Once the dimensional requirements for a structure have been defined, it becomes necessary to determine the loads the structure must support. Often, it is the anticipation of the various loads that will be imposed on the structure that provides the basic type of structure that will be chosen for design. For example, high-rise structures must endure large lateral loadings caused by wind, and so shear walls and tubular frame systems are selected, whereas buildings located in areas prone to earthquakes must be designed having ductile frames and connections. هنگامی که الزامات ابعادی یک سازه تعریف شد، تعیین بارهایی که سازه باید تحمل کند، ضروری می شود. اغلب، این پیش بینی بارهای مختلفی است که به سازه تحمیل می شود که نوع اصلی سازه ای را که برای طراحی انتخاب می شود، فراهم می کند. به عنوان مثال، سازه های بلند مرتبه باید بارهای جانبی زیادی ناشی از باد را تحمل کنند و بنابراین دیوارهای برشی و سیستم های قاب لوله ای انتخاب می شوند، در حالی که ساختمان های واقع در مناطق مستعد زلزله باید با قاب ها و اتصالات شکل پذیر طراحی شوند.
Once the structural form has been determined, the actual design begins with those elements that are subjected to the primary loads the structure is intended to carry, and proceeds in sequence to the various supporting members until the foundation is reached. Thus, a building floor slab would be designed first, followed by the supporting beams, columns, and last, the foundation footings. In order to design a structure, it is therefore necessary to first specify the loads that act on it. هنگامی که فرم ساختاری مشخص شد، طراحی واقعی با عناصری آغاز می شود که تحت بارهای اولیه ای قرار می گیرند که سازه برای حمل در نظر گرفته شده است و به ترتیب به اعضای مختلف پشتیبانی ادامه می یابد تا زمانی که به پایه برسد. بنابراین، ابتدا یک دال کف ساختمان طراحی می شود و پس از آن تیرهای نگهدارنده، ستون ها و در آخر، پایه های فونداسیون طراحی می شود. بنابراین برای طراحی سازه ، ابتدا لازم است بارهایی که بر روی آن وارد می شوند مشخص شود.
The design loading for a structure is often specified in codes. In general, the structural engineer works with two types of codes: general building codes and design codes. General building codes specify the requirements of governmental bodies for minimum design loads on structures and minimum standards for construction. Design codes provide detailed technical standards and are used to establish the requirements for the actual structural design. Table 1.1 lists some of the important codes used in practice. It should be realized, however, that codes provide only a general guide for design. The ultimate responsibility for the design lies with the structural engineer. بارگذاری طراحی برای یک سازه اغلب در کدها مشخص می شود. به طور کلی مهندس سازه با دو نوع کد کار می کند: کدهای ساختمانی عمومی و کدهای طراحی. قوانین عمومی ساختمان، الزامات نهادهای دولتی را برای حداقل بار طراحی بر روی سازه ها و حداقل استانداردهای ساخت و ساز مشخص می کند. کدهای طراحی استانداردهای فنی دقیقی را ارائه می دهند و برای تعیین الزامات طراحی سازه واقعی استفاده می شوند. جدول 1.1 برخی از کدهای مهم مورد استفاده در عمل را فهرست می کند. با این حال، باید درک کرد که کدها فقط یک راهنمای کلی برای طراحی ارائه می دهند. مسئولیت نهایی طراحی بر عهده مهندس سازه است.
Since a structure is generally subjected to several types of loads, a brief discussion of these loadings will now be presented to illustrate how one must consider their effects in practice. از آنجایی که یک سازه به طور کلی تحت چندین نوع بارگذاری قرار می گیرد، اکنون بحث مختصری در مورد این بارگذاری ها ارائه می شود تا نشان داده شود که چگونه باید اثرات آنها را در عمل در نظر گرفت.
TABLE 1.1 Codes جدول 1.1 کدها
General Building Codes کدهای عمومی ساختمان
Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-10, American Society of Civil Engineers حداقل بارهای طراحی برای ساختمان ها و سایر سازه ها، ASCE/SEI 7-10، انجمن مهندسان عمران آمریکا
International Building Code کد بین المللی ساختمان
Design Codes کدهای طراحی
Building Code Requirements for Reinforced Concrete, Am. Conc. Inst. (ACI) الزامات کد ساختمان برای بتن مسلح، Am. Conc. Inst. (ACI)
Manual of Steel Construction, American Institute of Steel Construction (AISC) کتابچه راهنمای ساخت و ساز فولاد، موسسه ساخت فولاد آمریکا (AISC)
Standard Specifications for Highway Bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) مشخصات استاندارد برای پل های بزرگراه، انجمن مقامات بزرگراه و حمل و نقل ایالتی آمریکا (AASHTO)
National Design Specification for Wood Construction, American Forest and Paper Association (AFPA) مشخصات طراحی ملی برای ساخت و ساز چوب، انجمن جنگل و کاغذ آمریکا (AFPA)
Manual for Railway Engineering, American Railway Engineering Association (AREA) راهنمای مهندسی راه آهن، انجمن مهندسی راه آهن آمریکا (AREA)
Dead Loads. Dead loads consist of the weights of the various structural members and the weights of any objects that are permanently attached to the structure. Hence, for a building, the dead loads include the weights of the columns, beams, and girders, the floor slab, roofing, walls, windows, plumbing, electrical fixtures, and other miscellaneous attachments. بارهای مرده. بارهای مرده شامل وزن اعضای مختلف سازه و وزن هر جسمی است که به طور دائم به سازه متصل است. از این رو، برای یک ساختمان، بارهای مرده شامل وزن ستون ها، تیرها و تیرها، دال کف، سقف، دیوارها، پنجره ها، لوله کشی، وسایل الکتریکی و سایر پیوست های متفرقه است.
In some cases, a structural dead load can be estimated satisfactorily from simple formulas based on the weights and sizes of similar structures. Through experience one can also derive a “feeling” for the magnitude of these loadings. For example, the average weight for timber buildings is 40-50lb//ft^(2)(1.9-2.4kN//m^(2))40-50 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(1.9-2.4 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right), for steel framed buildings it is 60-75lb//ft^(2)(2.9-3.6kN//m^(2))60-75 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(2.9-3.6 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right), and for reinforced concrete buildings it is 110-130lb//ft^(2)(5.3-6.2kN//m^(2))110-130 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(5.3-6.2 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right). Ordinarily, though, once the materials and sizes of the various components of the structure are determined, their weights can be found from tables that list their densities. در برخی موارد، بار مرده سازه ای را می توان از فرمول های ساده بر اساس وزن و اندازه سازه های مشابه به طور رضایت بخشی تخمین زد. از طریق تجربه همچنین می توان "احساسی" برای بزرگی این بارها به دست آورد. به عنوان مثال، وزن متوسط برای ساختمان های چوبی 40-50lb//ft^(2)(1.9-2.4kN//m^(2))40-50 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(1.9-2.4 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right) است، برای ساختمان های اسکلت فولادی 60-75lb//ft^(2)(2.9-3.6kN//m^(2))60-75 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(2.9-3.6 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right) است، و برای ساختمان های بتن آرمه است 110-130lb//ft^(2)(5.3-6.2kN//m^(2))110-130 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\left(5.3-6.2 \mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}\right) . با این حال، به طور معمول، هنگامی که مواد و اندازه اجزای مختلف سازه تعیین می شود، وزن آنها را می توان از جداولی که چگالی آنها را فهرست می کند، پیدا کرد.
TABLE 1.2 Minimum Densities for Design Loads from Materials* جدول 1.2 حداقل چگالی برای بارهای طراحی از مواد*
lb//ft^(3)\mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{3}
kN//m^(3)\mathrm{kN} / \mathrm{m}^{3}
Aluminum آلومینیوم
170
26.7
Concrete, plain cinder بتن، خاکستر ساده
108
17.0
Concrete, plain stone بتن، سنگ ساده
144
22.6
Concrete, reinforced cinder بتن، خاکستر مسلح
111
17.4
Concrete, reinforced stone بتن، سنگ مسلح
150
23.6
Clay, dry خاک رس، خشک
63
9.9
Clay, damp خاک رس، مرطوب
110
17.3
Sand and gravel, dry, loose شن و ماسه ، خشک ، شل
100
15.7
Sand and gravel, wet شن و ماسه ، مرطوب
120
18.9
Masonry, lightweight solid concrete سنگ تراشی، بتن جامد سبک وزن
105
16.5
Masonry, normal weight سنگ تراشی ، وزن طبیعی
135
21.2
Plywood تخته سه لا
36
5.7
Steel, cold-drawn فولادی، سرد کشیده شده
492
77.3
Wood, Douglas Fir چوب ، صنوبر داگلاس
34
5.3
Wood, Southern Pine چوب، کاج جنوبی
37
5.8
Wood, spruce چوب، صنوبر
29
4.5
*Minimum Densities for Design Loads from Materials, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/ SEI 7-10. Copies of this standard may be purchaed from ASCE at www.pubs.asce.org, American Society of Civil Engineers. * حداقل چگالی برای بارهای طراحی از مصالح ، تکثیر شده با مجوز انجمن مهندسان عمران آمریکا حداقل بارهای طراحی برای ساختمان ها و سایر سازه ها ، ASCE / SEI 7-10. نسخه هایی از این استاندارد ممکن است از ASCE در www.pubs.asce.org، انجمن مهندسان عمران آمریکا خریداری شود.
lb//ft^(3) kN//m^(3)
Aluminum 170 26.7
Concrete, plain cinder 108 17.0
Concrete, plain stone 144 22.6
Concrete, reinforced cinder 111 17.4
Concrete, reinforced stone 150 23.6
Clay, dry 63 9.9
Clay, damp 110 17.3
Sand and gravel, dry, loose 100 15.7
Sand and gravel, wet 120 18.9
Masonry, lightweight solid concrete 105 16.5
Masonry, normal weight 135 21.2
Plywood 36 5.7
Steel, cold-drawn 492 77.3
Wood, Douglas Fir 34 5.3
Wood, Southern Pine 37 5.8
Wood, spruce 29 4.5
*Minimum Densities for Design Loads from Materials, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/ SEI 7-10. Copies of this standard may be purchaed from ASCE at www.pubs.asce.org, American Society of Civil Engineers. | | $\mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{3}$ | $\mathrm{kN} / \mathrm{m}^{3}$ |
| :--- | :--- | :--- |
| Aluminum | 170 | 26.7 |
| Concrete, plain cinder | 108 | 17.0 |
| Concrete, plain stone | 144 | 22.6 |
| Concrete, reinforced cinder | 111 | 17.4 |
| Concrete, reinforced stone | 150 | 23.6 |
| Clay, dry | 63 | 9.9 |
| Clay, damp | 110 | 17.3 |
| Sand and gravel, dry, loose | 100 | 15.7 |
| Sand and gravel, wet | 120 | 18.9 |
| Masonry, lightweight solid concrete | 105 | 16.5 |
| Masonry, normal weight | 135 | 21.2 |
| Plywood | 36 | 5.7 |
| Steel, cold-drawn | 492 | 77.3 |
| Wood, Douglas Fir | 34 | 5.3 |
| Wood, Southern Pine | 37 | 5.8 |
| Wood, spruce | 29 | 4.5 |
| *Minimum Densities for Design Loads from Materials, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/ SEI 7-10. Copies of this standard may be purchaed from ASCE at www.pubs.asce.org, American Society of Civil Engineers. | | |
*Minimum Design Dead Loads, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-10, American Society of Civil Engineers. * حداقل بارهای مرده طراحی، با اجازه انجمن مهندسان عمران آمریکا حداقل بارهای طراحی برای ساختمان ها و سایر سازه ها، ASCE/SEI 7-10، انجمن مهندسان عمران آمریکا.
TABLE 1.3 Minimum Design Dead Loads*
Walls psf kN//m^(2)
4-in.(102mm) clay brick 39 1.87
8-in.(203mm) clay brick 79 3.78
12-in. ( 305 mm ) clay brick 115 5.51
Frame Partitions and Walls
Exterior stud walls with brick veneer 48 2.30
Windows, glass, frame and sash 8 0.38
Wood studs 2xx4in. ( 51 xx102mm ), unplastered 4 0.19
Wood studs 2xx4in. ( 51 xx102mm ), plastered one side 12 0.57
Wood studs 2xx4in. ( 51 xx102mm ), plastered two sides 20 0.96
Floor Fill
Cinder concrete, per inch (mm) 9 0.017
Lightweight concrete, plain, per inch (mm) 8 0.015
Stone concrete, per inch (mm) 12 0.023
Ceilings
Acoustical fiberboard 1 0.05
Plaster on tile or concrete 5 0.24
Suspended metal lath and gypsum plaster 10 0.48
Asphalt shingles 2 0.10
Fiberboard, (1)/(2)-in.(13mm) 0.75 0.04
*Minimum Design Dead Loads, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-10, American Society of Civil Engineers. | TABLE 1.3 Minimum Design Dead Loads* | | |
| :--- | :--- | :--- |
| Walls | psf | $\mathrm{kN} / \mathrm{m}^{2}$ |
| $4-\mathrm{in} .(102 \mathrm{~mm})$ clay brick | 39 | 1.87 |
| $8-\mathrm{in} .(203 \mathrm{~mm})$ clay brick | 79 | 3.78 |
| 12-in. ( 305 mm ) clay brick | 115 | 5.51 |
| Frame Partitions and Walls | | |
| Exterior stud walls with brick veneer | 48 | 2.30 |
| Windows, glass, frame and sash | 8 | 0.38 |
| Wood studs $2 \times 4 \mathrm{in}$. ( $51 \times 102 \mathrm{~mm}$ ), unplastered | 4 | 0.19 |
| Wood studs $2 \times 4 \mathrm{in}$. ( $51 \times 102 \mathrm{~mm}$ ), plastered one side | 12 | 0.57 |
| Wood studs $2 \times 4 \mathrm{in}$. ( $51 \times 102 \mathrm{~mm}$ ), plastered two sides | 20 | 0.96 |
| Floor Fill | | |
| Cinder concrete, per inch (mm) | 9 | 0.017 |
| Lightweight concrete, plain, per inch (mm) | 8 | 0.015 |
| Stone concrete, per inch (mm) | 12 | 0.023 |
| Ceilings | | |
| Acoustical fiberboard | 1 | 0.05 |
| Plaster on tile or concrete | 5 | 0.24 |
| Suspended metal lath and gypsum plaster | 10 | 0.48 |
| Asphalt shingles | 2 | 0.10 |
| Fiberboard, $\frac{1}{2}-\mathrm{in}.(13 \mathrm{~mm})$ | 0.75 | 0.04 |
| *Minimum Design Dead Loads, Reproduced with permission from American Society of Civil Engineers Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures, ASCE/SEI 7-10, American Society of Civil Engineers. | | |
The densities of typical materials used in construction are listed in Table 1.2, and a portion of a table listing the weights of typical building components is given in Table 1.3. Although calculation of dead loads based on the use of tabulated data is rather straightforward, it should be realized that in many respects these loads will have to be estimated in the initial phase of design. These estimates include nonstructural materials such as prefabricated facade panels, electrical and plumbing systems, etc. Furthermore, even if the material is specified, the unit weights of elements reported in codes may vary from those given by manufacturers, and later use of the building may include some changes in dead loading. As a result, estimates of dead loadings can be in error by 15%15 \% to 20%20 \% or more. تراکم مواد معمولی مورد استفاده در ساخت و ساز در جدول 1.2 ذکر شده است و بخشی از جدول که وزن اجزای معمولی ساختمان را فهرست می کند در جدول 1.3 آورده شده است. اگرچه محاسبه بارهای مرده بر اساس استفاده از داده های جدول بندی شده نسبتا ساده است، اما باید درک کرد که از بسیاری جهات این بارها باید در مرحله اولیه طراحی تخمین زده شوند. این برآوردها شامل مصالح غیر سازه ای مانند پانل های نمای پیش ساخته، سیستم های برق و لوله کشی و غیره است. علاوه بر این، حتی اگر مواد مشخص شده باشد، وزن واحد عناصر گزارش شده در کدها ممکن است با وزن های ارائه شده توسط سازندگان متفاوت باشد و استفاده بعدی از ساختمان ممکن است شامل تغییراتی در بارگذاری مرده باشد. در نتیجه، تخمین بارهای مرده می تواند توسط 15%15 \% به 20%20 \% یا بیشتر اشتباه باشد.
Normally, the dead load is not large compared to the design load for simple structures such as a beam or a single-story frame; however, for multistory buildings it is important to have an accurate accounting of all the dead loads in order to properly design the columns, especially for the lower floors. به طور معمول، بار مرده در مقایسه با بار طراحی برای سازه های ساده مانند تیر یا قاب تک طبقه زیاد نیست. با این حال، برای ساختمان های چند طبقه، داشتن یک حساب دقیق از تمام بارهای مرده به منظور طراحی صحیح ستون ها، به ویژه برای طبقات پایین، مهم است.
EXAMPLE 1.1 مثال 1.1
Fig. 1-8 شکل 1-8
The floor beam in Fig. 1-8 is used to support the 6-ft width of a lightweight plain concrete slab having a thickness of 4 in . The slab serves as a portion of the ceiling for the floor below, and therefore its bottom is coated with plaster. Furthermore, an 8 -ft-high, 12 -in.-thick lightweight solid concrete block wall is directly over the top flange of the beam. Determine the loading on the beam measured per foot of length of the beam. تیر کف در شکل 1-8 برای پشتیبانی از عرض 6 فوت یک دال بتنی ساده سبک وزن با ضخامت 4 اینچ استفاده می شود. دال به عنوان بخشی از سقف برای کف زیر عمل می کند و بنابراین پایین آن با گچ پوشانده شده است. علاوه بر این، یک دیوار بلوک بتنی جامد سبک وزن به ارتفاع 8 فوت و ضخامت 12 اینچ مستقیما روی فلنج بالایی تیر قرار دارد. بار روی تیر اندازه گیری شده در هر فوت طول تیر را تعیین کنید.
SOLUTION راه حل
Using the data in Tables 1.2 and 1.3, we have با استفاده از داده های جدول 1.2 و 1.3، ما
Concrete slab: [8lb//(ft^(2)*in.)](4in).(6ft)=192lb//ft\left[8 \mathrm{lb} /\left(\mathrm{ft}^{2} \cdot \mathrm{in}.\right)\right](4 \mathrm{in}).(6 \mathrm{ft})=192 \mathrm{lb} / \mathrm{ft} دال بتنی: [8lb//(ft^(2)*in.)](4in).(6ft)=192lb//ft\left[8 \mathrm{lb} /\left(\mathrm{ft}^{2} \cdot \mathrm{in}.\right)\right](4 \mathrm{in}).(6 \mathrm{ft})=192 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}
Plaster ceiling: quad(5lb//ft^(2))(6ft)=30lb//ft\quad\left(5 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\right)(6 \mathrm{ft})=30 \mathrm{lb} / \mathrm{ft} سقف گچی: quad(5lb//ft^(2))(6ft)=30lb//ft\quad\left(5 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{2}\right)(6 \mathrm{ft})=30 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}
Block wall: quad(105lb//ft^(3))(8ft)(1ft)=840lb//ft\quad\left(105 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{3}\right)(8 \mathrm{ft})(1 \mathrm{ft})=840 \mathrm{lb} / \mathrm{ft} دیوار بلوک: quad(105lb//ft^(3))(8ft)(1ft)=840lb//ft\quad\left(105 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}^{3}\right)(8 \mathrm{ft})(1 \mathrm{ft})=840 \mathrm{lb} / \mathrm{ft}
Total load بار کل
Here the unit k stands for “kip,” which symbolizes kilopounds. Hence, 1k=1000lb1 \mathrm{k}=1000 \mathrm{lb}. در اینجا واحد k مخفف "kip" است که نماد کیلوپوند است. از این رو، 1k=1000lb1 \mathrm{k}=1000 \mathrm{lb} .