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.
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.
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.
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.
جدول 1.1 کدها کدهای عمومی ساختمان
حداقل بارهای طراحی برای ساختمان ها و سایر سازه ها، ASCE/SEI 7-10، انجمن مهندسان عمران آمریکا
کد بین المللی ساختمان کدهای طراحی
الزامات کد ساختمان برای بتن مسلح، Am. Conc. Inst. (ACI)
کتابچه راهنمای ساخت و ساز فولاد، موسسه ساخت فولاد آمریکا (AISC)
مشخصات استاندارد برای پل های بزرگراه، انجمن مقامات بزرگراه و حمل و نقل ایالتی آمریکا (AASHTO)
مشخصات طراحی ملی برای ساخت و ساز چوب، انجمن جنگل و کاغذ آمریکا (AFPA)
راهنمای مهندسی راه آهن، انجمن مهندسی راه آهن آمریکا (AREA)
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.
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.
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}
آلومینیوم
170
26.7
بتن، خاکستر ساده
108
17.0
بتن، سنگ ساده
144
22.6
بتن، خاکستر مسلح
111
17.4
بتن، سنگ مسلح
150
23.6
خاک رس، خشک
63
9.9
خاک رس، مرطوب
110
17.3
شن و ماسه ، خشک ، شل
100
15.7
شن و ماسه ، مرطوب
120
18.9
سنگ تراشی، بتن جامد سبک وزن
105
16.5
سنگ تراشی ، وزن طبیعی
135
21.2
تخته سه لا
36
5.7
فولادی، سرد کشیده شده
492
77.3
چوب ، صنوبر داگلاس
34
5.3
چوب، کاج جنوبی
37
5.8
چوب، صنوبر
29
4.5
* 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. | | |
ناودانی 2xx4in2 \times 4 \mathrm{in} های چوبی . ( 51 xx102mm51 \times 102 \mathrm{~mm} ) ، یک طرف گچ کاری شده است
12
0.57
ناودانی 2xx4in2 \times 4 \mathrm{in} های چوبی . ( 51 xx102mm51 \times 102 \mathrm{~mm} ) ، دو طرف گچ کاری شده است
20
0.96
پر کردن کف
بتن خاکستر، در هر اینچ (میلی متر)
9
0.017
بتن سبک، ساده، در هر اینچ (میلی متر)
8
0.015
بتن سنگی، در هر اینچ (میلی متر)
12
0.023
سقف
تخته فیبر آکوستیک
1
0.05
گچ روی کاشی یا بتن
5
0.24
تخته فلزی معلق و گچ گچ
10
0.48
زونا آسفالت
2
0.10
تخته فیبر، (1)/(2)-in\frac{1}{2}-\mathrm{in} . ( 13 میلی متر )
0.75
0.04
* 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. ( 203 mm ) clay brick 79 3.78
12-in.(305mm) 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. ( 13 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. | 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 mm ) clay brick | 79 | 3.78 |
| $12-\mathrm{in} .(305 \mathrm{~mm})$ 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 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. | | |
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.
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.
مثال 1.1
شکل 1-8
تیر کف در شکل 1-8 برای پشتیبانی 6-ft6-\mathrm{ft} از عرض یک دال بتنی ساده سبک 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.
راه حل
با استفاده از داده های جدول 1.2 و 1.3، ما 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}
