) حالات بارگذاری الف و ب، به ترتیب جهت وزش باد، همسو با شیب بام و عمود بر آن را نشان می‌دهد. ضرایب C_p C_g در جداول مربوطه، میزان فشار یا مکش را روی کلیه وجوه ساختمان و بام و همین‌طور فشارهای اضافی موضعی در نوار کناری دیوارها و بام را تعیین می‌کند.

2) ساختمان باید برای هریک از دو امتداد اصلی، بارگذاری و در هر دو جهت تحلیل و طراحی شود. بارگذاری مجزای بام‌ها در حالت الف و ب برای منظور نمودن اثرات منجر به پیچش و همین‌طور بدترین حالت بارگذاری الزامی است.

3) برای زوایایی از شیب بام که در جدول داده نشده‌اند مقادیر C_p C_g از طریق درون‌یابی به دست می‌آید.

4) ضرایب مثبت C_p C_g به معنای نیروی رو به سطح (فشار) و منفی به معنای نیروهای خارج از سطح (مکش) می‌باشد.

5) در طراحی پی ساختمان‌ها (به‌جز طراحی میل مهار اتصال قاب‌ها به پی) کافی است 70% نیروی مربوط به باد منظور شود.

6) در بام‌های با زاویه شیب کمتر از 7 درجه مقدار (h) برابر ارتفاع پا شیب یا حداقل 6 متر اختیار خواهد شد.

7) در بارگذاری حالت الف، عرض نوارهای کناری ساختمان که تحت تأثیر فشار یا مکش بیشتری قرار می‌گیرند و باید در بارگذاری کلی ساختمان منظور شوند، به ترتیب زیر تعیین می‌شوند:
الف) حداقل y معادل 6 متر ، یا دو برابر x (که در بند 8 تعریف‌شده) هرکدام که بزرگ‌تر باشد.
ب) در سیستم‌های قابی، مقدار y می‌تواند فاصله بین قاب انتهایی تا اولین قاب داخلی اختیار شود.

8) در بارگذاری حالت ب عرض نوارهای کناری ساختمان (X) برابر با کمترین مقدار 10% کوچک‌ترین بعد افقی ساختمان در پلان، یا 40% ارتفاع پا شیب (H) منظور شود. این عرض درهرحال نباید کمتر از 4% کوچک‌ترین بعد افقی ساختمان یا 1 متر اختیار شود.

9) در بارگذاری حالت الف، چنانچه نسبت پهنای ساختمان در جهت باد (B) به ارتفاع ساختمان (H) بیش از 5 باشد، فشار یا مکش نواحی 2 و 2E در عرضی از بام به مقدار 2.5H اعمال‌شده و در بقیه سطوح بام ضرایب فشار یا مکش مربوط به ناحیه 3 و 3E اختیار خواهد شد.

ضریب اثر جهشی باد  C_gi : طبق بند 6-10-8-1 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398 ضریب اثر تندباد، C_g باید مطابق با یکی از موارد ذیل اختیار شود:

– برای کل ساختمان و اعضاء اصلی سازه C_g=2
– برای فشار خارجی و مکش در اعضاء کوچک ازجمله نما یا پوسته خارجی C_g=2.5
– برای فشار یا مکش‌های داخلیC_gi=2 و یا محاسبات دقیق‌تری که اندازه‌های بازشوها را در ساختمان، فشار حجم داخلی و انعطاف‌پذیری ساختمان را نظر گرفته باشد.

ضریب هم‌راستایی باد C_d: طبق بند 6-10-12 مبحث ششم مقررات ملی ویرایش 1398، ضریب هم‌راستایی باد به‌منظور در نظر گرفتن احتمال هم‌راستایی جهت باد، ساختمان و ضریب فشار مربوط در همان جهت باد پیش بینی شده است به‌جز در ساختمان‌ها و حالات زیر ضریب هم‌راستایی برابر با 0.85 اختیار می‌شود.

الف) دودکش‌ها، منابع و ساختمان‌های مشابه با مقطع مربع C_d=0.9 با مقطع دایره یا هشت‌ضلعی C_d=0.95

ب) پایه‌های انتقال نیرو (برج‌های خرپایی) با مقطع مثلث، مربع و مستطیل C_d=0.85، با سایر مقاطع C_d=0.9

ضریب فشار داخلی C_pi

C_pi میزان و پراکندگی بازشوها

−0.15 ~ 0 ساختمان فاقد هرگونه بازشو بزرگ و قابل‌ملاحظه.
−0.45 ~ +0.3 ساختمان دارای بازشوهای بزرگ که در مواقع طوفان می‌توان اطمینان حاصل کرد که بسته شوند.
−0.7 ~ +0.7 ساختمان دارای بازشوهای بزرگ دائمی مثل پناهگاه‌های یک سمت باز و یا سالن‌های صنعتی با درب‌های حمل‌ونقل بزرگ.

با توجه به اینکه برایC_pi طبق (جدول 3) دو مقدار وجود دارد لذا فشار داخلی باد تحت دو Case 1 و Case 2 بررسی و محاسبه می‌شود که درنهایت برای فشار خالص باد نیز دو مقدار تحت عنوان Case 1 و Case 2 به دست خواهد آمد لذا داریم:

Pخالص=(P+P_i)_case1=P+P_i(case1)

Pخالص=(P+P_i)_case2=P+P_i(case2)

6. محاسبه بار زلزله

ساختمان و اجزای آن باید برای اثر ناشی از زلزله مطابق ضوابط استاندارد 2800 ویرایش 4 طراحی و اجرا شوند. زلزله مبنای طراحی، زلزله طرح نامیده می‌شود که احتمال وقوع آن در 50 سال عمر مفید ساختمان کمتر از 10 درصد باشد.

به دلیل اینکه در ابتدای طراحی اطلاعی از مشخصات سازه در اختیار نداریم و هم‌چنین برای طراحی نیاز به نیروی زلزله می‌باشد لذا از رابطه تجربی محاسبه زمان تناوب استاندارد 2800 ویرایش چهارم استفاده کرده و جهت تحلیل اولیه سازه از زمان تناوب تجربی برای محاسبه مقادیر C: ضریب برش پایه زلزله استاتیکی و K : ضریب باز توزیع نیروی جانبی زلزله در ارتفاع ساختمان کاربرد دارد استفاده می‌کنیم سپس بعد از تحلیل با استفاده از زمان تناوب تحلیلی نرم‌افزار SAP2000 مقادیر C و K را محاسبه کرده و در نرم‌افزار اعمال می‌کنیم.

روش تحلیل استاتیکی معادل: در این روش نیروی جانبی زلزله بر طبق ضوابط این بند تعیین می‌گردد و به‌صورت استاتیکی رفت‌وبرگشت به سازه اعمال می‌شود. طبق بند 3-2 استاندارد 2800 ویرایش 4، حداقل نیروی برشی پایه یا مجموع نیروهای جانبی زلزله در هر یک از امتدادهای ساختمان با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌گردد:

V=C.W>(AIW)/10

V: نیروی برشی در تراز پایه
W: وزن مؤثر لرزه‌ای کل ساختمان، شامل تمام بار مرده و وزن تأسیسات ثابت به‌اضافه درصدی از بار زنده و برف
C: ضریب زلزله که از رابطه زیر به دست می‌آید:

C=(ABI)/R_u

A: نسبت شتاب مبنای طرح
B: ضریب بازتاب ساختمان که با استفاده از طیف بازتاب طرح به دست می‌آید.
I: ضریب اهمیت ساختمان
R: ضریب رفتار ساختمان
نسبت شتاب مبنای طرح A:

با توجه به میزان خطر لرزه‌خیزی هر منطقه شتاب مبنای طرح (A) طبق جدول زیر به دست می‌آید درجه‌بندی خطر نسبی زلزله در شهرها و نقاط مهم ایران طبق جداول پیوست 1 استاندارد 2800 ویرایش 4 موجود است.

ضریب بازتاب ساختمان B: طبق بند 2-3 استاندارد 2800 ویرایش 4، این ضریب از رابطه زیر به دست می‌آید که به نوع زمین و زمان تناوب سازه بستگی دارد:

B=B₁ N

طبق بند 2-4 استاندارد 2800 ویرایش چهارم با توجه به آزمایش‌هایی که انجام‌شده است، طبقه‌بندی زمین به‌صورت جدول زیر می‌باشد.

زمان تناوب اصلی نوسان T: زمان تناوب اصلی نوسان بسته به مشخصات ساختمان و ارتفاع آن از تراز پایه و با استفاده از روابط تجربی زیر تعیین می‌گردد.

ساختمان‌های متعارف: طبق بند 3-3-3-1 استاندارد 2800 ویرایش 4 داریم:

1- سیستم قاب خمشی:

الف) در مواردی که جداگرهای میانقابی مانعی برای حرکت قاب‌ها ایجاد ننمایند:
در قاب‌های فولادی T=0.08H^0.75

ب) در مواردی که جدا گرهای میانقابی مانعی برای حرکت قاب‌ها ایجاد نمایند: مقدار T باید برابر با 80 درصد مقادیر عنوان‌شده در بالا در نظر گرفته شود.

2- برای ساختمان‌های با سیستم مهاربندی واگرا، مشابه قاب‌های فولادی از رابطه (3-3).

3- برای ساختمان‌های با سایر سیستم‌های مندرج در جدول (3-5) به‌غیراز سیستم کنسولی، با یا بدون وجود جدا گرهای میانقابی:

T=0.05H^0.75

نکته: با توجه به اینکه سازه سوله بسیار سبک‌تر از سازه‌های متعارف دیگر است و هم‌چنین دهانه بارگیر زیادی دارد لذا عموماً بار زلزله حاکم نخواهد شد و فقط بار باد در نظر گرفته می‌شود.

7. نحوه اعمال بارگذاری سوله در نرم‌افزار SAP2000

در این بخش مراحل بارگذاری یک سوله را به کمک یک مثال آموزش خواهیم داد. در ادامه، سوله نشان داده‌شده در شکل زیر را با فرض اینکه از 6 قاب به فواصل 6 متر و عرض دهانه 15 متر و با کاربری صنعتی – کارگاهی در شهر تهران قرار دارد بارگذاری خواهیم کرد. لازم به ذکر است که از هر دو نرم‌افزار Etabs و SAP می‌توانیم برای طراحی سوله استفاده کنیم اما با توجه به اینکه نرم‌افزار SAP قابلیت‌های عمومی‌تری برای مدل‌سازی و طراحی سازه‌های غیرمتعارف مثل سوله دارد لذا از SAP استفاده می‌شود.

1.7 نحوه محاسبه بار مرده

جهت محاسبه بار مرده بام و دیوارها داریم:

1.1.7 بار مرده واحد سطح (بام)

با توجه به اینکه لاپه ها را در نرم‌افزار مدل نمی‌کنیم و آن‌ها را به‌صورت دستی طراحی می‌کنیم لذا بارهای وارد بر بام سوله را مستقیماً به تیر (رفتر) اعمال می‌کنیم.

قاب ابتدایی و انتهایی:

50kg/m²×3m =150kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

قاب‌های میانی:

50kg/m²×6m =300kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

تیرها (رفتر) در قاب موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 25 اعمال بار مرده بام در نرم‌افزار SAP

2.1.7 بار مرده واحد طول (دیوار پیرامونی)

به دلیل پیوستگی قاب و دیوار هنگام زلزله، جرم دیوارها در تعیین نیروی زلزله مؤثر خواهد بود به‌عبارت‌دیگر اگر جابه‌جایی سوله به‌عنوان یک طبقه در نظر بگیریم میزان جابجایی در قسمت Top طبقه بیشتر از قسمت Bottom طبقه است. علت این امر نیز وجود نیروی جانبی است که وقتی به سازه اعمال می‌شود بیشترین تأثیر را در نقاط بالای طبقه می‌گذارد که این اثر بار در بالای ستون بیشترین اثر خود را دارد و در پای ستون صفر می‌شود. البته اگر با رعایت پیوست ششم 2800 اتصال بین دیوار و ستون برقرار نباشد می‌توان از اعمال این بار صرف‌نظر کرد ولی در جهت اطمینان اعمال آن توصیه می‌گردد.

لذا بارگذاری آن به‌صورت مثلثی خواهد بود.

با توجه به طول بارگیری، 3 تیپ ستون خواهیم داشت که اگر دهانه سوله 15 متر فرض کنیم:

1. ستون‌های گوشه سالن

W_wall=648×(1/2×6+1/2×5)=3564 kg/m

2.ستون‌های کله و راسته (وال پست)

W_wall=648×(1/2×5+1/2×5)=3240 kg/m

3.ستون‌های میانی

W_wall=648×(1/2×6+1/2×6)=3888 kg/m

نحوه اعمال بارگذاری اثر دیوارهای پیرامونی سوله در نرم‌افزار SAP2000:

ستون‌های موردنظر در جهت طولی سوله (در جهت Y) را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

2.7 بار زنده

بارهای زنده به‌صورت زیر اعمال می‌شوند.

1.2.7 بار زنده بام

با توجه به اینکه لاپه ها را در نرم‌افزار مدل نمی‌کنیم و آن‌ها را به‌صورت دستی طراحی می‌کنیم لذا بارهای وارد بر بام سوله را مستقیماً به تیر (رفتر) اعمال می‌کنیم. لازم به ذکر است با توجه به اینکه بام سوله‌ها شیب‌دار است لذا بارهای زنده مانندِ بار زنده بام و بار زنده برف باید به‌صورت ثقلی تصویر شده اعمال شوند زیرا برخلاف بار مرده که ناشی از خود المان است بارهای زنده به‌صورت ثانویه به المان وارد می‌شوند که برای معادل‌سازی بارهای زنده به‌صورت ثقلی باید تصویر آن‌ها به المان اعمال شود

قاب ابتدایی و انتهایی:

50kg/m²×3m =150kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

قاب‌های میانی:

50kg/m²×6m =300kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

تیرهای (رفتر) قاب موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 28 اعمال بار زنده بام در نرم‌افزار SAP

2.2.7 بار زنده جرثقیل

با فرض جرثقیل 10 تن و وزن ارابه 0.2 تن داریم:

شکل 30 نمایش نیروهای وارد بر هر چرخ جرثقیل

وزن بار برابر است با:

W₁=10000 kg

وزن ارابه برابر است با:

W₂=200 kg

وزن پل برابر است با:

W₃=50 kg/m

وزن ریل طولی و تیر حمال برابر است با:

W₄=100 kg/m

1.حداکثر بار چرخ جرثقیل:

با توجه به اینکه ارابه 4 چرخ دارد بنابراین بار هر چرخ برابر است با:

q=(W₁+W₂)/4=(10000+200)/4=2550 kg

با توجه به اینکه ارابه جرثقیل بر روی 2 چرخ در حرکت است لذا حداکثر بار چرخ‌های پل جرثقیل برابر است با:

R=2q/L (L-a/2)+(W₃ L)/2=(2×2550)/15 (15-1.5/2)+(50×15)/2=5220 kg

2.نیروی ضربه قائم Q:

با توجه به اینکه C فاصله مربوط به چرخ های جرثقیل روی تیر حمال را برابر 1 متر در نظر گرفته ایم و همچنین جرثقیل را جرثقیل تک‌ریلی موتوردار فرض کرده ایم لذا میزان درصد افزایش اثر ضربه قائم برابر است با 25%

Q=1.25R=1.25×5220=6525 kg

3.بار جانبی H:

H=0.2(W₁+W₂ )=0.2×(10000+200)=2040 kg

نیروی افقی N:

N=0.1R=0.1×5220=522 kg

لنگر حداکثر در تیر زیر سری: حداکثر لنگر ناشی از نیروهای Q و N در این بارها و هنگامی‌که چرخ‌های ارابه در وسط تیر حمال بین دو قاب متوالی باشد (در فاصله X از تکیه‌گاه) تعیین می‌گردد.

به جهت بحرانی شدن لنگر باید چرخ های ارابه در وسط تیر اما به یک طرف تکیه گاه نزدیک تر باشد که در این صورت باید در محاسبات زیر c/4 در نظر بگیریم

X=6/2-C/4=3-1/4=2.75
M_y=(H/2)/2L (L-C/2)²=(2040/2)/(2×6) (6-1/2)²=2575.25 kg.m
M_z=Q/2L (L-C/2)²+W₄ L²/8=6525/(2×6) (6-1/2)²+100×6²=16898.43 kg.m

نیروی برشی حداکثر در تیر زیر سری: حداکثر نیروی برشی ناشی از نیروهای Q وH/2 در این بارها و هنگامی‌که چرخ‌های ارابه نزدیک‌ترین فاصله را با تکیه‌گاه داشته باشد (اصطلاحاً به ستون چسبیده باشد) تعیین می‌گردد.لازم به ذکر است که محور y در جهت طولی سوله و محور x در جهت عرض دهانه سوله و محور z در جهت ارتفاع سوله در نظر گرفته شده است

V_y=(2×H/2)/L (L-C/2)=(2×2040/2)/6 (6-1/2)=1870 kg
V_z=(2×Q)/L (L-C/2)+(W₄ L)/2=(2×6525)/6 (6-1/2)+(100×6)/2=12262.5 kg

نمایش بارهای وارد بر ستون (براکت): برای تعیین حداکثر نیروی ناشی از حرکت جرثقیل روی قاب، باید تیرهای عرضی (پل‌ها) طوری قرار گیرند که مرکز ثقل بارها در صفحه قاب واقع شود.

P=2R+W₄ L=2×5220+100×6=11040 kg
±H=±2040 kg
±2N=±2×522=±1044 kg

اعمال بار زنده P:

نقاط موردنظر (نقاط مربوط به انتهای براکت ها) را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Joint loads →  Forces

شکل 32 اعمال بار زنده P در نرم‌افزار SAP

اعمال بار زنده H±: این بار به‌صورت رفت و برگشتی است بنابراین یک‌بار با علامت منفی و یک‌بار با علامت مثبت وارد می‌کنیم.

نقاط موردنظر (نقاط مربوط به انتهای براکت ها) را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Joint loads →  Forces

اعمال بار زنده 2N±: این بار به‌صورت رفت و برگشتی است بنابراین یک‌بار با علامت منفی و یک‌بار با علامت مثبت وارد می‌کنیم.
نقاط موردنظر (نقاط مربوط به انتهای براکت ها) را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Joint loads →  Forces

3.7 بار برف

1.3.7 بار متوازن برف

بار برف مبنا Pg برابر است با:

با توجه به اینکه سوله در محیط شهری قرار دارد. لذا در گروه ناهمواری محیطی زیاد قرار می‌گیرد و اگر بام را نیمه برف‌گیر در نظر بگیریم (معمولاً سوله‌ها بام نیمه برف‌گیر دارند) ضریب برف‌گیری C_n برابر است با:

با توجه به اینکه کاربری سوله صنعتی – کارگاهی است، ضریب شرایط دماییC_hبرابر است با:

با توجه به اینکه شیب بام اصلی و بام بچه سوله متفاوت است لذا دو تا ضریب شیب C_s داریم که برابر است با:

α(اصلی بام)=tan^-1 (1.5/7.5)≈11.31°

α(سوله بچه بام)=tan^-1 (1/6)=9.46°

در جهت اطمینان C_s=0.931 در نظر می گیریم

P_r=I_s C_nC_h C_s P_g=1×1×1×0.931×1.5=1.396 kN/m² ≅140 kg/m²

با توجه به اینکه لاپه ها را در نرم‌افزار مدل نمی‌کنیم و آن‌ها را به‌صورت دستی طراحی می‌کنیم لذا بارهای وارد بر بام سوله را مستقیماً به تیر (رفتر) اعمال می‌کنیم.

140kg/m²×3m =420kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

140kg/m²×6m =840kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

تیرهای (رفتر) قاب موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

2.3.7 بار نامتوازن برف

در سوله‌هایی که بام پایین‌تر از بام اصلی دارند نیازی به در نظر گرفتن بار برف نامتوازن برای بام پایین‌تر نیست.

h_d=0.12∛(I_u ) ∜(100P_g+50)-0.5=0.12×∛7.5 ∜(100×1.5+50)-0.5=0.383
γ=0.43P_g+2.2=0.43×1.5+2.2=2.845
i=tan⁡(α)=tan⁡(11.31°)=0.2
γh_d √i=2.845×0.383×√.2=0.487 kN/m²
8h_d/(3√i)=(8×0.383)/(3×√0.2)=2.83 m

قاب ابتدایی و انتهایی:

سمت پشت به باد

140kg/m²×3m×0.3 =126kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

سمت رو به باد

قسمت ثابت

140kg/m²×3m =420kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

اضافه سربار

48.7kg/m²×3m =420kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

قاب‌های میانی:

سمت پشت به باد

140kg/m²×6m×0.3 =252kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

سمت رو به باد

140kg/m²×3m =420kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

قسمت ثابت

140kg/m²×6m =840kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

اضافه سربار

برای مثال تیر (رفتر) قسمت رو به باد قاب‌های میانی انتخاب کرده و در ابتدا قسمت ثابت بار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

سپس قسمت اضافه سربار را اعمال می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 37 اعمال قسمت اضافه سربار نامتوازن برف در نرم‌افزار SAP

3.3.7 انباشتگی بار برف در بام پایین‌تر

h_b=P_r/γ=1/2.845=0.35
γ=0.43P_g+2.2=0.43×1+2.2=2.845
h_c=h₀-h_b=1.5-0.35=1.15
h_ch_b=1.15/0.35=3.28>0.2
h_d=0.12∛(l_u ) ∜(100P_g+50)-0.5= 0.12×∛7.5 ∜(100×1.5+50)-0.5=0.38
h´_d=3/4 h_d=3/4 [0.12∛(l_u ) ∜(100P_g+50)-0.5]=3/4×[0.12×∛6 ∜(100×1.5+50)-0.5]=0.24

با توجه به اینکه h´_d<h_d امکان رو به باد بحرانی است لذا داریم

h´_d=γh´_d=2.845×0.24=0.683 kN/m²

و مقدار W برابر خواهد شد با:

h´_d˂h_c ⇒ W=4h´_d=4×0.24=0.96 m ˂ 8h_c=8×1.15=9.2 m

4.3.7 برف لغزنده

tan⁡(αاصلی بام )=tan⁡(11.31°)=0.2=2% ⇒       نیازی به در نظر گرفتن برف لغزنده نیست

ولی در جهت آموزش مقدار برف لغزنده را حساب می‌کنیم

0.4P_r W[(4.5-d)/(4.5C_s )]= 0.4×1×6[(4.5-0)/(4.5×0.930)]=2.58 kN/m²

با توجه به اینکه مقدار برف لغزنده از مقدار یا شدت انباشتگی برف در بام پایین‌تر بیشتر شده است لذا برف لغزنده را در نظر می‌گیریم
برای این منظور رفتر موردنظر را انتخاب کرده سپس

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 38 اعمال بار برف لغزنده در نرم‌افزار SAP

4.7 محاسبه بار باد در سوله

1.ضریب اهمیت بار باد I_w:

طبق جدول زیر و با توجه به نوع کاربری سازه گروه خطرپذیری را مشخص کرده و سپس ضریب اهمیت سازه را انتخاب می‌کنیم.

2.فشار مبنای باد q:

3.ضریب اثر تغییر سرعت C_e: با توجه به اینکه سازه در شهر قرار دارد لذا زمین پرتراکم محسوب می‌شود.

C_e=0.7(z/12)^0.3=0.7×(((6+7.5)/2)/12)^0.3=0.59<0.7 ⇒ C_e=0.7

4.مقدار جهت C_p C_g :

– بارگذاری بار باد همسو با شیب سقف: با توجه به اینکه زاویه بام اصلی α=11.31° است و چنین زاویه‌ای در جدول وجود ندارد لذا باید میانیابی کنیم

– بارگذاری بار باد عمود بر شیب سقف:

5.ضریب اثر تندباد C_gi: برای فشارهای داخلی C_gi=2 است.
6.ضریب هم‌راستای باد C_d: طبق بند 6-10-12 برابر است با C_d=0.85
7.ضریب فشار داخلی C_pi:

محاسبه فشار خالص باد در راستای عمود بر لبه

برای مثال جهت اعمال بار باد برای ستون‌های مربوط به بخش 4 قاب‌های میانی سوله در نرم‌افزار داریم:

نیروی باد Casse1:

0.52kg/m²×6m=-3.12kg/m-=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

نیروی باد Case2:

0.02kg/m²×6m=-0.12kg/m-=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر قاب

با توجه به اینکه علامت نیروی باد در هر دو Case منفی شده است؛ لذا مکش در سطح سوله ایجاد می‌شود که باید در نرم‌افزار علامت نیروی باد را با توجه محور مختصات به نحوی وارد کنیم که جهت نیرو به سمت بیرون از سطح باشد.

ستون‌های موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم

Assign → Frame loads → Distributed

برای مثال جهت اعمال بار باد برای تیر‌های مربوط به بخش 2 (شکل 22 و 23 ) قاب انتهایی سوله در نرم‌افزار داریم:

نیروی باد Casse1:

0.73kg/m²×6m=-2.19kg/m-=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر ستون

نیروی باد Case2:

0.23kg/m²×6m=-0.69kg/m-=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر ستون

با توجه به اینکه علامت نیروی باد در هر دو Case منفی شده است؛ لذا مکش در سطح سوله ایجاد می‌شود که باید در نرم‌افزار علامت نیروی باد را با توجه محور مختصات به نحوی وارد کنیم که جهت نیرو به سمت بیرون از سطح باشد.
تیرهای موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم. لازم به ذکر است که به جهت اعمال دقیق بار باد بر روی تیرها طبق محور محلی تیرها بارها را اعمال می‌کنیم به این صورت که محور 2 المان تیرها در جهت خارج از صفحه است بنابراین هنگام اختصاص دادن گزینه local و محور 2 را انتخاب می‌کنیم.

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 40 اعمال بار باد برای تیر‌های مربوط به بخش 2 قاب انتهایی در نرم‌افزار SAP

محاسبه فشار خالص باد در راستای موازی لبه

برای مثال جهت اعمال بار باد برای ستون‌های وال پست مربوط به بخش 5 (شکل 22 و 23 ) سوله در نرم‌افزار داریم:

نیروی باد Casse1:

0.05kg/m²×36.66/7.33 m=-25kg/m-=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر ستون

نیروی باد Case2:

0.45kg/m²×36.66/7.33 m=225kg/m=سهم بارگیر×بار گسترده=بار خطی وارد بر ستون

با توجه به اینکه علامت نیروی باد در Case1 منفی شده است؛ لذا مکش در سطح سوله ایجاد می‌شود که باید در نرم‌افزار علامت نیروی باد را با توجه محور مختصات به نحوی وارد کنیم که جهت نیرو به سمت بیرون از سطح باشد.

با توجه به اینکه علامت نیروی باد در Case2 مثبت شده است؛ لذا فشار در سطح سوله ایجاد می‌شود که باید در نرم‌افزار علامت نیروی باد را با توجه محور مختصات به نحوی وارد کنیم که جهت نیرو به سمت داخل سطح باشد.

ستون‌های های موردنظر را انتخاب کرده سپس به منوی زیر رفته و بار را اعمال می‌کنیم

Assign → Frame loads → Distributed

شکل 42 اعمال بار باد Case 2 برای ستون‌های وال پست مربوط به بخش 5 در نرم‌افزار SAP

5.7 بار زلزله

طبق درجه‌بندی خطر نسبی زلزله در شهرها و نقاط مهم ایران طبق جداول پیوست 1 استاندارد 2800 ویرایش 4، شهر تهران در منطقه خطر لرزه خیری خیلی زیاد قرار دارد.

با توجه به اینکه سوله در جهت عرضی x قاب خمشی معمولی و در جهت طولی y قاب مهاربندی همگرای معمولی داریم بنابراین طبق بند

3-3-3-1 استاندارد 2800 ویرایش 4 داریم:

در جهت x (دهانه سوله) سیستم قاب خمشی معمولی

T_x=0.08H^0.75=0.08×((7.6+6)/2)^0.75=0.335

در جهت y (طول سوله) سیستم قاب مهاربندی معمولی

T_y=0.05H^0.75=0.05×((7.6+6)/2)^0.75=0.21

با فرض اینکه نوع زمین تیپ 3 باشد داریم:

B_x=B_y=B₁ N=2.75×1=2.75

ضریب رفتار قاب خمشی فولادی معمولی R_x=3.5
ضریب رفتار قاب مهاربندی همگرای معمولی فولادی R_y=3.5

C_x=C_y=ABI/R=(0.35×2.75×1)/3.5=0.275
T_x,T_y<0.5 s ⇒K_x=K_y=1

جهت اعمال ضریب زلزله در نرم‌افزار به منوی زیر می‌رویم

Define → load Patterns

شکل 44 اعمال ضریب زلزله در نرم‌افزار SAP

6.7 ترکیبات بارگذاری سوله

قبل از اینکه این بخش را برای شما توضیح دهیم می‌خواهیم یک ویدئو بسیار کاربردی که از دوره طراحی سوله سبزسازه به طور رایگان در زمینه ترکیبات بارگذاری سوله، آماده شده است را به شما نشان دهیم. مطمئنا با دیدن این ویدئو به راحتی متوجه مطالب این بخش می‌شوید.

طبق بند 6-2-3-2 مبحث ششم ویرایش 1398، در طراحی به روش ضرایب بار و مقاومت، سازه‌ها ، اعضاء و شالوده‌های آن‌ها باید به‌گونه‌ای طراحی شوند که مقاومت طراحی آن‌ها بزرگ‌تر یا برابر با اثرات ناشی از ترکیب بارهای ضریب دار زیر باشد:

برای ساختن ترکیب بارهای موردنیاز برای طراحی سوله به‌صورت زیر عمل می‌کنیم

1- تعریف بارهای موردنظر: برای تعریف بارهای مورداستفاده از منوی ری اقدام می‌کنیم

Define → load Patterns

2-تعریف ترکیب بارهای موردنظر: بعد از تعریف حالت بارها شروع به ساخت ترکیب بارهای مورداستفاده از منوی زیر می‌کنیم.

برای مثال ترکیب بار شماره 1 را تعریف می‌کنیم

Define → load Combinations

شکل 46 نحوه تعریف ترکیب بار در SAP

نتیجه‌گیری

همان‌طور که پیش‌تر هم گفته شد بارگذاری سوله بخش مهمی در روند طراحی یک سوله است به دلیل اینکه اصولاً روند مدل‌سازی و طراحی سوله روند کوتاه‌تری دارد اما در بخش بارگذاری سوله حالات مختلف بار در نظر گرفته می‌شود که هرکدام از این حالات به‌نوبه خود پیچیدگی خود را دارد که همین امر باعث اهمیت این بخش در طراحی سازه سوله نسبت طراحی سازه‌های دیگر شده است.
در این مقاله حالات مختلف بارگذاری یک سوله تک دهانه + بچه سوله را محاسبه و در نرم‌افزار اعمال نمودیم.

منابع

1. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش سال 1392
2. استاندارد 2800 ویرایش چهارم