بهینه سازی ساختمان

بهینه سازی ساختمان چیست؟

واژه های ترمیم، و مرمت زمانی استفاده میشود که یک سازه ظرفیت باربری خود را از دست داده است و میخواهیم با اقداماتی آن را به ظرفیت سازه‌ای یا همان بهره برداری خود برگردانیم. مانند مرمت بناهای تاریخی مجموعه اقداماتی است که سعی دارد ایستایی سازه از نظر باربری و نیز ظاهر و معماری بنا برای بهره برداری را به روزهای اول برگرداند. در این فعالیت‌ها ظرفیت باربری سازه زیاد نمیشود و اقدامات ما تنها ظرفیت باربری از دست رفته سازه را برمی‌گرداند.

واژه مقاوم سازی زمانی استفاده می‌شود که می‌خواهیم ظرفیت باربری یک المان یا کل سازه را زیاد کنیم.

مثلاً هدف از مقاوم سازی یک پل، افزایش توان باربری آن برای تحمل بارهای سنگین‌تر عبوری از آن است که معمولا با مقاوم سازی المان‌های آن نظیر ستون‌ها انجام می‌شود.

روش‌های ژاکت بتنی، ژاکت فولادی و استفاده از ورق‌های FRP، نمونه‌هایی از روش‌های مقاوم سازی برای یک ستون است.

هر چند سال یک بار خانه خود را بازسازی می‌کنید و لغت بازسازی یادآور یکسری فعالیت‌ها در ذهن شماست.

بازسازی یعنی از نو ساختن است.

به طور مثال وقتی یک آپارتمان را بازسازی می‌کنید، احتمالا کابینت‌ها، لوله‌های قدیمی، سرامیک و کاشی برداشته و از نو کار می‌شوند.

بهسازی مجموعه‌ای از شیوه و ترفندهایی‌است تا سازه بتواند با بیشترین ظرفیت و بهترین عملکرد خدمات دهد.

شاید در یک طرح بهسازی از شیوه‌های مقاوم‌سازی، مرمت و بازسازی استفاده شده یا از هیچ کدام استفاده نشده و یک سیستم باربر جانبی یا تعدادی ستون اضافه کنند.

واژه‌های بهسازی لرزه‌ای و بهسازی هیدرولیکی نیز این مفهوم را دنبال می‌کنند.

به کارگیری روش‌هایی برای عملکرد بهتر سازه در برابر نیروی زلزله و جریان آب هنگام وقوع سیل را بهسازی لرزه‌ای و هیدرولیکی گویند.

بهینه سازی سازه ها

بهینه سازی به نوعی بهسازی است ولی گاهاً قبل از ساخت ساختمان و در مرحله طراحی انجام می‌شود.

یعنی در ساخت اسکلت سازه بهینه کار کنیم تا هم مصالح کمتر و هم استحکام بیشتری داشته باشیم.

چرا که انتخاب سیستم باربر جانبی مناسب و سبک سازی اسکلت یکی از راهکارهای مستهلک کردن و کم کردن نیروی زلزله است

بهینه سازی ساختمان‌های قدیمی

بهینه سازی پیش از ساخت یک پروژه و در مرحله طراحی کلید می‌خورد تا یک سازه ایمن و سبک داشته باشیم. علاوه بر این‌ها سبک سازی ساختمان موجب کم شدن هزینه‌های ساخت هم می‌شود که معمولا بین بیست تا سی درصد وزن سازه در بهینه سازی اصولی کاهش می‌دهد. برای ساختمان‌های قدیمی از روش‌های مرمت، مقاوم‌سازی، بازسازی و به طور کلی بهسازی استفاده می‌شود.

رابطه بهینه سازی سازه‌ها با زلزله

شیوه‌های متفاوتی برای بهینه سازی سازه‌ ها وجود دارد. گاهی با انتخاب یک سیستم باربر لرزه‌ای بهتر می‌توان ایمنی سازه را بالا برد. ماهیت زلزله نیرو نیست. زلزله انرژی ناشی از شکستن پوسته‌های زمین است که موجب جابه‌جایی ساختمان می‌شود. جابه‌جایی ساختمان نیروهایی را در المان‌های متفاوت سازه‌ای به‌وجود می‌آورد که ما تحت عنوان نیروی زلزله در تحلیل و طراحی سازه‌ها می‌شناسیم.

زلزله، جابه‌جایی است که برای ساختمان به همراه دارد موجب ایجاد یکسری نیرو در المان‌های متفاوت نظیر تیر و ستون می‌شود. مهم‌ترین نیروی جانبی در ساختمان‌های متعارف همین زلزله است. زیرا که اهمیت باد یا نزدیکی به محل رودخانه و احتمال وقوع سیلاب خیلی کمتر است.

پس عمده تلاش ما برای بهینه سازی ساختمان، سر و کله زدن با نیروی زلزله‌ای است که هنگام زلزله به سبب جابه‌جایی ساختمان در المان‌ها ایجاد می‌شود. ما در بهینه سازی سازه‌ ها سعی می‌کنیم نیروی زلزله را کاهش داده یا بیشتر مستهلک کنیم یا راهی سریع‌‌تر برای رسیدن به زمین نشانش دهیم. نیروی زلزله ایجاد شده در المان‌ها از طریق دیافراگم سقف به سیستم‌های باربری جانبی و ستون‌ها منتقل شده تا نهایتا آن‌ها را به فونداسیون و زمین برسانند. هیچ یک از المان‌ها نباید در این مسیر دچار آسیب شده و مسیر انتقال نیرو به فونداسیون و زمین را تحت تاثیر قرار دهند.

بهینه سازی ساختمان با صرفه جویی در مصالح مصرفی

هر تلاش و انرژی به دو طریق نیرو و تغییر شکل (جابه‌جایی و دوران) خود را نشان می‌دهد.  رفتار المان‌های سازه‌ای نیز به همین شکل است و ما برای درک بهتر بهینه سازی ساختمان باید با آن آشنا باشیم. برای هر نوع مصالحی، منحنی تنش و کرنش متفاوتی داریم. مثلا به منحنی تنش و کرنش فولاد دقت کنید. بعد از این که فولاد به ناحیه تسلیم می‌رسد، وارد ناحیه پلاستیک شده و تغییر شکل می‌دهد اما هنوز گسیخته نشده است. یعنی وقتی یک میلگرد را بین دو جک گذاشته و می‌کشیم ابتدا تغییر شکلی ندارد و به روی خود هم نمی‌آورد. وقتی نیرو را بیشتر می‌کنیم، تنش که حاصل تقسیم نیرو بر سطح است نیز افزایش می‌یابد و به جایی می‌رسیم که تسلیم می‌شود و بعد از این که از تمام ظرفیت پلاستیک خود استفاده کرد به ناچار گسیخته می‌شود. یک المان سازه‌ای هم اینگونه رفتار می‌کند. هرچه ما از ظرفیت پلاستیک مصالح آن المان بیشتر استفاده کنیم، در بهینه سازی ساختمان موفق‌تر بودیم. پس بهینه سازی سازه‌ ها در واقع استفاده از تمامی ظرفیت مصالح و در نتیجه کاهش میزان مصالح مصرفی است. در واقع با کاهش وزن سازه موجب پویایی و استحکام بیشتر آن می‌شویم.

رویکردهای بهینه سازی سازه‌ها

انتخاب سیستم باربر جانبی مناسب

اگر سری به استاندارد 2800 بزنید و فرمول محاسبه نیروی زلزله را مشاهده کنید، می‌بینید که نیروی زلزله در واقع ضریبی از وزن سازه است. نیروی برشی زلزله  V=C×W است، W وزن سازه و C ضریب زلزله است که به چهار پارامتر زیر بستگی دارد.

• نسبت شتاب مبنای طرح نشان دهنده‌ی خطر پذیری لرزه‌ای ساختمان در یک منطقه است. هرچه لرزه خیزی پهنه ساخت ساختمان بیشتر باشد، شتاب بیشتری برای محاسبه نیروی زلزله در نظر می‌گیرند. به زبان ساده یعنی موقعیت قرارگیری آن سازه به گونه‌ای است که احتمال وقوع زلزله‌های شدیدتر وجود دارد و باید برای نیروی بیشتری طراحی شود.

• ضریب بازتاب ساختمان که نشان دهنده‌ جنس و طبقه‌بندی زمین زیر ساختمان است. بدیهی است که وقتی روی ماسه‌های ساحل راه می‌روید، سخت‌تر قدم بر میدارید تا روی آسفالت. پس هر چه جنس زمین زیر ساختمان به سنگ نزدیک‌تر باشد انرژی کمتری به ساختمان وارد می‌شود و نیروی کمتری در طراحی لحاظ می‌شود.

• ضریب اهمیت ساختمان که طبقه‌بندی ساختمان را نشان می‌دهد. بدیهی است که اهمیت یک بیمارستان از یک انبار بیشتر است و باید با نیروی بیشتری طراحی شود.

• ضریب رفتار ساختمان که هر چقدر بیشتر باشد نشان می‌دهد سیستم باربر جانبی انتخاب شده توانایی تحمل تغییر شکل‌های بیشتری داشته و انرژی زلزله را بهتر مستهلک می‌کند.

از بین 4 پارامتر گفته شده تنها ضریب رفتار ساختمان است که طراح می‌تواند انتخاب کرده و تعیین کند که نیروی کمتری در المان‌ها ایجاد شود و بخشی از انرژی وارده از طریق تغییر شکل مستهلک شود.

اما به کارگیری سیستم‌هایی که پتانسیل استهلاک بیشتری دارند در اجرا مقدور نیست.

به عنوان مثال استفاده از میراگرها هزینه بسیاری داشته و طراح می‌تواند تنها از سیستم‌های باربر لرزه‌ای متعارف که در استاندارد 2800 ذکر شده است استفاده کند. پس در این مورد هم دست طراح برای بهینه سازی سازه‌ ها خیلی باز نیست. به طور مثال برای بهینه سازی سازه‌ های بتنی، معمولا قاب خمشی، دیوار برشی یا هر دو متعارف است و نمی‌توان از هر سیستم لرزه‌ای استفاده کرد.

کاهش وزن سازه با تعبیه مسیر انتقا بار درست

اینجاست که هنر یک طراح خوب مشخص می‌شود طراح سازه بار مرده، زنده، زلزله و سایر بارهایی که به سازه وارد می‌شود را به آن اعمال کرده و با افزایش ابعاد و ظرفیت مقاطع تلاش می‌کند تا مقاطع سازه را به گونه‌ای تعیین کند تا جوابگوی بارهای وارده باشد.

نیاز به یک شرکت بهینه سازی ساختمان

شاید با خود بگویید اینکه کار ساده‌ای است و هر طراحی می‌تواند، اما نکته همینجاست که هر طراح و شرکتی نمی‌تواند. مثلاً اگر مرکز سختی طبقه با مرکز جرم آن یکی نشود، یک پیچش اضافی به سازه تحمیل می‌شود که منجر به افزایش ابعاد مقاطع می‌شود. حال اگر این دو مرکز یکسان شود یعنی مرکز جرم طبقه که نیروی زلزله به آن اعمال می‌شود و مرکز سختی طبقه که محل تاثیر نیرویی است در مقابل نیروی زلزله مقابله می‌کند یک جا باشد، پیچشی اضافه نشده و می‌توان ابعاد مقطع را کاهش داد. یکسان کردن مرکز سختی و مرکز جرم همیشه به راحتی نیست و باید از هوش مصنوعی استفاده کرد

هوش مصنوعی در سازه

به کمک هوش مصنوعی می‌توان به گونه‌ای سازه را طراحی کرد که مرکز سختی و جرم در نزدیک‌ترین حالت ممکن قرار گیرند. هوش مصنوعی با تغییر ابعاد و موقعیت آن‌ها، مرکز سختی را آنقدر تغییر داده تا با مرکز جرم یکسان شود.  به کمک  این برنامه می‌توان علاوه بر کاهش ابعاد و در نتیجه وزن سازه، یک مسیر مناسب برای انتقال بار تعیین کرد.

هزینه بهینه سازی ساختمان

اگر بهینه سازی سازه اصولی انجام شود، می‌توان بدون این که ایمنی سازه تحت تاثیر قرار گیرد، بین 20 تا 30 درصد وزن سازه را کم کرد که گام بسیار مثبتی در جهت کاهش نیروی زلزله نیز است. به طور مثال سبک سازی ساختمان برای بهینه سازی سازه‌‌ های بتنی سبب کاهش به طور متوسط 25 درصد میلگرد کیلویی 20 هزار تومان و 25 درصد مصرف بتن مترمکعبی 800 هزار تومان می‌شود. با یک حساب سر انگشتی می‌توان متوجه تاثیر فوق‌العاده بهینه سازی سازه در کاهش هزینه‌ها شد.