بار باد؛ نحوه محاسبه بار باد در ساختمان مطابق آخرین ضوابط مبحث ششم

یکی از نیروهای جانبی وارد بر سازه، بار باد ساختمان است که در هنگام طراحی سازه ها حتما باید به آن توجه شود. از این رو در این مقاله فوق العاده می خواهیم بدانیم وزش باد چه تاثیری بر ساختمان و اجزای آن دارد؟ نحوه محاسبه بار باد در ساختمان چگونه است و چگونه باید سازه‌ها را در برابر بار باد طراحی کنیم؟

راهنمای ما در این مهم، مبحث ششم مقررات ملی ساختمان ویرایش 98 است هم اکنون می توانید این فایل را از کتابخانه آنلاین سبزسازه دانلود نمایید.

⌛ آخرین به روز رسانی: 27 تیر 1400
📕 تغییرات به روز رسانی:انتشار جدید

 

1. ماهیت بار باد

گفته شد که باد یکی از مهم‌ترین بارهای وارد بر سازه می‌باشد که همواره در طول مدت بهره برداری سازه وارد شده و اجزای سازه‌ای و غیر سازه‌ای را تحت تأثیر قرار می دهد.

 

 

بار باد نیز همانند بار زلزله، یک نیروی جانبی دینامیکی است. نیروهای دینامیکی، نیرویی های هستند که مقدارشان وابسته به زمان است و در طول زمان تغییر می کنند و لذا جزء نیروهای تصادفی قرار می گیرند که تحلیل آن‌ها، نیازمند تسلط بر علم آمار و احتمالات است.

بار باد از 3 دیدگاه، یک نیروی تصادفی است:

الف) در یک نقطه مشخص، سرعت باد در هرلحظه از زمان تغییر می‌کند.
ب) سرعت لحظه ای باد از نقطه ای به نقطه دیگر تغییر می‌کند و لزوما با هم برابر نیستند
ج) جهت ورزش باد، هرلحظه تغییر می‌کند (که خود به نوعی در دو دیدگاه قبلی تاثیرگذار است)

 

 

برای درک بهتر، ساختمان زیر را در نظر بگیرید که در جهت ثابتی (جهت نشان داده شده)، تحت وزش باد قرار گرفته است:

 

 

فرض کنید سرعت باد در هرلحظه از زمان در نقاط دلخواه A و B مطابق نمودارهای زیر است:

 

 

نمودارهای فوق برای جهت وزش بادی هستند که در شکل نشان دادیم. اما هرلحظه، امکان دارد زاویه وزش باد هم عوض شود و نمودارهای دیگری رقم بخورند!! بنابراین به نظر می‌رسد تحلیل بار باد، امری بسیار دشوار باشد.

اما جای نگرانی نیست! مهندسین همیشه دنبال ساده‌ترین راه برای حل مسائل می‌گردند. بنابراین به ایده‌ای لازم داریم تا تحلیل بار باد را بتوانیم ساده‌تر کنیم. باری که باد به ساختمان وارد می‌کند، تابعی از سرعت باد است. اما سرعت باد در کدام نقطه؟ کدام ارتفاع؟ چه زمانی؟!

پس باید پارامتر جدید و استانداردی را معرفی کنیم که اثرات تمام کمیت‌های تصادفی در آن، به نحوی ایدهال سازی شده باشد. پارامتری به نام سرعت مبنای باد!

2. سرعت مبنا و فشار مبنای باد

سرعت باد، مشخصه اساسی باد است که بنا بر مشاهدات و آزمایش ها، هرچه ارتفاع افزایش یابد، سرعت باد هم افزایش پیدا می‌کند. از سوی دیگر، با گذشت زمان هم، سرعت باد تغییر می‌کند.

سازمان هواشناسی، سرعت مبنای باد را سرعت متوسط در ارتفاع مبنا (یعنی ارتفاع 10 متر) در نظر می‌گیرد. یعنی دیگر کاری به سایر ارتفاعات نداریم؛ بلکه در همان ارتفاع 10 متری از سطح زمین، سرعت باد را در فواصل زمانی مشخص (3 ساعته)، اندازه گرفته و با ترسیم نموداری مانند نمودارهای بالا، متوسط سرعت باد را از روی آن به دست می‌آوریم. اندازه این سرعت، با توجه به آمار هواشناسی و بر اساس دوره بازگشت 50 ساله و با احتمال فراگذشت 2% در سال تعیین می‌شود (یعنی در طول 50 سال عمر مفید سازه، سالانه فقط 2% احتمال دارد سرعت وزش باد از این سرعت مبنا فراتر برود).

 

با استفاده از سرعت مبنای باد، فشار مبنای باد (q) را به دست می‌آوریم. فشار مبنای باد، بر اساس سرعت مبنای باد تعیین‌شده و فشاری است که در اثر وزش باد در ارتفاع 10 متری از سطح زمین به ساختمان وارد می‌شود و از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

q=0.000613 V2

که در ان، V سرعت باد برحسب متر بر ثانیه (m/s) و q فشار مبنای باد برحسب کیلونیوتن بر مترمربع (KN/m²) است. در جدول 1-10-6 مبحث ششم که توسط سازمان هواشناسی کشور ارائه شده، سرعت مبنای باد برای ایستگاه‌های هواشناسی در اقصی نقاط کشور داده شده است:

 

 

3. عوامل مؤثر بر شدت بار باد وارد بر ساختمان

در مبحث باد، هدف نهایی ما، محاسبه‌ی فشار (q=F/A) باد وارد بر ساختمان و طراحی در برابر آن است. در این بخش، می‌خواهیم ببینیم چه فاکتورهایی بر افزایش یا کاهش تأثیر باد بر ساختمان‌ها مؤثر است:

1.3. سرعت باد

واضح است که هرچه سرعت باد بیشتر باشد، انرژی جنبشی بیشتری داشته و هنگام برخورد به ساختمان، کاهش سرعت بیشتری خواهد داشت (شتاب کاهنده‌ی بیشتر) و لذا فشار بیشتری به سازه وارد خواهد کرد: F=m (∆V)/∆t (یعنی مقدار اختلاف سرعت بیشتر شده و چون صورت کسر افزایش می‌یابد لذا طبق رابطه ذکرشده مقدار نیروی وارده (فشار باد) نیز بیشتر می‌شود.)

2.3. شکل عمومی ساختمان

وجود گوشه‌های تیز در ساختمان، به دلیل ایجاد اغتشاش شدیدتر در آن نقاط، باعث می‌شود فشار بیشتری به اجزای ساختمان وارد شود. هرچه گوشه‌های تیز کمتری در معرض باد وجود داشته باشد، لایه‌های هوا می‌توانند به‌آرامی روی آن بلغزند (اغتشاش کمتری دارند) و از مجاورش عبور کنند و بنابراین فشار کمتری وارد خواهند کرد.

 

 

3.3. ارتفاع ساختمان

اغراق نیست اگر بگوییم مهم‌ترین عامل مؤثر در مقدار نیروی باد وارد بر ساختمان، ارتفاع ساختمان است! هرچه ارتفاع افزایش یابد، سرعت باد نیز افزایش خواهد یافت؛ یعنی هرچه به طبقات بالاتر می‌رویم، فشار باد بیشتری به ساختمان وارد می‌شود (در مورد سرعت باد در ادامه بیشتر صحبت خواهیم کرد)
البته با افزایش ارتفاع، مساحت بادگیر ساختمان نیز افزایش می‌یابد که منجر به افزایش کل نیروی باد می‌شود: ↑F ⃗=P ⃗×A↑

4.3. میزان پوشش و تراکم موانع اطراف ساختمان

به‌طورکلی وجود ساختمان‌ها و درختان و سایر عوارض طبیعی در اطراف ساختمان دور از انتظار نیست. همان‌طور که قبلاً گفته شد، این موانع سرعت باد را کاهش می‌دهند و لذا هرچه تراکم و ارتفاع این موانع در اطراف ساختمان بیشتر باشد، سرعت باد در اطراف ساختمان کاهش بیشتری داشته و فشار کمتری به ساختمان وارد خواهد شد.

 

 

4. روش‌های تحلیل بار باد

مبحث ششم در بند 6-10-1-4، روش های مهم برای تحلیل بار ناشی از باد پیشنهاد کرده است. در این ایبوک از بین سه روش استاتیکی، دینامیکی و روش تجربی ما به توضیح و معرفی روش استاتیکی که روش پرکاربردتری است می پردازیم.

 

 

در فلوچارت زیر نحوه انجام تحلیل سازه تحت بار باد به صورت فلوچارت نشان داده شده است.

 

 

در توضیح فلوچارت بالا ذکر دو نکته زیر الزامی است:

• Hارتفاع ساختمان و W عرض مؤثر ساختمان بوده که در ادامه نحوه محاسبه آنها آمده است.
• استفاده از روش تجربی برای تمامی ساختمان ها مجاز است.

1.4. تحلیل دینامیکی

در تحلیل دینامیکی، اثرات دینامیکی باد، عیناً لحاظ می‌شود؛ یعنی تغییرات سرعت و فشار باد را وارد محاسبات می‌کنیم و لذا این تحلیل، درعین‌حال که دقت بالایی دارد، اما دشوار است! مبحث ششم در پیوست 6-4 به روش دینامیکی ابر باد پرداخته است و ما در این مقاله به این موضوع نمی‌پردازیم.

2.4. تحلیل استاتیکی

در تحلیل استاتیکی، همان اثرات دینامیکی باد را با یک نیروی استاتیکی معادل و ثابت، جایگزین می‌کنیم. این روش طبیعتا دقت کمتری دارد اما در عوض ساده‌تر است. مبحث ششم در بند 6-10-4 به‌طور کامل این روش را تشریح کرده و ما نیز در این ایبوک، شما را به‌طور کامل با این تحلیل آشنا خواهیم کرد.

3.4. آزمایش تونل باد

در روش تجربی، که همان آزمایش معروف تونل باد است، با کمک مدل‌سازی و شبیه‌سازی وزش باد روی یک مدل سازه با ابعاد کوچک‌تر، نیروی باد وارد بر مدل را محاسبه کرده و سپس با روابط تشابه ابعادی، نیروهای وارد بر سازه را در مقیاس واقعی تخمین می‌زنند. به دلیل دشواری‌ها و هزینه‌های بالا، استفاده از این روش، تنها در سازه‌های بسیار با اهمیت و حساس در برابر باد توصیه می‌شود!

5. چگونگی تأثیر باد بر ساختمان

وزش باد می‌تواند هم به سطوح خارجی و هم به سطوح داخلی نیرو وارد کند و هر کدام از این سطوح نیز می‌توانند بسته به شرایط، تحت فشار (فشار مثبت) یا تحت مکش (فشار منفی) قرار گیرند:

1.5. سطوح خارجی

تأثیر باد بر سطوح خارجی ساختمان، به دو حالت زیر است:

1.1.5. فشار مثبت

سطوحی که مستقیماً در مقابل باد قرار دارند (سطوح بادگیر) تحت تأثیر فشار قرار دارند که نیروی قابل‌توجه و مهمی در تحلیل ساختمان محسوب می‌شود.

2.1.5. فشار منفی

سطوحی که موازی با باد یا پشت به باد هستند، تحت تأثیر مکش (فشار منفی) قرار دارند؛ چون وقتی‌که جریان باد، مولکول‌های هوای روی آن‌ها را با خود می‌برد، خلا ناچیز و موقتی روی آن‌ها ایجاد می‌شود و نوعی تمایل به بیرون‌زدگی روی آن‌ها به وجود می‌آید که آن را مکش می‌نامیم.

 

 

2.5. سطوح داخلی

ورود یا خروج هوا از بازشوهای ساختمان باعث اعمال نیرو (فشار یا مکش) به سطوح داخلی ساختمان می‌شود. مقدار این فشار یا مکش، به بزرگی مساحت بازشو نسبت به‌کل مساحت جانبی داخل ساختمان بستگی دارد.

1.2.5. فشار مثبت

اگر مساحت بازشوهای رو به باد بیشتر از بازشوهای پشت به باد باشد، مقدار هوای وارد شده به ساختمان بیشتر از هوای خارج شده از ساختمان بوده و درنتیجه باعث ایجاد فشار در داخل سازه می‌شود (گویا هوای وارد شده نمی‌تواند به‌طور کامل خارج شود و لذا به دیوارهای داخلی، فشار می‌آورد)

2.2.5. فشار منفی

اگر مساحت بازشوهای پشت به باد بیشتر از بازشوهای رو به باد باشد، مقدار هوای خارج شده از ساختمان بیشتر از هوای وارد شده به ساختمان می‌شود و درنتیجه باعث ایجاد فشار منفی (مکش) در داخل سازه می‌شود (گویا هوای وارد شده، هوای موجود در سازه را هم با خود می‌کشد و می‌برد و لذا دیوارهای داخلی را می‌مکد).

 

 

3.5. محاسبه فشار یا مکش باد (داخلی و خارجی)

اکنون وارد موضوع اصلی ایبوک می‌شویم! مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، همانند سایر آیین‌نامه‌های بین‌المللی، جهت در نظر گرفتن تمام ملاحظات و پارامترهای مؤثر بر فشار باد وارد بر ساختمان، با اعمال ضرایب اصلاحی به فشار مبنای باد هر منطقه (q)، فشار باد وارد بر ساختمان را به دست می‌آورد. به‌طورکلی، این تفکر در مهندسی عمران بسیار مورد استقبال مهندسین قرار می‌گیرد.

 

 

مطابق بند 6-10-2، برای محاسبه فشار استاتیکی وارد بر ساختمان، از دو رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

 

 

 

6. ضرایب مؤثر در تعیین فشار باد

1.6. ضریب اهمیت باد (I_w)

هرچه اهمیت سازه‌ای که می‌سازیم، بیشتر باشد، باید آن را در برابر نیروهای بزرگ‌تری، طراحی و مقاوم‌سازی کنیم. به‌عنوان ‌مثال طبیعت عملکرد بدون وقفه یک بیمارستان، بسیار بیشتر از یک ساختمان تجاری است!

برای در نظر گرفتن این موضوع از ضریب اهمیت باد استفاده می‌کنیم که با توجه به گروه خطرپذیری سازه‌های مختلف، مطابق جدول 6-1-2 مبحث ششم می‌باشد:

 

 

ضریب بزرگتر از 1، یعنی به دلیل حساسیت بالای سازه، نیروی وارد بر سازه (مثلاً بیمارستان‌ها) را افزایش می‌دهیم و ضریب کوچک‌تر از 1 نیز یعنی به دلیل حساسیت کمتر سازه (مثلاً مرغ داری‌ها)، نیروی وارد بر سازه را کاهش می‌دهیم.

کلاً سازه‌ها از نظر اهمیت به 4 گروه خطرپذیری تقسیم می‌شوند که برای تشخیص این‌که سازه ما، در کدام گروه خطرپذیری قرا دارد، از جدول 6-1-1 مبحث ششم استفاده می‌کنیم:

 

 

به خاطر بسپارید!

همان‌طور که مشاهده می‌کنید، سازه‌هایی که غالبا مهندسان عمران با آن‌ها سروکار بیشتری دارند (مثل ساختمان‌های مسکونی، تجاری، اداری، هتل‌ها، کارگاه‌ها و پارکینگ‌ها)، جزء گروه خطرپذیری 3 هستند و ضریب خطرپذیری آن‌ها 1 است (یعنی مقدار نیروهای اعمال شده به سازه را، نه کاهش می‌دهیم و نه افزایش)

2.6. ضریب بادگیری (C_e)

ضریب بادگیری همان‌طور که از اسمش پیداست، میزان بادگیر بودن ساختمان را مشخص می‌کند. این ضریب از دیدگاه مبحث ششم، تنها به ارتفاع ساختمان، میزان ناهمواری اطراف ساختمان و نیز احیاناً تأثیر خیز سرعت در بالای تپه‌ها وابسته است؛ هر چه ساختمان، ارتفاع بیشتری داشته باشد و ناهمواری محیط کمتر باشد، ساختمان بادگیرتر است و نیروی باد بیشتری به آن وارد می‌شود.

به همین دلیل، ابتدا مبحث ششم در بند 6-10-5 پارامتری به نام ارتفاع مبنا یا ارتفاع متوسط را برای محاسبه ضریب بادگیری باد معرفی کرده است:

 

 

بنابراین به‌طور خلاصه، خواهیم داشت:

در محاسبه فشار خارجی:

الف) در ساختمان‌های مستطیل شکل با بام تخت که ارتفاع آنها بیشتر از 20 متر یا ارتفاع ساختمان بزرگتر از کوچکترین بعد پلان باشد (بلند مرتبه):

وجه رو به باد = در هر نقطه، ارتفاع مخصوص خودش (z)
وجه پشت به باد = 0.5h
وجوه موازی با باد و بام = h

 

 

 

ب) در ساختمان‌هایی که ارتفاع آنها کمتر از 20 متر و نسبت ارتفاع به عرض کوچک‌تر ساختمان کمتر از یک باشد (کوتاه مرتبه):

 

 

 

اگر شیب بام کمتر از 7 درجه باشد (α<7):

h=max{ 6m , a}

اگر شیب بام بیشتر یا مساوی 7 درجه باشد (α≥7):

h=max{ 6m , (a+b)/2 }

 

ج) در طراحی هر المان سازه‌ای در برابر باد:

برای المآن‌های سازه‌ای، ارتفاع مبنا برابر با ارتفاع المان از بالای سطح زمین است. مثلاً اگر می‌خواهید تیری در ارتفاع 5 متری از سطح زمین را در برابر بار باد طراحی کنید، ارتفاع مبنا برای محاسبه C_e ، 5 متر خواهد بود (h=5m).

در محاسبه فشار داخلی:

در محاسبه فشار داخلی، چه بازشو در سمتی غیر از رو باد باشد (در حالت مکش) و چه بازشوها رو به باد باشد (در حالت فشار) ارتفاع مبنا برابر ارتفاع کل ساختمان است (h=H).

دقت!
معمولاً منظورمان از H ارتفاع کل ساختمان و منظورمان از h ارتفاع مبنا است. در ساختمان‌های کوتاه مسکونی متداول، این دو مقدار یکسان هستند اما در سازه‌های شیب‌دار (همان‌طور که پیش‌تر معرفی کردیم) می‌توانند متفاوت باشند.

مبحث ششم پس از معرفی ارتفاع مبنا، روابط محاسبه ضریب بادگیری (C_e) را بر اساس میزان تراکم (پوشش) زمین‌های اطراف ساختمان، در بندهای 6-10-6-2 الی 6-10-6-4 ارائه کرده است. ذکر این نکته الزامی است که C_e به‌دست‌آمده از روابط، برای فشار داخلی و فشار خارجی تفاوتی ندارد و یکسان است:

 

 

مبحث ششم، زمین‌های باز و زمین‌های پرتراکم را تعریف کرده و برای هرکدام، یک فرمول جداگانه برای محاسبه C_e ارائه کرده است:

الف) زمین باز (هموار):
اطراف دریا، دریاچه، باتلاق، نمکزار، ساحل باز، زمین با درختان و ساختمان‌های پراکنده زمین‌های باز محسوب می‌شوند. در این شرایط C_e برابر است با:

C_e=max⁡{0.9 ,(h/10)^0.2}

ب) زمین پرتراکم (ناهموار):
زمین‌های حومه شهری، داخل شهری و جنگل‌های پرتراکم ( حداقل به اندازه max{1000 m , 20H} در جلوی مسیر باد قرار دارند) زمین‌های متراکم محسوب می‌شوند که در این شرایط C_e برابر است با:

C_e=max⁡{0.7 ,0.7(h/12)^0.3}

 

پس تا اینجا متوجه شدیم که برای محاسبه فشار باد وارد بر هرکدام از وجوه ساختمان، ارتفاع مبنای مشخصی باید در نظر بگیریم. در فشار خارجی باد، ضریب Ce برای وجوه موازی با باد، پشت به باد و پشت بام، مقداری ثابت دارد اما برای وجه رو به باد، مقدار ثابت نیست و از یک ارتفاعی به بعد، به‌صورت نمایی افزایش خواهد یافت! حتماً می‌پرسید چگونه؟

مجدداً به روابط C_e دقت کنید:

در هرکدام از این روابط، به ازای h های کوچک، مقدار ثابت غالب می‌شود و از پرانتز بیرون می‌آید اما به ازای h های بزرگتر، مقدار عبارت متغیر غالب می‌شود. می‌توانیم حد مرز این ارتفاع را به دست آوریم:

زمین باز:

C_e=max⁡{0.9 ,(h/10)^0.2 } → 0.9=(h/10)^0.2→h=5.9 m

زمین متراکم:

C_e=max⁡{0.7 ,0.7(h/12)^0.3 } → 0.7=0.7(h/12)^0.3 →h=12 m

بنابراین می‌توانیم نمودار تغییرات C_e را برای وجه رو به باد ترسیم کنیم:

 

 

3.6. ضریب C_t

همان‌طور که این بند نیز بیان می‌کند، سرعت باد هنگام عبور از برآمدگی‌ها (پستی و بلندی‌های طبیعی و مصنوعی) بیشتر از سرعت باد در زمین هموار بالادست آن است. بنابراین باید اثر این پدیده را در ساختمان‌هایی که در مجاورت پرتگاه‌ها یا روی بالاآمدگی‌ها قرار دارند، در نظر بگیریم.

 

 

 

مطابق بند بالا برای تعیین میزان تأثیر این پدیده، حداکثر شیب ناهمواری، عاملی تعیین‌کننده به شمار می‌آید. مطابق شکل زیر، حداکثر شیب ناهمواری (شیب خط AB)، در نقطه عطف اتفاق می‌افتد و معمولاً هم فرض می‌کنیم که این نقطه در وسط ارتفاع برآمدگی قرار دارد. شیب خط AB را می‌توان تقریباً برابر با m_AB=H_h/L_h منظور کرد.

 

 

جمعاً 3 حالت می‌توانیم داشته باشیم:

الف) اگر H_h/L_h ≤0.1 باشد: یعنی شیب برآمدگی ناچیز است؛ پس جریان هوا می‌تواند به‌آرامی و بدون تلاطم از روی آن عبور کند و لذا می‌توانیم از اثر خیز سرعت صرف‌نظر کنیم.

ب) اگر H_h/L_h >0.1 باشد: اثر خیز سرعت را باید اعمال کنیم. ضریب C_t ، مطابق رابطه زیر خواهد بود:

C_t=(1+∆S/C_g )(1+∆S)
∆s_(z)= ∆s_max (1-|x|/(kL_h)) e^(-az/L_h)

در رابطه فوق، α ، K و s_max∆ از جدول 6-10-2 مبحث ششم به دست می‌آیند. توجه کنید که جهت مثبت x همان جهتی است که در شکل بالا نشان داده شده است و x منفی، خلاف جهت آن می‌باشد.

نکته تکمیلی: مبحث ششم در انتهای بند 6-10-7 گفته است که حداکثر شیب برای تپه‌های گرد، از رابطه H_h/(2L)_h به دست می‌آید و طبق این شیب حداکثر، در مورد اعمال خیز سرعت باد تصمیم‌گیری خواهیم کرد.

4.6. ضریب اثر تندباد خارجی ( C_gو C_gi) و ضریب فشار خارجی (C_p و C^*_p) برای ساختمان های مستطیل شکل با بام تخت و نسبت ابعادی بیشتر از واحد یا ارتفاع بیش از 20 متر

همان‌طور که قبلاً هم گفته بودیم، وزش باد یک پدیده تصادفی است و در هر لحظه، پروفیل فشار باد وارد بر ساختمان ممکن است تغییر کند. مبحث ششم، به‌جای در نظر گرفتن پروفیل‌های تصادفی و غیریکنواخت، با ضرب کردن ضریب جهشی باد ( C_g یا C_gi ) در فشار مبنای باد (q)، فشار یکنواخت بیشینه‌ای را در نظر می‌گیرد که اثر جهش‌های ناگهانی باد نیز در آن در نظر گرفته شده باشد. در شکل زیر می‌توانید این موضوع را بهتر مشاهده کنید. همچنین ضریب فشار باد (C_p یا C^*_p) توزیع یا پروفیل فشار باد روی اجزای سازه (چه فشاری و چه مکشی) که تصادفی و متغیر است را در نظر میگیرد.

 

 

1.4.6. ضریب اثر تندباد C_g و C_gi

ضریب اثر تندباد خارجی و داخلی که به ترتیب با C_g و C_gi نشان داده می‌شوند، به‌صورت نسبت حداکثر اثر بارگذاری بار باد به میانگین اثر بارگذاری بار باد در نظر گرفته می‌شود و به‌صورت کلی مطابق بند 6-10-8-1 در نظر گرفته می‌شوند:

 

 

ضریب اثر تندباد خارجی C_g:

برای طراحی کل ساختمان و اعضای اصلی سازه که صلبیت بالایی دارند از C_g = 2 و برای طراحی اعضای نما و پوسته‌های خارجی (مثلاً شیشه پنجره‌ها و پوشش‌های سبک سقف‌ها) از C_g = 2.5 استفاده می‌کنیم. بزرگتر بودن ضریب تندباد برای اعضای نما و پوست‌های خارجی، به این دلیل است که این اعضا، عموماً سبک‌ترند و مقاومت کمتری در برابر باد دارند و لذا باید برای نیروهای بزرگتر و محافظه‌کارانه‌تری طراحی شوند.

2.4.6. ضریب فشار باد خارجی (C_p) و ضریب فشار باد خارجی بر پوششها و نما (C^*_p)

همان‌طور که قبلاً گفتیم، توزیع یا پروفیل فشار باد روی اجزای سازه (چه فشاری و چه مکشی) تصادفی و متغیر است و مقدار و جهت این فشار، تابع عواملی مانند شکل عمومی ساختمان، زاویه وزش باد نسبت به سطوح و نیز ارتفاع ساختمان است. ضریب فشار باد (C_p یا C_pi) ضریبی است که با در نظر گرفتن این عوامل، تأثیر آن‌ها را در افزایش یا کاهش فشار باد وارد بر ساختمان لحاظ می‌کند.

مبحث ششم این ضریب را گاهی (در ساختمان‌های کوتاه مرتبه) به‌صورت ترکیب C_gC_p در نظر می‌گیرد که در بخش ساختمان-های با ارتفاع کمتر از 20 متر مورد بحث قرار خواهد گرفت.

لازم به ذکر است که نحوه محاسبه ضریب فشار باد در مبحث ششم به‌صورت خیلی پیچیده و با اشکال بعضاً نامفهوم ارائه شده است. در این مقاله سعی شده که با جبران این ضعف، این موضوع به‌صورت کاملاً دسته بندی شده و با بیان روان و ساده همراه با اشکال مناسب برای خوانندگان محترم ارائه گردد.

3.4.6. مفهوم ضریب فشار باد

ضریب فشار C_p درواقع تأثیر شکل سازه را در محاسبه بار باد وارد بر سازه در نظر می‌گیرد. مقدار و جهت فشار وارد بر سازه به عوامل مختلفی ازجمله موارد زیر بستگی دارد.

 

شکل پلان ساختمان:

هر چه پلان ساختمان دایره‌ای شکل و فاقد لبه‌های تیز در گوشه‌ها باشد، در مسیر باد آشفتگی کمتری به وجود آمده و درنتیجه فشار و مکش کمتری در سازه ایجاد خواهد شد.

زاویه قرارگیری سطح بادخور نسبت به جریان باد:

یکی از عوامل مهم و تأثیرگذار مقدار فشار باد وارد بر سطوح ساختمان زاویه این سطوح نسبت به جهت وزش باد می‌باشد.

تغییرات سرعت در ارتفاع:

همان‌گونه که پیشتر نیز اشاره شد با افزایش ارتفاع ساختمان سرعت باد نیز افزایش یافته و درنتیجه فشار ناشی از سرعت نیز به تبع آن افزایش خواهد یافت.

*نکته:
ضرایب فشار باد درواقع نسبت‌هایی بی‌بُعد بوده و به کمک آن‌های میتوان مقدار فشار وارده بر سطوح ساختمانی را با توجه شرایط مختلف (که در بالا ذکرشد) محاسبه نمود.

 

ضریب فشار C_p برای تعیین نیروهای کلی وارد بر سازه باربر اصلی سازه در شکل 6-10-2 از مبحث ششم نشان داده شده است. این ضریب متناسب با نسبت ارتفاع ساختمان به عرض آن در جهت باد (H⁄D) تغییر میکند.

 

 

ضریب C_p در قسمت فشاری مثبت بوده و در سطوحی که در حالت مکش قرار دارد منفی است.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

نکته:
همان‌گونه که در شکل زیر نیز مشاهده می‌شود، ضریب فشار خارجی باد برای دو وجه کناری ساختمان بلندمرتبه که موازی با جهت جریان وزش باد می‌باشند به‌صورت مکش و برابر با 0.7- می‌باشد.

 

ضریب فشار C^*_p برای محاسبه فشار یا مکش جزئی وارد بر پوشش ها، نماها و اجزای پوششی بام و اتصالات آن در شکل 6-10-3 مبحث ششم تعریف شده است. این ضریب صرفاً برای طراحی اعضا و اتصالات به کار می رود.

 

 

ضریب اثر بازشو، C_pi در انتهای مقاله موردبررسی قرار میگیرد.

5.6. ضرایب اثر تندباد و فشار برای ساختمان های با نسبت ابعادی کمتر از یک و ارتفاع کمتر از 20 متر

ضرایب اثر تندباد و فشار برای این نوع ساختمان ها جداگانه محاسبه نشده و از حاصلضرب ضرایب فشار و تندباد (C_gC_p) به‌صورت ترکیبی به دست می آید که در ادامه همین بخش آورده شده است.

1.5.6. ضرایب فشار باد در حالات مختلف

با توجه به موارد ذکر شده در مورد ضریب فشار باد، این ضریب را به‌طورکلی در 5 دسته بررسی خواهیم کرد:

ضریب ترکیبی C_gC_p روی سازه باربر اصلی سازه
ضریب ترکیبی C_gC_p روی اجزا پوششی نما و دیوارها
ضریب ترکیبی C_gC_p روی اجزا پوششی بام

3-1) ضریب ترکیبی C_gC_p در بام های با زاویه کمتر از 7 درجه
3-2) ضریب ترکیبی C_gC_p در بام با شیب دوطرفه یا چهار طرفه و زاویه شیب بام بیش از 7 درجه
3-3) ضریب ترکیبی C_gC_p بام ساختمان های صنعتی دندانه ای، با شیب دوطرفه بام بیش از 10 درجه
3-4) ضریب ترکیبی C_gC_p بام ساختمان های شیب‌دار یک‌طرفه با شیب بام بین 3 تا 30 درجه
3-5) ضریب ترکیبی C_gC_p بام ساختمان های دندانه ای با شیب یک‌طرفه بام بین 10 تا 30 درجه

1.1.5.6. ضریب ترکیبی C_gC_p روی سازه باربر اصلی

جهت محاسبه ضریب ترکیبی در این حالت، شکل زیر را که دارای بام شیب‌دار با زاویه نسبت به افق می‌باشد را در نظر می گیریم.

 

 

همان‌گونه که می‌دانیم باد در هر جهت و زاویه‌ای می‌تواند به این ساختمان وارد گردد، لذا مبحث ششم مقررات ملی ساختمان به جهت ساده‌سازی، امکان وزش 360 درجه‌ای باد را به 8 قسمت تقلیل داده است که درواقع هر کدام از این قسمت‌ها نماینده 45 درجه از زوایایی مختصاتی می‌باشند. در شکل زیر این 8 قسمت نمایش داده شده است.

 

به‌عنوان‌مثال درصورتی‌که جهت وزش باد با زاویه 48 درجه نسبت به راستای افق باشد آنگاه در قسمت 2 و اگر با زاویه 200 درجه نسبت به افق وارد گردد در قسمت 5 قرار خواهد گرفت.

الف) جهت جریان باد عمود بر خط الراس بام

آیین‌نامه برای محاسبه ضریب C_gC_p علاوه بر موارد فوق چند نکته دیگر را هم اضافه نموده است:

اختصاص دادن نام جداگانه برای قسمت‌های کناری ساختمان یکی از مواردی است که در شکل زیر مشاهده می‌شود.

 

 

در نظر گرفتن جریان‌های چرخشی که باعث افزایش موضعی فشار و مکش بر روی سطوح جانبی به عرض y و x بر روی دیوار و سقف ساختمان می‌گردد. عرض x و y به شرح زیر تعریف می‌شوند. (B کمترین بعد افقی ساختمان می‌باشد.)

x=min⁡(0.1B,0.4H)≥max⁡(0.04B,1 m)
y=max⁡(2x,6 m)

در جدول زیر می‌توان ضریب C_gC_p را برای ساختمان‌های کوتاه مرتبه و در حالت بارگذاری عمود بر خط الراس بام مشاهده نمود:

 

 

لازم به ذکر است که در این جدول ضرایب با علامت مثبت نشان‌دهنده فشاری بودن نیروی باد و علامت منفی نشان‌دهنده مکشی بودن باد در روی سطوح ساختمان می‌باشد.

به‌عنوان‌مثال ضریب C_gC_p مربوط به ساختمانی با شیب بام 20 درجه که باد به‌صورت عمود بر خط الراس ساختمان به آن وارد می‌شوند بر روی سطح 1 به‌صورت فشاری و برابر با 1+ بوده و بر روی سطح 3 به‌صورت مکش و برابر با 0.9- می‌باشد.

همچنین ضریب در زاوایایی که در جدول فوق اشاره نشده است به‌صورت درون‌یابی بایستی محاسبه گردند.

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 اعمال شده و در بقیه سطوح بام ضرایب فشار یا مکش مربوط به ناحیه 3 و 3E اختیار میشود.

ب) جهت جریان باد موازی با خط الراس بام

تقسیم‌بندی سطوح در این قسمت نیز همانند قبل بوده با این تفاوت که مطابق شکل زیر چهار سطح جدید به تقسیمات سطوح ساختمان اضافه می‌گردد.

 

 

در این حالت بارگذاری ضریب C_gC_p به زاویه شیب سقف وابسته نبوده و برای تمامی زوایای صفر تا 90 درجه مطابق جدول زیر تعیین می‌شود.

 

 

در هر دو حالت الف و ب در سیستمهای قابی، مقدار y میتواند فاصله بین قاب انتهایی تا اولین قاب داخلی اختیار میشود.

2.1.5.6. ضریب ترکیبی C_gC_p در دیوارهای منفرد

فشار ناشی از نیروی باد برای طراحی نما و پوسته خارجی دیوارها در ساختمان‌های کوتاه مرتبه حائز اهمیت بوده و بایستی فشار و مکش ناشی از آن محاسبه گردد.

در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان سطح جانبی دیوارها در هر وجه ساختمان مطابق شکل زیر به دو قسمت انتهایی (e) و میانی (w) تقسیم‌بندی شده است. مساحت هر کدام از قسمت‌های مذکور با توجه با ارتفاع مبنای h محاسبه می‌شوند.

A_e=x×hمساحت قسمت کناری دیوار
A_w=(B-2x)×h مساحت قسمت میانی دیوار

 

 

عرض ناحیه x نیز به شکل زیر محاسبه می‌شود:

x=min⁡(0.1B,0.4H)≥max⁡(0.04B,1 m)

در این حالت ضریب C_gC_p بر اساس نمودار در دو حالت فشار و مکش و نسبت به سطح جانبی ساختمان (میانی یا کناری) به دست می‌آید.

 

 

همان‌گونه که مشخص است محور افقی دیوار مساحت سطح بارگیر و محور عمودی ضریب ترکیبی C_gC_p را نشان می‌دهد. با توجه به نمودار فوق ضریب ترکیبی C_gC_p در قسمت فشار برای هر دو قسمت میانی و کناری دیوار یکسان است. (چرا؟)

3.1.5.6. ضریب ترکیبی C_gC_p در پوشش بام های مختلف

پوشش بام‌ها جزو اجزای غیرسازه‌ای هستند که بایستی برای اثرات ناشی از نیروی باد طراحی شوند. در سازه‌های صنعتی مانند سوله‌ها که عموماً از پوشش بام‌ سبک استفاده می‌شود وزش باد می‌تواند باعث ایجاد مکش در پوسته بام و بلندشدن و در نهایت تخریب این‌گونه بام‌ها گردد. لذا طراحی پوشش بام و اتصالات آن برای بار باد یکی از موارد مهم در این‌گونه ‌سازه‌های کوتاه مرتبه می‌باشد.

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود مبحث ششم مقررات ملی ساختمان در این بخش پوشش سقف را به سه قسمت میانی (r)، کناری (s) و گوشه (c) تقسیم نموده است.

 

عرض ناحیه x نیز همان‌گونه که قبلاً معرفی شد برابر با مقدار زیر می‌باشد:

x=min⁡(0.1B,0.4H)≥max⁡(0.04B,1 m)

مساحت هر قسمت از سقف نیز به‌صورت زیر محاسبه می‌گردد:

A_s=x×(B/2-x) مساحت قسمت کناری سمت بالا و پایین
A_s=x×(D-x) مساحت قسمت کناری سمت چپ و راست
A_r=(B/2-x)×(D-2x) مساحت قسمت میانی سقف
A_r=x×x مساحت قسمت گوشه سقف

نکته:

همان‌گونه که در شکل زیر مشاهده می‌شود در هنگام وزش باد در یک جهت مشخص قسمت رو به باد ساختمان تحت فشار و قسمت پشت به باد تحت مکش قرار می‌گیرند. باید توجه داشت که مساحت هریک از سطوح ساختمان محاسبه شده و طبق نمودار برای هریک از قسمت‌های کناری، میانی و گوشه ضرایب C_gC_p به دست خواهد آمد.

 

 

در ادامه‌ی این بخش به بررسی سقف‌های مختلف در این بخش که توسط آیین‌نامه تفکیک شده است می‌پردازیم:

نکته: (بام آویزان):

منظور از بام آویزان در نمودارهای زیر قسمت‌های طره سقف بوده که در این قسمت‌ها اثر مشارکت هر دو سطح بالا و پایین طره در نظر گرفته شده است و نیازی به محاسبه جداگانه سطوح نیست.

 

 

الف) سقف سوله با شیب کمتر از 7 درجه

در این حالت نمودار محاسبه ضریب C_gC_p به‌صورت زیر می‌باشد.

 

 

همان‌گونه که پیشتر نیز توضیح داده شد در این نمودار محور افقی مساحت ناحیه مدنظر بوده و محور عمودی نمایانگر ضریب C_gC_p می‌باشد.
چنانچه در لبه بام، دست‌انداز به ارتفاع حداقل یک متر پیشبینی شده باشد، ضریب C_gC_p در گوشه های بام (ناحیه C) از 4/5- به 4/4- تقلیل پیدا میکند.

ب) سقف سوله با شیب بیشتر از 7 درجه
در این بخش سقف‌های با شیب بیش از 7 درجه به دو قسمت تقسیم‌بندی شده است.
ب-1) سقف‌های چهار شیبه با شیب بین 7 تا 27 درجه
ب-2) سقف‌های دو شیبه با شیب بین 7 تا 45 درجه

ب-1) سقف های با شیب دوطرفه

این‌گونه سقف‌ها دارای شیب در دو طرف می‌باشد. شیب این سقف‌های نیز بین 7 تا 27 درجه متغیر خواهد بود.

 

 

ب-2) سقف با شیب چهار طرفه (سقف گرده ماهی شکل)

این‌گونه سقف‌ها دارای شیب در هر چهار جهت به سمت دیوارهای اطراف می‌باشد. شیب این سقف‌های نیز بین 7 تا 27 درجه متغیر خواهد بود. تقسیم‌بندی سطوح این‌گونه سقف‌ها نیز مطابق شکل زیر بوده و برای محاسبه ضریب C_gC_p نیز بایستی پس از محاسبه مساحت هر قسمت طبق نمودار مطرح شده در این قسمت عمل نمود.

 

 

نمودار مربوط به سقف گرده ماهی نیز به‌صورت زیر می‌باشد:

 

 

پ) سقف‌های دندانه‌ای

مشابه حالات قبلی، در این‌گونه سقف‌ها نیز بایستی پس از محاسبه مساحت هر قسمت که در شکل زیر تقسیم‌بندی آن نمایش داده شده است، بر اساس نمودار مطرح شده در این بخش ضریب C_gC_p محاسبه میگردد.

نمودار این بخش نیز در دو محدوده‌ی مجزا برای شیب دندانه‌های سقف ارائه شده است.

 

 

ت) سقف های شیب‌دار یک‌طرفه

در این‌گونه سقف‌ها نیز بایستی پس از محاسبه مساحت هر قسمت که در شکل زیر تقسیم‌بندی آن نمایش داده شده است، بر اساس نمودار مطرح شده در این بخش ضریب C_gC_p محاسبه میگردد.

 

 

برای زاویه شیبهای کمتر از 3 درجه، از نمودار شکل (40) استفاده میشود.

ث) بام های دندانه ای یک‌طرفه

در این‌گونه سقف‌ها نیز بایستی پس از محاسبه مساحت هر قسمت که در شکل زیر تقسیم‌بندی آن نمایش داده شده است، بر اساس نمودار مطرح شده در این بخش ضریب C_gC_p محاسبه میگردد.

 

 

ضریب C_gC_p در گوشه های پوشش، برای دهانه تیپ A با بقیه دهانه ها تفاوت دارد.

برای زاویه شیب های کمتر از10 درجه، از نمودار شکل (40) استفاده میشود.

6.6. ضرایب اثر تندباد و فشار برای اجزای پوشش بام و دیوارها و نمای ساختمان های با بام پله ای

در این‌گونه ساختمان ها با توجه به شکل (47) اگر

0.3H<h₁ و h₁>3m
0.25w<w₁,w₂,w₃<0.75w

باشد. ضریب ترکیبی C_gC_p برای سطوح بام بالا و پایین از شکل (40) استفاده خواهد شد. تنها در نواری به عرض b روی بام پایینتر، مقادیر فشار مثبت با استفاده از ضریب C_gC_p مربوط به دیوارها در شکل (36) محاسبه میشود.

b=1.5h₁<30m

برای محاسبه فشار و مکش روی کلیه دیوارها ضریب ترکیبی CgCp تعریف شده در شکل (36) به کار می‌رود.

 

 

7.6. ضریب اثر بازشو C_pi

اعمال نیروی باد به ساختمان بر روی هوای داخل ساختمان نیز اثر می‌گذارد. مقدار این تأثیرگذاری متناسب با میزان بازشوی موجود در ساختمان می‌باشد. ورود یا خروج هوا از بازشوهای ساختمان باعث اعمال نیرو (فشار یا مکش) به سطوح داخلی ساختمان می‌شود. مقدار این فشار یا مکش، به بزرگی مساحت بازشو نسبت به‌کل مساحت جانبی داخل ساختمان بستگی دارد.

مبحث ششم مقررات ملی ساختمان به‌منظور در نظر گرفتن این موضوع ساختمان‌ها را بر اساس درصد بازشو به سه گروه مختلف ساختمان‌های بسته، نیمه بسته و باز تقسیم‌بندی نموده است. لذا ضرایب فشار داخلی برای هر کدام از این نوع ساختمان‌ها با توجه به شرایط ذکرشده متفاوت خواهد بود.

گروه ساختمان‌های بسته:

ساختمان‌هایی که فاقد بازشوهای بزرگ و یا قابل‌توجه می‌باشند و حداکثر 0.1 درصد بازشو دارند. ضریب فشار داخلی برای این نوع ساختمان‌ها به‌صورت مکش و برابر با 0.15-= C_p می‌باشد.

گروه ساختمان‌های نیمه بسته:

ساختمان‌هایی که دارای بازشوهای بزرگ هستند اما در صورت بروز طوفان و یا باد شدید (با درنظر گرفتن پیش‌بینی‌های لازم در خصوص درب و پنجره مقاوم برای ساختمان) می‌توان از بسته بودن این ساختمان‌ها اطمینان حاصل کرد.
ضریب فشار داخلی برای این گروه از ساختمان‌ها بین 0.3 تا 0.45-= C_p می‌باشد.

گروه ساختمان‌های باز:

ساختمان‌هایی که دارای بازشوهای بزرگ هستند و از طریق این بازشوها بادهای جهشی به فضای داخلی انتقال می‌یابند.
به‌عنوان نمونه می‌توان به ساختمان‌های پناهگاهی با یک ضلع باز و یا ساختمان‌های صنعتی مانند سوله‌ها که دارای درب‌های بزرگ برای حمل‌ونقل لوازم و کالاها می‌باشند اشاره کرد.

در این گروه از ساختمان‌های ضریب فشار داخلی در محدوده 0.7 تا 0.7-= C_p می‌باشد.

 

 

8.6. ضریب همراستایی باد C_d

ضریب هم راستایی باد به‌منظور در نظر گرفتن احتمال هم راستایی جهت باد، ساختمان و ضریب فشار مربوط در همان جهت پیش بینی شده است و به سه دسته از ساختمان ها تقسیم بندی می شود:

دودکش ها، منابع و ساختمان های مشابه با مقطع مربع 0.9= C_d، با مقطع دایره یا هشت ضلعی 0.95= C_d

پایه های انتقال نیرو (برج های خرپایی) با مقطع مثلث، مربع و مستطیل 0.85= C_d، با سایر مقاطع 0.95= C_d

در ساختمان ها به‌جز موارد 1 و 2، 0.85= C_d

7. کنترل لغزش و واژگونی سازه تحت بار باد

با توجه به بند 6-10-14 لغزش و واژگونی سازه در مقابل بار ناشی از باد کنترل شود.

مقاومت کل سازه در مقابل لغزش روی زمین باید به‌وسیله اصطکاک شالوده ها بر روی زمین، مقاومت ایجاد شده توسط خاک مقابل شالوده یا مهارهای جانبی دیگر که به همین دلیل تعبیه شده تأمین میگردد. ضریب اطمینان در برابر لغزش تحت بار باد (بدون اعمال ضریب بار) نباید کمتر از 1/5 در نظر گرفته شود.

در طراحی سازه ها برای باد، سازه باید از نظر واژگونی پایدار باشد. لنگر واژگونی مؤثر بر سازه باید نسبت به محور واقع بر فصل مشترک وجه انتهایی شالوده با صفحه زیر آن، در سمت پشت به باد تعیین گردد. ضریب اطمینان واژگونی سازه تحت بار باد (بدون اعمال ضریب بار) نباید کمتر از 1/75 اختیار شود.

 

نتیجه‌گیری

در یک نتیجه گیری کلی و مختصر میتوان بیان کرد که شکل و ارتفاع سازه و همچنین منطقه احداث سازه از لحاظ سرعت باد، دو عامل بسیار مهم در میزان تأثیرگذاری بار باد بر روی سازه است. بنابراین به این دو پارامتر در طراحی و ساخت سازه اهمیت ویژهای قائل شد.

در مورد ساختمان هایی معمولی که در شهرها ساخته می شوند، به دلیل نزدیکی ساختمان های مجاور تاثیر باد بر این ساختمان ها بسیار کم بوده که معمولا در بارگذاری در اینگونه ساختمان ها نادیده گرفته میشود. ولی ساختمان های بلندمرتبه که در محیط باز احداث می شوند یا سازه های صنعتی اثر بار باد قابل توجه خواهد بود.

منابع

مبحث ششم مقررات ملی ساختمان

 

• مطلبی میخواهید که نیست ؟ از ما بپرسید تا برایتان محتوا رایگان تولید کنیم!

• ارسال سوال برای تولید محتوا