زارعیبهینه سازی ساختمان یکی از مهم‌ترین مسائلی می‌باشد که حتما باید پیش از ساخت سازه، به آن توجه داشت. برخی از افراد تصور می‌کنند که بهینه سازی ساختمان یعنی مصرف حداقل مقاطع فولادی و مصالح در هنگام ساخت سازه. در مقابل، بعضی اعتقاد دارند که هرچه مصالح بیشتری در ساخت سازه استفاده شود، مقاومت آن افزایش پیدا می‌کند. هر دو گروه، از بهینه سازی ساختمان درک اشتباهی دارند. بهینه سازی ساختمان را می‌توان به این شکل تعریف کرد: مصرف حداقل مصالح با حفظ استحکام سازه.
در این مقاله قصد داریم ضمن تعریف بهینه سازی ساختمان، انواع روش‌های بهینه سازی را نام برده و به شما کمک کنیم که سازه‌ای سبک ولی در عین حال مستحکم طراحی و اجرا کنید. پس تا انتهای متن همراه ما باشید.
تعریف بهینه سازی
ابتدا لازم است برای درک بهتر لغت بهینه سازی، واژه‌های مشابه را توضیح دهیم تا معنای حقیقی بهینه سازی سازه مشخص گردد.
از لغت‌های تعمیر، مرمت و ترمیم در مواقعی استفاده می‌شود که یک سازه ظرفیت باربری خود را از دست داده و می‌خواهیم با اقداماتی آن را به ظرفیت سازه‌ای یا ظرفیت بهره برداری خود برگردانیم. برای مثال مرمت بناهای تاریخی به مجموعه اقداماتی گفته می‌شود که سعی دارد ایستایی سازه را از نظر باربری و همچنین معماری بنا، برای بهره برداری به روزهای اول برگرداند. در اینگونه فعالیت‌ها ظرفیت باربری سازه افزایش پیدا نکرده و اقدامات انجام پذیرفته فقط ظرفیت باربری از دست رفته سازه را برمی‌گرداند.
از مفهوم مقاوم سازی زمانی استفاده می‌شود که قصد داریم ظرفیت باربری یک عضو از سازه یا کل آن را افزایش دهیم. برای نمونه زمانی که قصد مقاوم سازی یک پل را جهت تحمل بارهای سنگین‌تر داریم ظرفیت باربری المان‌های سازه‌ای آن، نظیر ستون‌ها را افزایش می‌دهیم. از روش‌های مقاوم سازی برای یک ستون می‌توان به روش‌هایی نظیر ژاکت فولادی، ژاکت بتنی و استفاده از ورق‌های پلیمری FRP، اشاره کرد.
ممکن است شما هر چند سال یک بار خانه خود را بازسازی کنید. بازسازی به معنی از نو ساختن می‌باشد. برای مثال زمانی که حرف از بازسازی یک آپارتمان می‌شود، احتمالا لوله‌های قدیمی، کابینت‌ها، کاشی‌ها و سرامیک برداشته و از نو کار می‌شوند.
بهسازی به مجموعه‌ای از روش‌ها و ترفندهایی گفته می‌شود که صورت می‌پذیرد تا سازه بتواند با بهترین عملکرد و بیشترین ظرفیت ممکن خدمات دهد. ممکن است در طی انجام یک طرح بهسازی از روش‌های مرمت، بازسازی و مقاوم‌سازی استفاده شود و یا از هیچ کدام استفاده نشده و صرفا به آن تعدادی ستون یا یک سیستم باربر جانبی اضافه کنند.
واژه‌های بهسازی هیدرولیکی و بهسازی لرزه‌ای نیز به همین مفهوم اشاره دارند. استفاده از روش‌های بازسازی جهت بهبود عملکرد بهتر سازه در برابر نیروی جریان آب هنگام وقوع سیل و همچنین زلزله را بهسازی هیدرولیکی و لرزه‌ای می‌گویند.
بهینه سازی نیز خود نوعی بهسازی است که معمولا پیش از ساخت ساختمان و در مرحله طراحی انجام می‌شود. به این صورت که در طراحی اسکلت سازه، به نحوی عمل کنیم که در عین سبکتر شدن سازه، استحکام بیشتری داشته باشد. چرا که سبک سازی اسکلت یکی از راهکارهای کاهش و مستهلک کردن نیروی زلزله بوده و به همین دلیل مقاومت بیشتر سازه را به همراه دارد.
به طور كلی، بهینه سازی ساختمان نتایج زیر را به همراه دارد:
انواع روش‌های بهینه سازی
در حال حاضر روش‌های متفاوتی جهت بهینه سازی سازه‌ها وجود دارد. اما استفاده از بعضی از این روش‌ها به منظور بهینه سازی ساختمان‌ها، در سازه‌های پیچیده و در شرایط واقعی به اندازه کافی قدرتمند نمی‌باشد. در ادامه به بعضی از روش‌های مؤثر و مورد استفاده برای بهینه سازی سازه‌ها اشاره شده است.
1. تحلیل غیر خطی ترک خوردگی
در آیین نامه‌ی طراحی سازه‌های بتنی (مبحث نهم مقررات ملی) برای در نظر گرفتن ترک خوردگی اعضا و کاهش سختی آن‌ها ضرایبی را در نظر گرفته شده است. این موضوع در بعضی از موارد حاشیه اطمینان طراحی را افزایش داده و باعث می‌شود که طراحی سازه دیگر حالت بهینه نداشته باشد. در روش تحلیل غیر خطی ترک خوردگی، ضریب کاهش سختی یا همان ضریب ترک خوردگی المان‌های مختلف با توجه به مشخصات آن‌ها محاسبه شده و از این مقادیر محاسبه شده برای تحلیل و طراحی سازه‌ها استفاده می‌شود. این ضرایب محاسبه شده طراحی را به واقعیت نزدیک‌تر کرده و موجب بهینه سازی سازه می‌گردد.
2. تحلیل اندرکنش خاک و سازه
غالبا در طراحی لرزه‌ای سازه‌ها، عملکرد بین سازه و خاک در نظر گرفته نمی‌شود. ولی به طور کلی رفتار یک سازه در برابر نیروهای مختلف به رفتار سه جز اسکلت سازه، فونداسیون و خاک زیر فونداسیون مربوط می‌شود. در روش تحلیل اندرکنش خاک و سازه (ssi) اندرکنش عملکرد هر سه جز در برابر زلزله در نظر گرفته می‌شود و این موضوع باعث بهینه‌تر شدن مقاطع می‌شود. در تحلیل اندرکنش خاک و سازه تأثیر حرکت خاک به دو عامل بستگی دارد:
- میزان بزرگی نیروی وارده: تأثیرات اندرکنش سازه و خاک بیشتر در سازه‌های سنگین مورد توجه می‌باشد.
- مشخصات و انعطاف پذیری خاک: اندرکنش سازه و خاک در خاک‌های نرم‌تر (خاک‌هایی که سرعت امواج برشی در آن‌ها کمتر از 300 متر بر ثانیه است) تأثیرگذارتر می‌باشد.
3. کاهش نامنظمی سازه و نیروهای اضافه
نامنظمی سازه موجب می‌شود که مرکز سختی و مرکز جرم از یکدیگر فاصله بگیرند. افزایش این فاصله موجب می‌شود که هنگام وارد شدن نیروی زلزله به سازه لنگر پیچشی افزایش داشته باشد. این موضوع موجب اعمال نیروهای بیشتری به سازه می‌شود. بنابراین برای بهینه‌تر شدن طراحی باید تا حد ممکن از نامنظمی سازه جلوگیری شود و با توزیع مناسب سختی اجزا، مراکز سختی و جرم به یکدیگر نزدیک شوند.
4. تحلیل تاریخچه زمانی
به طور کلی تحلیل‌‌های دینامیکی به منظور طراحی بهینه سازه‌ها استفاده می‌شوند. در این روش رفتار سازه‌ها به رفتار واقعی آن‌ها نزدیک‌تر است. تحلیل تاریخچه زمانی نیز برای پیدا کردن پاسخ دینامیکی یک سازه به بارهای لرزه‌ای، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تحلیل به دو صورت خطی و غیرخطی می‌باشد.
5. سبک سازی سازه
گاهی اوقات سبک سازی ساختمان‌ها به روش‌های متفاوت مانند استفاده از مصالح سبک از جمله فولادهای کم آلیاژ با مقاومت بالا، راه حلی جهت بهینه سازی سازه‌ها می‌باشد. همچنین با کاهش وزن سازه‌ی مورد نظر، علاوه بر کاهش نیروهای ثقلی وارد به سازه، نیروی زلزله نیز به علت وابسته بودن به وزن سازه، کاهش پیدا کرده و این امر موجب بهینه سازی سازه می‌گردد.
بهینه سازی در طراحی سازه
آنچه در سیستم بهینه سازی سازه بیش از همه اهمیت دارد، تجربه طراح می‌باشد. در واقع در یک سازه متغیرهای زیادی مانند ابعاد و تعداد مقاطع وجود دارد. ولی اینکه تغییر در چه بخشی به بهینه‌سازی ساختمان کمک می‌کند، به تجربه طراح سازه بستگی دارد.
- در بهینه سازی سازه، نحوه‌ی چیدمان ستون‌ها بسیار مهم می‌باشد که طراح سازه بسته به شرایط، متفاوت عمل می‌کند. اکثر اوقات نزدیک کردن ستون‌ها به یکدیگر و یا حذف یک ستون به بهینه سازی ساختمان کمک می‌کند.
- در بهینه سازی ساختمان، باید حتما تناسب هندسی مقاطع سازه‌ای مانند تیر‌ها و ستون‌ها رعایت شود.
- میلگرد زیگزاگ سازه‌ای یا خرپا، نقش توزیع یکنواخت وزن، کنترل تنش و تراکم بدون برش و خمش را دارد. به همین علت استفاده از خرپا به از بین بردن خمش در ستون و تیر کمک می‌کند.
- اگر که اجزای ساختمان در برابر نیروهای وارده از خود مقاومتی نشان نمی‌دهند لازم است که مقدار آرماتورها را تا حداکثر مقدار مجاز افزایش دهیم.
- برای طراحی ساختمان‌های کوتاه و متوسط از سیستم لرزه‌بر قاب ساختمانی همراه با مهاربند و برای طراحی ساختمان‌های بلند از سیستم دوگانه استفاده کنید.
- در سازه‌های بلند مرتبه استفاده از پلان‌های دارای انحنا به جای پلان‌های گوشه دار، باعث کاهش نیروی ناشی از وزش باد بر سازه می‌شود.
- در سازه‌های با اسکلت فلزی، استفاده از اتصالات جوشی مناسب به جای اتصالات پیچی، سبب کاهش حدود 10 درصد وزن سازه می‌گردد.
- استفاده از اجزای غیر سازه‌ای سبک در ساختمان‌ها باعث کاهش وزن سازه و دستیابی به مقاطع بهینه‌تر در اعضای سازه‌ای می‌شود.
- در سازه‌های اسکلت فولادی، استفاده از فولادهای پر مقاومت نیاز به مصرف سخت کننده‌ها را کاهش می‌دهد.
- استفاده از مقاطع کامپوزیتی فولاد و بتن، به نحوی که از ویژگی‌های هر کدام به شکل مناسبی استفاده شود نیز می‌تواند به بهینه سازی سازه‌ها کمک کند.
بهینه سازی وزن ساختمان
وزن سازه با استفاده از طراحی مناسب باید طبق اصول و استانداردهای لازم کاهش یابد. از جمله روش‌ها برای کاهش وزن سازه به صورت اصولی عبارت‌اند از:
- تغییر در طراحی و هندسه سازه
- انتخاب مصالح ساختمانی به شکل استاندارد و اصولی
- چیدمان دقیق عناصر به شکل مرتب و منظم
- کاهش بار ثقلی و گرانشی
- تحلیل محیط جغرافیایی و بررسی بلایا در منطقه توسعه سازه
- سبک سازی اسکلت سازه
- سبک سازی سازه با استفاده از کاهش نمای ساختمان
انواع مصالح مناسب برای سبک سازی سازه
مصالح جدیدی که کمک فراوانی در امر سبک سازی ساختمان دارد، شامل موارد زیر می‌باشند:
- چوب شفاف
یکی از مصالح نوین که می‌توان در امر سبک سازی سازه، از آن بهره برد، چوب شفاف می‌باشد. این ماده با استفاده از شیشه، چوب و اپوکسی رزین تهیه می‌شود و محصول نهایی خاصیت شیشه و چوب را توامان دارد. بیشترین استفاده این متریال در نمای ساختمان است. این مصالح از لحاظ وزنی نیز از چوب و شیشه سبکتر بوده و از لحاظ مقاومت ۱۰ برابر بیشتر از چوب مقاومت دارند.
- بتن نساجی یا کربن
یکی دیگر از مصالحی که موجب سبک سازی ساختمان می‌شود، بتن کربن یا بتن نساجی می‌باشد. این محصول که از ترکیب الیاف بتن، کامپوزیت و کربن تشکیل می‌شود، وزنی بسیار سبکتر از بتن معمولی دارد و می‌تواند ۶ برابر بیشتر وزن را در مقایسه بتن معمولی تحمل کند. همچنین عمر این مصالح در سازه بیشتر خواهد بود.
- بتن خود ترمیم کننده
این محصول جدید که از ترکیب بتن معمولی و کپسول آب و باکتری تشکیل شده، انقلاب ویژه‌ای در بتن به وجود آورده است. همانطور که می‌دانید مشکل جدی در بتن معمولی، ترک خوردگی آن می‌باشد. ولی این نوع بتن با خاصیتی که دارد، به وسیله‌ی باکتری موجود در آن آهک تولید کرده و در نتیجه ترک خوردگی را می‌پوشاند. استفاده از این بتن در افزایش طول عمر و دوام سازه نقش اساسی داشته و بیشترین کاربرد را در ساخت تونل و پل‌ها دارد.
- بلوک سبک سیمانی
از دیگر مصالح جدید و کم هزینه بلوک سبک سیمانی می‌باشد. این محصول علاوه بر اینکه هزینه کمی دارد، ایمنی و مقاومت بسزایی نیز دارا می‌باشد و بهترین گزینه برای سبک سازی ساختمان محسوب می‌شود.
این محصول عایق صدا، گرما و آتش بوده و به جای بلوک‌های سنگین سیمانی استفاده می‌شود و همچنین در برابر ارتعاش، لرزش ساختمان و سیل نیز مقاومت بسیار بالایی دارد. از بلوک سبک سیمانی می‌توان برای دیوار و سقف استفاده کرد. هسته این بلوک‌ها با میله‌های فولادی مقاوم‌سازی می‌شود.