بررسی اصولی تفاوت های بار لرزه ای و باد وارد بر ساختمان
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
بارهای وارده به سازه های مختلف معمولاً به صورت بارهای عمودی و جانبی مشاهده می شوند. بار عمودی شامل بار مرده و بارهای تحمیل شده بوده و به طور کلی، رفتار سازه در مواجهه با بارهای عمودی مختلف یکسان و قابل پیش بینی است. از سوی دیگر، بار جانبی شامل نیروهای لرزه ای، بار باد، سونامی و غیره می شود؛که پیش از این در مقاله ای تحت عنوان بررسی انواع بارهای جانبی وارد بر ساختمان پرداختیم. از این میان، بار لرزه ای و بار باد جزء متداول ترین نیروهای وارده به سازه ها هستند. عملکرد این نیروها و رفتار سازه در مواجهه با این عوامل مختلف است. پیش از بررسی تفاوت های موجود میان بار لرزه ای زلزله و بار باد، باید با عملکرد کلی این نیروها آشنا شویم.
نحوه عملکرد بارهای لرزه ای و باد
بار باد مستقیماً به قسمت های بدون پوشش ساختمان یا سازه وارد می شود و به واسطه هر ورودی در ساختمان، فشار باد در داخل ساختمان شکل می گیرد. نیروی وارده به دیوار یا سقف یک سازه نیز نشان دهنده تفاوت نسبی میان باد خارجی، فشار باد و فشار باد داخلی است. از سوی دیگر، بار لرزه ای ابتدا از طریق حرکت زمین به فونداسیون منتقل شده و سپس به صورت نیروهای اینرسی در طبقات مختلف سازه توزیع می شود.
با این حال، همان طور که می دانید، موج های زمین لرزه به صورت موج های عرضی، فشرده و یا موج های چرخشی به طبقات همکف ساختمان ها منتقل خواهند شد. این امواج موجب تشکیل نیروی برشی یا نیروی جانبی در سطح همکف می شوند، لیکن اینرسی ساختمان ها باعث توزیع این بار در سطوح بالاتر خواهد شد. با این حال، بار لرزه ای زلزله نمی تواند به طور مستقیم بر طبقات بالایی تأثیر بگذارد و ساکنین طبقات بالا تنها تکان خوردن طبقات را حس می کنند.
از این رو، بار لرزه ای زلزله به عنوان نوعی بار القایی در نظر گرفته می شود. بر اساس قانون نیوتن، تمامی اشیا تمایل دارند در حالت اولیه خود باقی بمانند تا زمانی که در معرض یک نیروی خارجی قرار گیرند. به عبارت دیگر، می توان گفت بار لرزه ای زلزله نیز نوعی بار اینرسی است. سرنشینان صندلی عقب خودرو را در نظر بگیرید. در زمان حرکت خودرو، این سرنشینان نوعی فشار به سمت عقب را حس می کنند، با این حال، این نیروی خارجی به طور مستقیم آن ها را به عقب هل نمی دهد. نیروی وارده به طبقات بالا را نیز می توان به همین شکل در نظر گرفت. علی رغم وارد شدن نوعی نیروی خارجی به سازه، طبقه به طور مستقیم تحت تأثیر نیرو قرار نخواهد گرفت. فشار رو به عقب سرنشینان خودرو یا تکان خوردن ساکنین طبقات مختلف یک ساختمان در اثر زلزله، هر دو از جمله نیروهای اینرسی هستند.
تفاوت های بار لرزه ای و باد وارد بر ساختمان
تفاوت های بار لرزه ای و باد وارد بر ساختمان فقط به جهت وارد شدن نیرو محدود نمی شود، بلکه این دو بار از نظر ماهیت، نحوه اعمال، وابستگی به ارتفاع، جرم سازه، شکل ساختمان و نوع تحلیل سازه ای با هم تفاوت دارند. در واقع، تفاوت بار لرزه ای زلزله و بار باد زمانی بهتر مشخص می شود که مسیر انتقال نیرو، نوع پاسخ سازه و اثر هرکدام بر اجزای سازه ای و غیر سازه ای به صورت جداگانه بررسی شود. درک درست رابطه باد و زلزله در طراحی سازه اهمیت زیادی دارد، زیرا هر دو جزو بارهای جانبی هستند اما رفتار سازه در برابر آنها یکسان نیست.
ماهیت نیرو
اولین تفاوت بار لرزه ای زلزله و بار باد به ماهیت نیرو مربوط می شود. بار باد یک نیروی خارجی است که از برخورد جریان هوا با سطح ساختمان ایجاد می شود، اما بار زلزله بیشتر ماهیت اینرسی دارد. یعنی حرکت زمین باعث می شود جرم سازه در برابر تغییر وضعیت مقاومت کند و همین مقاومت، نیروی جانبی در طبقات ایجاد می کند.
نحوه اعمال نیرو
در مقایسه بار زلزله و بار باد، نحوه اعمال نیرو کاملا متفاوت است. باد به صورت مستقیم به نمای بیرونی، بام، بازشوها و سطوح در معرض جریان هوا وارد می شود. در مقابل، زلزله مستقیما به طبقات نیرو وارد نمی کند، بلکه از طریق حرکت فونداسیون و انتقال ارتعاش به اسکلت، نیروهای اینرسی در اجزای مختلف سازه شکل می گیرد.
محل اثرگذاری اولیه
محل اثرگذاری اولیه یکی از مهم ترین تفاوت های بار لرزه ای و باد است. بار باد ابتدا روی پوسته خارجی ساختمان، نما، شیشه ها، دیوارهای پیرامونی و سقف اثر می گذارد. اما بار لرزه ای از زمین و پایه سازه آغاز می شود و سپس با توجه به جرم، سختی و ارتفاع طبقات در کل ساختمان توزیع می گردد.
وابستگی به ارتفاع
در بررسی رابطه باد و زلزله، ارتفاع سازه نقش مهمی دارد اما اثر آن در هر نیرو متفاوت است. معمولا با افزایش ارتفاع ساختمان، سرعت و فشار باد بیشتر می شود و اثر بار باد شدت می گیرد. در بار لرزه ای نیز ارتفاع مهم است، اما اثر آن بیشتر از طریق افزایش تغییر مکان جانبی، پریود سازه و نحوه توزیع نیروی اینرسی در طبقات دیده می شود.
وابستگی به جرم سازه
یکی از اصلی ترین تفاوت های بار لرزه ای و باد، وابستگی آنها به جرم سازه است. بار زلزله ارتباط مستقیم با جرم ساختمان دارد؛ هرچه جرم سازه بیشتر باشد، نیروی اینرسی ناشی از زلزله نیز افزایش پیدا می کند. اما بار باد بیشتر به سطح در معرض باد، سرعت باد، ارتفاع و شکل هندسی ساختمان وابسته است و جرم سازه در ایجاد خود نیروی باد نقش مستقیم ندارد.
وابستگی به شکل سازه
در مقایسه بار زلزله و بار باد، شکل سازه برای هر دو اهمیت دارد اما نوع اثرگذاری آن متفاوت است. در برابر باد، فرم ساختمان، لبه های تیز یا منحنی، سطح نما و میزان بازشوها می توانند فشار مثبت و منفی باد را تغییر دهند. در برابر زلزله، منظم بودن پلان، تقارن سازه، توزیع جرم و سختی و پرهیز از نامنظمی پیچشی اهمیت بیشتری دارد.
مدت زمان اثر
مدت زمان اثر نیز یکی از تفاوت های مهم بار لرزه ای زلزله و بار باد است. زلزله معمولا در چند ثانیه تا چند دقیقه رخ می دهد، اما در همین زمان کوتاه می تواند انرژی زیادی به سازه وارد کند. در مقابل، بار باد ممکن است چند دقیقه تا چند ساعت ادامه داشته باشد و در طوفان های شدید، اثر آن به صورت فشار مداوم و گاهی نوسانی بر ساختمان وارد شود.
قابلیت پیش بینی
از نظر قابلیت پیش بینی، تفاوت بار لرزه ای زلزله و بار باد بسیار جدی است. بادهای شدید، طوفان ها و شرایط جوی معمولا با ابزارهای هواشناسی قابل رصد و پیش بینی هستند. اما زمان دقیق وقوع زلزله، شدت آن و محل دقیق آن قابل پیش بینی قطعی نیست؛ به همین دلیل طراحی لرزه ای باید بر اساس احتمال وقوع، خطرپذیری منطقه و ضوابط آیین نامه ای انجام شود.
نوع تحلیل سازه ای
نوع تحلیل سازه ای در بررسی تفاوت های بار لرزه ای و باد اهمیت زیادی دارد. برای بار باد معمولا فشار باد بر اساس سرعت مبنا، ارتفاع، ضریب شکل و شرایط توپوگرافی محاسبه می شود. اما در تحلیل زلزله، جرم سازه، سختی جانبی، پریود ارتعاش، طیف پاسخ، شکل مودها و اثرات دینامیکی اهمیت بیشتری دارند و روش های تحلیل استاتیکی معادل، طیفی یا تاریخچه زمانی به کار می روند. این تفاوت ها حتی در برآورد هزینه اجرای سازه نیز اهمیت دارد، زیرا انتخاب سیستم مقاوم جانبی، مقدار مصرف فولاد و تغییرات قیمت آهن می تواند روی هزینه نهایی پروژه اثر بگذارد.
نوع تغییر شکل سازه
نوع تغییر شکل سازه در برابر این دو نیرو نیز یکسان نیست. در برابر باد، سازه معمولا دچار تغییر مکان جانبی تدریجی و قابل کنترل می شود و موضوعاتی مانند دریفت، ارتعاش و آسایش ساکنان اهمیت پیدا می کند. اما در زلزله، تغییر شکل ها می توانند رفت و برگشتی، شدید و همراه با ایجاد مفصل پلاستیک، ترک خوردگی یا آسیب در اعضای سازه ای و غیر سازه ای باشند.
جدول تفاوت های اصلی بار لرزه ای زلزله و بار باد
در جدول زیر به برخی از تفاوت های اصلی نیروی لرزه ای زلزله و بار باد اشاره شده است:
| بار لرزهای زلزله | بار باد | |
|---|---|---|
| 1 | بار لرزه ای به جرم سازه وابسته است و به صورت نیروی اینرسی در طبقات مختلف ساختمان توزیع می شود. | نیروی باد به سطحی از ساختمان بستگی دارد که به صورت مستقیم در معرض جریان باد قرار می گیرد. |
| 2 | نیروی لرزه ای از طریق فونداسیون به سازه منتقل شده و سپس با توجه به جرم و سختی طبقات در اعضای باربر جانبی توزیع می شود. | بار باد ابتدا به نما، دیوارهای پیرامونی، بام و سطوح خارجی ساختمان وارد شده و سپس به سیستم باربر سازه منتقل می شود. |
| 3 | هرچه جرم سازه کمتر باشد، نیروی لرزه ای ایجاد شده در آن نیز کاهش می یابد؛ زیرا بار زلزله به جرم و اینرسی ساختمان وابسته است. | هرچه سطح در معرض باد کمتر و فرم ساختمان آیرودینامیک تر باشد، نیروی باد وارد بر سازه کاهش می یابد. |
| 4 | سفتی و سختی سازه بر بار لرزه ای وارد بر آن تأثیر دارد. | سفتی و سختی سازه در مقدار نیروی باد تولید شده نقش مستقیم ندارد، اما بر میزان تغییر مکان و ارتعاش سازه در برابر باد اثر می گذارد. |
| 5 | با افزایش ارتفاع، اثرات دینامیکی، تغییر مکان جانبی و حساسیت سازه نسبت به زلزله بیشتر می شود. | در ساختمان های بلند، معمولا با افزایش ارتفاع، سرعت و فشار باد بیشتر شده و اثر بار باد افزایش می یابد. |
| 6 | برای محاسبه نیروهای لرزه ای، نسبت میرایی نیز در نظر گرفته می شود. | در تحلیل های معمول بار باد، میرایی معمولا نقش اصلی ندارد؛ اما در سازه های بلند و حساس به ارتعاش، اثر میرایی می تواند مهم باشد. |
| 7 | بار لرزه ای از حرکت زمین در تراز فونداسیون آغاز می شود و سپس به صورت نیروی اینرسی در ارتفاع سازه توزیع می گردد. | نیروی باد روی تمام سطوح خارجی ساختمان که در معرض جریان باد قرار دارند، ایجاد می شود. |
| 8 | نوع خاک و شرایط ساختگاه بر شدت انتقال امواج زلزله و رفتار سازه در برابر بار لرزه ای تاثیر دارد. | نوع خاک در مقدار مستقیم بار باد اثر اصلی ندارد، اما می تواند در رفتار فونداسیون و پاسخ کلی سازه موثر باشد. |
| 9 | با استفاده از جداکننده های لرزه ای می توان عملکرد سازه در طول زمین لرزه را بهبود بخشید. این جداکننده ها قادر هستند بار لرزه ای منتقل شده از زمین به سازه را کاهش دهند. | با اصلاح فرم ساختمان، کاهش سطوح در معرض باد و استفاده از لبه های نرم یا منحنی، می توان عملکرد سازه را در برابر بادهای شدید بهبود داد. |
| 10 | در زلزله، تغییر شکل سازه معمولا رفت و برگشتی و چرخه ای است و می تواند باعث ایجاد ترک، مفصل پلاستیک و آسیب در اعضای سازه ای شود. | در برابر باد، تغییر شکل سازه معمولا در جهت وزش باد و به صورت تدریجی تر رخ می دهد، هرچند در ساختمان های بلند امکان ارتعاش نیز وجود دارد. |
| 11 | در زلزله، جابه جایی طبقات به سختی، جرم، ارتفاع و مودهای ارتعاشی سازه وابسته است. | در بار باد، جابه جایی جانبی معمولا با افزایش ارتفاع بیشتر می شود و کنترل دریفت در ساختمان های بلند اهمیت زیادی دارد. |
| 12 | ممکن است در زمان زمین لرزه، اجزای غیر سازه ای داخلی، از جمله اثاثیه، قفسه ها و غیره، موجب آسیب های جدی مالی و انسانی شوند. | ممکن است اجزای غیر سازه ای، از جمله پوشش های سقف، شیشه ها و غیره، در مواجهه با بادهای شدید آسیب ببینند. |
| 14 | برای بررسی آزمایشگاهی اثرات نیروی لرزه ای زلزله می توان از میز لرزش استفاده کرد. | برای شبیه سازی اثرات بادهای شدید می توان از تونل های باد استفاده کرد. |
| 15 | بار لرزه ای به شدت زلزله، فاصله از گسل، نوع خاک، شرایط ساختگاه و ویژگی های دینامیکی سازه وابسته است. | بار باد به سرعت باد، ارتفاع ساختمان، توپوگرافی منطقه، زبری سطح زمین و شکل هندسی سازه وابسته است. |
| 16 | مدت زمان زمین لرزه از چند ثانیه تا چند دقیقه متغیر است و امکان پیش بینی آن وجود ندارد. | مدت زمان اثر باد می تواند از چند دقیقه تا چند ساعت ادامه داشته باشد و معمولا امکان هشدار و پیش بینی آن وجود دارد. |
| 17 | زمان، مکان و شدت دقیق زلزله قابل پیش بینی قطعی نیست و فقط می توان خطر لرزه ای مناطق را به صورت احتمالی بررسی کرد. | بادهای شدید و طوفان ها معمولا با داده های هواشناسی قابل رصد و تا حد زیادی قابل پیش بینی هستند. |
نیروی لرزه ای زلزله خطرناک تر است یا بار باد؟
اگرچه هر دو این نیروها از نوع دینامیک هستند، با این حال، طوفان و بادهای شدید به گونه ای هستند که امکان پیش بینی و هشدار پیش از وقوع فاجعه برای آن ها امکان پذیر است. از سوی دیگر، پیش بینی زمین لرزه غیر ممکن است و محققان و زمین شناسان بسیاری در حال بررسی شرایط تعیین کننده زمان، مکان و تاریخ این رخداد هستند. از این رو، وقوع هم زمان زلزله و سونامی موجب مرگ و میر بسیار زیادی از ساکنین شهرهای ساحلی می شود. با در نظر گرفتن شدت باد و زمین لرزه می توان گفت هر دو این بلایا بسیار خطرآفرین می باشند، لیکن طبیعت غیرقابل پیش بینی زمین لرزه باعث می شود این پدیده آسیب های بیشتری به موجودات زنده و سازه های مختلف وارد کند. البته خطرناک تر بودن هرکدام به محل پروژه، شدت زلزله، سرعت باد، کیفیت طراحی، نوع سازه و میزان رعایت ضوابط اجرایی بستگی دارد.
بار لرزه ای زلزله و بار باد هر دو از مهم ترین بارهای جانبی وارد بر ساختمان هستند، اما ماهیت و نحوه اثرگذاری آنها یکسان نیست. بار باد به صورت مستقیم به سطوح خارجی ساختمان وارد می شود و شدت آن به سرعت باد، ارتفاع، فرم سازه و سطح در معرض باد بستگی دارد. در مقابل، بار لرزه ای از حرکت زمین آغاز شده و به صورت نیروی اینرسی در طبقات مختلف ساختمان توزیع می شود.
بررسی تفاوت بار لرزه ای زلزله و بار باد نشان می دهد که طراحی ایمن سازه فقط با در نظر گرفتن مقدار نیرو ممکن نیست؛ بلکه باید مسیر انتقال نیرو، جرم سازه، سختی جانبی، نوع خاک، ارتفاع ساختمان، شکل هندسی و روش تحلیل سازه ای نیز بررسی شود. به همین دلیل، در ساختمان های کوتاه، بلند، نامنظم یا واقع در مناطق بادخیز و لرزه خیز، انتخاب سیستم باربر جانبی باید بر اساس شرایط واقعی پروژه و ضوابط آیین نامه ای انجام گیرد.
سوالات متداول
بله، با افزایش ارتفاع، سرعت و فشار باد بیشتر می شود و کنترل تغییر مکان جانبی و ارتعاش سازه اهمیت بیشتری پیدا می کند.
جرم سازه، نوع خاک، فاصله از گسل، سیستم سازه ای و شدت زلزله از مهم ترین عوامل موثر بر نیروی لرزه ای هستند.
خیر، هدف طراحی سازه حذف این نیروها نیست؛ بلکه کاهش اثرات آنها و تامین ایمنی ساختمان در برابر شرایط بحرانی است.
این موضوع به موقعیت جغرافیایی، ارتفاع ساختمان، نوع سازه و شرایط پروژه بستگی دارد و ممکن است در یک پروژه زلزله و در پروژه ای دیگر باد کنترل کننده باشد.
مرکزآهن، مرجعی تخصصی و به روز برای کسب دانش و اطلاع از آخرین تحولات بازار آهن و فولاد است. با وبلاگ جامع ما، همیشه از آخرین اخبار و اطلاعات این صنعت آگاه باشید.