ما هي أنواع الأحمال على الهياكل والمباني؟
يمكن تصنيف أنواع الأحمال التي تعمل على هياكل المباني والهياكل الأخرى على نطاق واسع على أنها أحمال رأسية وأحمال أفقية وأحمال طولية. حيث تتكون الأحمال الرأسية من الحمولة الميتة والحمل الحي وحمل الصدم. كما تتكون الأحمال الأفقية من حمل الرياح وحمل الزلزال.
يتم أخذ الأحمال الطولية، أي قوى الجر والفرملة، في الاعتبار في حالة خاصة لتصميم الجسور، والعوارض القنطرية العملاقة، إلخ. وفي تشييد المبنى، يعتبر عاملان رئيسيان هما السلامة والاقتصاد. حيث أنه إذا تم الحكم على الأحمال ورفعها، يتأثر الاقتصاد.
إذا تم النظر في التوفير وأخذت الأحمال أقل، فإنّ السلامة معرضة للخطر. لذا فإنّ تقدير الأحمال المختلفة التي تعمل لحسابها بدقة. حيث أن الكود القياسي الهندي (IS: 875–1987) والرمز القياسي الأمريكي (ASCE 7:) يحدد الحد الأدنى لأحمال التصميم للمباني والمنشآت الأخرى أحمال التصميم المختلفة للمباني والهياكل.
اذًا، أنواع الأحمال على الهياكل الخرسانية هي:
- الأحمال الميتة.
- الأحمال المفروضة.
- أحمال الرياح.
- أحمال الثلج.
- أحمال الزلزال.
- أحمال خاصة.
1. الأحمال الميتة (DL):
يعتبر الحمل الرأسي الأول الذي يعتبر حمولة ميتة. حيث أن الأحمال الميتة هي أحمال دائمة أو ثابتة يتم نقلها إلى الهيكل طوال فترة الحياة. ويرجع الحمل الميت بشكل أساسي إلى الوزن الذاتي للأعضاء الهيكلية والجدران الفاصلة الدائمة والمعدات الدائمة الثابتة ووزن المواد المختلفة.
يتكون بشكل رئيسي من وزن الأسطح والعوارض والجدران والأعمدة وما إلى ذلك والتي تعتبر بخلاف ذلك الأجزاء الدائمة للمبنى. كما يتم حساب حساب الأحمال الميتة لكل هيكل من خلال حجم كل قسم وضربه في وزن الوحدة. كما يتم عرض أوزان الوحدات لبعض المواد الشائعة في الجدول أدناه.
| المواد | الوزن |
| حجر البناء | 20.4-26.5 كيلو نيوتن لكل م³ |
| طوب البناء | 18.8 كيلو نيوتن لكل م³ |
| أسمنت عادي | 24 كيلو نيوتن لكل م³ |
| الخرسانة الأسمنتية المسلحة | 24 كيلو نيوتن لكل م³ |
| الأخشاب | 5-8 كيلو نيوتن لكل م³ |
2. الأحمال المفروضة أو الأحمال الحية (IL أو LL):
الحمل العمودي الثاني الذي يؤخذ في الاعتبار في تصميم الهيكل هو الأحمال المفروضة أو الأحمال الحية. حيث أن الأحمال الحية إما أحمال متحركة أو متحركة بدون أي تسارع أو تأثير. كما يُفترض أن تكون هذه الأحمال ناتجة عن الاستخدام المقصود أو شغل المبنى بما في ذلك أوزان الأقسام المتحركة أو الأثاث وما إلى ذلك.
تستمر الأحمال الحية في التغيير من وقت لآخر. ويجب أن يتحمل المصمم هذه الأحمال بشكل مناسب. كما أنه أحد الأحمال الرئيسية في التصميم. ويعتمد ذلك على الاستخدام المقصود للمبنى. حيث يعطي الكود قيم الأحمال الحية لتصنيف الإشغال التالي:
- المباني السكنية، المساكن والفنادق والنزل وغرف المرجل وغرف المصانع والكراجات.
- مباني تعليمية.
- المباني المؤسسية.
- مباني التجميع.
- مباني الأعمال والمكاتب.
- المباني التجارية.
- المباني الصناعية.
- غرف التخزين.
يعطي الكود حملاً موزعًا بشكل موحد بالإضافة إلى أحمال مركزة. ويجب تصميم ألواح الأرضية لتحمل إمّا أحمال موزعة بشكل موحد أو أحمال مركزة، أيهما ينتج ضغوطًا أكبر في الجزء قيد الدراسة.
نظرًا لأنه من غير المحتمل أن لا تحمل جميع الطوابق في وقت واحد أقصى تحميل في وقت واحد، فإنّ الكود يسمح ببعض التخفيض في الأحمال المفروضة في تصميم الأعمدة والجدران الحاملة ودعامات الأرصفة والأساسات.
ومع ذلك، في المباني متعددة الطوابق، من النادر جدًا حدوث أحمال مفروضة بالكامل تعمل في وقت واحد على جميع الطوابق. ومن ثم، فإنّ الكود ينص على تقليل الأحمال في تصميم الأعمدة والجدران الحاملة ودعمها وأسسها كما هو موضح في الجدول أدناه.
| عدد الطوابق (بما في ذلك السقف) التي يجب أن يحملها العضو قيد الدراسة | التخفيض في إجمالي الأحمال المفروضة الموزعة بالنسبة المئوية |
| 1 | 00 |
| 2 | 10 |
| 3 | 20 |
| 4 | 30 |
| 5-10 | 40 |
| أكثر من 10 | 50 |
3. أحمال الرياح:
حمل الرياح هو في الأساس حمل أفقي ناتج عن حركة الهواء بالنسبة للأرض. ويجب مراعاة حمل الرياح في التصميم الإنشائي خاصةً عندما يتجاوز مستوى سطح المبنى ضعف الأبعاد المستعرضة لسطح الرياح المكشوف.
بالنسبة للمباني المنخفضة الارتفاع، لنقل ما يصل إلى أربعة إلى خمسة طوابق، فإنّ حمل الرياح ليس حرجًا لأن لحظة المقاومة التي يوفرها استمرارية نظام الأرضية لتوصيل العمود والجدران المتوفرة بين الأعمدة كافية لاستيعاب تأثير هذه القوى.
علاوة على ذلك في طريقة الحالة المحددة ، يتم تقليل عامل حمل التصميم إلى 1.2 (DL + LL + WL) عندما يتم اعتبار الرياح مقابل عامل 1.5 (DL + LL) عندما لا يتم اعتبار الرياح. ويجب مراعاة القوى الأفقية التي تمارسها مكونات الرياح أثناء تصميم المبنى.
يعتمد حساب أحمال الرياح على عاملين، وهما سرعة الرياح وحجم المبنى. حيث أن التفاصيل الكاملة لحساب حمل الرياح على الهياكل موضحة أدناه. وباستخدام رمز اللون، يتم عرض ضغط الرياح الأساسي “Vb” في الخريطة. كما يمكن للمصمم التقاط قيمة “Vb” اعتمادًا على موقع المبنى.
للحصول على سرعة الرياح التصميمية “Vz”، يجب استخدام التعبير التالي:
- (Vz = k1.k2.k3.Vb).
- حيث k1 = معامل المخاطرة.
- k2 = معامل يعتمد على التضاريس والارتفاع وحجم الهيكل.
- k3 = عامل الطبوغرافيا.
- يتم إعطاء ضغط الرياح التصميمي بواسطة (pz = 0.6 V2z).
حيث تكون وحدة قياس ضغط الرياح التصميمي نيوتن لكل م² على ارتفاع Z و السرعة بمتر لكل ثانية. وحتى ارتفاع 30 مترًا، يعتبر ضغط الرياح يعمل بشكل موحد. فوق ارتفاع 30 م ، يزداد ضغط الرياح.
4. أحمال الثلج (SL):
تشكل أحمال الثلج على الأحمال الرأسية في المبنى. ولكن هذه الأنواع من الأحمال تعتبر فقط في أماكن تساقط الثلوج. حيث يتعامل الكود مع أحمال الثلج على أسطح المبنى. ويتم الحصول على الحد الأدنى من حمل الثلج على منطقة السطح أو أي منطقة أخرى فوق الأرض معرضة لتراكم الثلج من خلال بعض العمليات الحسابية وهي:
- (S = μS0).
- حيث S = تصميم حمل الثلج على مساحة المخطط للسقف.
- معامل الشكل = معامل الشكل.
- S0 = حمل الثلج الأرضي.
5. أحمال الزلازل (EL):
تشكل قوى الزلازل قوى رأسية وأفقية على المبنى. ويمكن حل الاهتزاز الكلي الناجم عن الزلزال في ثلاثة اتجاهات متعامدة بشكل متبادل، وعادة ما يتم أخذها في اتجاه عمودي واتجاهين أفقيين. كما لا تسبب الحركة في الاتجاه الرأسي قوى في البنية الفوقية إلى حد كبير.
لكن الحركة الأفقية للمبنى في وقت حدوث الزلزال يجب أخذها في الاعتبار أثناء التصميم. حيث أن استجابة الهيكل للاهتزاز الأرضي هي دالة لطبيعة تربة الأساس وحجم وطريقة البناء ومدة وشدة حركة الأرض. كما يعطي الكود تفاصيل مثل هذه الحسابات للهياكل القائمة على التربة التي لن تستقر أو تنزلق بشكل ملحوظ بسبب الزلزال.
يمكن الوصول إلى التسارع الزلزالي لِلتصميم من المعامل الزلزالي، والذي يعرف بأنه نسبة التسارع بسبب الزلزال والتسارع بسبب الجاذبية. وبالنسبة للهياكل الخرسانية المسلحة المتجانسة الموجودة في المنطقة الزلزالية 2، و 3 بدون أكثر من 5 طوابق عالية وعامل أهمية أقل من 1، فإنّ القوى الزلزالية ليست حرجة.
أحمال وتأثيرات أخرى تعمل على الهياكل:
الأحمال أو الإجراءات الهيكلية هي قوى أو تشوهات أو تسارعات مطبقة على مكونات الهيكل. حيث تسبب الأحمال ضغوطًا وتشوهات وحالات نزوح في الهياكل. كما يتم تقييم آثارها من خلال طرق التحليل الهيكلي. وقد يتسبب الحمل الزائد أو التحميل الزائد في حدوث عطل هيكلي.
ومن ثم، يجب مراعاة هذا الاحتمال في التصميم أو التحكم فيه بشكل صارم. حيث أن الهياكل الميكانيكية، مثل الطائرات والأقمار الصناعية والصواريخ والمحطات الفضائية والسفن والغواصات، لها أحمالها الهيكلية الخاصة بها وإجراءاتها. وغالبًا ما يقوم المهندسون بتقييم الأحمال الهيكلية بناءً على اللوائح أو العقود أو المواصفات المنشورة.
يجب تصميم الهيكل بطريقة تجعله قويًا بدرجة كافية لتحمل أي نوع من الأحمال في أي وقت يحتمل أن يواجهوه خلال دورة حياتهم. لذلك، يتم حساب تقدير الحمل الكلي الذي يعمل على الهيكل أو الحمل الكلي الذي من المحتمل أن يتم تشغيله على الهيكل في المستقبل بدقة ويجب تصميمه.
يتم استخدام المعايير الفنية المقبولة في اختبار القبول والفحص. كما يمكن أن تسبب الأنواع المختلفة من الأحمال إجهادًا وإزاحة وتشوهًا في الهيكل، ممّا يؤدي إلى مشاكل هيكلية وحتى فشل هيكلي. حيث يُعد تحديد الحمل الإجمالي الذي يعمل على الهيكل أمرًا مهمًا ومعقدًا للغاية.
وفقًا للفقرة 19.6 من IS 456 – 2000 ، بالإضافة إلى الحمل المذكور أعلاه، يجب أخذ القوى والآثار التالية في الاعتبار إذا كانت عرضة للتأثير ماديًا على سلامة الهيكل وإمكانية خدمته:
1. حركة التأسيس.
2. حركة التقصير المحوري المرن.
3. ضغط التربة والسوائل.
4. الاهتزاز.
5. التعب.
6. أحمال الانتصاب.
7. تأثير تركيز الإجهاد بسبب تحميل النقطة وما شابه ذلك.
