بهینه‌سازی سازه بخشی ضروری از فرآیند طراحی به شمار می‌رود. شما به عنوان یک طراح باید بین اهداف طراحی سازه، هزینه، مواد مصرفی، مقاومت سازه و محدودیت‌های ساخت موازنه ایجاد کنید.
گاهی با کمک چند تکنیک ساده می‌توانید تا سی درصد در مصالح مصرفی خود صرفه‌جویی کرده و در کنار آن مقاومت سازه را نیز بالاتر ببرید. در این مطلب با هم بررسی می‌کنیم که چطور با کمک تکنولوژی‌های جدید طراحی سازه می‌توانید در این صنعت رقابتی حرف اول را بزنید. با ما همراه باشید.
بهینه سازی سازه چیست؟
ممکن است با شنیدن واژه بهینه‌سازی، به بازسازی، مرمت یا مقاوم‌سازی ساختمان فکر کنید. اما این پروسه‌ها کاملا با بهینه‌سازی متفاوت است. مرمت و تعمیر برای سازه‌هایی استفاده می‌شود که در طول زمان ایستایی و مقاومت خود را از دست داده‌اند و نیازمند بازگرداندن ظرفیت باربری خود هستند. در این موارد تلاش می‌شود ساختمان با کمترین تغییرات به حالت اولیه خود برگردد.
در مقاوم‌سازی، توان تحمل بار در سازه بالاتر می‌رود و ظرفیت آن افزایش می‌یابد. روش‌های متنوعی برای مقاوم‌سازی وجود دارد که شامل ژاکت‌های فولادی و تنی، استفاده از ورق‌های FRP و غیره است. مفهوم بازسازی نیز از آشناترین مفاهیم برای عموم مردم است. بازسازی، مجموعه فعالیت‌هایی است که طی آن قسمت‌های آسیب‌دیده و فرسوده شده سازه جایگزین می‌شوند.
اما هنگامی که صحبت از بهینه‌سازی یک سازه مطرح می‌شود، منظور استفاده از روش‌ها و تکنیک‌های به‌روزی است که کمک می‌کند طراحی سازه به‌صرفه‌تر و ایمن‌تر انجام شود. در بهینه‌سازی که در واقع پروسه مربوط به طراحی و پیش از ساخت است، اهدافی مانند به حداقل رساندن میزان مصالح مصرفی، بالا بردن میزان ایمنی در برابر زلزله و دیگر خطرات محیطی، بهبود عملکرد سازه، سبک سازی و … دنبال می‌شود.
مزایای بهینه سازی یک سازه
همان‌طور که در بالا اشاره کردیم، در بهینه‌سازی ساختمان به دنبال محاسبات سازه‌ای هستیم که تا حد امکان سبک و ایمن باشد. برخی از مزایایی این نوع طراحی عبارتند از:
مقاوم سازی در برابر زلزله
اصلی‌ترین نیروی جانبی که به ساختمان وارد می‌شود، زلزله است. انرژی که از شکستن پوسته‌های زمین ایجاد می‌شود، با وارد کردن نیرو در المان‌های مختلف سازه، باعث جابه‌جایی ساختمان می‌شود. در بهینه‌سازی تلاش می‌شود این نیروها را که عمدتا به تیر و ستون‌ها وارد می‌شوند، با هدایت به سمت دیافراگم سقف و فونداسیون و زمین، کم یا مستهلک کرد.
صرفه‌جویی در مصالح
در روش‌های نوین بهینه‌سازی، سازه‌ها به صورتی طراحی می‌شوند که از همه ظرفیت مقاومت مصالح استفاده شود. به این ترتیب ابعاد تیرآهن و ستون‌ها کوچک‌تر می‌شود و در نتیجه از میلگرد و بتن کمتری در سازه استفاده خواهید کرد که از نظر اقتصادی بسیار به‌صرفه است.
افزایش متراژ ساختمان
با کم کردن ابعاد سازه که در بالا توضیح دادیم، می‌توانید متراژ مفید ساختمان را افزایش داده و کاربری بهتری از فضا داشته باشید.
کاهش هزینه‌های کلی سازه
سبک‌سازی، کاهش استفاده میلگرد و بتن، کم کردن هزینه قالب‌ها و … کمک می‌کند هزینه‌های اجرایی ساخت‌وساز کاهش چشم‌گیری داشته باشد. در ادامه این مطلب روش‌هایی را معرفی می‌کنیم که با اجرای اصولی آن‌ها می‌توانید تا ۳۰ درصد از وزن سازه خود را کاهش داده و تا حد قابل قبولی در هزینه‌ها صرفه‌جویی کنید.
انواع سیستم سازه
تمامی المان‌های یک سازه که در برابر نیروهای ورودی مقاومت می‌کنند، سیستم سازه نامیده می‌شوند. این نیروها معمولا در دو دسته ار عمودی یا ثقلی، و بار افقی یا جانبی به ساخزه وارد می‌شوند. سیستم‌های سازه که در برابر این نیروها ایستادگی می‌کنند، شامل موارد زیر است:
سیستم دیوار باربر
همان‌طور که از نام این سیستم می‌تواند حدس زد، کلیه بار در آن روی دیوراها منتقل می‌شود و خبری از تیر و ستون نیست. این سیستم برای ساختمان‌های سه طبقه و کمتر استفاده می‌شود و مخصوص مناطقی است که احتمال زلزله در آن‌ها بسیار کم است.
سیستم قاب ساختمانی
این سیستم به دلیل طراحی و اجرای راحت، در صنعت ساخت‌وساز بیشترین استفاده را دارد. نیروهای جانبی در سیستم قاب ساختمانی از طریق مهاربند و دیوار به ستون و فونداسیون انتقال می‌یابد.
سیستم قاب خمشی
سیستم قاب خمشی، زیباتر از سیستم قبلی است و در سراسر دنیا مورد استقبال معماران و طراحان قرار گرفته و در سبک‌های مختلف قابل اجراست. دلیل دیگر محبوبیت آن، قابلیت استفاده در انواع ساختمان‌های یک تا چند طبقه است. در این سیستم نیروی زلزله به تیرها منتقل می‌شود.
سیستم ترکیبی
ترکیب دو سیستم بالا، یعنی سیستم قاب ساختمان و قاب خمشی، سیستم دوگانه یا ترکیبی نام دارد. این نوع سیستم برای سازه‌های بالای ۱۵ طبقه استفاده می‌شود و مقاومت بسیار بالایی دارد.
روش های بهینه سازی سازه
برای یک بهینه‌سازی اصولی به متخصصان باتجربه‌ای نیاز است که بتوانند تمامی متغییرهای یک سازه را تحلیل کرده و بهترین بخش را برای بهینه‌سازی انتخاب کنند. برخی از روش‌های زیر می‌توانند به طراح در محاسبه یک سازه ایمن و سبک کمک کنند:
- تغییر چیدمان ستون‌ها: گاهی حذف تعداد ستون‌ها یا کم کردن فاصله آن‌ها با یکدیگر می‌تواند روش ساده و مناسبی برای بهینه‌سازی باشد.
- رعایت تناسب هندسی مقاطع سازه: محاسبه وزن و سطح مقطع در تعیین مقاومت ساختمان نقش پررنگی دارد.
- استفاده از خرپا یا میلگرد زیگزاگ: در سازه‌هایی که وزن یکنواخت توزیع شده، استفاده از خرپا می‌تواند خمش تیر و ستون را برطرف کند.
- افزایش آرماتور: بالا بردن مقدار آرماتورها می‌تواند به افزایش مقاومت المان‌های سازه کمک کند.
- انتخاب سیستم سازه مناسب: با در نظر گرفتن ارتفاع ساختمان می‌توان یک سیستم بهینه برای طراحی انتخاب کرد.
- تعیین فاصله مرکز سختی و مرکز جرم سازه: به نقطه‌ای که اکثر المان‌های ساختمان در آن مترکز است است، مرکز جرم گفته می‌شود؛ مرکز سختی نیز محلی است که نیروی زلزله به آن وارد می‌شود. فاصله این دو مرکز نقش بسیار کلیدی در تعیین مقاومت سازه خواهد داشت.
- استفاده از نرم‌افزارهای طراحی: روش‌های نوین اصول طراحی سازه و کمک گرفتن از نرم‌افزارهای تخصصی می‌تواند با محاسه دقیق مرکز سختی و جرم و تغییر ابعاد و سطح مقطع و …. بهترین و دقیق‌ترین طراحی را در اختیار شما قرار دهد.
جمع بندی
طبیعی است که همه مهندسین و فعالان صنعت ساخت‌وساز به دنبال کاهش مصالح مصرفی و در نتیجه پایین آوردن هزینه‌ها باشند. اما یک روش اصولی که ایمنی سازه را نیز تضمین کند، نیازمند تجربه و تخصص بالاست. در این بهینه‌سازی، طراحی ابتدایی به صورتی انجام می‌شود که از حداکثر ظرفیت مقاومت مصالح استفاده شود. البته باید این نکته را در نظر گرفت که بررسی شرایط محیطی، نقش بسیار پررنگی در بهینه‌سازی خواهند داشت؛ و نمی‌توان ادعا کرد که بهینه‌سازی سازه برای همه سازه‌ها در هر ابعاد و هر شرایطی مناسب است. همان‌طور که گفتیم این بررسی‌ها به تجربه و تخصص طراح بستگی دارد.