طراحی بهینه سازه – معرفی بهترین روشهای طراحی بهینه
امروزه، با پیشرفت صنایع ساخت‌وساز، طراحی بهینه سازهها توجه افراد زیادی را به خود جلب کرده است. در بهینهسازی، باید سازه به گونه‌ای طراحی شود که هم از نظر عملی و هم کارایی مطلوب باشد و حداقل هزینه را شامل شود. بهینهسازی سازهها شامل بهینه کردن شکل، ابعاد و توپولوژی می‌شود. همانطور که گفته شد، طراحی بهینه برای کاهش هزینههای سازه، به دلیل وضعیت اقتصادی کنونی که باعث افزایش هزینه مصالح مانند قیمت میلگرد شده، تاثیر زیادی در میزان اهمیت آن گذاشته است.
طراحی بهینه چیست؟
تلاش برای بهبود نتیجه یک عملیات با در نظر گرفتن محدودیت‌ها و شرایط پروژه، به عنوان بهینهسازی شناخته می‌شود. به طور دقیق‌تر، بهینهسازی به کمینه کردن یک کمیت غیرمطلوب یا بیشینه کردن یک کمیت مطلوب بر اساس محدودیت‌ها و منابع در دسترس اشاره دارد.
مسائل بهینهسازی را می‌توان با دسته‌بندی‌های مختلف مورد بررسی قرار داد. طراحی جامع به این معناست که همه جنبه‌های اقتصادی و فنی مورد توجه قرار گیرند و در عین حال، کارایی مطلوب سازه در نگاه طراح باقی بماند. بنابراین، ممکن است طراحی یک سازه برای یک کاربرد و شرایط خاص بهینه باشد و در شرایط و کاربردهای دیگر بهینه نباشد. برای درک یک پدیده، دو رویکرد وجود دارد: ۱.استفاده از تئوری‌های علمی ۲.انجام آزمایشات؛ انجام آزمایشات میتواند به عنوان روشی جایگزین جهت جبران کمبود تئوری‌های علمی عمل کند.
بهترین روشهای طراحی بهینه کدامند؟
در حال‌حاضر، روشهای گوناگونی برای بهینهسازی سازهها وجود دارد. با این‌حال، استفاده از برخی روشها برای بهینهسازی سازهها به‌تنهایی و به‌خصوص برای سازه‌های پیچیده، ممکن است کافی نباشد. برای مثال، استفاده از انواع جوشکاری در سازه‌سازی میتواند تأثیر قابل توجهی بر کیفیت و استحکام نهایی سازهها داشته باشد که ارتباطی با طراحی بهینه ندارد. از جمله این انواع می‌توان به جوش زیر پودری اشاره کرد که در شرایط خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. در ادامه، تعدادی از روشهای مؤثر و پرکاربرد جهت بهینهسازی سازهها دسته‌بندی شده است:
تحلیل غیر خطی ترک خوردگی
در آیین‌نامه طراحی سازه‌های بتنی (آیین‌نامه طرح و محاسبه سازه های بتنی پیش ساخته)، ضرایبی در نظر گرفته می‌شود که به‌منظور در نظر گرفتن ترکخوردگی اعضا و کاهش سختی آنها مورد استفاده قرار می‌گیرد. این عمل در برخی موارد باعث افزایش اطمینان حاشیه‌ای از طراحی می‌شود و باعث شده که طراحی سازه از حالت بهینه فاصله بگیرد. در این روش، ضریب کاهش سختی اعضای مختلف بر اساس ویژگی‌های آنها محاسبه و از مقادیر محاسبه شده برای تحلیل و طراحی سازهها استفاده می‌شود. این ضرایب طراحی را به واقعیت نزدیک‌تر می‌کند و فرآیند بهینهسازی را تسریع می‌بخشد.
ضرایب ترک خوردگی دال در ایتبس و سیف
تحلیل اندرکنش خاک و سازه
معمولاً در طراحی سازهها، عملکرد بین خاک و سازه در نظر گرفته نمی‌شود؛ اما به طور کلی، عملکرد یک سازه در برابر نیروهای مختلف با سه جزء مرتبط توصیف شده که شامل اسکلت سازه، فونداسیون و خاک زیر فونداسیون است. در روش تحلیل اندرکنش خاک و سازه (SSI)، این اندرکنش عملکرد هر سه جزء در برابر ارتعاشات زلزله در نظر گرفته شده تا منجر به بهینه‌تر شدن مقاطع شود. تأثیر حرکت خاک در این دسته‌بندی به دو عامل بستگی دارد:
- بزرگی نیروی وارده
- انعطاف‌پذیری و مشخصات خاک
در مورد اثر بزرگی نیروی وارده، تاثیرات اندرکنش خاک و سازه بیشتر در سازه‌های سنگین اهمیت دارد. در مورد تأثیر مشخصات خاک نیز، اندرکنش خاک و سازه در خاک‌های نرم‌تر تاثیرگذار است.
کاهش نیروهای اضافه و نامنظمی سازه
کمبود نظم در سازه باعث می‌شود که مرکز جرم و سختی از یکدیگر فاصله بگیرند. این افزایش فاصله، لنگر پیچشی ناشی از نیروی زلزله را افزایش میدهد که به نوبه خود باعث اعمال نیروهای بیشتر به سازه می‌شود. بنابراین، برای بهینه‌تر شدن طراحی، ضروری است که نامنظمی سازه به حداقل ممکن کاهش یابد و با توزیع مناسب سختی اجزا، مراکز جرم و سختی به یکدیگر نزدیک شوند. علاوه بر این، طراحی فونداسیون‌ها باید به گونه‌ای صورت گیرد که نیروهای وارد شده، منجر به ایجاد لنگر خمشی و نیروهای اضافه نشود.
تحلیل تاریخچه زمانی
به طور کلی، استفاده از تحلیل‌های دینامیکی در جهت طراحی بهینه سازهها بسیار موثر است. در این روش، رفتار سازهها به رفتار واقعی آنها نزدیک‌تر خواهد بود. تحلیل تاریخچه زمانی نیز برای یافتن پاسخ دینامیکی یک سازه به بارهای لرزه‌ای استفاده می‌شود. این تحلیل به دو صورت خطی و غیرخطی انجام شده و معادلات تعادل وابسته به زمان با روشهای مختلف حل خواهند شد.
انواع بارهای وارد بر ساختمان
سبکسازی سازه
استفاده از روشهای مختلف سبکسازی ساختمان‌ها، مانند استفاده از مصالح سبک مانند فولادهای کم‌آلیاژ با مقاومت بالا، به عنوان یک راه حل برای بهینهسازی شناخته شده است. با کاهش وزن سازه مورد نظر، علاوه بر کاهش نیروی ثقلی که به سازه وارد می‌شود، نیروی زلزله نیز به دلیل وابستگی به وزن سازه، کاهش می‌یابد. این اقدام در راستای بهینهسازی سازهها بسیار موثر است و به دلیل بالا بودن قیمت تیرآهن و دیگر مصالح سنگین، در هزینهها صرفه‌جویی می‌شود.
الگوریتمها و روشهای کلاسیک
در این روش، با استفاده از الگوریتمهای مختلف، مناسب‌ترین مقاطع سازه‌ای انتخاب می‌شود. این روش برای مسائلی که پیچیدگی زیادی ندارند مورد استفاده قرار می‌گیرد. از جمله الگوریتمهای مورد استفاده در این روش می‌توان به الگوریتمهای کلونی مورچه‌ها، ژنتیک، جامعه پرندگان و الگوریتمهای ترکیبی اشاره کرد. استفاده از این الگوریتمها نیازمند محاسبات ریاضی و برنامه‌های کامپیوتری است.
علاوه بر این، برخی از راهکارهای جانبی نیز میتواند در بهینهسازی سازه‌های فولادی و بتنی موثر باشند. از جمله این راهکارها می‌توان به استفاده از پلان‌های دارای انحنا به جای مدل‌های گوشه‌دار در سازه‌های بلندمرتبه اشاره کرد که در کاهش نیروی ناشی از وزش باد بر سازه تاثیر زیادی دارد. همچنین، استفاده از اتصالات جوشی مناسب به جای اتصالات پیچی و استفاده از اجزای غیرسازه‌ای سبک و فولادهای پرمقاومت نیز میتواند در بهینهسازی سازهها موثر باشد. به علاوه، استفاده از مقاطع کامپوزیتی بتن و فولاد نیز میتواند در راستای بهینهسازی سازهها مؤثر باشد، زیرا از ویژگی‌های هر دو ماده به شکل مناسبی استفاده می‌شود.
جدول مقایسه روش های طراحی بهینه سازه
| روش |
مزایا |
معایب |
| تحلیل غیر خطی ترک خوردگی |
بهینهسازی سازه با در نظر گرفتن ترکخوردگی و کاهش سختی اعضا – افزایش اطمینان حاشیه‌ای از طراحی – تسریع فرآیند بهینهسازی. |
نیاز به محاسبات پیچیده‌تر – نیاز به دقت و ورودی داده‌های دقیق تر. |
| تحلیل اندرکنش خاک و سازه |
در نظر گرفتن اندرکنش میان خاک و سازه برای بهبود عملکرد در شرایط زلزله – بهینهسازی مقاطع با در نظر گرفتن واکنش خاک. |
محاسبات پیچیده‌تر و زمان‌بر – نیاز به دسترسی به اطلاعات دقیق خاک و ویژگی‌های سازه. |
| کاهش نیروهای اضافه و نامنظمی سازه |
کاهش نیروهای زلزله و لنگر پیچشی – بهبود عملکرد سازه در شرایط زلزله. |
نیاز به توجه ویژه به جزئیات اجزا و اتصالات – نیاز به تحلیل دقیق و محاسبات دقیق‌تر. |
| تحلیل تاریخچه زمانی |
نزدیک‌تر شدن رفتار مدل به رفتار واقعی سازه – ارزیابی دقیق پاسخ سازه به بارهای لرزه‌ای. |
محاسبات زمان‌بر – نیاز به دقت در تعیین ورودی‌ها و مدل‌سازی سازه و بارها. |
| سبکسازی سازه |
کاهش وزن سازه و نیروی زلزله – صرفه‌جویی در هزینههای مواد سازه. |
نیاز به انتخاب مواد و اجزا با دقت بالا – تأثیرات جانبی ممکن است مدل‌سازی و طراحی را پیچیده کند. |
| الگوریتمها و روشهای کلاسیک |
قابلیت اعمال در مسائل متنوع – امکان استفاده از محاسبات کامپیوتری برای بهینهسازی. |
ممکن است به نتایج تصادفی منجر شود – نیاز به تنظیمات و پارامترهای مناسب برای الگوریتمها |
جمع‌بندی
همانطور که گفته شد، تلاش برای بهبود نتیجه یک عملیات با در نظر گرفتن محدودیت‌ها و شرایط مسئله، به عنوان طراحی بهینه سازه شناخته می‌شود. طراحی بهینه برای کاهش هزینههای سازه و مقاوم کردن آن مورد استفاده قرار می‌گیرد و از اهمیت بالایی برخوردار است. به طور کلی، روشهای متفاوتی برای این فرآیند وجود دارد که هر کدام دارای ویژگی‌ها و شرایط خاص خود هستند.
میلگرد
ورق فولادی
تیرآهن و هاش
پروفیل
نبشی
ناودانی
لوله و اتصالات
صنایع مفتولی
تخته و چوب
