بررسی نیروهای جانبی ساختمان

نیروهای جانبی ساختمان باید با استفاده از متریال و مصالح مناسب و توجه به راهکارها و اصول خاص، مدیریت شوند تا به سازه ها آسیب نزنند.

یک سازه در معرض نیروها و تنش های مختلفی قرار خواهد داشت که اگر به اجرای درست و اصولی سازه اقدام نشود و راهکارهای مقابله با این نیروها و تنش ها در زمان ساخت سازه لحاظ نشود، مشکلات عدیده ای برای سازه بوجود می آید.

مصالح مختلفی وجود دارند که هر یک با برخی از تنش ها و نیروهای جانبی در سازه مقابله می کنند. یک نمونه از این مصالح، بتن پیش تنیده است که با تنش ها و نیروهای مختلف به ویژه تنش کششی، به خوبی مقابله می کند و از بروز مشکلات ناشی از آن نیروها و تنش ها جلوگیری می کند.

آشنایی با نیروهای جانبی ساختمان

اصلی ترین نیروها، شامل موارد زیر هستند:

نیروی ناشی از زمین لرزه

زمین لرزه، از اصلی ترین منابع تولید نیروهای جانبی می باشد. این نیروها به سبب شتاب های افقی و عمودی حاصل از حرکت زمین ایجاد می شوند. سازه هایی که در نواحی زلزله خیر هستند، باید به صورتی ساخته شوند که قادر به تحمل این نیروها باشند.

استفاده از بهترین مصالح مانند بتن پیش تنیده و بهره گیری از تکنولوژی های جدید مثل میراگرها و جداگرهای لرزه ای، موجب افزایش استحکام سازه در برابر زمین لرزه می شود. طراحی سازه های انعطاف پذیر که قادر به تحمل تغییر شکل های پلاستیک باشد، ایده جالبی است.

فشار باد

یکی دیگر از نیروهای جانبی ساختمان، فشار باد می باشد. فشار باد با توجه به ارتفاع ساختمان، شکل هندسی و موقعیت جغرافیایی دارای شدت متفاوتی خواهد بود. سازه های بلند معمولاً بیشتر در معرض فشار باد خواهند بود. اگر این سازه ها در نواحی بادخیز باشند، بیشتر تحت تأثیر این فشارها قرار می گیرند.

فشار باد ممکن است سبب شکل گیری ارتعاشات و خرابی های مختلف در سازه شود. به منظور دفع این فشارها، باید از طراحی آیرودینامیکی برای سازه ها استفاده نمود. همچنین استفاده از متریالی که در برابر نیروهای کششی و خمشی دارای مقاومت بالایی هستند مانند بتن پیش تنیده، به مقابله با فشار باد کمک زیادی می کند.

فشار خاک و آب زیرزمینی، از نیروهای جانبی ساختمان

سازه هایی که در تماس با خاک یا آب زیر زمینی هستند، متأثر از فشار جانبی حاصل از این فاکتورها می باشند. فشار خاک با توجه به نوع خاک، تراکم و مقدار رطوبت آن فرق می کند. آب های زیر زمینی موجب شکل گیری فشار هیدرواستاتیکی می شود که اثر قابل توجهی بر دیوارهای زیر زمینی دارند.

به منظور مقابله با این فشارها، باید از دیوارهای حائل مقاوم استفاده نمود. مصالح مقاوم در مقابل نفوذ آب و خوردگی مثل بتن ضد آب و پوشش محافظ، تأثیر چشمگیری در افزایش دوام سازه دارد.

بهترین مصالح برای مقابله با تنش ها و فشارهای جانبی

برای مقابله با نیروهای جانبی ساختمان می توان از مصالح ساختمانی مختلف استفاده نمود که برخی از آنها شامل موارد زیر است:

بتن: بتن دارای مقاومت فشاری بسیار بالایی است. برخی از انواع بتن مانند بتن پیش تنیده، علاوه بر مقاومت فشاری بالا دارای مقاومت کششی بالایی است. با اضافه کردن میلگردهای فولادی به بتن، مقاومت کششی آن زیاد می شود. بتن مسلح، یک متریال مناسب برای مقابله با نیروهای جانبی می باشد. بتن مسلح برای احداث دیوارهای برشی، ستون ها و تیرها به کار می رود و نیروهای جانبی را دفع می کنند.

فولاد: فولاد به سبب مقاومت بالا از برترین مصالح برای دفع نیروهای جانبی می باشد. سازه های فولادی، پتانسیل تغییر شکل های بزرگ را بدون شکست دارا می باشند. در نتیجه در نواحی زمین لرزه خیز باید سازه ها را به صورت فولادی احداث نمود. فولاد برای احداث قاب های ساختمانی، مهاربندها و اتصالات به کار می روند.

طراحی مهندسی برای دفع نیروهای جانبی

به منظور مقابله با نیروهای جانبی ساختمان با طراحی مهندسی می توان از راهکارهای زیر استفاده نمود:

سیستم های مهاربندی: مهاربندی، نقش مهمی در افزایش پایداری سازه در مقابل نیروهای جانبی دارند. سیستم های مهاربندی به دو صورت مهاربندهای هم محور و مهاربندهای خارج محور هستند. مهاربندها، نیروی جانبی را به صورت مستقیم به پی ساختمان انتقال می دهند و برای سازه فولادی به کار می روند. مهاربندهای خارج محور، ضمن انتقال نیرو به تضعیف انتقال انرژی زمین لرزه می پردازد.

دیوارهای برشی: دیوارهای برشی به خوبی با نیروهای جانبی مقابله می کنند. این دیوارها از بتن مسلح احداث می شود و دارای سختی بالایی است و نیروهای جانبی را گرفته و منتقل می کنند.

جداگرهای لرزه ای: جداگرهای لرزه ای با ایجاد یک فاصله میان سازه و پی ساختمان، حرکات زمین را دریافت نموده و مانع از انتقال مستقیم به سازه می شوند. این فناوری برای سازه های مهم مثل بیمارستان به کار می روند.

میراگرها: میراگرها، تجهیزاتی می باشند که انرژی حاصل از نیروهای جانبی را تضعیف می کنند. این سیستم ها به شکل ویسکوز، اصطکاکی با جرمی هستند و برای مقابله با این تنش ها و نیروها، سودمند می باشند.

دسته بندی بارهای خارجی ساختمان

در ادامه بررسی نیروهای جانبی ساختمان به دسته بندی کلی بارهای خارجی ساختمان می پردازیم:

بارهای مرده: بارهای مرده، بارهای استاتیکی می باشند که حاصل از وزن اجزای ساختمان هستند و در طول عمر سازه، فیکس و بدون تغییر هستند.

بارهای زنده: این بارها به صورت بارهای متحرکی می باشند که داخل سازه پیوسته وجود دارند و میزان نامشخصی دارند. این بارها دارای ماهیت تصادفی می باشند و هیچ فرمولی برای محاسبه آنها وجود ندارد. این بارها ممکن است دینامیکی یا استاتیکی باشند.

بار جانبی: این بارها، همان بارهای ناشی از بارش برف و باران، باد، نیروی ناشی از زمین لرزه و … هستند.

دسته بندی نیروهای داخلی وارد بر اعضای سازه

این نیروها که متفاوت از نیروهای جانبی ساختمان هستند شامل موارد زیر هستند:

نیروی محوری: این نیروها در امتداد محور طولی اجسام و به صورت عمود بر سطح مقطع اعمال می شوند.

نیروی برشی: این نیروها به صورت غیر هم سو هستند.

نیروهای خمشی: زمانی که با دو دست خود یک میله را خم می کنید، به آن نیروی خمشی اعمال می کنید. اعمال این نیرو سبب خم شدن عناصر می گردد. برخی از نیروهای ساختمان از نوع نیروهای خمشی می باشند.