بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مهمترین قسمتهای هر پروژه عمرانی به ویژه پروژههای ساختمانی، انتخاب نوع سیستم سازهای مورد استفاده برای پروژه میباشد. این انتخاب میتواند تاثیر قابل توجهی در مطلوبیت پروژه داشته باشد، به طوری که عامل تعیین کننده در موفقیت یا شکست پروژه بهشمار رود. مطلوبیت در هر پروژه میتواند با شاخصهای متفاوتی از قبیل هزینه کمتر، زمان اجرای کوتاهتر، کیفیت ساخت بالاتر، سود دهی بیشتر و یا ترکیبی از این شاخصها تعریف گردد. در این راستا با تاکید بر معیار هزینه در انتخاب سیستم بهینه سازهای، وزن مصالح مصرفی به عنوان شاخص مقایسه سیستم های مختلف انتخاب شده است.
بدیهی است وزن مصالح مصرفی در سازه رابطه مستقیمی با هزینه کلی آن پروژه خواهد داشت. در پژوهش پیش رو، با تمرکز بر روی سیستمهای با قاب خمشی، به بهینهسازی این سیستمها پرداخته شده است. سیستمهای مورد بررسی در این پژوهش، قاب خمشی فولادی، بتنآرمه و مرکب - CFT - میباشد. علاوه بر هزینه که هدف اصلی بهینهسازی در این پژوهش میباشد، مواردی نظیر تیپ بودن مقاطع، اندازه ابعادی مقاطع مورد استفاده جزء موارد در نظر گرفته شده میباشد و بهینهسازی با در نظر گرفتن این قیدها و پارامترها صورت گرفته است.
همچنین برای بهینهسازی از الگوریتم فراکاوشی ژنتیک استفاده شده است. نتایج حاصل شده در بررسی مدلهای مورد بررسی نشان میدهد که در سیستمهای با قاب خمشی، سیستم مرکب - CFT - از عملکرد مناسبتری نسبت به سایر سیستمهای فولادی و بتنی برخوردار است. البته با در نظر گرفتن فقط پارامتر مربوط به هزینه و بدون در نظر گرفتن سایر محدودیتها، سیستم قاب خمشی بتنآرمه نسبت به سایر سیستمهای مورد بررسی اقتصادیتر میباشد.
-1 مقدمه
در چند دههی اخیر مبحث بهینهسازی ساختمانها موضوعی بسیار پر رونق در مهندسی سازه بوده است. علت رواج و پیگیری چنین موضوعاتی در سالیان اخیر مسائل اقتصادی طرحها و پروژههای ساختمانی است. امروزه بر خلاف گذشته، طرحهای غیر اقتصادی هرگز قابل قبول نیست و مهندسین به دنبال سبکترین و کم مصالحترین طرح هستند به گونهای که نیازهای طراحی را نیز به خوبی پاسخگو باشد. در طراحی یک سازه مهندسین گزینههای بسیار متعددی برای طرح خود دارند. دامنه این گزینهها از نظر مواد و مصالح مورد مصرف تا انتخاب بهینهترین آرایش سازه×و بهینهترین مقاطع، گسترده شده است.× به طور کلی بهینهسازی سازهها در سه دسته کلی بهینهسازی سایز، شکل و توپولوژی قرار میگیرند.
در بهینهسازی سایز متغیرهای تصمیم مواردی همچون، ضخامت اعضای سازه، سطح مقطع اعضا و ممان اینرسی آنها میباشد. در بهینهسازی شکل، متغیرهای تصمیم علاوه بر ضخامت و سطح مقطع اعضا، فرم و شکل سازه هستند. در این نوع بهینهسازی فرم سازه تغییر میکند ولی شرایط مرزی و وضعیت اتصالات و تعداد آنها تغییر نمیکند. در مسائل مربوط به بهینهسازی متغیرهای تصمیم علاوه بر موارد ذکر شده، شامل چیدمان سازه نیز هستند. در این نوع بهینهسازی تعداد اعضا و اتصالات نیز جز متغیرهای تصمیم است و لزومی به حفظ شرایط اولیه نیست. در پژوهش پیش رو از روش بهینهسازی توپولوژی برای سازهها استفاده شده است.
سیستم سازهای مورد بررسی در این پژوهش، قابهای خمشی فولادی، بتنآرمه و مرکب - - CFT1 میباشد. بهینهسازی صورت گرفته با در نظر گرفتن 6 درجه آزادی نیرویی و لنگری انجام شده است. همچنین هدف اصلی بهینهسازی، کاهش وزن در اسکلتهای فولادی، بتنی و مرکب - - CFT و سایر هدفها مربوط به راحتی اجرا و نصب، تیپ بودن المانهای مورد استفاده با توجه به مقاطع تولید شده در کشور و ... میباشد. الگوریتم مورد استفاده جهت بهینهسازی، الگوریتم ژنتیک میباشد. دلیل اصلی استفاده از الگوریتمهای فراکاوشی در پژوهش پیش رو ناکارآمدی روشهای کلاسیک در حل مسائل بهینهسازی میباشد. همچنین با توجه به عدم وجود تابع مشتق، وجود متغیرهای گسسته و پیوسته، تابع هدف پیچیده و محدودیتهای خطی و غیر خطی تابع هدف، از الگوریتم ژنتیک استفاده شده است.
-2 معرفی سازههای مرکب
مقاطع فولادی پرشده با بتن که به اختصار×CFT×نامیده میشوند، گروهی از مقاطع مرکب هستند که از عملکرد مشترک فولاد در محیط و بتن در بخش مرکزی جهت باربری بهره میگیرند - شکل. - 1 ایده اصلی پیدایش این مقاطع، ترکیب بتن و فولاد با هدف بکارگیری توأمان مصالح است، به صورتی که برآیند این ترکیب منجر به ایجاد سازهای با ویژگیهای برتر نسبت به سازههای مرسوم بتنی و فولادی گردد.
-3 الزامات طراحی سیستمهای با قاب خمشی
تحلیل و طراحی سازههای مورد بررسی بر اساس مبحث نهم و دهم مقررات ملی ساختمان صورت خواهد گرفت. بارگذاری وارد بر سازه مطابق مبحث ششم مقررات ملی ساختمان و بارهای مربوط به زلزله طبق ویرایش چهارم استاندارد 2800 صورت خواهد گرفت. در مواردی که آییننامههای موجود در کشور کفایت نکند آییننامههای معتبر بینالمللی از قبیل AISC360,341-10 ، ACI318-14 و... مبنا قرار خواهد گرفت. با توجه به معلوم بودن الزامات آییننامهای سازههای فولادی و بتنآرمه، از ذکر تمامی روابط و الزامات اجتناب خواهد شد لیکن به دلیل جدید بودن مباحث آییننامهای ستونهای فلزی پر شده با بتن، برخی از الزامات مربوط به این ستونها آورده شده است.
• مقاومت فشاری مقاطع مرکب
شکل 2، تغییرات بر اساس لاغری مقطع فولادی را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود، در مقاطع فشردهی تحت فشار محوری، میتوان از کل مقاومت پلاستیک مقطع، ، استفاده کرد. در مقاطع غیرفشرده میتوان را با یک درونیابی درجه دو بین مقاومت پلاستیک، ، و مقاومت تسلیم، ، بر اساس لاغری مقطع فولادی تعریف کرد. دلیل استفاده از درونیابی درجه دوم، کاهش سریع توانایی مقطع فولادی در محصورنمودن هستهی بتنی با افزایش لاغری آن است. در مقاطع لاغر، تنش مقطع فولادی به تنش نهایی کمانش، ، و تنش هستهی بتنی به 0.7 محدود شده است.
• مقاومت خمشی مقاطع مرکب
در مقاطع فشرده میتوان از کل لنگر پلاستیک مقطع، ، استفاده کرد. در مقاطع غیرفشرده میتوان مقاومت خمشی اسمی، ، را با یک درونیابی خطی بین لنگر پلاستیک، ، و لنگر تسلیم، ، بر اساس لاغری مقطع فولادی تعریف کرد. در مقاطع لاغر، مقاومت خمشی اسمی به اولین ممان تسلیم مقطع مختلط، ، محدود شده است، که در آن دورترین تار کششی به تسلیم میرسد، در حالی که تنش در دورترین بال فشاری به تنش بحرانی کمانش، ، محدود شده است. همچنین جهت حفظ رفتار الاستیک هستهی بتنی، مقدار تنش در آن به بیشینهی تنش فشاری برابر با 0.7 محدود شده است. مقاومت خمشی اسمی که با استفاده از این الزامات بدست میآید، در مقایسه با نتایج تحقیقات آزمایشگاهی محافظهکارانه بهنظر میرسد - شکل. - 3
