بهینه سازی ساختمان های بتنی

ساختمان بتن آرمه به عنوان یک گزینه قابل اعتماد برای ساخت بسیاری از سازه های کوچک و بزرگ به حساب می آیند و می توان از آن به عنوان مهمترین سازه ساختمانی موجود با کاربردی فراگیر در تمام دنیا نام برد.

متاسفانه در کشور ما برای فازهای مطالعاتی صفر و یک خیلی وقت و هزینه صرف نمی شود در نتیجه بیش تر طراحی ها به صورت طراحی دست بالا (Over Design ) می باشند که در مرحله مطالعه و طراحی بالاتر از حد و ظرفیت مورد نیاز مطالعه و طراحی می شوند.در نتیجه مشخصات فنی و اجرای پروژه برای بارهای بالاتر از حد بهره برداری طراحی و محاسبه شوند که در مرحله اجرا شاهد هدر رفتن مصالح و نیروی انسانی بوده و هزینه ها و زمان اجرای طرح افزایش خواهد یافت.برای بکارگیری تکنیک های بهینه سازی نخست باید به مسئله اول، علل سنگین شدن وزن ساختمان توجه کافی شود پس از شناخت این علل و عوامل باید جهت حذف یا به حداقل رساندن تاثیر آنها و وزن تمام شده ساختمان تلاش نمود .

بسیاری از سازندگان بر این باورند که با مصرف زیاد مصالح ساختمانی می توانند به سازه ای ایمن تر و مطمئن تر دست یابند در حالی که مصرف بیشتر این مصالح لزوما ایمنی ساختمان را افزایش نداده و حتی ممکن است در بسیاری از موارد آن عضو یا اعضای دیگر را غیرایمن‌تر کند.کاهش مصرف مصالح نیز همواره به معنای غیرایمن‌تر کردن نیست.

منظور از طراحی بهینه به کارگیری جدیدترین متدها و تکنیک های روز علم سازه و زلزله ، برای رسیدن به اقتصادی ترین و ایمن ترین طرح ممکن برای سازه است ، که وزن، هزینه و دیگر معیارهای انتخاب شده برای سازه را در یک شرایط بارگذاری تامین نموده، در حالیکه الزامات مقاومت، سختی، پایداری، کارکردی، و حتی زیبا شناختی را برآورده سازد.

اهدف بهینه‌ سازی سازه

۱-بهبود عملکرد سازه

منظور بهبود عملکرد سازه (ساختمان)، در برابر زلزله می باشد. با به کارگیری روش های بهینه سازی می توان از به وجود آمدن خسارت های مالی و فجایع انسانی و همچنین آسیب هایی که ممکن است در طولانی مدت در اثر وقوع زلزله به وجود آید جلوگیری کرد.

۲-کاهش وزن سازه( کاهش وزن میلگرد و بتن )

بهینه کردن طراحی باعث کوچکتر شدن ابعاد تیر و ستون ها شده که همین امر موجب کاهش استفاده از میلگرد و بتن در سازه می شود. بر اساس کاهش وزن ، ساختمان در مقابل بارهای زلزله نیز مقاومتر خواهد شد. و در آخر با توجه به نوسان قیمت مصالح ساختمانی بهتر است که ساختمان اقتصادی طراحی و اجرا شود.

۳-کاهش ابعاد مقاطع و افزایش متراژ قابل استفاده ساختمان

هرچه ابعاد سازه ای کوچکتر طراحی شوند ،به متراژ قابل استفاده در ساختمان افزوده می شود. که می تواند در معماری و کاربری تاثیر گذار باشد.

۴-هزینه قالب بندی

طراحی سازه تابعی از ملاحظات قالب بندی نمی شود و از طراح سازه هیچگاه درخواست نمی شود تا نقشی را برای طراحی قالب ها فرض کند. در طراحی ساختمان باید در نظر داشته باشیم که از بین هزینه های سازه، قالب ها معمولا بزرگ ترین مولفه با اکثریت هزینه به شمار می روند. در نتیجه یکی از مهم تریم ملاحظات ساختمانی بایستی انتخاب سیستم سازه ای باشد که کم ترین هزینه کل را به همراه داشته باشد که تمامی نیازمندی های بارها را اغنا می کند.

۵-حداقل نمودن هزینه کلی ساختمان.

با رعایت موارد فوق و سبک سازی سازه ی ساختمان که شامل سبک کردن اجزای باربر ساختمان و سبک کردن سازه ی ساختمان می توان هزینه های اجرا را مدیریت کرد و کاهش داد .

روش های طراحی بهینه

رسیدن به مقاطع بهینه بیش از هر چیز به تجربه طراح بستگی دارد. البته بستگی دارد که مقطع بهینه در چه چیزی بخواهیم ببینیم. در ابعاد مقاطع یا میزان میلگردها و یا هر دو. هر چه تعداد متغییرهایی کمینه‌سازی بیشتر باشد، روند آن سخت‌تر می‌شود. توجه شود که در طراحی سازه به سبب نامعینی آن، روند کمینه سازی باید توسط سعی و خطا صورت گیرد. در این ارتباط باید به چند نکته توجه داشت.

۱-طراح باید تشخیص دهد که چه پارامتر کنترلی، حاکم بر طرح است تا ابتدا براساس آن بهینه سازی را انجام دهد. مثلا اگر قاب خمشی (فولادی یا بتنی) با ارتفاع زیاد (مثلا بیشتر از ۴ طبقه) باشد، آنگاه جابجایی طبقات حاکم بر طرح بوده و بایستی جابجایی‌ها را کنترل کنیم. برای این مورد می‌توان درصد آرماتورها را به حداقل ممکن کاهش داد (مثلا برای ستون‌ها ۱% و برای تیرها نیز از آرماتورها حداقل بهره برد)و ابعاد مقاطع را جهت افزایش سختی افزایش داد.

۲- اگر در بخش‌هایی از سازه، مقاومت اجزا جوابگو نیست، باید آرماتورها افزایش داد. مثلا اگر ستونی جوابگو نیست می‌توان درصد آرماتورها را به مقدار حداکثر نزدیک کرد. البته درصد بالای آرماتور به سبب دشواری در اجرا چندان توصیه نمی‌شود.

۳-استفاده از مصالح پر مقاومت در سازه‌های بلند می‌تواند سبب بهینه شدن به مقدار مطلوبی شود. به طور مثال استفاده از بتن‌های پر مقاومت.
۴-کاهش نامنظمی سازه نقش مهمی در بهینه سازی دارد. طراح می‌تواند تا حدود زیادی سازه‌ها نامنظم را به سمت منظمی سوق دهد. این روش کاراترین روش بوده و به میزان زیادی به تجربه و طرز تفکر طراح بستگی دارد.

۵-در صورتی که سازه منظم باشد، استفاده از تحلیل دینامیکی میتواند باعث بهینه شدن آن گردد. زیرا در این حالت می توان از تخفیف ۱۵% همپایه سازی استفاده نمود.

پاره ای از روش ها در بهینه سازی رفتار سازه ، ایمنی و اقتصاد پروژه عبارتند از:

۱- مطالعات لرزه ­شناسی منطقه و تحلیل ­ریسک

در مواردی ممکن است تحلیل ریسک منطقه ، شتاب بیشینه زلزله را حتی بیش از مقادیر توصیه شده آئین نامه بدست دهد. همچنین با توجه به موقعیت گسل های منطقه ممکن است این احتمال وجود داشته باشد که سایت پروژه ، زلزله ای گسل نزدیک را در دوره بازگشت خود تجربه کند.
اگرچه ممکن است لحاظ این موارد در نگاه اول سبب غیراقتصادی شدن طرح شود و از طرفی پیچیدگی محاسبات و افزایش زمان مطالعات را به دنبال دارد ، اما هدف از این کار ، تطابق کامل شرایط واقعی لرزه ای سایت و مدل های طراحی است تا بتواند ایمنی سازه را صدر در صد تضمین کند .

۲-تحلیل اندرکنش خاک و سازه

در گذشته در تحلیل سازه‌ها خاک و سازه را به صورت کاملاً مجزا از یکدیگر در نظر می‌گرفتند. به این صورت که سازه را جدا از خاک تحلیل و طراحی می‌کردند (خاک زیر سازه را صلب در نظر می‌گرفتند)، و خاک را نیز جدای از سازه تحلیل و طراحی می‌نمودند طراحی سازه به طور مجزا در دو صورت می‌تواند منجر به حل رضایت بخش شود.
در تحلیل کلاسیک سازه‌ها بطور معمول، تکیه سازه بر خاک به صورت ساده و بدون در نظر گرفتن تغییر شکل خاک مدلسازی می‌شود. در تحلیل لرزه‌ای سازه‌ها نیز حرکت میدان آزاد زمین، که در آن وجود سازه در حرکت زمین منظور نمی‌شود، به تکیه‌گاه‌های مزبور اعمال می‌شود.

صرف نظر کردن از اثر اندرکنش خاک سازه در طراحی سازه‌های واقع بر بستر انعطاف‌پذیر به نتایج نامحافظه کارانه منجر می‌شود. همچنین ‌صرف نظر کردن از عمق دفن شدگی پی و اثر اندرکنش سینماتیکی در طراحی سازه‌های بلند دارای پی مدفون عمیق،‌ باعث حصول نتایجی نامحافظه کارانه می‌شود.

لحاظ اندرکنش خاک و سازه غالبا سبب افزایش پریود طبیعی سازه و کاهش شتاب زلزله (مطابق آئین نامه ۲۸۰۰) می شود. از آنجا که در نظر گرفتن اندرکنش ممکن است باعث بهبود اقتصاد پروژه شود ولی از آنجا که آئین نامه ایران به طور صریح در این باره اظهار نظر نمی کند تنها در صورتی که تحلیل اندرکنش سبب تغییر عمده رفتار سازه در تحلیل های تاریخچه زمانی زلزله شود این مورد لحاظ می شود.

۳-تحلیل های تاریخچه زمانی خطی و غیر خطی

تحلیل های تاریخچه زمانی خطی و غیرخطی سازه مطابق آئین نامه ۲۸۰۰ با رعایت کلیه ملاحظات آن مجاز است. تحلیل تاریخچه زمانی سازه تحت زلزله نیازمند رکوردهای موجود و یا رکوردهای مصنوعی مطابق شرایط ستون خاک پروژه (۳۰ متر بالایی لایه بندی خاک) است. در مواردی که شرایط ژئوتکنیکی لایه بندی خاک با مشخصات رکوردهای موجود زلزله تطابق کافی را نداشته باشد ، تحلیل لرزه ای ستون خاک پروژه برای تبدیل رکورد زلزله و یا تولید رکورد مصنوعی مطابق شرایط ساختگاه انجام می شود و در تحلیل های تاریخچه زمانی به کار گرفته می شود. کلیه ضوابط آئین نامه ۲۸۰۰ در تولید و بکارگیری رکوردهای زلزله منظور می شوند و در نهایت برای تحلیل سازه بکار گرفته می شوند.

۴- تحلیل غیرخطی ترک خوردگی اعضای سازه بتن آرمه

مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ، مقادیر کاهش سختی (ناشی از ترک خوردگی) اعضای بتن آرمه را در غیاب محاسبات دقیق برای اعضای بتنی توصیه می کند. با انجام تحلیل غیرخطی با کنترل ترک خوردگی اعضا برای هر سازه خاص با هندسه و ارتفاع و توزیع های مختلف سختی اعضا ، مقادیر متفاوتی از ضرایب کاهش سختی مورد پیشنهاد آئین نامه بدست می آید ، که محاسبه و بکارگیری آنها در تحلیل سازه قطعا سبب تطابق مدل طراحی و مدل واقعی سازه شده و درک رفتار صحیح سازه را در طراحی و ایمنی سازه موجب می شود.

برای مثال مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ضریب کاهش سختی ستون ها را در قابهای مهارنشده ۰.۷ توصیه می کند. در حالیکه تحلیل های دقیق ترک خوردگی اعضای سازه برای ستون ها ضریب کاهش سختی را از ۰.۲ تا ۰.۸ بسته به هندسه و ارتفاع سازه و توزیع های مختلف سختی اعضای بتن آرمه نشان می دهد . این تفاوت سبب طراحی اعضایی ضعیف تر و یا قوی تر از نیروهای موجود خواهد شد که در سازه های خاص ممکن است ایمنی سازه تحت تاثیر قرار گیرد.

از آنجا که مبحث نهم مقررات ملی ساختمان ، محاسبات دقیق برای منظور کردن اثر ترک خوردگی اعضای بتن آرمه را مجاز می داند،بایستی با انجام تحلیل های غیرخطی ، به طور دقیق میزان ترک خوردگی و کاهش سختی اعضای بتن آرمه را محاسبه و در مدل های تحلیل و طراحی بکار گرفته شود. این مهم سبب درک صحیح رفتار سازه شده و ایمنی و اقتصاد پروژه را تحت تاثیر قرار می دهد.

۵-کاهش پیچش و نامنظمی ساختمان

تغییر ابعاد تیرها ، ستون ها و دیوارهای برشی سبب تغییر توزیع سختی در سازه و جابجایی مرکز سختی سیستم می شود. از آنجا که فاصله مرکز جرم و سختی سازه سبب ایجاد پیچش در ساختمان و متعاقبأ افزایش نیروهای طراحی اعضا می شود ، با جابجایی مرکز سختی و نزدیک کردن آن به مرکز جرم می توان از میزان پیچش ایجاد شده سیستم و نیروهای اعضا کاست و به اقتصاد پروژه کمک کرد. البته تغییر سختی اعضا به منظور کاهش پیچش ساختمان با رعایت کلیه ملاحظات و محدودیت های معماری انجام خواهد شد.

الگوریتم های مورد استفاده جهت کاهش پیچش ساختمان ، برای انواع سازه های قاب خمشی و مهاربندی بدون محدودیت ارتفاع کاربرد دارد و کاهش مصالح مصرفی و بهبود اقتصاد پروژه را در کنار دیگر آنالیزهای مورد استفاده گروه طراحی سازه به دنبال دارد.