کتاب بارهای طراحی سازه ها اثر سید مهدی زهرائی ناشر فدک ایساتیس

در فرآیند طراحی سازه ها به منظور تامین اهداف عملکردی آن ها، بارگذاری سازه و آشنایی با بارهای وارد بر سازه و چگونگی تعیین مقادیر بارهای طراحی سازه نقش بسیار مهمی ایفا می کند. اگر چه آشنایی با چگونگی تعیین بارهای طراحی سازه هابر مبنای آیین نامه های طراحی امری ضروری برای یک مهندس طراح است، ولی این مهارت تنها زمانی مفید واقع می شود که طراح با چگونگی اعمال این بارها بر سازه ها در فرآیند طراحی سازه تسلط کافی داشته باشد. این امر مستلزم آشنایی با اصول و مبانی بارگذاری و تعیین بارهای وارد بر سازه می باشد. نکته ویژه این کتاب ارائه مطالب تکمیلی و جدید در زمینه عدم قطعیت بار و مقاومت، بارهای زنده، بخصوص بار برف، بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله و نیز مطالبی برای سیستم های مقاوم در برابر بارهای مقاوم در برابر بارهای قائم و جانبی و روش های تقریبی و دقیق تحلیل این سیستم ها است. مفاهیم پایه و مقدماتی بارگذاری سازه ها بصورتی ساده و قابل فهم برای مهندسین و دانشجویان مهندسی بیان شده اند. این مفاهیم توسط مثال های متعددی در مورد مسائل کاربردی در باگذاری مطرح شده اند. در این کتاب سعی شده تا تغییرات عمده اخیر در ویرایش سوم مبحث 6 شامل ضریب اهمیت بارهای برف، یخ زدگی و باد، جز و بار زنده قرار گرفتن بار تیغه ها، تغییرات شرایط نامساعدترین وضعیت بارگذاری زنده،باردست انداز و حفاظ پارکینگ، شرایط و نحوه کاهش سربار، مطالب افزوده شده برای بار برف، خاک، آب،یخ زدگی و سیل و بالاخره تغییرات اساسی در بارباد و نیز ترکیبات بارگذاری در نظر گرفته شود. همچنین در فصل بارهای زلزله به تغییرات عمده ویرایش چهارم استاندارد 2800 نیز اشاره شده است.

مقدمه

در فرآیند طراحی سازه¬ها به منظور تأمین اهداف عملکردی آن¬ها، بارگذاری سازه و آشنایی با بارهای وارد بر سازه و چگونگی تعیین مقادیر بارهای طراحی سازه نقش بسیار مهمی ایفا می¬کند. اگرچه آشنایی با چگونگی تعیین بارهای طراحی سازه¬ها بر مبنای آیین¬نامه¬های طراحی امری ضروری برای یک مهندس طراح است، ولی این مهارت تنها زمانی مفید واقع می¬شود که طراح با چگونگی اعمال این بارها بر سازه¬ها در فرآیند طراحی سازه تسلط کافی داشته باشد. این امر مستلزم آشنایی با اصول و مبانی بارگذاری و تعیین بارهای وارد بر سازه می¬باشد آشنایی با این اصول در اکثر موارد نیازمند آشنایی با مباحث پیچیده و پیشرفته در مورد ماهیت احتمالاتی بارهای طراحی سازه، رفتار هر یک از اعضای سازه، عدم قطعیت موجود در رفتار اعضا و رفتار کلی یک سازه می¬باشد. از طرف دیگر درس بارگذاری اولین آشنایی بسیاری از دانشجویان مهندسی عمران با پیچیدگی موجود در پدیده¬های طبیعی همچون باد و زلزله، مفاهیم و اصول رفتار سازه در برابر این پدیده¬ها می¬باشد. این امر استفاده از زبانی ساده به منظور آموزش مفاهیم اساسی در مورد ماهیت بارهای وارد بر سازه و چگونگی رفتار سازه در برابر این بارها را ضروری می¬نماید.
سال¬های طولانی تدریس درس بارگذاری در دانشکده¬ي عمران دانشگاه تهران مؤلف را بر آن داشت تا اقدام به تهیه¬ی کتابی در مورد بارهای طراحی وارد بر سازه¬ها نماید. هدف اصلي از تأليف اين کتاب، ايجاد فهمي عميق از اصول بارگذاری به منظور کاربرد مناسب آن¬ها در مهندسي سازه و دروس طراحی سازه های فولادی و بتنی با بکارگیری زبانی ساده و بدون پیجیدگی است. در واقع ضمن تأکيد بر نقش آمار و احتمالات و تئوري تصميم¬گيري آماري در موضوعات بارگذاری مهندسي عمران، هدف مؤلف، طرح مسائل کاربردي در مورد انواع بارهای وارد بر اجزای مختلف ساختمانها از ديد مقاومت مصالح، مکانيک خاک، طراحي سازه¬ها، و ساخت و ساز مي¬باشد.
انگيزه¬ي مولف از نگارش کتاب، تشويق دانشجويان اين درس برای مطالعه کاملتر مباحث بارگذاری به کمک اين مجموعه بوده است. نکته ويژه اين کتاب با توجه به انتشار ويرايش سوم مبحث 6 مقررات ملي ساختماني، علاوه بر مطالب تکميلی و جديد در زمينه آمار و احتمالات، بارهای زنده، بار برف (که برای اولين بار مطالب کاملی از آئين نامه¬ها آورده شده)، بارهای جانبی ناشی از باد و زلزله، ارائه مطالبی برای سيستمهای مقاوم در برابر بارهای قائم و جانبی و روشهای تقريبی و دقيق تحليل اين سيستمها است.
در اين کتاب، مفاهيم پايه و مقدماتي بارگذاری سازه¬ها به صورتي ساده و قابل فهم براي مهندسين و دانشجويان مهندسي بيان شده¬اند. اين مفاهيم توسط مثال¬هاي متعددي در مورد مسائل کاربردي در بارگذاری مطرح شده و تماريني در پايان هر فصل به منظور ارتقاي درک دانشجويان از اين مفاهيم آورده شده¬اند. اين تمارين مي¬توانند فرصتي براي دانشجويان فراهم کنند تا به ميزان تسلط خود بر مطالب، آگاهي پيدا کنند. مطالب موجود در اين کتاب براي دانشجويان سال سوم يا چهارم دانشگاهها، اساتيد و محققيني که در مورد بارهای وارد بر سازه‌ها و نیز مقاومت مورد نياز آنها مطالعه مي¬کنند، تنظيم گرديده است. براي مطالعه¬ي کتاب، داشتن اطلاعات مقدماتی در مورد مفاهيم آمار و احتمالات، مقاومت مصالح و تحليل سازه‌ها مورد نیاز است.
در اين كتاب سعي شده تا تغييرات عمده اخير در ويرايش سوم مبحث 6 شامل ضريب اهميت براي بارهاي برف، يخ‌زدگي و باد، جزو بار زنده قرارگرفتن بار تيغه‌ها، تغييرات شرايط نامساعدترين وضعيت بارگذاري بار زنده، بار دست‌انداز و حفاظ پاركينگ، شرايط و نحوة كاهش سربار، مطالب افزوده شده براي بار برف، خاك، آب، يخ‌زدگي و سيل و بالاخره تغييرات اساسي در بار باد و نيز تركيبات بارگذاري در نظر گرفته شود. همچنين در فصل بارهاي زلزله به تغييرات عمده ويرايش چهارم استاندارد 2800 نيز اشاره شده است.
این کتاب از 11 فصل تشکیل شده است. در فصل اول مقدمات بارگذاری، انواع بارها، مبانی احتمالاتی بارگذاری سازه¬ها و چگونگی کاربرد این مفاهیم در تعیین بارهای وارد بر سازه بیان شده است. علاوه بر معرفی مختصر برخی متغيرهای تصادفی و توابع احتمال حاکم بر آنها، عدم قطعیت در مقادير بارها و مقاومت برای تامين ايمنی، مبانی طراحی به روش حالت حدی و قابليت اعتماد سازه¬ها در این فصل بحث شده است.
در فصل دوم، بارهای مرده و چگونگی تعیین این بارها بر اساس جزئیات اجزای سازه¬ای و غیرسازه‌ای در ساختمان¬ها ارئه شده است. در این فصل مفاهیم مربوط به بار معادل یکنواخت کف تیغه¬های ساختمان و چگونگی تعیین این مقادیر بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و استاندارد بارهای طراحی سازه¬ها ASCE7-05 بیان شده است.
در فصل سوم به ماهیت بارهای زنده پرداخته شده است تا با آشنا نمودن خوانندگان کتاب با ماهیت این بارها، چگونگی تعیین مقادیر این بارها به گونه¬ای صحیح و قابل اطمینان بیان شود. در ادامه موارد، کاهش سربار به منظور دستیابی به طرحی اقتصادی بیان شده است. علاوه بر این چگونگی رفتار سازه‌ها در برابر بارهای دینامیکی و اصول بارگذاری مربوط به این بارها در فصل سوم بیان شده است.
در فصل چهارم ماهیت بار برف و چگونگی تعیین آن بر اساس مبحث ششم مقررات ملی ساختمان بیان شده است. علاوه بر آن به منظور درک بهتر و کاملتر از بار برف، الگوی بارگذاری برف بر اساس استاندارد ASCE7-05 ارائه شده است. ضمنا، در این فصل بار موضعی برف، برف انباشتگی بر روی بام¬های پایین¬تر، بار اضافی ناشی از ریزش باران بر روی برف، ناپایداری حاصل از برف انباشگی در بارگذاری برف بیان می¬شود. با توجه به تغييرات در ويرايش سوم مبحث 6 مقررات ملي ساختماني كشور، بارهای حاصل از فشار خاک و اثرات خود كرنشي در فصل پنجم و بارهاي ناشي از آب، يخ‌زدگي و سيل در فصل ششم به اختصار آورده شده است.
در فصل هفتم به سیستم¬های باربر ثقلی ساختمان پرداخته می¬شود. علاوه بر معرفی انواع دال‌های سازه‌ای، چگونگی تعیین نحوه¬ی انتقال بار در سازه و تعیین سطح بارگیر اجزای سازه¬ای مانند تیرها وستون¬ها مرور می¬شود. در پایان این فصل نیز روش¬های تحلیل تقریبی سازه¬ها در برابر بار جانبی بیان شده است.
در فصل هشتم به ماهیت بارهای ناشی از باد و چگونگی تعیین این بارها پرداخته می¬شود. ابتدا چگونگی تعیین باد مبنای بارگذاری مرور شده و در ادامه، مفاهیم و پارامترهای مؤثر بر بارهای ناشی از باد ارائه می¬شود. در پایان نیز معیارهای طراحی سازه در برابر باد و آثار دینامیکی باد بر سازه های انعطاف پذیر آورده می¬شود.
هدف اصلی در فصل نهم ایجاد درکی ساده از مفاهیم مربوط به پدیده¬ی زلزله و مبانی لرزه-شناسی می¬باشد. در این فصل به پدیده¬ی زلزله و دلایل وقوع آن پرداخته می¬شود و مکانیزم¬های ایجاد خرابی در سازه¬ها طی یک زلزله و انواع امواج لرزه¬ای بیان می¬شود. علاوه بر آن، پارامترهای تأثیرگذار در شدت خرابی حاصل از زلزله نیز ارائه می¬شود.
در فصل دهم به مباحث مربوط به بارهای ایجاد شده در سازه¬ها در اثر زلزله پرداخته می¬شود. در این فصل با هدف¬های طراحی سازه، روش¬های تحلیل سازه در برابر زلزله و اصول تحلیل خطی استاتیکی سازه¬ها مرور می¬شود. علاوه بر آن، بر اساس ضوابط استاندارد 2800، چگونگی تعیین نیروی زلزله وارد بر سازه بر طبق روش تحلیل خطی استاتیکی ارائه شده و در ادامه، تغییرشکل ایجاد شده در سازه¬ها و چگونگی کنترل سازه¬ها در برابر بار زلزله سطح بهره¬برداری بررسی می¬شود. در این فصل، به انواع دیافراگم¬ها کف و چگونگی عملکرد آن¬ها در برابر بار جانبی و همچنین نیروهای وارد براین دال¬ها در طی زلزله پرداخته می¬شود. در پایان نیز، چگونگی تعیین بار ناشی از زلزله وارد بر سازه¬های غیرساختمانی ارائه می¬شود.
فصل يازدهم به ویژگی¬های سیستم¬هایی باربر جانبی ومعرفی انواع سیستم¬های باربر جانبی می¬پردازد. در ادامه انواع اتصالات در سازه¬های فولادی اشاره شده و در پایان، روش¬های تقریبی تحلیل سازه در برابر بار جانبی ارائه می¬شود.
در فصل دوازدهم به انواع روش¬های طراحی سازه پرداخته می¬شود و روند طراحی در روش-های تنش مجاز و حالت حدی بیان می¬شود. در ادامه ترکیبات بار طراحی در هر دو روش تنش مجاز و حالت حدی بر اساس مبحث ششم و دهم مقررات ملی ساختمان و استاندارد ASCE7-05 پرداخته می¬شود. فصل سيزدهم نیز بارهای وارد بر پلها را به اختصار مرور می¬کند.
تهیه¬ی این کتاب که سه سال به طول انجامیده است بدون همراهی و یاری دانشجویان شایسته دانشکده عمران پردیس دانشکده¬های فنی دانشگاه تهران مقدور نبود. در اینجا مؤلف از این دانشجویان به ویژه آقای مهندس محمد مطلبی نصرآبادی در تهیه پیش¬نویس اولیه کتاب در سال 1390، تشکر و قدردانی می نماید.
هر چند طي باز¬ خواني¬هاي مکرر، سعي و تلاش فراواني به عمل آمده تا نوشته¬ي حاضر از کمترين اشتباهات برخوردار باشد، ليکن همچون سایر منابع علمی اين اثر نیز داراي کمبودهايی است که با مطالعه عميق تر روشن خواهد شد. پيشاپيش ضمن پوزش از خوانندگان محترم به لحاظ احتمال وجود اشتباهات و اشکالاتي که از نظر نويسنده به دور مانده، از دريافت نقطه نظرات، پيشنهادات و رهنمود¬هاي همکاران محترم و دانشجويان عزيز، استقبال می شود.
سيد مهدي زهرائي
زمستان 1392
Mzahrai @ ut.ac.ir

فهرست مطالب

 فصل 1  بارگذاري و عدم قطعيت
1.1 انواع بارهاي وارد بر سازه
1.2 مراحل طراحي سازه
1.3 عدم قطعيت در ايمني يك سازه
1.4 چند توزيع احتمال‌هاي مفيد
1.5 طراحي احتمالاتي و تئوري قابليت اطمينان سازه‌ها
تمرين‌هاي فصل 1

 فصل 2  بارهاي مرده
2.1 مقدمه
2.2 تعريف بارهاي مرده
2.3 ديوارهاي محيطي و تيغه‌هاي ثابت
تمرين‌‌هاي فصل 2

 فصل 3  بارهاي زنده
3.1 مقدمه
3.2 بار زنده
3.3 تخمين مقدار بار زنده
3.4 موارد خاص از بارهاي زنده
3.5 نامناسب‌ترين وضعيت بارگذاري زنده
3.6 كاهش سربار
3.7 بارهاي ضربه‌اي
تمرين‌هاي فصل 3

 فصل 4  بار ناشي از فشار خاك و آثار خودكرنشي
4.1 فشار جانبي خاك
4.2 تعيين فشار جانبي خاك در حالات حدي
4.3 كنترل پايداري ديوارهاي حائل
4.4 آثار خودكرنشي
تمرين‌هاي فصل 4

 فصل 5  بار ناشي از فشار آب، سيل و يخ‌زدگي
5.1 بار فشار آب
5.2 بار سيل
5.3 بار يخ‌زدگي
تمرين‌هاي فصل 5

 فصل 6  بار برف
6.1 مقدمه
6.2 بار برف
6.3 بار برف مبنا
6.4 بار برف بام‌هاي مسطح
6.5 حداقل مقدار بار برف
6.6 بار برف بام‌هاي شيب‌دار
6.7 بارگذاري نامتقارن برف
6.8 بار موضعي برف
6.9 برف انباشتگي روي بام‌هاي پايين‌تر
6.10 بار حاصل از برف انباشتگي در ديواره‌ي جان‌پناه‌ها و مجاورت ‌خرپشته‌ها
6.11 اثر ساختمان‌ها و عوارض زميني مجاور در برف انباشتگي
6.12 لغزش برف
6.13 بار اضافي ناشي از ريزش باران روي برف
6.14 ناپايداري حاصل از آب انباشتگي
تمرين‌هاي فصل 6

 فصل 7  سيستم ساختماني مقاوم در برابر بار ثقلي
7.1 مقدمه
7.2 سيستم‌هاي ساختماني مقاوم در برابر بارهاي قائم
7.3 دال كف
7.4 محاسبه بار وارد بر هریک از اجزای اصلی سیستم باربر قائم سازه¬ها
7.5 تقريبي‌ سازه‌ها در برابر بار قائم
تمرين‌هاي فصل 7

 فصل 8  بار ناشي از باد
8.1 مقدمه
8.2 باد
8.3 اثر باد بر سازه‌ها
8.4 سرعت و فشار مبناي باد
8.5 فشار و كشش ناشي از نيروي باد
8.6 ضريب بادگيري (اثر تغيير سرعت )
8.7 ضريب اثر جهش باد Cg
8.8 ضريب فشارCp
8.9 ضوابط عمومي طراحي سازه‌ها براي باد
8.10 تحليل ديناميكي بار باد
تمرين‌هاي فصل 8

 ف صل 9 م روري بر لرزه‌شناسي
9.1 مقدمه
9.2 زلزله و ماهيت آن
9.3 گسل‌ها
9.4 کانون، مرکز و عمق زلزله
9.5 موج‌هاي لرزه‌اي
9.6 شدت و بزرگي زلزله
9.7 ساز و كار خرابي در زلزله

فصل 10 بار ناشي از زلزله
10.1 مقدمه
10.2 تاريخچه
10.3 هدف طراحي
10.4 راستاي نيروي زلزله
10.5 روش‌هاي تحليل سازه در برابر زلزله
10.6 مقدمه‌اي بر ديناميك سازه
10.7 ساختمان منظم و نامنظم
10.8 حدود اعتبار روش تحليل استاتيكي خطي
10.9 روش تحليل خطي استاتيكي بر اساس ضوابط استاندارد 2800
10.10 توزيع نيروي جانبي زلزله در ارتفاع ساختمان
10.11 بررسي ساختمان در برابر واژگوني
10.12 لنگر پيچشي ناشي از نيروهاي جانبي زلزله
10.13 توزيع نيروي برشي در پلان
10.14 تغيير مكان جانبي نسبي طبقات
10.15 اثر P-∆
10.16 مؤلفه قائم نيروي زلزله
10.17 نيروي زلزله وارد بر قطعات الحاقي
10.18 ديافراگم‌ها و نيروي وارد بر آن‌ها در زلزله
10.19 تأثير خصوصيات معماري در زلزله
10.20 كنترل سازه براي بار زلزله سطح بهره‌برداري
10.21 سازه‌هاي غيرساختماني
تمرين‌هاي فصل 10

فصل 11 سيستم سازه‌اي مقاوم در برابر بار جانبي
11.1 مقدمه
11.2 سيستم باربر جانبي
11.3 انواع سيستم‌هاي باربر جانبي
11.4 انواع اتصالات در سازه‌هاي فولادي
11.5 تحليل تقريبي قاب‌ها در مقابل بارهاي جانبي
تمرين‌هاي فصل 11

فصل 12 تركيبات بارگذاري
12.1 مقدمه
12.2 هدف از طراحي سازه‌ها
12.3 روش طراحي تنش مجاز
12.4 روش طراحي حالت حدي
تمرين‌هاي فصل 12

فصل 13 بارگذاري پلها
13.1 مقدمه
13.2 بار دائمي
13.3 بار بهره‌برداري
13.4 اثرات مربوط به بار بهره‌برداري
13.5 اثر ترمز
13.6 نيروي گريز از مركز
13.7 بارهاي پياده‌رو
13.8 نيروهاي ناشي از حرارت
13.9 نيروي ناشي از جريان آب بر پايه‌ها
13.10 بار زلزله

منابع و مراجع