تحلیل بار باد در SAP شامل چه مراحلی است؟

تحلیل بار باد یکی از مراحل حیاتی در طراحی سازه‌های مهندسی است که تاثیر قابل توجهی بر پایداری و ایمنی ساختمان‌ها دارد.

نرم‌ افزار SAP با قابلیت‌های پیشرفته مدل ‌سازی و تحلیل سازه، امکان شبیه‌ سازی دقیق اثرات بار باد را فراهم می‌کند.

تحلیل بار باد در SAP یکی از مراحل کلیدی در طراحی و ارزیابی سازه‌ها است که با هدف پیش ‌بینی رفتار سازه تحت اثر نیروهای باد انجام می‌شود.

این نرم ‌افزار با بهره ‌گیری از روش‌های پیشرفته، المان محدود و امکان تعریف بارهای باد به صورت دستی یا خودکار، به مهندسین این امکان را می‌دهد که بارهای پیچیده باد را بر سازه‌های مختلف شبیه ‌سازی کنند.

فرآیند تحلیل بار باد در SAP شامل وارد کردن بارهای باد مطابق با آیین ‌نامه‌های طراحی، اعمال آن‌ها بر سازه و اجرای تحلیل‌های استاتیکی و دینامیکی است که نهایتاً به بررسی مقاومت و پایداری سازه در برابر بارهای ناشی از باد می‌انجامد.

در این مقاله به بررسی مراحل تحلیل بار باد در SAP، نکات و ملاحظات در رابطه با تحلیل بار باد در SAP خواهیم پرداخت.

1# مراحل تحلیل بار باد در SAP

تحلیل بار باد در SAP با استفاده از ابزارهای پیشرفته نرم ‌افزاری به صورت دقیق و جامع انجام می‌شود تا واکنش سازه در برابر نیروهای ناشی از باد به صورت کامل ارزیابی شود.

این تحلیل با هدف تضمین ایمنی و پایداری سازه‌ها در شرایط مختلف باد طراحی شده است.

مراحل تحلیل بار باد در SAP به مهندسین کمک می‌کند تا تاثیر نیروهای باد را دقیقاً شبیه ‌سازی و مقاومت سازه را ارزیابی کنند.

در این بخش به بررسی مراحل تحلیل بار باد در SAP خواهیم پرداخت.

1-1# آماده ‌سازی مدل برای اعمال بار باد

قبل از هر کاری باید مدل به ‌گونه‌ای ساخته شود که SAP بتواند ارتفاع‌ها، سطوح و جهت‌ها را تشخیص بدهد:

• سازه باید دارای مختصات درست باشد.
• ارتفاع کلی سازه از سطح زمین مشخص باشد.
• در سازه‌هایی مثل سوله، سقف باید به‌ صورت Area یا Frame مدل سازی شده باشد تا بار باد روی آن توزیع شود.

2-1# تعریف الگوهای بار باد (Load Patterns)

برای تعریف الگوهای بار باد به منظور تحلیل بار باد در SAP مراحل زیر را انجام دهید:

1. به مسیر  Define → Load Patterns بروید.
2. روی Add New Load Pattern کلیک کنید.
3. Name را وارد کنید، مثلاً:
   • WIND_X برای باد در جهت X
   • WIND_Y برای باد در جهت Y
4. در Type، گزینه Wind را انتخاب کنید.
5. از منوی کشویی Auto Lateral Load، آیین ‌نامه مورد نظر را انتخاب کنید، مثل:
   • ASCE 7-16 آمریکا
   • Eurocode اروپا
   • یا User Coefficient برای تعریف دستی ضریب‌ها

اگر آیین ‌نامه ایران مد نظر باشد، باید از حالت User Defined یا ضرایب دستی استفاده کنید.

1. پارامترهای باد را طبق آیین ‌نامه وارد کنید، به عنوان مثال:
   • Basic Wind Speed سرعت مبنای باد، m/s یا km/h
   • Exposure Type نوع زمینB ،C ،D
   • Topographic Factor ضریب توپوگرافی
   • Direction Angle زاویه وزش باد

3-1# تنظیم پارامترهای خودکار بار باد

بعد از انتخاب آیین ‌نامه، به منظور تحلیل بار باد در SAP یک دکمه برای Modify Lateral Load Parameters فعال می‌شود:

1. این دکمه را انتخاب کنید.
2. مشخصات سازه را وارد کنید:
   • Exposure From /To ارتفاع شروع و پایان بار باد
   • Enclosure Classification باز، نیمه‌ باز، بسته (برای تعیین فشار داخلی)
   • Importance Factor ضریب اهمیت ساختمان
3. اگر سوله دارید، Enclosure Classification = Partially Enclosed معمولاً انتخاب می‌شود، چون سوله‌ها معمولاً حالت بازشو دارند.

4-1# اعمال بار باد خودکار

وقتی الگوی باد به شکل Auto Wind Load تعریف شد، SAP در حین تحلیل، فشار باد را بر اساس ارتفاع و ضریب‌های آیین ‌نامه محاسبه و به المان‌های قاب یا دیوار اختصاص می‌دهد.

نیازی نیست بار را به صورت دستی وارد کرده؛ ولی بهتر است نتایج را بعد از تحلیل کنترل کنید.

با گزینه Display → Show Loads Assigned → Area /Frame Loads

5-1# اعمال خودکار بار به سطوح و قاب‌ها

• وقتی الگو را به ‌صورت Auto – Lateral تعریف کردید، SAP می‌تواند بار را به‌ صورت خودکار به Area /Frame objects اختصاص دهد بر مبنای آیین‌ نامه و ارتفاع؛ این یعنی بار به‌ عنوان تابعی از ارتفاع توزیع می‌شود. (z-dependent wind pressure)
• برای سازه‌های open frame باید گزینه‌های Include Frame Objects (Open Structure) را فعال کنید تا SAP بتواند بار روی تک تک مقاطع خطی (frames /trusses) را نیز محاسبه و اختصاص دهد.

6-1# دیافراگم‌ها (Rigid / Semi-rigid / User loads on diaphragms)

1. برای این که SAP2000 بتواند بارهای خودکار باد را روی دیافراگم‌ها اعمال کند، معمولاً باید Diaphragm constraints را تعریف یا آن را اختصاص دهید؛ Rigid یا Semi-Rigid / identification. اگر از گزینه‌ تعریف دیافراگم استفاده کنید، نرم‌ افزار از مرزهای دیافراگم برای تعیین منطقه‌ اثر باد استفاده خواهد کرد.
2. امکان تعریف User Wind Loads on Diaphragms هم وجود دارد، حالت User Loads به کاربر اجازه می‌دهد توزیع دلخواه مثلاً مقادیر kN/m یا kN/m² در ارتفاعات مختلف را وارد کند.

7-1# اعمال بار باد به قاب‌ها به عنوان خطوط بار (Open Structure Wind Parameters)

1. اگر می‌خواهید بار باد به ‌صورت خطی روی پروفیل‌های قاب اعمال شود (مناسب اسکلت‌های باز و خرپایی)، از فرم Open Structure Wind Parameters استفاده کنید.
   Assign → Frame Loads → Open Structure Wind Parameters یا از Modify Lateral Load
2. در این حالت می‌توانید ضریب‌های فشار خارجی یا داخلی را بازنویسی کنید، مقاطع خاصی را اضافه یا حذف کرده و اعمال بار را محدود به یک مجموعه فریم خاص کنید.

8-1# کنترل جهت و ارتفاع (Any direction & any height)

SAP می‌تواند بار را برای هر زاویه از وزش باد محاسبه کرده (direction angle) و همچنین بار را به‌ صورت تابع ارتفاع توزیع کند، به عنوان مثال ضریب فشار در ترازهای مختلف.

این رفتار زمانی فعال و درست کار می‌کند که:

• • آیین‌ نامه انتخاب‌ شده پشتیبانی از بارگذاری تابع ارتفاع داشته باشد، مثلاً ASCE options.
  • هندسه‌ مدل ارتفاع گره‌ها، extents دیافراگم یا پنل به ‌درستی تعریف شده باشد.

9-1# اعمال بار باد دستی

اگر می‌خواهید کنترل بیشتری داشته باشید یا آیین‌ نامه مورد نظر شما در SAP نیست، از موارد زیر پیروی کنید:

1. المان‌های مورد نظر رو انتخاب کنید (مثلاً ستون‌ها یا پانل‌های دیواری).
2. برای قاب‌ها Assign → Frame Loads → Distributed را طی کنید.
   • Load Pattern = WIND_X
   •  Load Direction = Local 1, 2, 3 یا Global X /Y

مقدار بار (kN/m) را وارد کنید.

1. برای پانل‌ها یا سقف: Assign → Area Loads → Uniform to Frame/Area
   • مقدار بار (kN/m²) را وارد کنید.

برای مکش باد (Negative Pressure) عدد را با علامت منفی وارد کنید.

10-1# ترکیب بارهای شامل باد

طبق آیین ‌نامه، باد باید در ترکیب بارها لحاظ شود:

1. به Define → Load Combinations بروید.
2. ترکیبات متداول عبارت اند از:
   • 1.2D + 1.6L + 0.5W
   • 1.2D + 1.0W + 0.5L
   • 0.9D + 1.0W

مقادیر ضرایب بسته به آیین ‌نامه تغییر خواهد کرد.

11-1# مشاهده و اصلاح بارهای تولید شده

• بعد از تولید خودکار، از منوی Display → Show Loads Assigned → Area /Frame Loads استفاده کرده تا بتوانید بارهای محاسبه‌ شده را ببینید.
• می‌توانید ضرایب فشار پیش ‌فرض را با Assign → Area Loads → Wind Pressure Coefficients یا از فرم Modify Lateral Load بازنویسی کنید تا مقادیر دستی یا آیین ‌نامه ‌ای متفاوتی اعمال شود.

2# نکات و ملاحظات در رابطه با تحلیل بار باد در SAP

تحلیل بار باد یکی از مراحل مهم در طراحی سازه‌ها است که باید با دقت و توجه ویژه ای انجام شود.

در تحلیل بار باد در SAP، دقت در تعریف شرایط محیطی و خصوصیات سازه‌ای اهمیت فراوانی دارد تا نتایج به ‌دست آمده واقعی و قابل اعتماد باشند.

همچنین، توجه به نحوه اعمال بارها و در نظر گرفتن رفتار پیچیده باد و تاثیرات آن بر سازه، از جمله مواردی است که به بهبود کیفیت تحلیل کمک می‌کند.

در نهایت، بررسی و اعتبارسنجی نتایج، اطمینان از ایمنی و عملکرد مطلوب سازه را تضمین می‌کند.

در این بخش به بررسی نکات و ملاحظات کلیدی در مورد تحلیل بار باد در SAP خواهیم پرداخت.

1-2# ملاحظات کلیدی تحلیل بار باد

برای اطمینان از صحت و ایمنی سازه، ملاحظات کلیدی متعددی مانند انتخاب آیین‌ نامه مناسب، مدل ‌سازی دقیق سازه و بررسی اثرات پیچش و فشارهای موضعی باید در نظر گرفته شوند.

1) سرعت باد

مهم‌ترین جنبه تحلیل بار باد درSAP، به دست آوردن سرعت باد پایه V، در جایی است که ساختمان در آن قرار دارد.

سرعت باد معمولاً از نقشه‌های مرتبط مبتنی بر آیین‌ نامه، مانند نقشه‌های ارائه شده توسط ASCE 7-16 یا سوابق هواشناسی محلی، تهیه می‌شود.

سپس این فرآیند پارامترهای بار باد از جمله جهت باد، رده قرارگیری در معرض باد، توپوگرافی و همچنین ارتفاع زمین را شناسایی می‌کند.

2) ضریب جهت باد

جهت باد در تحلیل بار باد در SAP به بررسی چگونگی جریان باد در اطراف و تعامل آن با ساختمان اشاره دارد.

این امر شکل، اندازه و ارتفاع سازه و همچنین زمین اطراف آن را در نظر می‌گیرد.

جهت باد در تعیین بزرگی و توزیع بارهای باد روی یک ساختمان بسیار مهم و حائز اهمیت است.

برای ساختمان‌های کم ارتفاع، مانند خانه‌های مسکونی یا سازه‌های تجاری کوچک، معمولاً از روش ساده شده برای در نظر گرفتن جهت باد استفاده می‌شود.

3) دسته بندی نوردهی

ما می‌توانیم رده‌ مواجهه را بر اساس توپوگرافی سطح زمین، پوشش گیاهی و سازه‌های ساخته‌ شده تعیین کنیم.

وقتی صحبت از طراحی مسکونی می‌شود، طراحان سازه تمایل دارند با در نظر گرفتن بدترین سناریوی ممکن، هنگام انتخاب یک دسته بندی در معرض خطر، رویکرد محتاطانه ای را در نظر بگیرند.

به عنوان مثال، اگر در حال ساخت ساختمانی در لبه یک مکان در حال توسعه جدید هستید و یک طرف آن در معرض دسته B و طرف دیگر در معرض دسته C قرار دارد، رویه کلی این است که دسته C را به عنوان انتخاب محافظه‌ کارانه انتخاب کنید.

4) عوامل توپوگرافی

هنگام ساخت و ساز روی تپه‌ها، پشته‌ها یا صخره‌های کم‌ ارتفاع تا 4.5 متر، محاسبات بار باد باید عامل توپوگرافی، K _zt، را در نظر بگیرد که افزایش سرعت باد به دلیل توپوگرافی محلی را در نظر می‌گیرد.

‎‍‎این در صورتی است که:

• K_zt ضریب توپوگرافی
• K₁ ضریبی برای در نظر گرفتن شکل عوارض توپوگرافی و حداکثر اثر افزایش سرعت
• K₂ ضریبی برای در نظر گرفتن کاهش سرعت با فاصله در خلاف جهت باد یا در جهت باد از تاج موج
• K₃ ضریبی برای در نظر گرفتن کاهش سرعت با افزایش ارتفاع از عوارض محلی

5) ارتفاع از سطح زمین

مناطقی با ارتفاعات بالاتر، چگالی هوای کمتری دارند که به کاهش بار باد می‌انجامد.

در محاسبه بار باد، از ضریب ارتفاع زمین برای تنظیم چگالی هوا، K _e، استفاده می‌شود.

6) محوطه‌های ساختمانی

یکی دیگر از عوامل مهم که باید در تحلیل بار باد در SAP در نظر گرفته شود، محفظه ساختمان است.

اصل موجود در پشت صحنه  این موضوع، در نظر گرفتن اختلاف فشار بین داخل و خارج ساختمان است.

ASCE 7 محفظه‌های ساختمانی را به چهار دسته طبقه‌ بندی کرده است:

• محصور: هوا معمولاً وارد نمی‌شود. فشار باد در بیرون وجود دارد.
• نیمه محصور: هوا به داخل ساختمان جریان می‌یابد، اما نمی‌تواند، از آن خارج شود.
• باز: هوا به داخل ساختمان جریان می‌یابد و می‌تواند، از آن خارج شود.
• نیمه باز: هوا در ساختمان جریان دارد.

این پارامترها نقش اساسی دارند و می‌توانند به طرز چشمگیری بر فشارهای باد وارده به یک ساختمان تأثیر بگذارند و در مراحل بعدی محاسبات بار باد، مانند ضریب فشار داخلی یا GC _pi، ضرایب فشار خارجی و فشار باد یا P،  نقش داشته باشند.

2-2# نکات مهم تحلیل بار باد در SAP برای سوله‌ها

نکات مهم ئ تحلیل بار باد در SAP برای سوله‌ها به صورت زیر خواهد بود:

• سوله‌ها معمولاً در باد مکش بیشتری روی سقف دارند، پس باد مثبت و منفی را باید به صورت جداگانه بررسی کنید.
• اگر دو جهت اصلی دارید (مثلاً باد جبهه و باد کناری)، دو الگوی مجزا تعریف کنید؛ WIND_X و WIND_Y
• در مناطق بادخیز، ممکن است ضریب اهمیت و سرعت مبنای باد بزرگتر از حالت معمول باشد.

3-2# نکات اجرایی، محدودیت‌ها و توصیه‌ها

نکات اجرایی، محدودیت‌ها و توصیه‌هایی در مورد تحلیل بار باد در SAP وجود دارد که عبارت اند از:

• دیافراگم‌ها: که باید مشخص شوند.
  اگر دیافراگم‌ها (Rigid / Semi-Rigid) روی مدل تعریف نشده باشند، ابزار خودکار ممکن است منطقه‌ اثر را به‌ درستی نشناسد؛ بنابراین دیافراگم‌ها و محدودیت‌های مربوطه را اختصاص بدهید.
• سازه‌های باز (Open frames): برای اعمال بار روی مقاطع خطی باید گزینه‌ مخصوص Open Structure فعال شود؛ در غیر این صورت نرم‌ افزار ممکن است تنها بار سطحی به پنل‌ها اختصاص دهد.
• قابلیت Overwrite / Custom Coefficients :SAP به کاربر اجازه می‌دهد تا ضرایب فشار خارجی یا داخلی پیش ‌فرض را بازنویسی کند.
  این امر برای انطباق با آیین‌ نامه‌های محلی یا نتایج آزمایشگاهی مفید است.
• کنترل دستی برای حالات غیرمعمول: در شرایط خاص (بازشوهای بزرگ، شکل غیرمتعارف سقف، شرایط محلی توپوگرافی پیچیده) بهتر است بارها را به ‌صورت دستی یا با ضریب اصلاحی چک کنید؛ زیرا الگوریتم خودکار بر اساس پیش فرض‌هایی عمل می‌کند.
• دیدن نتایج و اعتبارسنجی آنها: بعد از تولید خودکار، از خروجی‌های فشار (p(z))، نمایش بار اختصاص ‌شده و مقایسه با محاسبات دستی یا آیین ‌نامه‌ای برای اطمینان از سازگاری استفاده کنید.

3# تحلیل بار باد برای MWFRS

سیستم اصلی مقاوم در برابر نیروی باد یا MWFRS، مجموعه‌ای از عناصر سازه‌ای است که برای تحمل بارهای جانبی و عمودی باد طراحی شده‌اند و شامل موارد زیر خواهد شد:

• دیوارهای سازه ‌ای
• ستون‌ها
• قاب‌های صلب
• و سیستم‌های مهاربندی

سیستم مهاربندی عمودی (MWFRS) حیاتی است؛ زیرا ستون فقرات هر سازه‌ای را تشکیل می‌دهد و با انتقال بارهای باد، پایداری کلی در برابر نیروهای باد را تضمین می‌کند.

این مکانیسم شامل انتقال نیروهای باد از نقطه اعمال آنها، معمولاً پوشش خارجی ساختمان، از طریق سیستم سازه‌ای و در نهایت به زمین است و در نتیجه، قائم و ایمن ماندن ساختمان را تضمین می‌کند.

برای محاسبه بارهای باد MWFRS ،ASCE 7-16 دو روش ارائه می‌دهد که عبارت اند از:

• روش جهت ‌دار که به شکل گسترده برای همه انواع ساختمان‌ها استفاده می‌شود.
• روش پوششی که به صورت خاص برای ساختمان‌های کم ارتفاع اعمال می‌شود.

مراحل مورد نیاز برای تعیین بارهای باد MWFRS با استفاده از روش پوششی در ادامه آمده است:

1. تعیین رده ریسک ساختمان
2. تعیین سرعت باد پایه V
3. تعیین پارامترهای بار باد:
   • ضرایب فشار داخلی، GC _pi
   • ضریب جهت باد، K _d
   • دسته بندی نوردهی
   • عامل توپوگرافی، K _zt
   • ضریب ارتفاع زمین، K _e
   • طبقه بندی محفظه
4. تعیین ضریب مواجهه با سرعت
5. تعیین فشار سرعت
6. تعیین ضریب فشار خارجی، GC _p
7. محاسبه فشار باد، p

4# تحلیل بار باد برای اجزا و روکش‌ها

اجزا و سیستم‌های پوششی مربوط به عناصر بیرونی یک سازه، مانند سقف‌ها و دیوارها هستند.

این عناصر مستقیماً با باد در تعامل هستند و تحت فشارهای مختلف باد قرار می‌گیرند.

اگرچه MWFRS پایداری کلی سازه را در برابر بارهای باد تضمین می‌کند، اهمیت اجزا و روکش در تحلیل بار باد در SAP از نقش حیاتی آنها در مقاومت در برابر فشارهای باد موضعی، حفظ یکپارچگی ساختمان و محافظت از ساکنان آن به دست می‌آید.

تفاوت‌های مشخصی در ملاحظات طراحی برای MWFRS و اجزا و سیستم‌های روکش وجود دارد.

در حالی که MWFRS برای مقابله با بارهای باد از هر جهتی طراحی شده و پایداری کلی سازه را تضمین می‌کند، اجزا و سیستم روکش در درجه اول برای بارهای باد که عمود بر سطح هستند یا عمود بر آن هستند، ارزیابی می‌شوند.

طبق دستورالعمل‌های ASCE 7، مشابه MWFRS، محاسبه بارهای باد برای اجزا و سیستم‌های روکش با تعیین رده ریسک و سرعت باد پایه شروع می‌شود.

با این حال، عوامل دیگری نیز در مورد اجزا و سیستم‌های روکش فلزی نقش دارند.

ناحیه باد مؤثر که منطقه‌ ای است که بار باد روی آن توزیع می‌شود، عامل کلیدی در این محاسبات خواهد بود.

ضرایب فشار خارجی، نیز در این مرحله در نظر گرفته می‌شوند و زاویه و محل قرارگیری اجزای خاص روی ساختمان تعیین می‌شوند.

به گونه‌ای مشابه، مقادیر ضریب فشار برای پنجره‌ها و درها متفاوت خواهد بود که اغلب به عنوان نقاط آزاد سازی فشار هنگام وزش باد شدید عمل می‌کنند.

طراحی آنها باید نه تنها در برابر بارهای مستقیم باد؛ بلکه در برابر تغییرات سریع فشار ناشی از بادهای شدید یا وقوع طوفان ناگهانی نیز مقاومت کند.

مراحل مورد نیاز برای تعیین بارهای باد اجزا و روکش فلزی به صورت زیر خواهد بود:

• تعیین رده ریسک ساختمان
• تعیین سرعت باد پایه، V،
• تعیین پارامترهای بار باد:
  • ضرایب فشار داخلی، GC _pi
  • ضریب جهت باد، K _d
  • دسته بندی نوردهی
  • عامل توپوگرافی، K _zt
  • ضریب ارتفاع زمین، K _e
  • طبقه بندی محفظه
• تعیین ضریب مواجهه با سرعت
• تعیین فشار سرعت
• تعیین ضریب فشار خارجی
  • دیوارها
  • سقف‌های مسطح، سقف‌های شیروانی، سقف‌های شیب دار
  • سقف‌های تک شیب
• محاسبه فشار باد