بهینه سازی ساختمان و 10 راه حل عملیاتی برای کاهش وزن سازه

بهینه‌سازی ساختمان به معنای استفاده حداقلی از مصالح با حفظ استحکام سازه است. برخلاف تصور برخی افراد، بهینه‌سازی نه به معنای مصرف بسیار کم و نه زیاد مصالح است، بلکه هدف آن دستیابی به تعادل بین مصرف مصالح و مقاومت مطلوب سازه است. در ادامه مطلب چگونگی انجام این روش را به شما خواهیم گفت.

بهینه سازی ساختمان چیست؟

به‌طور کلی، بهینه‌سازی ساختمان به معنای نظارت بر فرآیندها، شناسایی خطاها و بهبود نیازهای مرتبط با سازه است. این فرآیند با بهره‌گیری از مدل‌سازی ریاضی، روابط فیزیکی، نرم‌افزارها، و تکنیک‌های آماری و داده‌کاوی انجام می‌شود.

بیشتر بخوانید: مراحل ساخت ساختمان از صفر تا صد

این فرآیند با کاهش وزن سازه و انتخاب متریال و هندسه مناسب ارتباط دارد. به همین دلیل، نسبت استحکام به وزن به‌عنوان یکی از اصول کلیدی بهینه‌سازی ساختمان شناخته می‌شود و اغلب اقدامات در این زمینه با هدف افزایش استحکام و کاهش وزن انجام می‌گیرند.

امروزه، علم بهینه سازی در سازه ها به طور ویژه با ظهور نرم افزارهای مهندسی مانند  ETABS، SAFE  و SAP بهبود یافته است. این نرم افزارها باعث جهش قابل توجهی در طراحی شده و زمان لازم برای شناسایی و اصلاح خطاهای طراحی و اجرای سازه ها را به طور قابل توجهی کاهش می دهند.

اهمیت بهینه سازی ساختمان

هدف اصلی از بهینه سازی ساختمان دستیابی به حداكثر مقدار ایمنی در مواجه با بلاهای مختلف نظیر طوفان و زلزله بوده، که با کمترین هزینه و متریال مصرفی قابل اجرا است.

به طور کلی نیز می توان موارد زیر را از اهداف بهینه سازی ساختمان تلقی کرد؛

• كاهش مصرف متریال و کاهش وزن ساختمان
• افزایش ایمنی سازه
• كاهش هزینه تمام شده ساخت
• افزایش متراژ قابل استفاده در ساختمان
• بهبود عملكرد ساختمان در برابر بارهای پویا همچون زلزله

همچنین بخوانید: قیمت میلگرد

انواع سیستم سازه ای

به تمام اعضای یك سازه كه در برابر نیروهایی كه به آن وارد می شود مقاومت می كند، سیستم سازه می گویند. نیروهای وارد به سازه به دو بخش بار ثقلی یا عمودی و بار جانبی یا افقی تقسیم بندی می شوند. استفاده از هر كدام از سیستم های سازه برای مقابله با این نیروها می باشد.

سیستم دیوار باربر

در این نوع از سیستم ها، باربری به عهده دیوارها و قاب ها می باشد. در سیستم دیوار باربر قاب های ساختمانی یا به عبارتی تیر و ستون وجود ندارد. این گروه از سیستم ها برای مكان هایی كه نیروی زلزله وجود ندارد و ساختمان های كمتر از ۳ طبقه استفاده می شود.

بیشتر بخوانید: نحوه اجرای دیوار حائل

سیستم قاب ساده

در این سیستم، تیر و ستون به صورت مفصلی به یکدیگر متصل شده و سختی خمشی تیر به جذب نیروهای جانبی ناشی از زلزله کمک نمی کند. این سیستم تنها بارهای قائم را تحمل کرده و از این رو به تنهایی کاربرد چندانی در ساختمان سازی ندارد.

برای رفع این مشکل لازم است تا جهت افزایش مقاومت و پایداری این سیستم، از اعضای مورب به عنوان مهاربند یا دیوار برشی فولادی یا بتنی استفاده شود. این نوع سیستم بیشتر در سازه های فولادی کاربرد داشته و استفاده از این نوع اتصال در سازه های بتنی به دلیل نیاز به جزئیات خاص برای آرماتورها، دشوارتر است؛ زیرا برای ایجاد اتصال مفصلی در سازه های بتنی نیاز به دقت بیشتری است.

بیشتر بخوانید:تفاوت اسکلت فلزی و بتنی چیست؟

سیستم قاب همراه با مهاربند

این نوع قاب ها بار جانبی را از طریق اعضای قطری جذب کرده و پس از تبدیل آن به نیروهای کششی و فشاری، نیروها را به سیستم قائم منتقل می کنند. در ساختمان های بلند، هنگامی که استفاده از قاب خمشی به دلیل تغییر مکان های جانبی زیاد کارایی ندارد، از قاب های مهاربندی استفاده می شود.

به طور کلی، با به کارگیری مهاربندها در طول و عرض سازه، می توان صلبیت سازه را افزایش داد؛ به طوری که دهانه های بزرگ تر موجب افزایش صلبیت می شوند. مهاربندها اغلب در سازه های فولادی به کار می روند.

سیستم قاب خمشی

استفاده از این نوع سیستم كه از تیر و ستون تشكیل شده، در سرتاسر دنیا رواج دارد. چرا كه این سیستم به معماران این اجازه را می دهد تا سبك های متفاوتی را بتوانند اجرا كنند.

مقاومت در برابر نیروهای جانبی بر عهده تیرها خواهد بود. زیبایی و جذابیت این سیستم موجب شده تا از ساختمان یك طبقه تا ساختمان های با ارتفاع زیاد كاربرد داشته باشد.

البته لازم به ذكر است كه تیرها در این نوع سازه پس از زلزله احتمال خرابی زیادی دارند. تیرهای مورد استفاده در آن قابلیت استفاده مجدد نخواهند داشت.

همچنین بخوانید: محاسبه میلگرد موردنیاز برای ۱۰۰ متر زیربنا

سیستم دیوار برشی

دیوار برشی بتنی به عنوان یک تیر قائم عمل کرده و دارای یک محور قوی و یک محور ضعیف است. برای کارایی بهتر، دیوار برشی به صورت یکپارچه از سطح فونداسیون آغاز شده و تا ارتفاع کل سازه ادامه می یابد تا نیروهای لرزه ای به طور پیوسته از بالا به پایین و نهایتا به فونداسیون و زمین منتقل شوند. در غیر این صورت، طبق استاندارد ۲۸۰۰، سازه دچار ناهمسانی می شود.

به جرات می توان بیان کرد که این سیستم یکی از مطمئن ترین روش ها برای مقابله با نیروهای جانبی در سازه های بتنی است. دیوارهای برشی در شرایط مناسب اجرا عملکرد بسیار خوبی نشان داده و مانع فرو ریختن ساختمان هنگام زلزله می شود؛ که این امر به دلیل افزایش سختی سازه و در نتیجه افزایش ایمنی در برابر شکست است.

مزایای سیستم دیوار برشی بتنی عبارت است از:

• صلبیت بالا
• حذف کمانش و کاهش لاغری ستون ها
• جلوگیری از گسترش خرابی به سایر بخش های سازه

سیستم دوگانه یا تركیبی

به سیستم حاصل از تركیب قاب خمشی با دیوار برشی یا مهاربند، سیستم دوگانه یا تركیبی می گویند. این نوع سازه‎ها برای استحكام ساختمان های بیش از ۱۵ طبقه در برابر نیروهای جانبی كاربرد دارد. سیستم تركیبی در مقایسه با سایر سیستم ها، از مقاومت بسیار بالایی برخوردار است.

۱۰ راه برای بهینه سازی ساختمان

حال كه با انواع سیستم های سازه آشنا شدید، باید این موضوع را بررسی كنیم كه چگونه می توان در جهت بهینه سازی ساختمان اقدام كرد.

در بهینه سازی ساختمان آنچه بیش از همه اهمیت دارد، تجربه طراح است. در واقع در یك سازه متغیرهای متعددی مثل ابعاد مقاطع با مقدار آن ها وجود دارد. اینكه بهینه سازی در كدام بخش به بهینه سازی ساختمان كمك می كند، به تجربه طراح سازه برمی گردد.

در ادامه چند راه حل برای بهینه سازی ساختمان بررسی خواهد شد:

۱. در صورتی كه اجزای مورد استفاده در سازه در برابر نیروها مقاومت مناسبی از خود نشان نمی دهند، باید مقدار آرماتورها را افزایش داد. این افزایش مقدار تا حداكثر مقدار مجاز می تواند ادامه داشته باشد. اما باید توجه داشت اجرای آرماتور دشوار بوده و غالبا این روش پیشنهاد نمی شود. با کلیک بر روی آرماتوربندی چیست، با نکات اجرایی آن آشنا خواهید شد.

۲. برای سازه ها و ساختمان های بلند، استفاده از مصالح و مقاطعی که مقاومت بالایی دارند به بهینه سازی ساختمان کمک می کنند.

۳. یک طراحی منظم در بهینه سازی نقش به سزایی دارد. طراحی منظم از ذهن و طرز تفکر طراح نشات می¬گیرد.

۴. یکی از مواردی که به بهینه سازی ساختمان بسیار کمک می کند، مطالعه موقعیت منطقه به لحاظ زلزله شناسی است. همان¬گونه که پیشتر به آن اشاره شد، برخی از گسل¬ها در حال حاضر غیر فعال هستند اما امکان فعال شدن آن ها در آینده وجود دارد. گرچه فرایند مطالعه در این زمینه ممکن است هزینه بر باشد و از این منظر طرح را غیر اقتصادی جلوه دهد، اما در نهایت بسیار سودمند خواهد بود.

۵. در ساخت ساختمان های کوتاه و متوسط از سیستم قاب ساختمانی با مهاربند و در ساختمان های بلند از سیستم دوگانه استفاده کنید.

۶. مركز جرم ساختمان، نقطه ای است كه بیشنر اعضای سازه در آن نقطه متمركز هستند. به نقطه ای كه نیروی زلزله به آن وارد می شود نیز مركز سختی می¬گویند. با تغییر ابعاد اعضای سازه مثل تیرها، مركز سختی جابه جا خواهد شد. فاصله ی بین مركز سختی و مركز جرم منجر به ایجاد پیچش در ساختمان می شود. این پیچش در حقیقت به بی نظمی سازه ختم می گردد. بنابراین با نزدیك كردن مركز جرم و مركز سختی، می توان به بهینه سازی ساختمان كمك كرد.

۷. از دیگر مواردی كه در بهینه سازی ساختمان باید رعایت شود، تناسب هندسی مقاطع سازه ای مثل ستون ها و تیرها است. به طور مثال ممكن است یك مقطع با وزن بالا در مقایسه با مقطعی كه وزن و سطح مقطع بیشتری دارد، مقاومت كمتری داشته باشد.

۸. بهتر است برای اتصال بخش های مختلف فولادی از جوشكاری استفاده شود. این روش در مقایسه با اتصالات پیچی وزن كمتری را به سازه اضافه می كند.

۹. نحوه چیدمان ستون ها در بهینه سازی بسیار موثر است. در این مورد بسته به شرایط متفاوت عمل می كنند. گاهی حذف یك ستون و گاهی نزدیك كردن ستون ها به هم به بهینه سازی كمك می كند.

۱۰. خرپا سازه ای است كه نقش توزیع یكنواخت وزن، كنترل تنش و تراكم بدون خمش و برش را دارد. به همین دلیل استفاده از خرپا به از بین بردن خمش در تیر و ستون كمك كرده و از این طریق ساختمان بهینه می شود.

در این مقاله ۱۰ راه حل برای بهینه سازی ساختمان ارائه داده شد. به نظر شما چه راهکارهای دیگری به بهینه سازی ساختمان کمک می کند؟ نظرات خود را در بخش کامنت با ما به اشتراک بگذارید.

همچنین قیمت روز میلگرد آجدار را به عنوان پرکاربردترین انواع مصالح ساختمانی، با کلیک روی لینک قیمت میلگرد آجدار چک کنید.