ایمنی و پایداری سازه‌ها، مهم‌ترین اصل در مهندسی ساختمان است. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان با عنوان “بارهای وارد بر ساختمان”، به عنوان یکی از کلیدی‌ترین مباحث، حداقل بارهای لازم‌الاعمال در طراحی ساختمان‌ها و سازه‌های دیگر را تعیین می‌کند. این بارها شامل بارهای دائمی مانند وزن سازه (بار مرده) و بارهای موقت و متغیر ناشی از استفاده و بهره‌برداری (بار زنده) و همچنین بارهای ناشی از عوامل محیطی مانند باد، برف، باران، یخ، سیل، زلزله و فشار خاک می‌شود. درک صحیح و اعمال دقیق این بارها و ترکیبات آن‌ها، اساس طراحی سازه‌ای ایمن و اقتصادی است.
کلیات و تعاریف پایه مبحث ششم
- دامنه کاربرد: این مبحث حداقل الزامات بارگذاری برای طراحی تمام ساختمان‌ها و سازه‌های مشمول قانون نظام مهندسی را تعیین می‌کند.
- تعاریف کلیدی:
- بارها: نیروها و عواملی ناشی از وزن سازه، ساکنین، تجهیزات، اثرات محیطی، حرکتی و تغییرات ابعادی.
- بارهای اسمی: مقادیر بار تعریف شده در این مبحث (مرده، زنده، باد، برف، زلزله و…).
- بار ضریب‌دار: حاصلضرب بار اسمی در ضریب بار مربوطه.
- ترکیب بارها: ترکیب‌های مختلف بارگذاری که سازه باید قادر به تحمل آن‌ها باشد.
- حالت‌های حدی: شرایطی که فراتر از آن، سازه عملکرد مورد نظر را نداشته (حد بهره‌برداری) یا ایمنی خود را از دست می‌دهد (حد نهایی).
- گروه خطرپذیری: دسته‌بندی ساختمان‌ها بر اساس میزان خطر جانی و اهمیت عملکردی پس از وقوع حوادث (گروه ۱ تا ۴، از بسیار زیاد تا کم).
- ضریب اهمیت: ضریبی که برای منظور کردن گروه خطرپذیری در محاسبات بار (باد، برف، زلزله و…) استفاده می‌شود.
- الزامات مبنا:
- مقاومت و سختی: سازه‌ها باید مقاومت و سختی کافی برای پایداری، حفظ اجزای غیرسازه‌ای و تأمین الزامات بهره‌برداری را داشته باشند.
- روش‌های طراحی: روش حالت‌های حدی (مقاومت یا نهایی) و روش تنش مجاز. روش‌های عملکردی نیز با تأیید مراجع ذیصلاح قابل استفاده‌اند.
- انسجام کلی سازه: طراحی باید به گونه‌ای باشد که خرابی موضعی منجر به فروریزش کلی نشود (از طریق تأمین پیوستگی، نامعینی و شکل‌پذیری).
ترکیب بارها
سازه باید قادر به تحمل نامطلوب‌ترین ترکیب از بارهای مختلف باشد. مبحث ششم ترکیب‌بارهای مختلفی را برای روش‌های طراحی متفاوت ارائه می‌دهد:
- علائم اختصاری: D (مرده)، L (زنده طبقات)، Lr (زنده بام)، S (برف)، R (باران)، W (باد)، E (زلزله)، H (فشار خاک/آب)، F (فشار سیال)، T (خودکرنشی/حرارتی)، Di (یخ)، Wi (باد روی یخ)، Fa (سیل)، Ak (حادثه غیرعادی).
- ترکیب بارها در روش حالت‌های حدی (LRFD/مقاومت):
- ساختمان‌های بتن‌آرمه (مبحث ۹): ترکیب‌های مشخص با ضرایب بار معین (مانند 1.25D+1.5L+…).
- سایر ساختمان‌ها (فولادی و… – مبحث ۱۰): ترکیب‌های متفاوت با ضرایب بار خاص خود (مانند 1.4D یا 1.2D+1.6L+…).
- نکات مهم: در نظر گرفتن ضریب کاهش بار زنده، عدم منظور کردن بار زنده در صورت اثر کاهنده، عدم ترکیب همزمان باد و زلزله، لحاظ اثر بارهای F و H با ضرایب مناسب، اضافه کردن بار سیل (Fa) و بار یخ (Di, Wi) در صورت لزوم.
- ترکیب بارها در روش تنش مجاز (ASD): ترکیب‌های بدون ضریب بار (یا با ضریب ۱) و با امکان استفاده از ضرایب کاهنده (مانند 0.75 یا 0.6) برای برخی بارها در ترکیب‌های خاص. عدم مجاز بودن افزایش تنش‌های مجاز مصالح.
- ترکیب بارها برای حالت‌های حدی بهره‌برداری: ترکیب‌های بدون ضریب بار و بدون بارهای کوتاه‌مدت (باد، زلزله و…) برای کنترل تغییرشکل‌ها و ارتعاشات.
- ترکیب بارها برای حوادث غیرعادی (انفجار، ضربه): ترکیب بار ثقلی به همراه بار حادثه (Ak) برای کنترل ظرفیت و ترکیب بار ثقلی کاهش‌یافته برای ارزیابی ظرفیت باقیمانده پس از حذف یک عضو.
بار مرده (Dead Load – D)
- تعریف: وزن اجزای دائمی ساختمان (تیر، ستون، دیوار، کف، سقف، نازک‌کاری) و تأسیسات و تجهیزات ثابت (لوله، کانال، جراثقال ثابت).
- محاسبه: بر اساس وزن واقعی مصالح. در صورت نبود اطلاعات دقیق، از جرم واحد حجم یا سطح اجزا در پیوست ۶-۱ مبحث استفاده می‌شود.
بارهای خاک و فشار هیدرواستاتیکی (Soil Load – H & Hydrostatic Pressure)
- فشار جانبی خاک: در طراحی سازه‌های زیر سطح زمین، فشار جانبی خاک باید منظور شود. مقادیر حداقل در جدول ۶-۴-۱ (بر اساس طبقه‌بندی خاک) ارائه شده است (در صورت عدم وجود گزارش ژئوتکنیک). اثر سربارهای روی خاک نیز باید لحاظ شود.
- فشار هیدرواستاتیکی: در صورت وجود آب زیرزمینی، فشار کامل ایستایی آب بر روی دیوارها و زیر فشار (Uplift) بر کف‌ها و شالوده‌ها باید محاسبه شود.
- خاک‌های منبسط‌شونده: فشار یا حرکت ناشی از تورم این خاک‌ها باید در طراحی لحاظ گردد.
بار زنده (Live Load – L, Lr)
- تعریف: بارهای غیر دائمی ناشی از استفاده و بهره‌برداری (وزن افراد، مبلمان، تجهیزات متحرک، کالا). شامل بار ساخت یا بار محیطی نمی‌شود.
- بار زنده بام (Lr): بار ناشی از حضور کارگران و مصالح حین تعمیرات یا اشیاء متحرک موقت.
- بار زنده گسترده یکنواخت (Lo): حداقل مقدار بار زنده بر واحد سطح که بر اساس نوع کاربری در جدول ۶-۵-۱ ارائه شده است.
- بار دیوارهای تقسیم‌کننده (پارتیشن): در کاربری‌هایی مانند اداری که احتمال جابجایی پارتیشن وجود دارد، حداقل بار ۱ کیلونیوتن بر مترمربع باید به عنوان بار زنده در نظر گرفته شود (مگر پارتیشن‌های سبک با وزن کمتر از ۰.۴ کیلونیوتن بر مترمربع که بار ۰.۵ کیلونیوتن بر مترمربع کافی است). اگر وزن واقعی پارتیشن مشخص و ثابت باشد، به عنوان بار مرده لحاظ می‌شود.
- نامناسب‌ترین وضع بارگذاری: برای سازه‌های ممتد و بار زنده قابل توجه، باید حالت‌های مختلف بارگذاری (تمام دهانه‌ها، دهانه‌های مجاور، دهانه‌های یک در میان) برای ایجاد حداکثر اثر بررسی شود.
- بار زنده متمرکز: کف‌ها و بام‌ها باید علاوه بر بار گسترده، برای بار متمرکز (مقادیر در جدول ۶-۵-۱) که در بحرانی‌ترین نقطه اعمال می‌شود نیز کنترل شوند (معمولاً روی سطح ۷۵×۷۵ سانتی‌متر).
- بار نرده‌ها، حفاظ‌ها، دست‌اندازها، حفاظ پارکینگ و نردبان: مقادیر بار متمرکز و خطی مشخصی برای طراحی این اجزا تعیین شده است.
- بارهای ضربه‌ای: برای آویزهای کف، سازه‌های نگهدارنده ماشین‌آلات و آسانسورها، بارهای مربوطه باید در ضرایب ضربه مشخصی ضرب شوند.
- کاهش بار زنده طبقات (L): برای اعضایی که سطح بارگیر (AT) بزرگی دارند (بیش از ۳۷ مترمربع)، بار زنده گسترده (Lo) را می‌توان با استفاده از فرمول (۶-۵-۱) و ضریب عضو (KLL از جدول ۶-۵-۲) کاهش داد. محدودیت‌هایی برای این کاهش وجود دارد (مثلاً برای بارهای سنگین بیش از ۵ کیلونیوتن بر مترمربع، پارکینگ‌ها و محل‌های تجمع کاهش مجاز نیست یا محدود است).
- کاهش بار زنده بام (Lr): بار زنده بام را می‌توان بر اساس سطح بارگیر (AT) و شیب بام (S) با استفاده از ضرایب R1 و R2 کاهش داد (فرمول ۶-۵-۲).
- بارهای جراثقال: شامل حداکثر بار چرخ، نیروی ضربه قائم، بار جانبی و نیروی طولی.
بار سیل (Flood Load – Fa)
- کاربرد: برای ساختمان‌های واقع در مناطق ویژه خطر سیل (مناطق ساحلی یا رودخانه‌ای با احتمال سیل ۱۰۰ ساله و عمق و ارتفاع موج مشخص).
- الزامات طراحی: مقاومت در برابر شناوری، فروریختن، تغییر مکان جانبی. در نظر گرفتن اثرات فرسایش و آب‌شستگی. استفاده از پایه‌ها یا دیوارهای فرو ریزشی (Breakaway Walls) برای عبور جریان سیل از زیر ساختمان مرتفع شده.
- بارها: شامل بارهای هیدرواستاتیکی، هیدرودینامیکی، بار موج شکننده و بار ضربه ناشی از مواد شناور (نخاله).
بار برف (Snow Load – S)
- بار برف زمین (Pg): وزن لایه برف بر سطح افقی زمین با دوره بازگشت ۵۰ ساله، بر اساس منطقه‌بندی کشور (جدول و نقشه ۶-۷-۱، مناطق ۱ تا ۶).
- بار برف بام (Pr): بار برف متوازن بر روی بام که با استفاده از بار برف زمین و ضرایب زیر محاسبه می‌شود (فرمول ۶-۷-۱):
- ضریب اهمیت (Is): بر اساس گروه خطرپذیری (جدول ۶-۱-۲).
- ضریب برف‌گیری (Ce): بر اساس ناهمواری محیط (کم، متوسط، زیاد) و میزان برف‌گیری بام (برف‌ریز، نیمه‌برف‌گیر، برف‌گیر) (جدول ۶-۷-۲).
- ضریب شرایط دمایی (Ct): بر اساس دمای داخل ساختمان (گرم، سرد، بدون گرمایش) (جدول ۶-۷-۳).
- ضریب شیب (Cs): بر اساس شیب بام و لغزندگی سطح آن (کاهش بار برای شیب‌های تندتر).
- بار برف حداقل (Pm): مقداری حداقل برای بام‌های با شیب کم (کمتر از ۱۵ درجه) که باید کنترل شود.
- بارگذاری جزئی: بررسی اثر بار کامل برف روی برخی دهانه‌ها و بار کاهش‌یافته (نصف) روی دهانه‌های دیگر برای ایجاد لنگرهای نامطلوب‌تر در اعضای ممتد.
- بارگذاری نامتوازن: در نظر گرفتن توزیع غیر یکنواخت برف روی بام‌های شیبدار دوطرفه، قوسی، دندانه‌ای و گنبدی به دلیل اثر باد.
- انباشتگی برف (Drifting): تجمع برف در پای دیوارها، قسمت‌های بلندتر بام یا ساختمان‌های مجاور (پشت به باد و رو به باد) که باید به بار متوازن اضافه شود.
- برف لغزنده: بار ناشی از سر خوردن برف از بام شیبدار بالاتر روی بام پایین‌تر.
- سربار باران بر برف: اضافه کردن بار معادل باران در مناطق با برف کم تا متوسط و بام‌های کم‌شیب.
- ناپایداری برکه‌ای (Ponding): بررسی اثر جمع شدن آب روی بام (ناشی از ذوب برف یا باران) به دلیل تغییرشکل سازه یا گرفتگی آبروها در بام‌های کم‌شیب.
بار باران (Rain Load – R)
- کاربرد: برای بام‌هایی که به دلیل شکل یا گرفتگی سیستم زهکشی، امکان تجمع آب باران وجود دارد.
- زهکشی بام: باید مطابق مبحث ۱۶ طراحی شود و ظرفیت زهکش‌های ثانویه (سرریز) کمتر از اصلی نباشد.
- بار باران طرح (R): محاسبه بار ناشی از حداکثر ارتفاع آب جمع‌شده روی بام در صورت مسدود شدن سیستم زهکشی اصلی، بر اساس ارتفاع استاتیکی (ds – ارتفاع آب تا سرریز) و ارتفاع هیدرولیکی (dh – ارتفاع آب بالای سرریز ناشی از شدت بارش طرح i).
- ناپایداری انباشتگی آب (Ponding): بررسی امکان افزایش بار ناشی از تغییرشکل بام تحت وزن آب و افزایش عمق آب (مشابه برف).
بار یخ – یخ‌زدگی جوی (Ice Load – Di, Wi)
- کاربرد: برای سازه‌ها و اجزای حساس به یخ (سازه‌های مشبک، کابل‌ها، آنتن‌ها، نرده‌ها و…).
- بار یخ (Di): وزن یخ تشکیل‌شده بر اساس ضخامت طراحی یخ (td) و سطح یا ابعاد عضو.
- ضخامت طراحی یخ (td): محاسبه شده از ضخامت اسمی یخ (t)، ضریب اهمیت (Ii) و ضریب ارتفاع (Fz).
- ضخامت اسمی یخ (t): بر اساس دوره بازگشت ۵۰ ساله، با استفاده از داده‌های هواشناسی یا مقادیر حداقل پیشنهادی بر اساس مناطق برف‌گیری.
- اثر باد بر سازه یخ‌زده (Wi): محاسبه بار باد با در نظر گرفتن افزایش ابعاد عضو به دلیل ضخامت یخ.
بار باد (Wind Load – W)
- کلیات: اعمال بار باد به صورت افقی در امتدادهای اصلی. عدم ترکیب همزمان با زلزله.
- فشار باد: محاسبه فشار یا مکش خارجی (p) و داخلی (pi) بر اساس فشار مبنای باد (q)، ضریب اهمیت (Iw)، ضریب بادگیری (Ce)، ضریب اثر جهشی باد (Cg یا Cgi) و ضریب فشار (Cp یا Cpi).
- فشار مبنای باد (q): بر اساس سرعت مبنای باد (V) با دوره بازگشت ۵۰ ساله (جدول ۶-۱۰-۲ برای شهرهای مختلف).
- روش‌های محاسبه:
- روش استاتیکی: برای ساختمان‌های کوتاه و متوسط و صلب.
- روش دینامیکی (پیوست ۶-۲): برای ساختمان‌های بلند، لاغر، انعطاف‌پذیر یا با میرایی کم که پاسخ تشدید شده به تلاطم باد دارند.
- روش تجربی (تونل باد): برای ساختمان‌های با هندسه نامنظم یا در معرض پدیده‌های خاص آئرودینامیکی.
- ضریب بادگیری (Ce): تابعی از ارتفاع و ناهمواری زمین (باز یا پرتراکم). اصلاح برای اثر توپوگرافی (تپه و پرتگاه).
- ضریب اثر جهشی باد (Cg, Cgi): لحاظ اثر نوسانات باد و پاسخ دینامیکی سازه. مقادیر پیش‌فرض یا محاسبه بر اساس مشخصات سازه و باد (در روش دینامیکی).
- ضریب فشار (Cp, Cpi): تابعی از شکل آئرودینامیکی ساختمان و زاویه وزش باد. مقادیر برای ساختمان‌های کوتاه (اشکال ۶-۱۰-۲ تا ۶-۱۰-۶) و بلند (شکل ۶-۱۰-۷) ارائه شده است. ضریب فشار داخلی (Cpi) به توزیع و اندازه بازشوها بستگی دارد (گروه‌های ۱ تا ۳).
- بارگذاری جزئی: بررسی اثر اعمال بار باد روی بخشی از نما برای ایجاد اثرات نامطلوب‌تر (پیچش اضافی).
بار زلزله (Earthquake Load – E)
- هدف: تأمین ایمنی جانی در زلزله‌های خیلی شدید (MCE) و محدود کردن خسارت در زلزله‌های شدید (طرح – DBE) و قابلیت بهره‌برداری در زلزله‌های خفیف (SLE)، بر اساس گروه اهمیت ساختمان.
- حدود کاربرد: شامل ساختمان‌های متعارف. سازه‌های خاص (سد، پل و…) مشمول نیستند.
- ضوابط کلی: پیوستگی عناصر باربر، تأمین مسیر انتقال بار جانبی در هر دو امتداد، عدم ترکیب با باد (انتخاب اثر بحرانی‌تر)، رعایت ضوابط شکل‌پذیری لرزه‌ای.
- ملاحظات معماری و پیکربندی: توصیه به پلان منظم و متقارن، محدودیت طره‌ها، محدودیت بازشوهای بزرگ در دیافراگم، اجتناب از جرم‌های سنگین نامتقارن، استفاده از مصالح سبک، پیوستگی عناصر باربر قائم و جانبی در ارتفاع، به حداقل رساندن پیچش، تأمین شکل‌پذیری و مقاومت کافی (ستون قوی-تیر ضعیف)، عدم ایجاد مزاحمت اعضای غیرسازه‌ای، اجتناب از ستون کوتاه.
- ملاحظات پهنه‌های گسلی: توصیه اکید به عدم ساخت (به‌ویژه ساختمان‌های مهم)، استفاده از کاربری‌های کم‌خطر، استفاده از پی گسترده صلب، تأمین یکپارچگی سازه، طراحی اتصالات تأسیسات برای جابجایی، دقت مضاعف در طراحی و اجرا.
- گروه‌بندی ساختمان: بر حسب اهمیت (مطابق گروه خطرپذیری)، نظم سازه‌ای (در پلان و ارتفاع) و سیستم سازه‌ای (دیوار باربر، قاب ساده، قاب خمشی، دوگانه/ترکیبی).
- زلزله طرح (DBE): زلزله با احتمال وقوع ۱۰٪ در ۵۰ سال (دوره بازگشت ۴۷۵ سال). مشخصات بر اساس استاندارد ۲۸۰۰.
- ترکیب بارهای لرزه‌ای: استفاده از اثرات زلزله طرح در ترکیب بارهای فصل ۲ (با اعمال ضریب ۱.۴ در صورت استفاده از ویرایش سوم استاندارد ۲۸۰۰).
- اثرات بار زلزله با ضریب اضافه مقاومت (Ωo): برای طراحی اجزای خاص که باید الاستیک بمانند یا نیروی بیشتری را منتقل کنند.
- تغییر مکان جانبی طرح (Drift): محاسبه تغییر مکان غیرارتجاعی و کنترل آن با حدود مجاز (مثلاً ۰.۰۲ یا ۰.۰۲۵ ارتفاع طبقه).
- درز انقطاع: محاسبه حداقل فاصله لازم بین ساختمان‌های مجاور یا با مرز زمین بر اساس تغییر مکان جانبی طرح.
- کنترل برای زلزله سطح بهره‌برداری (SLE): برای ساختمان‌های مهم و بلند؛ کنترل مقاومت و تغییر مکان تحت زلزله خفیف‌تر (دوره بازگشت حدود ۱۰ سال).
بار انفجار (Explosion Load – Ak)
- کاربرد: برای ساختمان‌های با گروه خطرپذیری ۱ و موارد خاص (در صورت درخواست کارفرما یا طبق مبحث ۲۱ – پدافند غیرعامل).
- بار بر پوسته: طراحی پوسته برای فشار حداقل ۲ کیلونیوتن بر مترمربع (از داخل یا خارج).
- ظرفیت باقیمانده: بررسی پایداری سازه پس از حذف فرضی یک عضو باربر تحت اثر بارهای ثقلی کاهش‌یافته.
مطالعه بیشتر:
- مبحث اول مقررات ملی ساختمان
- مبحث دوم مقررات ملی ساختمان
- مبحث سوم مقررات ملی ساختمان
- مبحث چهارم مقررات ملی ساختمان
- مبحث پنجم مقررات ملی ساختمان
نتیجه‌گیری:
مبحث ششم مقررات ملی ساختمان، با پوشش جامع انواع بارهای محتمل وارد بر سازه‌ها و ارائه ترکیبات بارگذاری منطقی برای روش‌های مختلف طراحی، اساس مهندسی سازه ایمن و استاندارد را در کشور فراهم می‌کند. مهندسان طراح موظفند با دقت کامل، بارهای مربوط به هر پروژه را بر اساس کاربری، موقعیت جغرافیایی، شرایط محیطی و گروه خطرپذیری ساختمان تعیین کرده و سازه را برای نامطلوب‌ترین ترکیب بارها طراحی نمایند. رعایت الزامات این مبحث، تضمین‌کننده پایداری و ایمنی ساختمان‌ها در برابر بارهای وارده در طول عمر مفید آن‌ها خواهد بود.
