دانلود پایان نامه مقطع کارشناسی رشته عمران درباره بارگذاری ساختمان

اختصاصی از سورنا فایل دانلود پایان نامه مقطع کارشناسی رشته عمران درباره بارگذاری ساختمان دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

در این پست می توانید متن کامل این پایان نامه را  با فرمت ورد word دانلود نمائید:

 گفتار نخست

شناخت بارها و تعاریف سامانه‌های انتقال بار و بارگذاری

 1-1) کلیات

سازه‌های عمرانی به عنوان یک فرآورده تولیدی و صنعتی با کاربرد مشخص بوده که با توجه به نوع کاربری و استفاده موردنظر، بارهای مشخصی به آن وارد می‌شود. این سازه عمرانی اگر پل باشد، مطمئناً بارهای وارده بر آن با یک سد یا ساختمان مسکونی متفاوت خواهد بود. در پل بار اصلی وارده بر سازه آن، علاوه بر وزن پل، وزن خودروهای عبوری و همچنین بار فشار سیلاب‌ها می‌باشد، در حالی که در سدها بار اصلی، فشار آب پشت سد و خطرات ناشی از لرزش‌های زمین لرزه می‌باشند. در یک ساختمان که کاربری مسکونی دارد، نیز مقادیر بارهای اصلی با ساختمانی که کاربری درمانی یا تجاری دارد، متفاوت خواهد بود.

به عنوان یک تعریف کلی، بارگذاری تعیین حداکثر بار وارد بر یک سازه در مدت سن سودمندش با ریسک و خطر قابل پذیرش می‌باشد. بطور کلی سازه‌های موجود را به سه دسته می‌توان بخش کرد که عبارتند از:

1. سازه‌های عادی و رایج، ساختمان‌های مسکونی، بیمارستان‌ها، مدارس و … بوده و دارای حداقل سن 50 سال می‌باشد. در این نوع سازه‌ها، ریسک و خطر قابل قبول بین 10-5% است، احتمال خطا و اشتباه در بارگذاری و تعیین بار این نوع سازه‌ها تقریباً نزدیک به صفر می‌باشد، چرا که به وفور ساخته شده و بارها تا اندازه‌ زیادی شناخته می‌شوند.
2. سازه‌های صنعتی نظیر ساختمان‌های کارخانه‌ها، سوله، دکل‌های انتقال برق و … بوده و دارای حداقل 25 سال سن می‌باشند. در این دسته از سازه‌ها ریسک و خطر قابل قبول بین 1-5/0% است و احتمال خطا در بارگذاری و تعیین بار این نوع سازه‌ها تا اندازه‌ای وجود دارد.
3. سازه‌های عمرانی نظیر سدها، پل‌ها، اسکله‌ها و .. بوده و دارای حداقل سن 200-50 سال می‌باشند. در این دسته‌ از سازه‌ها ریسک قابل قبول بین 1-5/0% است و با نظر به اینکه با توجه به شرایط ساختگاهی (به ویژه در سدها) نوع بارگذاری، طراحی و محاسبات متغیر بوده و به شدت تاثیرپذیر است، از ضرایب اطمینان بالایی در تعیین بارها استفاده می‌شود.

1-2) معرفی انواع بارها

بارهای وارده بر سازه با توجه به منبع و منشاء انتشار بارها و رفتارها و تغییرات آنها دسته‌بندی می‌شوند. به هرحال، با توجه به جمیع شرایط دسته‌بندی زیر را می‌توانیم برای بارها داشته باشیم:

1. بار مرده (Dead Load):

این نوع بار به دلیل ثابت بودن مقدار آن تا انتهای سن و عمر سازه به این نام نامیده می‌شود. وزن اجزای سازه‌ای نظیر سقف، تیر و ستون‌ها، تیغه‌بندی، کف‌سازی‌ها و … به عنوان بار مرده شناخته شده‌اند و می‌توان این اجزا را با توجه به ابعاد هندسی و وزن حجمی و جزئیات اجرایی و فنی آنها با بهره‌گیری از جداول وزن مصالح که در مبحث مقررات ملی ساختمان ارائه شده است، بدست آورد.

در تعیین این بار، بویژه در سازه‌های رایج مسکونی باید دقت زیادی داشت و دلیل آن نیز سهم زیاد این نوع بار در کل بارهای وارده بر سازه می‌باشد. شیوه و روش محاسبه این نوع بار در گفتار دوم ارائه خواهد شد.

1. بار زنده (Live Load ):

بار زنده یا سربار در بیشتر مواقع با توجه به نوع کاربری سازه مشخص شده و به دو گونه کلی ایستا و ضربه‌ای دسته‌بندی می‌شود. برای نمونه بار زنده در ساختمان‌های مسکونی در حالت ایستا، وزن انسان‌ها و بارهای متغیر وارده بر سازه مسکونی بوده و در حالت ضربه‌ای، وزن آسانسور یا بالابر می‌باشد. مطمئناً خوانندگان درنظر خواهند داشت که بار زنده یک پل با بار زنده یک سد متفاوت است.

1. بارهای حین ساخت (As Built Load):

بارهای حین ساخت با توجه به روش اجرا و مراحل اجرایی سازه تعیین می‌شوند. در بسیاری از مواقع در ساخت و سازها‌، بارهای حین ساخت بیش از بارهای بهره‌برداری سازه بوده و ضرورت دارد که طراحی سازه برای این حالت بار و این نوع بارگذاری بررسی شود. در اجرای پل‌ها، از جراثقال‌هایی استفاده می‌شود که وزنشان بیش از وزن و بارهای حالت بهره‌برداری می‌باشد.

در ساختمان‌های مسکونی نیز باید دال و سقف برای محل‌های دپوی مصالح (گچ، سیمان و ماسه) طراحی و کنترل شود.

1. بار برف (Snow load):

بار برف مربوط به سقف‌های پوشاننده ساختمان بوده و با توجه به شرایط جغرافیایی محل ساختمان متغیر می‌باشد. مطمئناً در مناطق برف‌گیر و کوهستانی، بار برف بیشتر و در مناطق گرم و کویری بار برف بسیار کم می‌باشد. در این رابطه مبحث ششم، مقررات ملی ایران نقشه پهنه‌بندی ریزش برف را تهیه نموده است.

1. بار یخ (Ice load):

در مناطق سردسیر، احتمال یخبندان آب در بعضی سازه‌های خاص می‌باشد که باید درنظر گرفته شود.

1. بار باد (Wind load):

منشاء باد، تغییرات آب و هوایی می‌باشد. در بسیاری از حالت‌ها، باد همراه با آب بوده و اثرات فرسایشی آب نیز باید درنظر گرفته شود. بار باد تحت عنوان فشار ناشی از وزش باد نیز بیان شده و مقدار فشار باد به صورت یک نمودار در سطح زمین کمتر و در ارتفاع بیشتر می‌شود. همچنین سرعت و فشار باد در مناطق شهری با ساختمان‌های بلند کمتر از فشار باد در دشت باز و یا در ارتفاع خواهد بود. فرمول‌های زیر را می‌توانیم جهت رابطه بین فشار باد و سرعت آن بنویسیم:

P=1/2ρ.v²

P=0.00256v² lb/ft²

P=0.0625v² kg/m²

P: فشار                    v: سرعت جابجایی                        ρ: جرم مخصوص هوا

سرعت باد در سطح زمین، کمتر از ارتفاع بوده و با رابطه زیر تغییر می‌کند.

نمایه (1-1): نمودار تغییر سرعت باد با ارتفاع

بار باد در ایران، جزء بارهای مهم برای برخی مناطق و بعضی از انواع ساز‌ه‌ها می‌باشد. سازه‌های سبک یا سازه‌های با سقف سبک ضروری است برای بار باد کنترل شوند. اجزای غیرسازه‌ای نظیر تیغه‌های رو به باد، دودکش‌ها، نرده‌ها، دیوارهای محوطه و حیاط‌سازی و … از مواردی می‌باشند که باید به صورت مستقل از سازه بررسی شوند. در گفتار پنجم توضیحات مفصلی در ارتباط با بار باد داده خواهد شد.

1. بار زلزله (Earthquake load):

زلزله و زمین لرزه، پدیده‌ای طبیعی است که پیامد سرد شدن کره زمین می‌باشد. کره زمین دارای هسته‌ای مذاب و پوسته‌ای سرد و سخت شده است که ضخامت این پوسته در نقاط کوهستانی به 20 کیلومتر و در نقاط قعر اقیانوس‌ها به 5 کیلومتر می‌رسد. در واقع پوسته زمین از صفحات و تکه‌های جدا از هم تشکیل شده و به فصل مشترک این صفحات و تکه‌ها گسل (Fault) گفته می‌شود. گسل‌ها خود به دو دسته فعال و غیرفعال تقسیم می‌شوند. گسل‌های فعال عموماً به گسل‌هایی گفته می‌شود که در دوازده‌ هزار سال گذشته فعالیت داشته و لایه‌های آبرفتی زمین از فعالیت آنها تاثیر پذیرفته است.

بطور کلی باید از احداث ساختمان تا فاصله 5 کیلومتری در مجاورت گسل‌های فعال و محل‌هایی که امکان بوجود آمدن شکستگی در سطح زمین هنگام زلزله وجود دارد، اجتناب شود و تا فاصله 50 کیلومتری از گسل، خطر لرزه‌خیزی بالایی برای ساختمان درنظر گرفته می‌شود.

در کل‌ باری به نام بار زمین‌لرزه وجود نداشته و زمین‌لرزه فقط در ساختمان ایجاد لرزش نموده شتاب و تغییر شکل‌هایی در آن ایجاد می‌کند که حاصلضرب جرم در شتاب زلزله (ma_g)، نیروی زلزله می‌باشد. بار زلزله، وابسته به سه عامل اصلی فاصله ساختمان تا کانون زلزله، جنس خاک بستر ساختمان و ویژگی‌های دینامیکی سازه ساختمان می‌باشد.

در کل، در زمین‌هایی که ممکن است بر اثر زلزله ناپایداری ژئوتکنیکی نظیر روانگرایی در خاک‌های ماسه‌ای سست، نشست زیاد، زمین لغزش، سنگ ریزش یا پدیده‌های مشابه ایجاد گردد و یا در زمین‌های متشکل از خاک رس سست و ماسه‌ای اشباع باید امکان ساخت و شرایط لازم برای ساخت بنا با بهره‌گیری از مطالعات ساختگاه و آزمایش‌های ویژه بررسی گردد.

در رابطه با محاسبه بار زمین‌لرزه، آیین‌نامه 2800 زلزله مورد استفاده قرار گرفته و در ارتباط با نحوه محاسبه بار زلزله نیز در درس مهندسی زلزله بحث و بررسی بیشتری صورت می‌گیرد.

1. بار حرارتی (Termal load):

مصالح ساختمانی مورد استفاده در ساختمان‌ها، دارای انبساط طولی و عرضی در اثر حرارت و گرما می‌باشد. هنگامی که بر فرض مثال، یک تیرآهن فولادی از دو انتها بسته شده باشد، به دلیل عدم توانایی در تغییر شکل‌های گرمایی، دارای تغییر شکلی برابر ∆L=λL∆t خواهد بود، در حالی که عملاً‌ به دلیل بسته بودن، =0∆ می‌باشد. بنابراین در این حالت نیروی p در این تیرآهن ایجاد خواهد شد که می‌توان آن را از رابطه بدست آورد. یعنی:.

نیروها‌ و بارهای حرارتی اکثراً در ساختمان‌هایی که دارای طول زیادی می‌باشند، ایجاد می‌شود. به همین دلیل با توجه به طول این ساختمان‌ها و شدت گرمایی محیط سعی می‌‌شود بین طول‌های 50-30 متر حتماً یک درز جدایش و گرمایی درنظر گرفته شود. اندازه این درز بین 10-3 سانتیمتر بوده و به آن Expansion joint نیز گفته می‌شود.

در محل درز جدایش، ضروری است دو ستون کنار هم و با فاصله درز جدایش درنظر گرفته شود که در شکل زیر این مطلب به روشنی نمایش داده شده است:

نمایه (1-2): نمایشی از درز انبساط یا اجرایی در دو ستون کنار هم

نوع دیگر بار گرمایی، بار گرمایی عرضی یا گرادیان گرمایی می‌باشد. این بار در سازه‌های ضخیمی که در معرض تابش و نور مستقیم آفتاب قرار دارند، رخ می‌دهد. در این سازه‌ها سطح در معرض نور آفتاب، دارای درجه گرمایی 60 درجه سانتیگراد در وسط روز و سطح زیرین دارای درجه گرمای 30 درجه سانتیگراد بوده و این اختلاف درجه گرما، در صورت بسته بودن سازه، مطمئناً ایجاد تنش‌های گرمایی در عضو و سازه خواهد نمود.

نمونه روشن این پدیده را می‌توان در شاه‌تیرهای اصلی پل‌ها دید. این شاه‌تیرها در وسط روز در صورت بسته بودن از دو سر شاه‌تیر مطمئناً متحمل تنش‌های اضافی خواهند شد. نمایش این حالت در شکل زیر ارائه شده است.

نمایه (1-3): نمایشی از تغییرات حرارت در یک پل (گرادیان گرمایی)

به همین جهت ضرورت دارد در دو انتهای شاه‌تیر پل‌ها از درزهای جدایش گرمایی بین تیرنشیمن‌ شاه‌تیر و شاه‌تیر (Girder) استفاده نمود.

1. بارهای ناشی از فشار آب و رانش خاک:

خاک و آب به دلیل نداشتن ایستایی، روی بدنه و جداره ظروف نگهدارنده آنها فشار وارد می‌کنند. این جداره از نظر سازه‌ای می‌تواند دیواره حایل نگهدارنده حجم مشخصی از خاک، دیواره زیرزمین‌ها، دیواره استخر و … باشد. فشار خاک با توجه به مشخصات مکانیکی آن تعیین شده و در هر حالت نباید کمتر از فشار مایع، معادل با وزن مخصوص 500 دکانیوتن بر مترمکعب باشد. در صورتی که خاک مجاور دیوار در معرض سربارهای متحرک یا ثابت قرار گیرد، تاثیر این سربارها در افزایش میزان فشار پشت دیوار حایل باید در محاسبات درنظر گرفته شود.

برای محاسبه فشار آب از رابطه استفاده می‌شود.

(الف)                                                        (ب)

نمایه (1-4):        الف) نمایشی از فشارهای وارده توسط آب

ب) نمایشی از فشارهای فعال و غیرفعال خاک

در محاسبه فشار خاک، ضرایب K_p, K_a نیز وارد محاسبات می‌شود. نحوه محاسبه K_p, K_a و انواع روش‌های محاسبه و طراحی دیوارهای حائل در دروس مهندسی پی بررسی می‌شود.

در کل برای طراحی دیوارهای حایل و شالوده‌های آنها ضرایب اطمینان در مقابل واژگونی و لغزش پی به ترتیب برابر با 75/1 و 5/1 در نظر گرفته می شود.

البته باید درنظر داشت که در بسیاری موارد، تراز آب زیرزمینی، بالاتر از کف زیرزمین بوده و اثر آن باید در محاسبه فشار وارد بر دیوار دیده شود و در این موارد باید برای فشار خاک با وزن مخصوص خاک غوطه‌ور و اشباع، همراه با فشار کامل ایستایی آب زیرزمینی طراحی شود. در طراحی کف زیرزمین در این حالت، اثر فشار برکنش آب زیرزمینی (Uplift) باید به صورت فشار کامل ایستایی بر تمام کف درنظر گرفته شود. این فشار باید بر اساس اختلاف تراز زیرکف نسبت به بالاترین تراز آب زیرزمینی محاسبه شود. ضریب اطمینان موجود در مقابل فشار برکنش کف، حداقل برابر5/1 درنظر گرفته می‌شود.

نمایه (1-5): نمایش فشار برکنش کف زیرزمین ناشی از آب زیرزمینی (uplift)

1. بارهای انفجاری:

اتاق‌های کنترل مهم (نظیر کنترل شیرهای نفت، کنترل مرکزی نیروگاه‌ها و …) و پناهگاه‌های هنگام جنگ در برابر انفجار باید مقاوم و پایدار باشند. در تعیین بارهای انفجاری از استاندارد US.ARMY-TM5 استفاده می‌شود. به عنوان نمونه برای اتاق کنترل، باری معادل انفجار 250Ib مواد منفجره به فاصله 50 فوت (15 متری) برای بارگذاری و تحلیل استفاده می‌گردد:

نمایه (1-6): نمایش چگونگی اعمال بارهای انفجاری بر اتاقک

در جزیره خارک جهت تاسیسات و اتاق‌های کنترل لوله‌های نفتی از فاصله انفجاری برابر 8 متر جهت مواد منفجره استفاده شده است و حتی‌الامکان به صورت مدفون در زیر خاک طراحی شده‌اند.

1-3) مبانی احتمالاتی بارگذاری سازه:

بارهای غیردائمی که در هنگام استفاده و بهره‌برداری از ساختمان به آن وارد می‌شود، شامل بارهای زنده، برف، باد، زلزله و … می‌باشند که با توجه به نوع کاربری ساختمان یا هر بخش از آن و مقداری که احتمال دارد در طول سن ساختمان به آن وارد گردد، تعریف می‌شوند و می‌توان مقادیر برگزیده برای بارگذاری به عنوان مقادیر احتمالاتی که با درصد زیادی احتمال وارد شدن به ساختمان را دارند، درنظر داشت.

بنابراین ضرورتاً آیین‌نامه‌های تعیین بارهای ساختمانی بر اساس تجزیه و تحلیل داده‌های آماری مربوط به بارهای زنده، باد، زلزله، برف و …، بارها را تعیین و پیشنهاد می‌کنند که در زیر به صورت مختصر و گذرا به آن می‌پردازیم:

• مشاهدات آماری:

یکی از روش‌های نمایش مشاهدات آماری، استفاده از نمودارهای ستونی یا میله‌ای می‌باشد (Bar chart or histogram).