محاسبات بار برف در ساختمان همراه با آموزش نحوه اعمال بار برف در ایتبس

اهمیت اعمال بار برف

❓ بار برف در کدام دسته بندی بارگذاری ساختمان قرار دارد؟

برای تحلیل یک عضو سازه ای شناخت ماهیت و میزان بارگذاری از نکات بسیار مهم است. اگر درک درستی از بارهایی که در کل مدت بهره برداری قرار است بر سازه وارد شوند، داشته باشیم، طرحی ایمن و اقتصادی ارائه خواهیم نمود. در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، انواع بارهای محتمل وارد بر سازه بر اساس راستای اعمال و ماهیتشان طبقه‌بندی‌شده‌اند.

عموماً بارهای وارد بر سازه به صورت ثقلی یا جانبی و در موارد خاص مانند انفجار و سیل با راستای نامشخص می باشند. باربرف صرف نظر از هندسه ی بام، در راستای جاذبه ی زمین (راستای قائم) روی بام ها و نواحی باز ساختمان نظیر بالکن، تراس یا بهارخواب اعمال می شود؛ بنابراین در دسته بندی بارهای ثقلی قرار دارد. شدت باربرف بر اساس آمار و احتمالات و موقعیت جغرافیایی و پارامترهای متنوعی قابل‌ محاسبه است.

✅ در متن اصلی ایبوک به ‌تفصیل، تمام مراحل تعیین بار برف را شرح خواهیم داد.

برای محاسبه بار برف بر روی سازه‌ها، نیاز است که مجموعه‌ای از پارامترهای متنوع و کلیدی مورد توجه قرار گیرند. این پارامترها شامل آمار موجود و ویژگی‌های جغرافیایی منطقه، اهمیت ساختمان، شیب سقف، موقعیت و نوع موانع اطراف، دمای زیر سازه بام، جنس پوشش بام، شکل هندسی بام و غیره هستند.

به‌عنوان مثال، در برخی مناطق، تأثیر یخ‌زدگی ناشی از وزش باد و یا بار اضافی ناشی از انباشت برف نیز باید به‌طور دقیق محاسبه شود ( توضیحات آیین‌نامه‌ی ASCE 7-22: محاسبات بار اضافی: بارهای اضافی باید به‌دقت محاسبه و در طراحی سقف‌ها در نظر گرفته شوند، به‌ویژه در مورد شیب و هندسه سقف).

این عوامل به‌طور مستقیم بر بار برف تأثیر می‌گذارند و در نهایت تعیین‌کننده بار طراحی نهایی خواهند بود. پس از تعیین بار برف، شرایط مختلفی از جمله بار برف متوازن، بار برف نامتوازن، بار برف بخشی، انباشتگی و برف لغزنده باید به دقت مورد بررسی قرار گیرد. این تقسیم‌بندی به مهندسان کمک می‌کند تا تأثیرات مختلف بار برف را بر روی سازه‌ها بهتر درک کنند و در طراحی‌های خود لحاظ نمایند. به‌ویژه در مناطق سردسیر، بار برف معمولاً بیشتر از بار زنده بام بوده و این نکته حائز اهمیت است که ترکیب بار بحرانی برای طراحی اجزای بام باید به‌گونه‌ای انجام شود که بتواند این بارها را به درستی مدیریت کند.

برای محاسبه‌ی بار برف مبحث 6 بر اساس بند 6-7-2 این آیین‌نامه، با در نظر گرفتن بار برف مبنا، شیب و شرایط دمایی زیر بام، برف‌گیری و اهمیت سازه برای هر مترمربع تصویر افقی از سطح آن تعیین می‌شود (فرمول زیر). این روابط ریاضیاتی به طراحان کمک می‌کند تا بارهای برف را با دقت بیشتری محاسبه و در طراحی‌های خود لحاظ کنند، به‌ویژه در نواحی با بارش‌های شدید برف. همچنین در آیین‌نامه‌ی ASCE 7-22 تغییراتی اعمال شده است.

“تغییرات در بارهای برف طراحی در استاندارد ASCE 7-22: این تغییرات شامل انتقال از بارهای برف با دوره تکرار 50 ساله به بارهای هدف‌گذاری‌شده از نظر قابلیت اطمینان است که به دلیل عدم یکنواختی در قابلیت اطمینان سقف‌ها در نقاط مختلف کشور به‌وجود آمده است. همچنین، ضریب بار برف از 1.6 به 1 کاهش یافته و ضریب‌های اهمیت برف حذف شده‌اند. در نهایت، ضریب 0.7 به منظور ارائه مقاومت معادل در طراحی‌های تنش مجاز در نظر گرفته شده است. این تغییرات به‌منظور بهبود دقت و ایمنی در طراحی سازه‌ها در برابر بارهای برف ایجاد شده‌اند.”

P_r=I_s C_n C_h C_s P_s

I_s: ضریب اهمیت، C_n ضریب برف‌گیری، C_h ضریب شرایط دمایی، C_s ضریب شیب، P_s بار برف مبنا، P_s بار برف بام

حداقل مقدار بار برف مبنا و وزن مخصوص برف در مناطق مختلف کشور

همان‌طور که ابتدای مقاله گفتیم، صرف نظر از شکل هندسی بام، همواره راستای اعمال بار برف در راستای قائم است و روی تصویر افقی بام اعمال میشود. با داشتن اطلاعات فوق قادریم که برای هر منطقه، ارتفاع برف متوازن را از فرمول زیر تعیین نماییم:

✅ توضیحات بیشتر به طور مفصل در متن اصلی ایبوک آورده شده است.

بارگذاری های متوازن و نامتوازن

تا اینجا با نحوه ی محاسبه ی بار برف متوازن روی انواع سقف آشنا شدیم و همان‌طور که ملاحظه نمودید، این بار روی تصویر افقی سطح بام به صورت یکنواخت و در راستای قائم توزیع می شود و تحت تاثیر جهت وزش باد نیست. اما روی بام های شیب‌دار علاوه بر برف نامتوازن، حالت دیگری باید بررسی شود که دربرگیرنده ی اثر کاهش بار برف ناشی از تابش نور خورشید یا وزش باد در وجه رو به باد و افزایش شدت بار برف روی سطوح پشت به باد است. بررسی این حالت که به بار برف نامتوازن معروف است، برای بام های تخت ضرورتی ندارد.

نکته: همان‌طور که گفتیم، لزوماً توزیع باربرف متوازن روی بام، به صورت متقارن نیست و با اختلاف شیب بخش های مختلف بام، ممکن است نامتقارن شود.

بار برف نامتوازن برای بام های با شیب دو یا چند طرفه

اتصال گیردار تیر به ستون و تاج سوله

W<6 m  و  °31>α2.3°<α و تیرهای با تکیه گاه ساده

در این حالت، بار برف نامتوازن در سمت پشت به باد به‌شدت I_s P_s و برای قسمت رو به باد، صفر در نظر گرفته میشود.

چنانچه بام شیب‌دار دو یا چند طرفه در دسته اول نباشد، دو حالت محتمل است:

W≥6 m  و °31>α2.3°<α و یا تیرهای بدون تکیه گاه ساده

در این حالت، در سمت رو به باد، برف کمتری قرار میگیرد و آیین نامه 30 درصد برف متوازن (0.3P_r) را برای این سمت، در نظر گرفته است. در سمت پشت به باد علاوه بر برف متوازن کامل، اضافه‌باری به‌شدت γh_d √i و در یک‌فاصله‌ی افقی (8h_d)/(3√i) از تاج به سمت پای شیب در نظر گرفته میشود.

علت اینکه کل طول پشت به باد، شامل سربار اضافی نمی باشد، این است که عموماً وزش باد باعث تجمع برف روی قسمت های نزدیک به تاج میشود و در بخش هایی که نزدیک پای شیب است یا برف از روی سطح می لغزد یا توسط باد پراکنده میشود.

بارگذاری نامتوازن در حالتی که W=Lu≥6 m   و °31>α2.3°<α

برای تعیین حداکثر بار برف وارد بر سوله باید بار متوازن و نامتوازن برف را جداگانه محاسبه کنیم.

✅ حل تشریحی این مثال و مثال های دیگر به همراه توضیحات مفصل سایر بخش ها را می توانید در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

نامناسب ترین وضع بارگذاری برف

اگر به یاد داشته باشید، در محاسبه ی بار زنده برای تعیین تلاش های حداکثر در تیرهای ممتد چند دهانه، بر اساس تئوری خط تاثیر، باید حالات مختلفی از حضور بار زنده روی دهانه های مختلف را بررسی میکردیم تا بحرانی ترین بارگذاری برای طراحی تیر را به دست آوریم. مشابه این حالت، برای باربرف نیز باید کنترل شود؛ با این تفاوت که به جای حذف باربرف، نصف بار برف را روی برخی دهانه ها اعمال میکنیم تا بحرانی ترین وضعیت بارگذاری برف برای طراحی تیر را تعیین نماییم.

طبق بند 6-7-8 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان برای بام های دارای تیرهای ممتد چند دهانه باید سه حالت را بررسی نماییم:

1. وجود P_r روی هر یک از دهانه های انتهایی و 0.5P_r روی سایر دهانه ها (تیر طره هم به عنوان یک دهانه ی جداگانه محسوب میشود.)
2. وجود 0.5P_r روی دهانه های انتهایی و P_r روی سایر دهانه ها (تیر طره هم به عنوان یک دهانه ی جداگانه محسوب میشود.)
3. وجود P_r روی دو دهانه ی مجاور و 0.5P_r روی سایر دهانه ها (تیر طره هم به عنوان یک دهانه ی جداگانه محسوب میشود.)

نکته: برای اعضای عمود بر خط‌ الرأس سقف شیب‌دار دوطرفه با شیب سقف بیشتر از 4% ، رعایت این بند ضروری نیست.

نکته: برای سایر انواع سازه ها (غیر از تیرهای ممتد) باید تمام حالات محتمل ایجاد بزرگ‌ترین اثر (لنگر خمشی، واکنش تکیه گاهی، برش یا نیروی محوری) ناشی از اعمال بار برف 0.5P_r در بخش هایی از بام، باید کنترل گردد.

✅ ادامه توضیحات این بخش را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

انباشتگی برف در بام مسطح پایین‌تر

در اثر وزش باد و وجود موانع بلند یا ساختمان های مجاور (ایجاد سایه)، احتمال تجمع برف بیشتری در برخی نقاط بام مسطح وجود دارد و این اضافه‌بار باید بررسی و پیش بینی شود.

نکته: بر اساس بند 6-7-9 احتمال انباشت برف برای مناطق 4 الی 6 باید کنترل شود و برای مناطق 1 تا 3 ضرورتی به بررسی این بند نیست.

نکته: برای کنترل انباشت برف، دو حالت انباشت پشت به باد (ریزش برف از بالا) و انباشت رو به باد (تجمع برف در مجاورت مانع بلند) باید در نظر گرفته شود و درنهایت، مقدار بزرگ‌تر ملاک طراحی اجزای بام قرار گیرد.

نکته: این حالت برای زمانی است که دو ساختمان با بام مسطح و اختلاف ارتفاع در مجاورت هم قرار داشته باشند و نباید با برف لغزنده که مربوط به ریزش برف از روی بام شیب‌دار بلند است، اشتباه گرفته شود.

نکته: کنترل انباشت برف شامل دو حالت کلی است:

1. بام های پایین در ساختمان های پل های (متصل)
2. بام های پایین در مجاورت ساختمان های بلند (بافاصله)

✅ در این بخش یکی از حالاتی که منجر به انباشتگی برف روی بام پایین تر می شود، را بررسی می نماییم. سایر حالات به همراه حل مثال را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.

انباشتگی برف روی بام پایین ساختمان های پله ای

وجود یک ساختمان بلندتر متصل به بام، باعث ایجاد حالت پله ای در بام می شود. در این حالت، در اثر وزش باد، برف از بام بالاتر روی بام پایین‌تر میریزد و باعث توزیع نامتوازن برف روی بام پایین میشود (حالت پشت به باد). از طرفی وزش باد باعث تجمع برف بیشتر در محل اتصال بام به موانع (حالت رو به باد) میگردد. بر اساس بند 6-7-9-1، بیشترین مقدار انباشت برف ناشی از این دو احتمال باید به باربرف متوازن بام در طول انباشت، افزوده شود.

نکته: اگر ارتفاع نزدیکترین نقطه ی بام مجاور بلندتر از روی برف متوازن، کمتر از 20% ارتفاع بار برف متوازن بام پایین باشد، نیازی به لحاظ انباشت برف نیست. به این معنی که برف زیادی در مجاورت مانع بلندتر تجمع نمی کند و قابل صرف نظر است. شرط چشم‌پوشی از انباشت برف روی بام مسطح پایینی این است که:

h_c<0.2h_b=(0.2P_r)/(0.43P_s+2.2)
h_c=h_o-h_b→h_o<1.2 h_b

در ادامه با تعاریف مربوطه آشنا میشویم.

انباشت برف روی بام پله ای در حالت پشت به باد

برای تعیین بار اضافی انباشت در حالت پشت به باد (وقتی باد ابتدا به ساختمان بلندتر بوزد)، نیاز به تعیین پارامترهای زیر است:

h_b: ارتفاع برف متوازن بام پایین
h_c: ارتفاع نزدیکترین نقطه بام مجاور بالاتر از روی برف متوازن روی بام پایین تر
h_o: فاصله کف بام بالاتر تا کف بام پایین‌تر
h_d: ارتفاع انباشت برف روی بام پایین
P_d: باربرف انباشته شده روی بام پایین
w: طول برف انباشته شده روی بام پایین
l_u : طول بام بالاتر ( درواقع هر چه طول بام بالا بیشتر باشد، در اثر وزش باد، برف بیشتری جابه جا میشود.)

هر یک از پارامترهای فوق به صورت زیر محاسبه می‌شوند:

h_d=0.12∛(L_u) ∜(100P_s+50)-0.5

γ=0.43P_s+2.2 (KN/m³)

h_b=P_r/γ

P_d=γh_d=γ(0.12∛(L_u) ∜(100P_s+50)-0.5)

h_c=h_o-h_b

انباشتگی برف روی بام پایین‌تر در حالت پشت به باد

بر اساس طول بام پایین (L_r) و گنجایش پذیرش برف انباشت، دو حالت توزیع محتمل است:

توزیع مثلثی (w≤L_r)

توزیع ذوزنقه ای (w>L_r)

الگوی بارگذاری مثلثی روی بام پایین به شکل زیر است:

توزیع مثلثی انباشت برف روی بام پایین تر در حالت پشت به باد و w<L_r

درواقع بار برف از مقدار P_d=γh_d شروع‌شده و تا مقدارP_d=γ(h_d-(h_d/w) L_r) تا پایان طول بام پایین به‌صورت نزولی ادامه دارد.

✅ سایر توضیحات این بخش و حالات دیگر انباشتگی برف را در متن اصلی ایبوک مطالعه کنید.