هنگام بحث در مورد بارهای وارد بر ساختمان، وزن مصالح مورد استفاده (بارهای مرده)، افراد یا وسایل حاضر در ساختمان (بارهای زنده) و زلزه (بارهای دینامیکی)، پیش از هر پارامتری به ذهن طراح می‌آیند. با این وجود، بارهای مهم دیگری در تحلیل و طراحی سازه وجود دارند که عدم توجه به آن‌ها می‌تواند پیامدهای ناگواری را در پی داشته باشد. یکی از این بارهای مهم، بار برف است. بار برف، از انواع بارهای محیطی وارد بر ساختمان به شمار می‌رود که در اثر تجمع ذرات برف بر روی بام ایجاد شده و به اسکلت سازه اعمال می‌شود. توزیع این بار بر روی سازه معمولا به صورت یک بار گسترده یکنواخت (متوازن) است. البته با توجه به هندسه بام و شرایط جوی، احتمال اعمال حالت‌های دیگر بارگذاری بر روی سازه وجود دارد. در این مقاله، به ارائه تعریف، پارامترهای موثر، حالت‌های بارگذاری و روش های محاسبه بار برف در ساختمان می‌پردازیم. در طول مقاله، علاوه بر معرفی نرم افزارهای قابل استفاده برای محاسبه این بار، اقدامات پیشگیرانه به منظور جلوگیری از اثرات مخرب آن را مورد بررسی قرار می‌دهیم.

انواع بارهای وارد بر ساختمان کدام هستند؟
ساختمان‌ها، سازه‌های مهندسی هستند که به طور مداوم در معرض بارهای استاتیکی و یا دینامیکی قرار دارند. از انواع بارها در ساختمان می‌توان به بار مرده، بار زنده، بار زلزله، بار برف، بار باد، بار سیل و بارهای ویژه اشاره کرد. در ادامه به تعریف بارهای ساختمان می‌پردازیم:

• بار مرده: بارهای دائمی، ثابت و عمودی ناشی از وزن المان‌های مختلف سازه
• بار زنده: بارهای موقتی، متحرک و عمودی ناشی از وزن اشیا قابل جابجایی یا افراد
• بار باد: بارهای افقی ناشی از برخورد جریان هوا به سطح خارجی سازه
• بار برف: بارهای عمودی ناشی از تجمع برف بر روی بام یا شیروانی سازه
• بار سیل: بارهای افقی ناشی از برخورد جریان سیل به سازه
• بار زلزله: ترکیبی از بارهای افقی و عمودی ناشی از زمین‌لرزه
• بار ویژه: بارهای ایجاد شده در شرایط خاص نظیر جابجایی فونداسیون، جمع‌شدگی الاستیک، فشار سیالات و خاک، ارتعاش، خستگی، برخورد، اجرایی و تمرکز تنش

بارهای محیطی چه هستند؟
سازه‌های مختلف بر اساس محل قرارگیری و شرایط اقلیمی در معرض بارهای ناشی از جریان هوا، بارندگی، زلزله، دما، نشست، جریان‌های آب زیرزمینی، فشارهای جانبی توده زمین، سیل و غیره قرار می‌گیرند. به این بارها که انسان در به وجود آمدن آن‌ها نقشی ندارد، بارهای محیطی وارد بر ساختمان گفته می‌شود.

بار برف چیست ؟

بار برف یکی از انواع بارهای محیطی وارد بر ساختمان است. هنگام بارش برف، ذرات آن بر روی بام جمع می‌شوند. تجمع ذرات، افزایش وزن توده و اعمال فشار عمودی رو به پایین بر روی بام ساختمان را در پی دارد. ضخامت لایه برف و نوع برف از عوامل موثر بر میزان بار اعمال شده بر بام هستند. به عنوان مثال، هر چه ضخامت لایه برف و محتوای آب درون آن بیشتر باشد، وزن توده و فشار عمودی ناشی از آن بیشتر خواهد بود.

به طور کلی، توزیع برف بر روی بام به صورت یکنواخت است. با این وجود، هندسه بام ساختمان (شیب، ابعاد) و شرایط اقلیمی (بادخیزی، نور خورشید) نیز بر روی شدت و نحوه اعمال این بار محیطی تاثیرگذار هستند. طبیعتا هر چه توده برف زودتر از روی بام برداشته شود، تاثیر آن بر روی عملکرد سازه کمتر خواهد بود. به منظور تعیین تاثیر بارگذاری برف بر روی عملکرد سازه، حالت‌های مختلف بارگذاری مطابق با استانداردهای طراحی مورد بررسی قرار می‌گیرند.

محاسبه بار برف چگونه انجام می شود؟

مطابق با بند 6-7-2 مبحث ششم مقررات ملی ساختمان (ویرایش 1392)، بار برف بر روی بام با توجه به شیب، دمای بام، برف‌گیری و اهمیت سازه تعیین می‌شود. در این مبحث، فرمول محاسبه بار برف متوازن در ساختمان به صورت زیر ارائه شده است:

Pr=0.7CsCtCeIsPgPr=0.7CsCtCeIsPg

پارامترهای رابطه بالا عبارت هستند از:

• P_r: بار برف متوازن
• C_s: ضریب شیب
• C_t: ضریب شرایط دمایی
• C_e: ضریب برف‌گیری
• I_s: ضریب اهمیت
• P_g: بار برف زمین

هر یک از پارامترهای بالا بر اساس معیارهای مختلفی تعیین می‌شوند که در ادامه به معرفی آن‌ها خواهیم پرداخت. البته پیش از آن، نحوه محاسبه وزن مخصوص برف و ارتفاع برف متوازن را ارائه می‌کنیم.

فرمول وزن مخصوص برف

فرمول محاسبه وزن مخصوص برف بر اساس بار برف زمین برابر است با:

γ=0.43Pg+2.2γ=0.43Pg+2.2

• γ: وزن مخصوص برف بر حسب کیلونیوتن بر متر مکعب
• P_g: بار برف زمین

فرمول ارتفاع برف متوازن

ارتفاع برف متوازن با استفاده از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

hb=Pr/γhb=Pr/γ

• P_r: بار برف متوازن
• γ: وزن مخصوص برف

بار برف زمین چیست و چگونه تعیین می‌شود؟

«بار برف زمین» (Ground Snow Load)، وزن لایه برف بر روی سطح افقی زمین است که با پارامتر P_g در محاسبات سازه نمایش داده می‌شود. این بار به آمارهای ارائه شده توسط سازمان هواشناسی در مورد میزان بارندگی بستگی دارد. بر این اساس، حداقل میزان بارگذاری برف در مناطق مختلف کشور مطابق با جدول زیر است.

منطقه	میزان بارش برف	حداقل بار برف زمین (Pg) بر حسب کیلونیوتن بر متر مربع
1	برف بسیار کم	0.25
2	برف کم	0.5
3	برف متوسط	1
4	برف زیاد	1.5
5	برف سنگین	2
6	برف فوق سنگین	3

نکته: با انجام مطالعات آماری می‌توان بار برف زمین را به صورت دقیق‌تر تعیین کرد. با این وجود، مقدار به دست آمده نباید از مقادیر جدول بالا کمتر باشد. منطقه شهرهای مختلف ایران از نظر بارگذاری برف در جدول انتهای مقاله آورده شده است.

ضریب اهمیت بارگذاری برف چیست و چگونه تعیین می‌شود؟

ضریب اهمیت بار برف در ساختمان مطابق با جداول 6-1-1 و 6-1-2 مبحث ششم مقررات ملی (ویرایش 1392)، تعیین می‌شود. جدول اول، ساختمان‌ها و سایر سازه‌ها را از نظر خطرپذیری به 4 گروه تقسیم می‌کند. گروه 1 دارای بیشترین خطرپذیری و گروه 4 دارای کمترین خطرپذیری است. ساختمان‌های مسکونی، اداری، تجاری، صنعتی، هتل‌ها، پارکینگ‌های طبقاتی، انبارها، کارگاه‌ها و غیره در گروه خطرپذیری 3 قرار می‌گیرند. بر این اساس، ضریب اهمیت بارگذاری برف یا پارامتر I_s برای هر یک از گروه‌های چهارگانه به صورت زیر خواهد بود:

گروه خطرپذیری	ضریب اهمیت بار برف (Is)
1	1.2
2	1.1
3	1
4	0.8

ضریب برف‌گیری چیست و چگونه تعیین می‌شود؟

ضریب برف‌گیری یا «ضریب مواجهه» (Exposure Factor)، عددی است که به منظور اعمال تاثیر ناهمواری‌های محیط، ساخت و سازهای اطراف و میزان برف‌گیری بام برای محاسبه بار برف در ساختمان مورد استفاده قرار می‌گیرد. این ضریب با پارامتر C_e نمایش داده می‌شود. برای تعیین این ضریب، ابتدا باید گروه ناهمواری محیط و وضعیت برف‌گیر، نیمه برف‌گیر یا برف‌ریز بودن سازه را مشخص کرد.

• حالت برف‌ریز: بام سازه در این حالت بالاتر از محیط اطراف خود قرار داشته و هیچ محافظتی از اطراف بام وجود ندارد.
• حالت برف‌گیر: بام سازه در این حالت از تمام جوانب، پایین‌تر از موانع متصل به آن و یا موانع اطراف آن قرار دارد.
• حالت نیمه برف‌گیر یا نیمه برف‌ریز: بام‌هایی که مشخصات آن‌ها در معیارهای برف‌ریز و برف‌گیر صدق نمی‌کنند.

گروه ناهمواری محیط	ضریب برف‌گیری (Ce) برای بام برف‌ریز – نیمه برف‌گیر – برف‌گیر
زیاد (موانع متعدد و متراکم با ارتفاع 9 متر یا بیشتر)	0.9 – 1.0 – 1.2
متوسط (موانع پراکنده با ارتفاع عموما کمتر از 9 متر)	0.9 – 1.0 – 1.1
کم (مستوی بدون موانع)	0.8 – 0.9 – 1.0

نکته: در صورت وجود تاسیسات بزرگ بر روی بام و بزرگ‌تر بودن برجستگی‌ها از ارتفاع برف متوازن (h_b)، بام نمی‌تواند در گروه برف‌ریز قرار داشته باشد.

ضریب شرایط دمایی چیست و چگونه تعیین می‌شود؟

ضریب شرایط دمایی با توجه به دمای مورد انتظار محیط سازه در طول عمر آن تعیین می‌شود. بر اساس جدول 6-7-3 مبحث ششم (1392)، ضریب شرایط دمایی برای محاسبه بار برف در ساختمان مطابق با جدول زیر است.

شرایط دمایی ساختمان	ضریب شرایط دمایی (Ct)
تمام شرایط به غیر از موارد زیر	1.0
سازه‌هایی موجود در دمای همیشگی بالاتر از 0 درجه سانتی‌گراد	1.1
سازه‌های دارای زیر بام باز و سازه‌های بدون گرمایش	1.2
سازه‌هایی موجود در دمای همیشگی پایین‌تر از 0 درجه سانتی‌گراد	1.3

ضریب شیب در بارگذاری برف چیست و چگونه محاسبه می‌شود؟

ضریب شیب، میزان تاثیر زاویه سطح بام نسبت به افق بر روی بار برف را نمایش می‌دهد. این ضریب با تعیین یک زاویه شیب مبنا و با در نظر گرفتن شرایط لغزندگی بام تعیین می‌شود.

وضعیت سطح بام	زاویه مبنا (α0) برای ضرایب دمایی 1 – 1.1 – 1.2 – 1.3
سطح بام لغزنده، عدم وجود مانع برای لغزش برف و وجود فضای کافی پایین‌تر از لبه بام برای پذیرش برف	5 – 10 – 15 – 15
سطح بام لغزنده و وجود مانع	30 – 45 – 45 – 45

پس تعیین زاویه شیب مبنا می‌توان ضریب شیب را بر حسب روابط موجود در جدول زیر به دست آورد.

شرایط شیب بام و زاویه مبنا	فرمول محاسبه ضریب شیب (Cs)
α≤α0α≤α0	Cs=1.0Cs=1.0
α0<α<70α0<α<70	Cs=1−α−α0V0−α0Cs=1−α−α0V0−α0
α≥70oα≥70o	α≤α0α≤α0Cs=0Cs=0

ضریب شیب از اهمیت بالایی در تعیین نوع بارگذاری برف و محاسبه حالت‌های مختلف آن دارد. با تعیین تمام پارامترهای معرفی شده در رابطه زیر، بار برف متوازن به دست می‌آید:

Pr=0.7CsCtCeIsPgPr=0.7CsCtCeIsPg

توجه داشته باشید که بار برف متوازن، تنها حالت بار ناشی از تجمع ذرات برف بر روی بام نیست. در بخش‌های بعدی، به معرفی انواع بار برف در ساختمان و نحوه محاسبه آن‌ها خواهیم پرداخت.

محاسبه بار برف در اکسل

از نرم افزارهای عمومی قابل استفاده برای محاسبه سریع و راحت بار برف بر اساس پارامترهای مختلف می‌توان به نرم افزار شناخته‌شده اکسل اشاره کرد. فرمول نویسی در اکسل، مهارتی است که نیاز مهندسان سازه با از رفع نیاز به انجام محاسبات تکراری، سرعت و دقت طراحی سازه را افزایش می‌دهد. برای این کار فقط باید یکی از سلول‌های اکسل را به فرمول محاسبه بار برف و چند سلول را به پارامترهای موجود در فرمول مذکور اختصاص دهید. به این ترتیب، با تغییر هر پارامتر، خروجی بار به صورت دینامیک تغییر می‌کند