بار برف در طراحی سوله چه تاثیراتی دارد؟

برای محاسبه بار برف در طراحی سوله، با تعیین بار برف منطقه خود با استفاده از آیین‌ نامه‌های ساختمانی محلی شروع کرده، سپس عواملی مانند میزان قرارگیری در معرض برف، شرایط حرارتی، شکل سقف و رانش برف زنده را برای یافتن بار کل طراحی سقف اعمال کنید.

این بارها، ظرفیت سازه‌ای لازم برای اجزای سوله را تعیین و تضمین می‌کنند که سوله می‌تواند در برابر تجمع برف مورد انتظار مقاومت و از ریزش آن جلوگیری کند.

در این مقاله به بررسی بار برف در طراحی سوله، بار باد در طراحی سوله و بار باد و بار برف در طراحی سوله به صورت همزمان می‌پردازیم.

1# بار برف در طراحی سوله چیست؟

بار برف به وزن برفی که می‌تواند روی یک سازه، به ویژه روی سقف‌ها، انباشته شود، اشاره دارد.

این وزن بر اساس عمق، تراکم و نوع برف در یک منطقه مشخص محاسبه می‌شود.

بار برف بخش مهمی از آیین ‌نامه‌های ساختمانی بوده و برای تعیین ظرفیت سازه‌ای سقف‌ها و سایر اجزای باربر ساختمان‌ها ضروری هستند.

برف در مناطق سردسیر یکی از مهم‌ترین بارهای قائم است که می‌تواند بار سنگینی روی سوله‌ ایجاد کند.

تفاوت اساسی بار برف در طراحی سوله با بار مرده یا بار زنده معمولی در این است که:

• توزیع آن یکنواخت نیست.
• شدت آن وابسته به شرایط اقلیمی و محیطی است.
• در نقاط خاصی از بام تجمع پیدا کرده و بارهای چند برابری نسبت به مقدار متوسط ایجاد کند.

1-1# عوامل مؤثر بر بار برف در طراحی سوله

عواملی که بر بار برف در طراحی سوله مؤثر هستند، عبارت اند از:

• بارش برف و تجمع برف: عامل اصلی بار برف، میزان برفی است که می‌بارد؛ اما باد نیز می‌تواند بر نحوه تجمع برف تأثیر بگذارد.
• توده‌های برف: بادهای شدید می‌توانند، با جابجایی برف از یک قسمت سقف به قسمت دیگر، توده‌های بزرگ برف و بارهای ناهموار و متمرکزی را روی سازه ایجاد کنند.
• شیب سقف: شیب تند سقف باعث می‌شود، برف به راحتی از روی آن سر بخورد و میزان برف انباشته شده روی سقف و در نتیجه بار برف را کاهش دهد.
• ذوب و انجماد مجدد: تغییرات دما می‌تواند باعث ذوب و یخ ‌زدگی مجدد برف شود که در نتیجه چگالی آن بالا رفته و بار بیشتری ایجاد می‌کند.
• موانع اطراف: ساختمان‌های مجاور، دیوارها یا تجهیزات نصب ‌شده روی بام می‌توانند باعث گیر افتادن برف و افزایش بار موضعی شوند.
• اثر باد: باد باعث جابجایی و تجمع برف در یک سمت بام یا پشت موانع شود.
  این موضوع باعث شکل ‌گیری بارهای تجمعی می‌شود.

از دیگر عوامل مؤثر بر بار برف در طراحی سوله می‌توان به موارد زیر اشاره کرد.

1) نقش ارتفاع

ارتفاع نقش مهمی در تعیین بار برف در طراحی سوله ایفا می‌کند.

با افزایش ارتفاع، دما معمولاً کاهش می‌یابد و تجمع برف بیشتر می‌شود.

به عنوان مثال، ساختمان‌هایی که در ارتفاعات بالاتر در مناطق کوهستانی واقع شده‌اند، در مقایسه با ساختمان‌های واقع در ارتفاعات پایین‌تر، در معرض بار برف بسیار سنگین‌تری قرار دارند.

علل اهمیت ارتفاع عبارت اند از:

• افزایش بارش برف: ارتفاع بالاتر اغلب به دلیل دمای سردتر و رطوبت جوی بیشتر، بارش برف بیشتری را تجربه می‌کنند.
• تراکم برف: برف در ارتفاع بالاتر اغلب در ابتدا سبک ‌تر و کم ‌چگال‌تر است؛ اما با انباشته شدن لایه‌ها، تراکم رخ داده و بار کلی را افزایش می‌دهد.
• ملاحظات آیین ‌نامه ساختمان: مناطقی که در ارتفاع مختلف قرار دارند، ممکن است الزامات بار برف متفاوتی داشته باشند.
  مهندسان سازه باید مقادیر بار برف خاص تعیین شده برای ارتفاعی که سوله در آن قرار خواهد گرفت را در نظر بگیرند.

2) زمین و توپوگرافی

زمین و توپوگرافی به شکل قابل توجهی بر نحوه تجمع برف روی و اطراف سوله تأثیر می‌گذارند.

سوله‌هایی که در مناطق باز و مسطح واقع شده‌اند، در مقایسه با سوله‌هایی که در مناطق دیگر ساخته شده‌، در معرض شرایط بار برف متفاوتی قرار دارند.

عوامل کلیدی زمین عبارت اند از:

• قرار گرفتن در معرض باد: زمین‌های باز اغلب ساختمان‌ها را در معرض بادهای شدید قرار می‌دهند که منجر به تجمع ناهموار برف می‌شود و به عنوان توده‌های برف شناخته می‌شود.
  این توده‌ها بار برف موضعی را روی سقف‌ها، به ویژه در گوشه‌ها و سایر مناطق آسیب پذیر، افزایش می‌دهند.
• شیب‌ها و سراشیبی‌ها: ساختمان‌هایی که روی شیب‌ها ساخته می‌شوند، نه تنها باید بار مستقیم ناشی از تجمع برف؛ بلکه احتمال لغزش برف را نیز در نظر بگیرند.
  برف می‌تواند به سمت پایین حرکت کند و فشار جانبی بر دیوارها و سازه‌های حائل وارد کند.
• دره‌ها: سازه‌های ساخته شده در دره‌ها ممکن است ریزاقلیم‌هایی را تجربه کنند که در آن‌ها هوای سرد ته‌ نشین می‌شود و در نتیجه، در مقایسه با مناطق مرتفع‌تر یا مسطح مجاور، تجمع برف سنگین ‌تری ایجاد می‌شود.

زمین همچنین می‌تواند بر نحوه ذوب و یخ زدن مجدد برف تأثیر بگذارد و منجر به ایجاد سد یخی شود؛ پدیده‌ای که در آن یخ در لبه‌های سقف‌ها تشکیل شده، از تخلیه صحیح برف ذوب شده جلوگیری می‌کند و باعث نفوذ آب به داخل سازه می‌شود.

3) ریزاقلیم‌ها

ریزاقلیم‌ها، اقلیم‌های محلی هستند که با شرایط آب و هوایی معمول منطقه اطراف متفاوت هستند.

حتی در یک منطقه کوچک، تغییرات دما و رطوبت، الگوی باد و سایر عوامل می‌توانند به صورت قابل توجهی بر بار برف تأثیر بگذارند.

ریزاقلیم‌ها در عمل عبارت اند از:

• نزدیکی به منابع آب: سوله‌های نزدیک دریاچه‌ها یا رودخانه‌ها ممکن است برف دریاچه‌ای را تجربه کنند، جایی که هوای سرد با عبور از روی منابع آب گرم‌تر، رطوبت را جذب می‌کند و در نتیجه بارش برف سنگین‌تر می‌شود.
  این امر منجر به بار برف بیشتری در مقایسه با مناطقی می‌شود که تنها چند مایل دورتر هستند.
• پوشش جنگلی: سوله‌هایی که توسط درختان احاطه شده‌اند، ممکن است دارای تجمع برف کمتری باشند؛ زیرا درختان به عنوان بادشکن عمل کرده و برف را قبل از رسیدن به ساختمان جمع می‌کنند.
  با این حال، برفی که روی شاخه‌های درختان جمع می‌شود، نیز ممکن است در صورت ریزش یا شکستن شاخه‌ها، خطرناک باشد.
• جزایر گرمایی شهری: سوله‌هایی که در مناطق شهری قرار گرفته ممکن است به دلیل گرمای تولید شده توسط زیرساخت‌های شهری، بار برف کمتری را تجربه کنند که سبب شده تا برف سریع‌تر از مناطق روستایی اطراف ذوب شود.

ریزاقلیم‌ها می‌توانند تکیه صرف بر داده‌های منطقه ‌ای بار برف را دشوار کنند.

مهندسان باید از هرگونه عامل محلی که باعث ایجاد تغییرات در الگوهای انباشت برف می‌شود، آگاه باشند.

2-1# محاسبه بار برف در طراحی سوله بر اساس عوامل محلی

هنگام محاسبه بار برف در طراحی سوله، مهندسان باید تعامل ارتفاع، زمین و اقلیم خرد را در نظر بگیرند.

در اینجا چند مرحله برای اطمینان از محاسبات دقیق بار برف آورده شده است:

1. مراجعه به آیین ‌نامه‌های ساختمانی محلی: آیین ‌نامه‌های محلی مقادیر پایه بار برف را ارائه می‌دهند؛ اما این مقادیر باید برای شرایط خاص مانند ارتفاع و زمین تنظیم شوند.
2. در نظر گرفتن اثرات باد: در مناطقی که در معرض بادهای شدید هستند، الگوهای باد باید تجزیه و تحلیل شوند تا پیش ‌بینی شود که توده‌های برف ممکن است در کجا تشکیل شوند.
3. ملاحظات شیب: سوله‌ها روی شیب‌ها باید به گونه ای طراحی شوند که بارهای عمودی و جانبی برف، از جمله رانش برف و اثرات رانش را تحمل کنند.
4. تجزیه و تحلیل داده‌های خرداقلیم: عواملی مانند نزدیکی به منابع آب، شهرنشینی و پوشش جنگلی باید در محاسبات بار برف در طراحی سوله در نظر گرفته شوند.

3-1# راهکارهایی در رابطه با بار برف در طراحی سوله

علاوه بر محاسبه بار برف، مهندسان سازه باید استراتژی‌های طراحی را اجرا کنند تا مطمئن شوند که سوله‌ها می‌توانند بارهای مورد انتظار را با خیال راحت تحمل کنند.

1) طراحی سقف سوله

• شیب تند سقف: سقف‌های شیب ‌دار در ریزش برف مؤثرتر هستند و بار کلی را کاهش می‌دهند.
  با این حال، در مناطقی که مستعد رانش برف هستند، این امر منجر به تجمع برف در اطراف پایه ساختمان می‌شود.
• محافظ برف: در مناطقی با بار برف زیاد، می‌توان محافظ برف یا موانعی نصب کرد تا از سر خوردن یکباره مقادیر زیادی برف از روی سقف‌ها که به سازه‌ها یا افراد زیر آن آسیب ‌می‌رساند، جلوگیری شود.
• سیستم‌ سقف تقویت ‌شده: برای سقف‌های مسطح یا با شیب کم، تقویت سازه سقف با تیرها یا خرپاهای اضافی به توزیع یکنواخت‌تر بار برف کمک می‌کند.

2) انتخاب مواد

• مصالح مقاوم در برابر سرما: استفاده از مصالحی که در برابر چرخه‌های انجماد و ذوب مقاوم هستند، از آسیب ناشی از تجمع برف و ایجاد سد یخی جلوگیری می‌کند.
• عایق ‌بندی: عایق‌ بندی و تهویه مناسب در اتاق‌های زیر شیروانی به جلوگیری از ذوب شدن و یخ زدن مجدد برف کمک کرده و خطر ایجاد سدهای یخی را کاهش می‌دهد.

4-1# نتایج بار برف در طراحی سوله

• توزیع برف روی سقف‌ها:
  • آزمایش‌ها روی ساختمان‌های واقعی نشان داده که برف به‌ صورت یکنواخت روی سقف‌ها نمی‌نشیند.
  • در سقف‌های مسطح، رانش برف در لبه‌ها و اطراف موانع ایجاد می‌شود. در این مناطق ضخامت برف چندین برابر بخش‌های میانی است.
  • در سقف‌های شیب دار، در سمت رو به باد برف کمتری باقی می‌ماند. در سمت پشت به باد برف تجمع بیشتری دارد و در نزدیکی خط‌ الرأس رانش‌هایی مشاهده می‌شود.
• اثر هندسه ساختمان:
  • ساختمان‌های با سقف‌های نامنظم، مانند سقف پروانه‌ ای الگوهای بسیار متفاوتی از تجمع برف نشان می‌دهند.
  • ارتفاع و زاویه سقف تعیین ‌کننده محل و شدت رانش است.

2# بار باد در طراحی سوله

باد به‌ عنوان یک بار جانبی دینامیکی، تأثیر قابل‌ توجهی بر پایداری و رفتار سوله‌ها دارد.

برخلاف ساختمان‌های چند طبقه که به ‌صورت حجمی و مکعبی بوده، سوله‌ها معمولاً دارای بام شیب دار یا شکل‌های خاص هستند.

این هندسه‌ها باعث می‌شوند که جریان باد هنگام عبور از روی سازه دچار جدایی جریان و ایجاد گردابه شود.

این پدیده‌ها نیروهای مکشی و فشاری بسیار متفاوتی روی قسمت‌های مختلف سقف و دیواره‌ها ایجاد می‌کنند.

برای مثال:

• سطح بادگیر تحت فشار مثبت قرار می‌گیرد.
• سطح پشت ‌باد، مکش منفی زیادی را تجربه می‌کند.
• لبه‌ها و گوشه‌های بام، بیشترین مکش موضعی را دارند.

این الگوها نشان می‌دهند که بار باد روی سوله نه ‌تنها یکنواخت نیست؛ بلکه در برخی نواحی به‌ صورت خطرناکی متمرکز می‌شود.

1-2# عوامل مؤثر بر بار باد در طراحی سوله

شدت بار باد روی سوله به عوامل مختلفی بستگی دارد، از جمله:

• سرعت مبنای باد: بر اساس نقشه‌های اقلیمی ارائه‌ شده در آیین ‌نامه‌ها، هر منطقه دارای سرعت مبنای خاصی است مثلاً در ایران از حدود ۷۰ تا بیش از ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت است.
• ارتفاع و شرایط توپوگرافی: در زمین‌های باز و صاف مانند بیابان‌ها، سرعت باد نزدیک به سطح زمین بسیار بیشتر از مناطق شهری یا جنگلی است.
• شکل و ابعاد سوله: هرچه دهانه سوله بزرگتر باشد، سطح در معرض باد افزایش یافته و به‌ تبع نیروی باد بیشتر می‌شود.
  همچنین، زاویه شیب سقف نقش مهمی در شدت مکش و فشار دارد.
• تلاطم: باد در عمل کاملاً یکنواخت نیست و دارای نوسانات لحظه ‌ای است.
  این تلاطم باعث اعمال بارهای متناوب و خستگی ‌زا بر اعضای سازه می‌شود.
• سرعت باد در مقابل نیرو: باد به سازه نیرو وارد می‌کند و این نیرو با مجذور سرعت باد افزایش می‌یابد.
  بنابراین، سرعت باد بالاتر نیاز به طراحی سوله قوی‌تری برای تحمل فشارها دارد.
• موقعیت مکانی سایت: سرعت باد به شکل قابل توجهی بسته به موقعیت مکانی و آب و هوا متفاوت است.
  به عنوان مثال، مناطق ساحلی یا مناطقی با طوفان‌های گرمسیری نیاز به طراحی‌هایی برای بارهای باد بسیار بالاتر نسبت به مناطق داخلی دارند.
• لنگر انداختن: مهار مناسب سوله به زمین برای مقاومت در برابر نیروهای بالابری و جانبی اعمال شده توسط باد بسیار مهم است.

2-2# نتایج بار باد در طراحی سوله

• توزیع فشار باد:
  • فشار باد روی سطح ساختمان به ‌شدت وابسته به جهت باد و شکل ساختمان است.
  • در سطوح مرکزی سقف‌ها فشار نسبتاً یکنواخت بود.
  • در لبه‌ها، گوشه‌ها و شکستگی‌های سقف مکش‌های شدیدی ثبت شد؛ این مکش‌ها بعضاً ۳ تا ۴ برابر فشار متوسط بودند.
• مناطق بحرانی:
  • گوشه‌های سقف شیب دار و محل اتصال سقف به دیوار بیشترین آسیب‌ پذیری را دارند.
  • پوشش سقف مانند ورق‌های فولادی در برابر کَنده شدن آسیب ‌پذیر است.
• مقایسه با آیین ‌نامه‌ها:
  • مشابه بار برف، آیین ‌نامه‌ها در نظر گرفتن فشار یکنواخت را کافی می‌دانند.
  • نتایج نشان داده که بارهای واقعی بسیار ناهمگون بوده و طراحی تنها با استفاده از بار متوسط منجر به خطر خرابی موضعی می‌شود.

3# بار باد و بار برف در طراحی سوله

سرعت باد بالاتر، تنش سازه‌ ای را افزایش می‌دهد و بار برف مستقیماً به بارش برف و انباشت آن وابسته است که می‌تواند توسط باد نیز کاهش پیدا کند.

محل قرارگیری سوله، به همراه داده‌های اقلیمی مرتبط با آن، پارامترهای طراحی را تعیین می‌کند و برای مناطقی با بادهای شدید و برف سنگین، به سازه‌ای قوی ‌تر نیاز است.

ملاحظات کلیدی طراحی شامل مهاربندی مناسب برای مقاومت در برابر باد، سقفی با شیب کافی برای ریختن برف و مصالح به اندازه کافی قوی برای تحمل بار عمودی برف است.

1-3# تأثیر بار باد و بار برف بر طراحی اجزای سوله

بار باد و بار برف در طراحی سوله به صورت زیر مؤثر است.

1) قاب‌های اصلی

قاب‌های خمشی اصلی در سوله‌ها، اصلی ‌ترین عضو باربر هستند.

• بار باد: باعث ایجاد نیروی جانبی و لنگر خمشی در پایه ستون‌ها می‌شود.
  در سوله‌های دهانه بزرگ، اثر واژگونی نیز مهم است.
• بار برف: به ‌صورت بار قائم وارد می‌شود و باعث افزایش خمش تیرها و مقاطع سقف می‌گردد.
  در حالت تجمعی، ممکن است مقاطع به ظرفیت نهایی خود نزدیک شوند.

2) ستون‌ها

ستون‌ها علاوه بر تحمل بارهای قائم، باید پایداری جانبی سوله را در برابر باد تضمین کنند.

• تحت بادهای شدید، ستون‌ها به ‌صورت دو‌ محوره تحت فشار و خمش قرار می‌گیرند.
• بار برف معمولاً اثر مستقیم زیادی روی ستون‌ها ندارد؛ اما از طریق انتقال بار سقف، بار محوری فشاری ستون را افزایش می‌دهد.

3) تیرها و پرلین‌ها

پرلین‌ها، تیرهای فرعی هستند که بار پوشش بام و برف را به قاب اصلی منتقل می‌کنند.

• بار برف: مهم‌ترین بار برای طراحی پرلین‌ها است.
  تجمع برف در یک سمت بام می‌تواند بار نامتعادلی روی پرلین‌ها ایجاد کند.
• بار باد: بیشتر به ‌صورت مکش روی پوشش و پرلین‌ها عمل می‌کند.
  بنابراین، طراحی اتصال پرلین به قاب برای جلوگیری از جداشدگی پوشش بسیار حیاتی است.

4) اتصالات

اتصالات در سوله‌ها باید به ‌گونه ‌ای طراحی شوند که علاوه بر انتقال بارهای قائم (برف)، بارهای جانبی متناوب (باد) را هم تحمل کنند.

• اتصال تیر به ستون: تحت ترکیب خمش ناشی از بار برف و لنگر ناشی از باد است.
• اتصالات پیچ و جوش در پوشش: بیشترین خرابی‌ها در بادهای شدید به دلیل ضعف در این اتصالات رخ می‌دهد.
• اتصال ستون به فونداسیون: باید هم نیروی فشاری ناشی از برف و هم لنگر ناشی از باد را منتقل کند.

5) مهاربندها

مهاربندها به‌ عنوان سیستم مقاوم جانبی نقش اساسی در انتقال بار باد به فونداسیون دارند.

• تحت اثر باد، مهاربندها تحت کشش و فشار متناوب قرار می‌گیرند.
• بار برف تأثیر مستقیمی روی مهاربندها ندارد؛ اما افزایش بار قائم می‌تواند به صورت غیرمستقیم نیاز به مهاربندی را افزایش دهد. (به دلیل افزایش سختی قاب‌ها)

6) فونداسیون

فونداسیون سوله باید هم بار قائم ناشی از برف و هم بار جانبی ناشی از باد را به زمین منتقل کند.

• بار باد: موجب ایجاد لنگر واژگونی در پای ستون‌ها می‌شود که باید با افزایش ابعاد فونداسیون یا استفاده از شمع‌ها کنترل شود.
• بار برف: بار محوری اضافی روی ستون‌ها را افزایش می‌دهد و در نتیجه نیروهای فشاری روی خاک بیشتر می‌شود.

2-3# بهینه ‌سازی طراحی سوله در برابر بار باد و برف

طراحی سوله‌ها تنها بر پایه تأمین ایمنی کافی نیست؛ بلکه کاهش مصرف فولاد و هزینه ساخت نیز یک هدف اساسی است.

چون فولاد سهم عمده‌ای از هزینه ساخت سوله را تشکیل می‌دهد، استفاده از روش‌های بهینه ‌سازی هم ایمنی و هم صرفه ‌جویی اقتصادی ایجاد می‌کند.

• انتخاب مقاطع مناسب: استفاده از مقاطع متغیر به جای مقاطع یکنواخت باعث کاهش وزن فولاد تا ۲۰٪ می‌شود.
  در قاب‌های سوله، بیشترین خمش در وسط دهانه تیر و پای ستون رخ می‌دهد؛ لذا افزایش ضخامت یا ارتفاع مقطع در این نقاط و کاهش آن در بخش‌های کم‌ تنش بهینه ‌ترین حالت است.
• طراحی بر اساس ترکیب بار واقعی: در گذشته، بار برف و باد به ‌صورت محافظه‌ کارانه و بیش از حد لحاظ می‌شد.
  امروزه آیین ‌نامه‌ها با معرفی ضرایب کاهش و ضریب شکل، امکان طراحی سبک ‌تر و اقتصادی‌تر را فراهم کرده‌اند.
• بهینه ‌سازی در اتصالات: استفاده از اتصالات پیچی به ‌جای جوشکاری کامل در کارگاه، سرعت اجرا را بالا برده و هزینه را کاهش می‌دهد.
  طراحی اتصال بر اساس عملکرد واقعی (صلب یا مفصلی) از هدر رفت فولاد جلوگیری می‌کند.
• مهاربندی بهینه: استفاده صحیح از مهاربندها باعث کاهش ابعاد مقاطع ستون‌ها و تیرها می‌شود.
  طراحی مهاربندهای ضربدری در دهانه‌ طولی سوله می‌تواند تا ۱۵٪ در مصرف فولاد صرفه ‌جویی کند.

3-3# تأثیر بار باد و بار برف در طراحی سوله

• ضرورت در نظر گرفتن بارهای غیر یکنواخت
  • طراحی ایمن سازه باید بر اساس الگوهای واقعی بار باد و برف باشد، نه بار یکنواخت.
  • این الگوها می‌توانند با مدل ‌سازی عددی یا داده‌های آزمایشگاهی به آیین‌ نامه‌ها افزوده شوند.
• تأثیر بر ایمنی
  • بسیاری از خرابی‌های سقف در گذشته ناشی از بی‌ توجهی به بارهای متمرکز برف و باد بوده ‌اند.
  • با لحاظ کردن این یافته‌ها، احتمال شکست سقف‌ها و جدا شدن پوشش‌ها به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد.
• تأثیر بر اقتصاد ساخت
  • در ظاهر، طراحی بر اساس بارهای غیر یکنواخت ممکن است به افزایش استفاده از فولاد در برخی نواحی بیانجامد.
  • اما این افزایش موضعی باعث می‌شود، وزن کلی سازه چندان تغییر نکند، در عوض دوام و طول عمر سازه بالا می‌رود و هزینه تعمیرات و خرابی‌ها به شدت کاهش می‌یابد.
• تأثیر بر آیین‌ نامه‌ها
  • یافته‌های این پژوهش مبنای تغییرات در آیین ‌نامه‌های بارگذاری باد و برف شد.
  • پس از این تحقیقات، آیین ‌نامه‌ها شروع به ارائه نمودارهای رانش برف و ضریب‌های فشار موضعی باد کردند.