نیروهای ژئوفیزیکی را که نتیجه تغییرات مداوم در طبیعت هستند ممکن است به نیروهای جاذبه زمین، وزن ساختمان خودش ایجاد نیروهایی در سازه می کند که موسوم به بار مرده است واین بار در تمام طول عمر ساختمان ثابت باقی می ماند.
اشکال همیشه در حال تغییر ساختمان نیز تایع اثرات جاذبه زمین است که ایجاد تغییراتی در بارها در طول زمان می کند.بارهای ناشی از تغییرات جوی با زمان و مکان تغییر می کنند و به شکل باد، حرارت، رطوبت، باران، برف، و یخ ظاهر می شوند. نیروهای زلزله از حرکت نا منظم زمین یعنی زمین لرزه ایجاد مشوند.
منابع بارگذاری مصنوعی ممکن است تکان ناشی از حرکت اتومبیل ها، آسانسورها، ماشینهای مکانیکی و غیره و یا ممکن است تغییر مکان افراد، وسایل و یا نتیجه ضربه و انفجار باشند. به علاوه ممکن است نیروهایی در زمان تولید و اجرا در سازه به وجود آبد. پایداری ساختمان ممکن است ایجاب پیش تنیدگی کند که باعث ایجاد نیرو در ساختمان می شود.
منابع بارهای ژئوفیزیکی و مصنوعی در ساختمان غالبآ به یکدیگر بستگی دارند. جرم، اندازه، شکل و مصالح یک ساختمان در روی نیروهای ژئوفیزیکی اثر می گذارند. برای مثال اگر عناصر ساختمان در مقابل تغییرات درجه حرارت و رطوبت نتوانند به آزادی واکنش نشان دهند و گیردار باشند نیروهایی در ساختمان ایجاد می شود.
برای اینکه اطمینان حاصل شود که مشکلات آتی از بین رفته و بازده سازه ای حاصل شده باشد لازم است که مطالعات دقیق جواب تئوری ساختمان به اثرها انجام گیرد. طراح باید نیروها و اثر بارگذاری مربوطه را درک کند تا ساختمان بی خطر و قابل استفاده باشد.
:: بار مرده ساختمان
بارهای ناشی از نیروی جاذبه زمین را متوان به دو دسته مجزا تقسیم کرد:
اساتیکی و دینامیکی: بارهای استاتیکی همیشه جزء ثابتی از سازه هستند. بارهای دینامیکی موقتی هستند یعنی با تغییر زمان و فصل تغییر می کنند، یا تابع مکان داخل یا روی سازه هستند.
بارهای مرده را ممکن است به صورت بارهای استاتیکی که در اثر وزن اجزاء سازه ایجاد می شوند تعریف کرد.نیروهایی که منجر به بار مرده می شوند عبارتند از: قسمتهای باربر ساختمان،کف،روکاری سقف،دیوارهای جدا کننده ثابت،پوشش نما،مخزنهای انباری،سیستمهای توزیع مکانیکی و غیره. مجموع وزنهای همه این قسمت ها بار مرده ساختمان را تشکیل می دهد.
به نظر می رسد که تعیین وزن مصالح و از آنجا بار مرده ساختمان کار ساده ای باشد. اما به دلیل مشکلات گوناگون در تجزیه و تحلیل دقیق بارها تخمین بارها ممکن است 15 تا 20 درصد و یا حتی بیشتر در خطا باشد.
در مرحله اولیه طرح برای مهندس محاسب پیش بینی دقیق وزن مصالح ساختمانی که هنوز انتخاب نشده اند کاری غیر ممکن است. مصالح ناسازه ای مشخصی که باید انتخاب شوند شامل صفحات پیش ساخته نما، لوازم روشنایی، قطعات سقف،لوله ها، مجرا ها، خطوط برق ،و اجزای نیازمندیهای داخلی خاص ساختمان می باشند.
وزن عناصر تقویت کننده و اتصالات در سازه های فولادی فقط به صورت درصدی از وزن کل تخمین زده می شود. وزن واحد حجم مصالح که به وسیله تولید کنندگان یا آئین نامه ها داده می شود همیشه با وزن واحد حجم محصول تولید شده مطابقت ندارد. اندازهای اسمی اجزاء ساختمان ممکن است با اندازه های واقعی اختلاف داشته باشد .
:: بار زنده ساختمان
فرق اساسی بارهای زنده با بارهای مرده در این است که بارهای زنده متغیر و غیر قابل پیش بینی هستند. تغییر در بارهای زنده نه تنها در طول زمان اتفاق می افتد بلکه همچنین تابعی از مکان می باشد. این تغییر ممکن است در مدت زمان کوتاه یا طولانی صورت گیرد. بدین ترتیب تقریبآ غیر ممکن است که بارهای زنده را به صورت استا تیکی تخمین زد. بارهایی که بوسیله اشیاء یا اشخاص در ساختمان ایجاد می شوند به نام بارهای سکنی موسوم هستند. این بارها شامل وزن اشخاص، مبل ها، جدا کننده های متحرک، گاو صندوق ها، کتابها و دیگر بارهای نیمه دائم و موقتی که روی ساختمان اثر می کنند ولی جزئی از سازه نیستند و جزء بار مرده به حساب نمی آیند .
بارهای متمرکز، نشان دهنده اثر بار منفرد ممکن در نقاط بحرانی مثل کفهای پله، سقفهای قابل دسترس، گاراژهای توقف و دیگر نقاط آسیب پذیر با تنشهای متمرکز زیاد می باشند.
:: بار اجرایی ساختمان
اجزاء سازه به طور کلی برای بارهای مرده و زنده طرح می شوند. اما یک قطعه سازه ممکن است در موقع اجرای ساختمان تحت بارهایی خیلی بیشتر از بارهای طرح قرار بگیرد. اینگونه بارها که موسوم به بارهای اجرائی هستند قسمت مهمی را در طرح اجراء سازه تشکیل می دهند.
هر پیمانکاری در طول زمان روش اجرایی را توسعه می دهد که برای خودش اقتصادی بودنش ثابت شده است. هر چند که معمار ممکن است ساختمان را طوری طرح کند که برای یک روش اجرایی معینی مناسب باشد، او ممکن است که از روشهای اجرایی یکایک پیمانکاران آگاهی نداشته باشد. پیمانکاران معمولآ مصالح و وسائل سنگین را روی سطح کوچکی ازسازه انباشته می کنند. این عمل ایجاد بارهای متمرکزی میکند که خیلی بیشتر از بارهای زنده فرض شده برای سازه طرح شده می باشد .در چنین شرایطی شکست نتیجه شده است .
یک مشکل اساسی در اجرای سازه های بتنی وقتی ایجاد می شود که پیمانکار پایه های تقویتی و قالب بندی را قبل از انقضای مدت کافی برای عمل آمدن بتن بردارد. مقاومت بتن با زمان زیاد میشود. ولی از آنجایی که برای پیمانکار زمان پول است او ممکن است قالب ها را قبل از اینکه بتن به مقاومت حداقل طرح برسد بردارد. در چنین صورتی جزئی از سازه ممکن است تحت اثر بارهائی قرار بگیرد که قادر به تحمل آنها نباشد و شکست حاصل شود.
:: بارهای برف ، باران و یخ
مشاهده ارتفاع و تراکم برف در طول سالیان دراز منجر به پیش بینی معقول حداکثر بار برف شده است. بار برف را لازم است فقط برای بامها و سطوح دیگر ساختمان که ممکن است برف جمع کننده از قبیل حیاط های بالا آورده شده،بالکن ها و سقف های آفتابگیر در نظر گرفت. بار برف که به وسیله آئین نامه ها تعیین شده است بر اساس حداکثر برف روی زمین می باشد. غالبآ این بارها بیشتر از بار برفی که روی بام اثر میکند می باشد. زیرا باد مقداری از برف های شل را از روی بام به دور می ریزد یا بدلیل از دست رفتن گرما از طریق بام، برف آب و بخار می شود. آئین نامه ها معمولآ در صدی از بار برف را روی بام شیب دار کم می کنند، زیرا روی چنین سطوحی برف به سهولت از روی بام به پائین می لغزد. ولی بعضی از انواع بام ها ممکن است روی رفتار باد اثر بگذارند و باعث شوند که بار برف به مقدار زیاد در یک قسمت از بام ذخیره شود.با وجود اینکه اغلب در محاسبه بار زنده به آب فکر نمی شود حتمآ باید در موقع طرح آنرا به خاطر داشت. بار باران به طور کلی کمتر از بار برف است، ولی باید به خاطر داشت که ذخیره شدن آب منجر به مقدار قابل ملاحظه ای بار می شود.
همچون که آب جمع می شود بام تغییر شکل داده خم می شود و این باعث می شود که آب بیشتری جمع شود و منجر به تغییر شکل زیاد تری گردد. این پدیده که موسوم به حوض شدن می باشد ممکن است باعث فرو ریختن نهایی بام شود.
یخ روی اجزاء بیرون آمده به خصوص روی قطعات تزئینی خارجی که در غیر این صورت جز بار وزنشان باری دریافت نمی کنند جمع می شود. از این رو لازم است که این قطعات چنان طرح و اتصال داده شوند که بارهای سنگین قندیل های یخ را تحمل کنند. به علاوه، تشکیل یخ روی سازه های خرپایی باز باعث ازدیاد سطح و وزن شده که منجر به اضافه شدن باد می شود.
:: بار باد روی ساختمان
آسمان خراشهای اولیه به اثرات پیچیده نیروی جانبی ایجاد شده بوسیله باد آسیب پذیر نبودند.وزن عظیم ساختمان با دیوارهای باربر ساخته شده از مصالح بنایی چنان بود که نیروی باد قادر نبود به نیروهای جاذبه به زمین غلبه کند. حتی موقعی که روش دیوار حمال بوسیله سازه قاب صلب در اواخر قرن 19 جایگزین شد، نیروی جاذبه عامل تعیین کننده اصلی بود.
نماهای سنگی سنگین با بازشدگی های کوچک، ستونهای نزدیک به هم، قطعات سرهم شده حجیم قابها، و دیوارهای جداکننده سنگین هنوز چنان وزنی را ایجاد می کردند که عمل باد یک مشکل اساسی نبود.
آسمان خراشهای دیوار شیشه ای سالهای 1950 با فضای باز داخلی مطلوب و وزن نسبتا کم برای اولین بار در مقابل نیروهای باد واکنش نشان دادند.با معرفی قاب فولادی سبک وزن، دیگروزن یک عامل محدود کننده ارتفاع آسمان خراشها نبود. ولی عصر ساختمانهای بلند با خود مشکلات جدیدی آورده است برای اینکه وزن مرده کاهش داده شود وفضاهای بزرگتر و انعطاف پذیر ایجاد گردد تیرهای با دهنه زیاد، جدا کننده های داخلی بار نبر متحرک ودیوارهای پیرامونی بارنبر ساخته شده است.همه این ابداعات از صلبیت کلی سازه ها کم کرده اند، به طور یکه حالا سختی جانبی (با تغییر مکان جانبی) یک ساختمان ممکن است تعیین کننده تر از مقاومتش باشد. اثر باد یک مسئله اساسی برای طرح ساختمانهای بلند شده است . درک باد و پیش بینی رفتارش به صورت علمی دقیق ممکن است غیر ممکن باشد. عمل باد روی ساختمان، شکل،باریکی و ترکیب نمای سازه مورد نظر و نحوه قرار گرفتن ساختمانهای مجاور دارد.
:: بار ناشی از تغییرات حجم مصالح
تغییرات حجم مصالح در اثر انقباض،غرش و آثار حرارتی به وجود می آید. موقعی که از واکنش طبیعی و آزاد اعضاء ساختمان در سر حد ها یشان جلوگیری می شود در آنها نیرو ایجاد میگردد.در جایی که این تغییرات حجم محدود می شود نقش های محوری و دورانی در ساختمان ایجاد گردد.
تغییر حجم تابعی از شکل و اندازه ساختمان،مصالح ،سختی اعضاء سازه ای و نوع اتصالات می باشد. با به کار بردن مانع در نقاطی از ساختمان که تنش های محوری و دورانی ممکن است ایجاد شود می توان تغییرات حجم را کنترل کرد و این به معنی طرح اعضاء برای تحمل این نقش ها می باشد .واضح است که تغییرات حجم را با استفاده از درزهای انبساط که در آنها حرکت به آزادی صورت می گیرد می توان کنترل نمود.
:: بار ناشی از انفجار
ساختمان ممکن است مجبور باشد نه تنها نیرو های فشاری خارجی بلکه نیروهای فشاری داخلی ایجاد شده در اثر انفجار را نیز تحمل کند. فرو ریختن قسمتی از یک ساختمان آپارتمانی در لندن در سال 1968 توجه زیادی را به این بار گذاری جلب نمود. اکثر ساختمانها هرگز با چنین نیروهایی مواجه نخواهند شد،ولی احتمال انجار مواد منفجره در اثر خرابکاری یا اشتعال تصادفی گازهای آتش گیر در اثر نشت یا آتش همیشه وجود دارد.
در اثر انفجارات فشارهای زیادی در منطقه انفجار ایجاد می گردد و بارهای خیلی زیادی به عناصر ساختمان وارد می شود که منجر به ترکیدن و به خارج پرتاب شدن پنجره ها، دیوارها و کف ها می گردد. این فشار داخلی باید به صورت موضعی محدود و کنترل شود و نباید باعث فروریختگی تدریجی ساختمان گردد.
علل ممکن برای بارهای انفجاری خارجی از غرش های صوتی نسبتآ کم اهمیت است (مانند پنجره های شکسته شده و دیوارهای گچی ترک خورده). تحقیقات وسیعی روی واکنش سازه ها در برابر اثرات سلاحهای اتمی در جریان است تا بتوان ساختمان را چنان طرح کرد که در مقابل حمله اتمی مقاوم باشند.
:: ترکیب بارها روی ساختمان
ساختمانهای بلند درطول عمرشان در معرض بارهای متعدد می باشد و بسیاری از بارها به طور همزمان روی سازه وارد می شود.اگر بارها خط اثر مشترک داشته و با یکدیگر باید ترکیب شود. این شرط لازم می سازد که در طرح سازه ها تمام ترکیبات ممکن بارها در نظر گرفته شود.
احتمال وقوع بارهای ترکیب شده باید به طور آماری ارزیابی و اثر آن تخمین زده شود. هرچقدر که اثر بار با دقت بیشتری تعیین شود لزوم انتخاب ضرایب اطمینان بزرگتر برای جبران عوامل مجهول کاهش می یابد.
ترکیب موثر و عملی بارها در آئین نامه ها مشخص گردیده است. بطور کلی تشخیص داده شده است که ماکزیمم بالای ناشی از تغییرات جوی و زلزله احتمالا هرگز با مقدار کامل بارهای زنده دیگر همزمان رخ نخواهد داد از این رو موقعی که بار زنده کامل به طور همزمان با بارهای ماکزیمم باد یا زلزله به کار می رود آئین نامه اجازه می دهد که بر تنشهای مجاز 33 درصد افزوده شود.
