نیروهای وارد بر سازه
فهرست مطالب
انواع نیروی وارد شده بر ساختمان های بلند
بررسی نیروهای خارجی وارد شده بر سازه
نیروهای محوری داخلی چگونه بر سازه وارد میشوند؟
نیروهای خمشی واردبر سازه
نیروهای پیچشی وارد بر سازه
نیروهای برشی وارد بر سازه
انواع نیروی وارد شده بر ساختمان های بلند
در مورد انواع نیرو و بارهای وارد بر ساختمان باید گفت که خود به چند بخش تقسیم میشوند،نیرو های خارجی و نیرو های داخلی که هرکدام از این بخش ها هم زیر مجموعه هایی دارند که در ادامه به آنها میپردازیم.
نیروهای خارجی
نیروهایی که کاملا از بیرون سازه به آن وارد می شود .
نیروهای داخلی
این نیروها از داخل ساختمان به سازه نیرو وارد میکنند.این نیرو ها در اثر وارد شدن نیروی خارجی به وجود می آید که اگر نیروی خارجی نباشید این نیروهم وارد نخواهد شد.
بررسی نیروهای خارجی وارد شده بر سازه
- نیروهایی که از طرف طبیعت اند مانند: نیروی جاذبه زمین،نیروی یخ زدگی برف ،باران ،باد و از این قیبل نیروها .......
- نیروهایی که از طرف انسان یعنی راه رفتن حرکت دادن اشیا،انفجار،ضربه به سازه یا اشیا، ایجاد میشوند .
- بار ها از نظر جهت انتقال نیز متفاوت اند نیرو های قائم مانند بار های مرده و زنده ،برف و.... که از جهت ثقلی منتقل می شوند
- نیروهایی که از قسمت افقی به سازه وارد می شود و جانبی است این نیرو ها از جمله زلزله ،باد و از این قبیل نیروها است.
نیروی برشی چیست؟
نیروی های برشی (Shear Force) در ساختمان سازی به نیرویی اطلاق میشود که به موازات سطح یا مقطع یک عضو ساختمانی اعمال میشود و تمایل دارد که آن عضو را به دو قسمت مخالف هم برش دهد. این نیرو معمولاً در اعضای سازه‌ای مانند تیرها، ستون‌ها و دیوارها به وجود می‌آید و ناشی از بارهایی است که به صورت غیرمحوری بر روی آنها وارد میشوند.
در تیرها، نیروی های برشی معمولاً در اثر بارهای عمودی که به صورت مستقیم بر روی تیر اعمال میشود، ایجاد می‌گردد. این نیرو باعث ایجاد تنش‌های برشی در مقطع تیر میشود که می‌تواند منجر به ترک خوردگی یا شکست تیر شود، اگر سازه به درستی طراحی نشده باشد. در ساختمان سازی ، کنترل و مدیریت نیروی برشی اهمیت زیادی دارد، زیرا این نیروها میتوانند باعث تغییر شکل‌های ناخواسته و حتی خرابی سازه شوند. مهندسان سازه با استفاده از تحلیل‌های دقیق و استانداردهای طراحی، اعضای سازه‌ای را به گونه‌ای طراحی میکنند که توانایی مقابله با نیروی برشی را داشته باشند. استفاده از مواد مقاوم مانند بتن مسلح و فولاد، و همچنین اعمال تقویت‌های مناسب در نقاط حساس سازه، از جمله راهکارهایی هستند که برای کنترل نیروی برشی به کار می‌روند.
بررسی انواع نیروهای برشی وارد بر سازه
نیروهای برشی (Shear Forces) نوعی از نیروهای داخلی هستند که به سازه وارد میشوند و باعث انتقال بار از یک نقطه به نقطه دیگر در سازه میشوند. این نیروها ممکن است از دستگاه‌های باربری مختلفی ناشی شوند، مثل بارهای عمودی، باد، زلزله، تغییرات دما و دیگر عوامل. نیروهای برشی برای سازه‌ها بسیار مهم هستند و به ویژه در اعضایی مانند تیرها و تیرچه‌ها تاثیر گذار هستند. در یک تیر، نیروهای برشی باعث انتقال بار از یک طرف تیر به طرف دیگر میشوند.
عواملی که میتوانند نیروهای برشی ایجاد کنند عبارتند از:
- بارهای عمودی: وقتی که بارهای عمودی بر روی سازه اعمال میشوند، این بارها ممکن است به شکل نیروهای برشی به سازه انتقال یابند. به عنوان مثال، بارهای زنده (مانند افراد و محموله‌ها) میتوانند نیروهای برشی ایجاد کنند.
- بارهای خارجی افقی: بارهای افقی مانند باد، زلزله و بارهای جانبی میتوانند نیروهای برشی در سازه ایجاد کنند.
- عوامل داخلی و تغییرات شکل: تغییرات شکل داخلی سازه، مانند انبساط حرارتی یا تغییرات شکل ناشی از اثرات دیگر، همچنین میتوانند نیروهای برشی را ایجاد کنند.
برای مدیریت نیروهای برشی در سازه‌ها، مهندسان سازه از مفاهیمی مانند نیروی برشی (shear force) و تحلیل تنش و کرنش استفاده میکنند. این اطلاعات برای انتخاب مواد مناسب و طراحی مناسب اجزای سازه به منظور مقاومت در برابر نیروهای برشی بسیار حیاتی هستند. همچنین، در طراحی اتصالات و اتصالات باربری نیز نیاز به مدیریت نیروهای برشی داریم تا اطمینان حاصل شود که سازه به درستی عمل کرده و ایمنی سازه حفظ شود.
نیروهای خارجی از نظر سرعت هم متفاوت خواهد بود
بارهای استاتیکی
نیرو ها به آرامی به سازه واردمی شود و به مرور ممکن است اثر خود را به جای بگذارند برای نمونه ی این نیرو ها میتوان به نیرو های مرده اشاره کرد که وزن آنها ثابت است و مقدار آنها تغییری نمیکند.
نیروی دینامیکی چیست؟
نیروی وارد شده بر سازه از نوع زنده و مرده چیست؟
وزن سازه واجزای سازه
اولین و سادده ترین نیرویی که به سازه وارد میشود و باید در طراحی مد نظر داشت که وزن سازه نیز خود نیرو وارد میکند به سازه که محاسبه و ارزیابی آن سخت و دشوار نیست، این نو نیرو بخاطر ثابت بودن به بار مرده معروف است که بدین معناست که وزنِ وارده به سازه ثابت بوده و حرکتی ندارد .
بار های وارده از سوی انسان اشیا ماشین آلات
این نوع نیرو ها که از سوی انسان حرکت اسیاه انفجار ضربه به اشیا نیروهای زنده هستند که مقدار آنها متغییر است و همیشه ثابت نخواهد بودبه همین خاطر به این نوع نیرو،نیروی زنده میگویند.
نیروی وارده ناشی از برف روی سازه
تجمع برف روی بام و قسمت های مختلف سازه وزنی اضافه روی سازه است و بطور ثقلی نیروی وارده به سازه را افزایش می دهد برای همین سریعا باید برداشته شود به همین دلیل است که در بعضی مناطق پر بارندگی برف ها به سرعت از روی سقف ها پارو می شود چون میتوانند مانند زلزله مخرب باشد .
نیروی وارده از سوی باد
باد تغییر جهت و شتاب می دهد که به این منظور بار دینامیکی شناخته می شود در مواجهه بااین نیرو ساختمان های کم ارتفاع و کوتاه با تئجه به سختی آنها صلب هستند و مقاومت خوبی دارند .
نیروی وارده از سمت زلزله
زلزله بطور ناگهانی و با شدت مختلفی بر سازه وارد می شود و چون جهت مشخصی ندارد و همنیطور نیروی ثابتی هم ندارد و متغیر است نیروی دینامیکی است و باید سازه جوری ساخته شود که آمادهی وارد شدن هر نوع نیروی زلزله باهرجهتی را داشته باشند برای مقاوم کردن سازه در برابر باید طبق آیین نامه دو راستای عمود بر هم در سازه را نشبت به زلزله مقاوم کرد .
نیرو محوری داخلی چگونه بر سازه وارد میشوند؟
نیروی محوری چیست؟ برای پاسخ به این سوال نوجه شما را به ادامه این محتوا جلب می کینم. نیروهای داخلی محوری به طور عمده به دو شکل به سازه وارد میشوند: تحمیل نیروی محوری از قبل و تولید نیروی محوری در سازه.
- تحمیل نیروی محوری از قبل (Applied Axial Load):در برخی موارد، نیروهای محوری به عنوان بخشی از بارهای خارجی بر روی سازه اعمال میشوند. مثلاً، وزن خود سازه، بارهای بادی، بارهای زنده (مانند افراد و محموله‌ها) و بارهای دیگر میتوانند نیروهای محوری را به سازه اعمال کنند. این نیروها به طور مستقیم از خارج به سازه وارد میشوند.
- تولید نیروی محوری در سازه (Internally Generated Axial Load):در بسیاری از موارد، نیروهای محوری در سازه به دلیل تغییر شکل سازه یا اثرات داخلی نیز تولید میشوند. این اثرات شامل موارد زیر میشوند: انقباض حرارتی (Thermal Contraction):تغییر دما می‌تواند باعث انقباض یا انبساط مواد سازه شود و نیروهای محوری را ایجاد کند. تغییر شکل ناشی از بارگذاری (Load-Induced Deformation): وقتی که بارهای خارجی بر روی سازه اعمال میشوند، سازه به شکل خاصی تغییر شکل میکند و این تغییرات شکل میتوانند نیروهای محوری را تولید کنند. تغییر شکل ناشی از انفجار، زلزله و آلودگی (Explosions, Earthquakes, and Contamination-Induced Deformation): در شرایطی مانند انفجار، زلزله یا تغییر شکل ناشی از تغییرات شیمیایی و آلودگی مواد سازه، نیروهای محوری تولید میشوند.
این نیروهای داخلی محوری به عنوان نتیجه تغییرات شکل و تنش در سازه ایجاد میشوند و باید در تحلیل و طراحی سازه مدیریت و در نظر گرفته شوند. برای این منظور، مهندسان سازه از مفاهیم مهمی مانند تنش و کرنش استفاده میکنند تا عملکرد سازه را بررسی کرده و اطمینان حاصل کنند که سازه در مقابل نیروهای داخلی و خارجی مقاوم است.
نیروهای خمشی واردبر سازه
نیروهای خمشی نوعی از نیروهای داخلی هستند که به سازه وارد میشوند و باعث انحنای سازه میشوند. این نیروها در اثر بارگذاری‌های خارجی بر سازه یا تغییر شکل‌های داخلی در سازه ایجاد میشوند. نیروهای خمشی به سه صورت اساسی در سازه‌ها ایجاد میشوند:
- خمش مثبت (Positive Bending Moment):در این حالت، نیروهای خمشی باعث انحنای سازه به شکلی مشابه به شکل حرف "ی" میشوند. این انحنا به طور عمده در ناحیه مثبت سازه (مثلاً در قسمت بالای یک تیر) اتفاق می‌افتد. برای مثال، وقتی که باری بر روی یک تیر اعمال میشود، تیر در ناحیه بالایی انحنا میکند.
- خمش منفی (Negative Bending Moment):در این حالت، نیروهای خمشی باعث انحنای سازه به شکل حرف "و" میشوند و این انحنا به طور عمده در نواحی منفی سازه (مثلاً در قسمت پایین یک تیر) اتفاق می‌افتد. در این حالت، تیر در ناحیه پایینی انحنا میکند.
- خمش مختلط (Mixed Bending):در برخی موارد، سازه‌ها ممکن است نیروهای خمشی مختلطی داشته باشند که در طول طراحی و تحلیل سازه باید در نظر گرفته شوند. در این حالت، ناحیه‌های مختلف سازه ممکن است به شکل‌های مختلفی انحنا کنند.
نیروهای خمشی در سازه‌ها بسیار مهم هستند و باید به دقت در طراحی و تحلیل سازه‌ها در نظر گرفته شوند. برای مدیریت نیروهای خمشی، مهندسان سازه از مفاهیمی مانند ممان خمشی (bending moment) و تحلیل تنش و کرنش (stress and strain analysis) استفاده میکنند. این اطلاعات برای انتخاب مواد سازه و ابعاد اجزای سازه (مانند تیرها و ستون‌ها) بسیار حیاتی هستند تا سازه‌ها به درستی عمل کنند و ایمنی سازه تضمین شود.
نیروهای پیچشی وارد بر سازه
نیروهای پیچشی (Torsional Forces) نوعی از نیروهای داخلی هستند که به سازه وارد میشوند و باعث چرخش سازه در اطراف محور خود میشوند. این نیروها در اثر بارگذاری‌ها و تغییرات شکل در سازه ایجاد میشوند. نیروهای پیچشی معمولاً در سازه‌هایی که به شکل طولی و بیضی شکل هستند، مانند تیرچه‌ها، ستون‌های استوانه‌ای و برج‌ها، معنی‌دار هستند.
عواملی که میتوانند نیروهای پیچشی ایجاد کنند عبارتند از:
- تغییرات بارگذاری: وقتی که بارها به صورت نامتقارن بر روی سازه اعمال میشوند یا تغییر موقعیت بارها رخ می‌دهد، نیروهای پیچشی ایجاد میشوند.
- تغییر شکل‌های غیریکنواخت: تغییرات شکل غیریکنواخت در سازه، مانند انحنا و تراکم طولی نامتقارن، نیروهای پیچشی ایجاد میکنند.
- تاثیر دورانی بارها: وقتی که بارهای دورانی به سازه اعمال میشوند، مثل باد یا زلزله، نیروهای پیچشی به وجود می‌آیند.
برای مدیریت نیروهای پیچشی در سازه‌ها، مهندسان سازه از مفاهیمی مانند ممان پیچشی (torsional moment) و تحلیل تنش و کرنش استفاده میکنند. این اطلاعات برای انتخاب مواد مناسب و طراحی مناسب اجزای سازه به ویژه در سازه‌هایی که اثرات پیچشی مهمی دارند، بسیار حیاتی هستند. همچنین، میتوانند در تحلیل و طراحی سیستم‌های تعلیق و مکانیزم‌های تقویتی به منظور مقاومت در برابر اثرات پیچشی مفید باشند.