بهینه ‌سازی سازه های فولادی

کارهای اولیه برای بهینه سازی سازه های فولادی، بر روی حداقل نمودن وزن طراحی به خصوص در سازه‌های فولادی متمرکز بوده و اغلب توسط مهندسی سازه مورد انتقاد قرار می‌گرفت. که یک کمینه نمودن وزن سازه الزاما موجب کاهش هزینه نمی‌شود. سازه‌های بتن مسلح نیز شامل دو نوع مصالح هستند که باید برای مسئله بهینه‌ سازی هزینه فرموله شوند. بهینه‌ سازی سازه‌ای شاید هدفی برای یافتن بهترین طراحی باشد 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 زیباشناختی را برآورده سازد. این مسئله توجه بسیاری از کارفرمایان را در دنیا به خود جلب نموده است.

هدف بهینه‌ سازی سازه شاید سه گانه باشد:

  1. اتوماتیک نمودن فرآیند پیچیده طراحی
  2. بهینه‌ سازی عملکرد سازه
  3. حداقل نمودن هزینه کلی سازه

روش‌های بهینه سازی عملی برای طراحی سازه ها :

  • انتخاب المان‌های مناسب با استفاده از الگوریتم‌های ریاضی
  • کاهش وزن مصالح مورد استفاده
  • بهینه سازی ساخت مانند کاهش دور ریز ورق در ساخت اسکلت فلزی
  • استفاده از مدلسازی و تحلیل دقیق تر مانند تحلیل غیرخطی دینامیکی و اندرکنش خاک و سازه

بهینه سازی سازه های فولادی

وصله در بهینه سازی سازه های فولادی

وصله چیست؟

منظور از «وصله»، مجموعه تمهیداتی است که برای اتصالِ هم­راستای دو المان مشابه (مانند اتصال تیر به تیر یا اتصال ستون به ستون) به‌کاربرده می‌شوند تا طول المان افزایش یابد. پیش از ادامه­ لازم است توجه کنیم که اتصال تیر فرعی به تیر اصلی (مانند تیرچه­ های سقف عرشه فولادی) از نوع اتصال محسوب می­شوند و به همین­ دلیل از لفظ «اتصالِ هم راستا» استفاده کرده ایم. همین­طور باید دقت داشته­ باشیم که متصل کردن دو المان غیر مشابه (مانند تیر به ستون) را در حالت کلی «اتصال» می نامیم که نمونه­ هایی از آن اتصال ساده با نبشی نشمین یا اتصال گیردار کله ­گاوی است.

وصله در طراحی:

1- در طراحی بهینه اسکلت فلزی و بهینه سازی سازه های فولادی هر کجا که امکان پذیر است، امکان حذف برخی از وصله‌های ستون‌ها را به سازنده واگذار کنید. هزینه تقسیم یک ستون برابر با هزینه حدود 270 کیلوگرم فولاد A36 است. با این حال، سازنده اسکلت فلزی باید با دقت قبل از تصمیم به حذف ستون و نصب شفت سنگین تر تا وصله بعدی – ستون حاصل ممکن است برای نصب بیش از حد طولانی باشد.

2- از طراحی ستون‌های با وصله در ارتفاع متوسط خودداری کنید. اینها اغلب برای نصاب دارای ارتفاع بسیار زیاد است، بدون اینکه یک اسکافلد یا داربست بزند. اگر وصله می‌تواند بیش از 1.2 متر بالای تیرهای فولادی قرار نگیرد، این هزینه های اضافی را صرفه جویی می کند و هنوز هم در ناحیه از ستون است که نیروهای خمش نسبتا پایین دارد.

3- وصله ستون را برای مقاومت خمشی کامل ستون کوچکتر متصل طراحی نکنید. به ندرت تنش خمشی ماکزیمم در محل وصله اتفاق می‌افتند و به ندرت این تنش منجر به ایجاد شرایطی می شود که نیاز به ظرفیت کامل وصله باشد.

4- از یک فولاد با مقاومت بالاتر برای ستون سنگین استفاده کنید تا نیاز به صفحات دابلر جان یا چشمه اتصال و یا سخت کننده در مقابل بالهای تیر در قاب خمشی نباشد. یک جفت سخت کننده هزینه تقریبی برابر 9 کیلوگرم فولاد A36 را دارد اگر سخت کننده با جوش گوشه جوش داده شوند. اگر آنها باید جوش شیاری جوش داده شوند، هزینه های صعودی به معادل 36 کیلوگرم فولاد AA36 می‌رسد. هزینه یک صفحه دوبلر نصب شده حدود 18 کیلوگرم فولاد A36 است.

مسائل-اجرایی-بتن-سبکدانه-سازه-ای حتما بخوانید : مسائل اجرایی بتن سبکدانه سازه ای

اجتناب از استفاده بی مورد از سخت کننده ها برای بهینه سازی سازه های فولادی:

برای جلوگیری از تغییر شکل محلی و یا انتقال بار از یک قسمت عضو به دیگری لازم است که سخت کننده استفاده شود. اگر اعضای اصلی قادر به مراقبت از خود باشند، هزینه های سخت کننده را می توان ذخیره کرد. در جایی که امکان استفاده از سختی‌های با نصف ارتفاع باشد به کار بردید. سخت کننده‌های کامل عمق می‌توانند دو برابر هزینه های سخت کننده نیمه هزینه داشته باشند.

سخت کننده چیست؟

سخت کننده‌ ها صفحه‌ های فولادی هستند که که به جان تیرها جوش داده می‌شوند. این صفحه‌ها می‌توانند به دو طرف یا یک طرف جان جوش شوند.

با اضافه کردن این صفحه‌ها همان اینرسی تیر افزایش می‌یابد که این امر سبب بهبود صلبیت تیر و همچنین جلوگیری از چرخش در کمانش می ­شود. سخت کننده‌ها می­ توانند طولی و عرضی باشند.

سخت‌ کننده‌ های طولی (longitudinal stiffeners) مقاومت خمشی و برشی را افزایش می­ دهند. که در تیرهای عمیق مثل پل‌های بزرگراه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند.

سخت‌کننده‌ های عرضی (transverse stiffeners) باعث افزایش ظرفیت برشی جان تیر می ­شوند.­ گاهی اوقات که تیر تحت بار منفرد نقطه ­ای قرار می ­گیرد از سخت‌ کننده عرضی برای افزایش ظرفیت باربری استفاده می ­شود.

سخت کننده در سازه های فولادی

برخی از راهکار های مناسب بهینه سازی سازه های فولادی برای کاهش وزن در سازه های فولادی در زیر ذکر شده اند:

1. مفاهیم نوین طراحی :

برای ساختمان های میان مرتبه (متوسط) در حدود ۳۰ تا ۴۰ طبقه در حالی که فاکتور های دیگر مساوی باشند، روش طراحی بار جانبی اگر چه مهم است اما تاثیر چندانی بر وزن مصالح سازه ای نخواهد داشت. اما برای ساختمان های بلندتر طراحی جانبی تفاوت زیادی در مقدار مصالح ایجاد می کند. بنابراین مهندسین سازه دائما در جستجوی روش های کارآمدتر برای مهار بارهای جانبی برای بهینه سازی سازه فولادی هستند.

برخی روش های رایج عبارتند از:

الف- افزایش پهنای موثر سیستم های زرین برای مهار کردن لنگر واژگونی

ب- طراحی سیستم هایی که اجزای آنها در کارآمدترین حالت بر هم کنش دارند.

پ- استفاده از مهاربندهای داخلی یا خارجی برای کل پهنای ساختمان

ت- سازماندهی قاب های سازه ای به گونه ای که بیشتر بارهای ثقلی مستقیما توسط اعضای باربر جانبی تحمل گردند.

ج- پراکندگی ماهرانه مصالح در ساخت سازه های کامپوزیت شامل بتن و فولاد به گونه ای که از بهترین ویژگی های هر دو ماده استفاده شود.

چ- به حداقل رساندن خمش تولید شده توسط بارهای جانبی در المان های اصلی برای بهینه سازی سازه فولادی

ح- استفاده از عملکرد خرپاها برای از بین بردن خمش در ستون ها و تیرهای محیطی عمیق

خ- استفاده از ستون های خارجی مورب و شیبدار برای کاهش تغییر مکان جانبی نسبی اگر از نظر معماری قابل قبول باشد.

د- استفاده از اشکال گرد گوشه در پلان برای کاهش فشار باد

ذ- قراردادن ستون ها در فواصل نزدیک در پیرامون ساختمان برای تحمل بیشتر یا حتی تمام بارهای جانبی و ثقلی

ر- استفاده از طبقات معلق از یک هسته مرکزی به گونه ای که بار ثقلی کلی بر روی هسته اعمال شود تا نیروها برای خنثی کردن لنگر واژگونی به اندازه کافی پایین نگهداشته شوند.

ز- استفاده از یک هسته مهاربندی شده که به ستون های بیرونی از طریق خرپاهایی متصل شده است.

ژ- استفاده از ورق های فولادی در دیوارهای خارجی برای مهار کردن نیروهای جانبی

بهینه سازی سازه های فولادی

سیستم ساختمان و سازه ای حتما بخوانید : سیستم های ساختمانی و سازه ای

2. استفاده از فولاد کم آلیاژ و پر استحکام: 

امروزه استفاده از فولاد با مقاومت ۵ کیلوپوند بر اینچ مربع (۳۴۵ مگاپاسگال) در بیشتر سیستم های قاب بندی کف، ستون های کامپوزیت و گاهی در المان های باربر جانبی رایج است.

3. استفاده از اتصالات جوشی :

اتصالات جوشی در مقایسه اتصالات پیچی باعث ۱۵-۸% کاهش در وزن فولاد می شوند.

4. استفاده از ساختمان های کامپوزیت :

ترکیب فولاد و بتن از راه حل های موثر در کاهش هزینه نیز هستند.

5. به حساب آوردن بر هم کنش ها بین عناصر سازه ای:

محاسبه بر هم کنش ها در عصر قبل از کامپیوتر نادیده گرفته می شدند و کوچک به نظر می رسیدند. اما امروزه مطالعات نشان داده است که در نظر گرفتن این عوامل تاثیر بسیاری در مقادیر سازه ای خواهد داشت.

6. افزایش تدریجی در ظرفیت اعضا:

این امر می تواند بر اساس تحقیقات گذشته و نمونه های عملی موفق انجام شود.

7. کاهش وزن سایر مصالح موردنیاز برای ساخت در بهینه سازی سازه فولادی:

تیغه های داخلی سنگین مربوط به گذشته هستند. استفاده از پارتیشن ها با سیستم ساخت و ساز خشک (تیغه ای که بدون استفاده از اندود مرطوب ساخته می شود) که به طور قابل ملاحظه ای وزن کمتری دارند. یک راه حل موثر برای بهینه سازی سازه فولادی است و مصالح بنایی به کار رفته در پوشش خارجی ساختمان، به عنوان مثال می تواند از دیوار های شیشه ای شفاف باشد. حتی هنگامی که نمای خارجی ساختمان با سنگ پوشانده شودبا ترکیب مصالح سبک تر می توان تا حدودی وزن ساختمان را کاهش داد.