بخشی از مقاله
خلاصه
بهینهسازی کاربرد گستردهای در شاخههای مختلف علمی از جمله مهندسی عمران پیدا کرده است. در بهینهسازی سازهها، اهداف طراحی، معیارهای سازهای جهت تخمین قابلیت سازهها، ظرفیت و حداقل نمودن هزینههای ساخت و تولید می باشد. در این بررسی، هدف طراحی بهینه تیرهای بتنی با استفاده از روشهای گوناگون جهت بهترین طراحی سازهها، به معنی اقتصادیترین سازه بدون خدشهدار کردن اهداف اصلی تیر می باشد که بر اساس آیین نامه آمریکا و با استفاده از نرمافزارهای رایانهای انجام شده و نتایج آن با نتایج حاصل از روشهای کلاسیک مقایسه گردید.
.1 مقدمه
امروزه سازه ها پس از تعیین ابعاد مقاطع و نوع مواد بر اساس استاندارد، تحلیل شده و بر اساس استانداردها طراحی می گردد[6]و سپس تلاش می گردد طراحی را براساس انتخاب میلگردها به نحوی که محدودیت های آیین نامه ای را برآورده نمایند، صورت می پذیرد. اگرچه این روش سعی و خطا یک طرح ایمن را به دنبال دارد، اما معمولا به طراحی بهینه منجر نمی شود.[4] از آنجا که هزینه مواد و مصالح مصرفی یکی ازعوامل اصلی در ساخت و ساز می باشد، کاهش آن با استفاده از کمینه کردن وزن یا حجم یک سیستم سازه ای، فرایندی با ارزش است3]و.[7 بنابراین می توان چنین انتظار داشت که اگر از امکانات قابل دسترس به بهترین نحو استفاده به عمل آید و چیزهای مورد نظر، تحلیل، طراحی و ساخته شوند، آنگاه یک کار مفید مهندسی انجام پذیرفته است.
2] بهینه سازی سازه ها نیازمند انتخاب از میان لیست متغیرها و گزینه های در دسترس می باشند، لذا باید با تعریف یک الگو و تابع هدف، کار را آغاز کرد و با یک فن محاسباتی، تحلیل و طراحی را ادامه داد و آن را به انجام رسانید1]و.[29 بهینه ساختن هزینهها برای تیرهای یک دهانه و چند دهانه بررسی شده و هم چنین متغیرهای طراحی تابع هزینه آن ها علاوه بر ابعاد مقطع و نسبت فولاد، کیفیت بتن شامل خوردگی را در بر می گیرد.[34] استفاده از روش الگوریتم ژنتیک نسبت به روش های کلاسیک کاهش گرادیان و روش نقطه داخلی، کاهش هزینه ها را در پی خواهد داشت18]و.[28 یک مدل هندسی جهت به حداقل رساندن هزینه های طراحی یک تیر با توجه به هزینه مواد و شاترینگ ارائه می شود.
[13] علاوه بر بهینه ساختن هزینه ها، مقاومت مورد نیاز برای بارگذاری اعمال شده نیز فراهم می شود23]و. [37 کاربرد روش بهینه سازی simulated annealing، با استفاده از نرمافزار MATLAB برای طراحی تیرها ارائه می شود.[15] طراحی بهینه ابعاد و سطوح فولاد را با استفاده از روابط ساده به جای استفاده از روابط پیچیده با کمترین تفاوت انجام شده است.[15] مطالعات انجام گرفته بر اساس روابط تجربی رفتارهای خمش و لغزش بین فولاد و بتن توسط روش طراحی بر اساس برنامه نویسی ریاضی برای سازه های SRC را ارائه شده است .
[32] کاربرد روش ضرایب لاگرانژ جهت به حداقل رساندن هزینه های طراحی تیرهای مجزا و دوبل گزارش شده است؛ علاوه بر آن آنالیز حساسیت هزینه ها نیز انجام شده است11]و.[35 مقایسه بین روش بهینه سازی کلاسیک و روش بهینه سازی اکتشافی با نام الگوریتم ژنتیک انجام شده است.[30] نوع جدیدی از میلگردها به جای خاموت ها در تیرهای بتنی جهت تقویت برشی مقطع به صورت مایل جایگذاری می شوند که انتخاب بهترین نوع و شکل این میلگردها جهت حداقل کردن هزینه ها، نیازمند تحلیل نتایج آزمایشات بر روی تعدادی نمونه آزمایشگاهی می باشد.[26] طراحی بهینه بتن به صورت خمشی برای تیرهای مستطیلی، مثلثی، مثلثی وارونه، ذوزنقه ای و ذوزنقه ای معکوس بر اساس هندسه مقطع و آیین نامه آمریکا صورت می گیرد و نتایج حاکی از این است که هزینه های مقطع مثلثی حدود 12 الی 37 درصد کمتر از دیگر مقاطع دیگر می باشد.
[25] بهینهسازی هندسی تیرهای چنددهانه RC برای هر نوع بارگذاری دینامیکی نیز صورت گرفته است.[28] برای یک مقاومت مورد نظر به حداقل رساندن جرم تیر دو سر ساده و کنسولی با استفاده از نرمافزارهای COMSOL و MATLAB وCATIA صورت می گیرد17]و31و.[36 تاثیر انواع بارگذاری های خمشی و برشی بر روی تعدادی نمونه بتنی حاکی از آن است که با کاهش نسبت هزینه واحد فولاد در هر تن به هزینه بتن در هر متر مکعب هزینه کلی تیر را کاهش می دهد.
[33] طراحیهای بهینه بر اساس نمودار تنش کرنش در EC2-2001 وMC90 برای هر دو تیرهای تقویت شده مجزا و دوبل با آیین نامه ACI مقایسه شده است.[24] می توان انتظار داشت که با کاهش ابعاد تیر مستطیلی، کاهش هزینه ها را داشته باشیم، ولی، با کاهش ابعاد، نقش میلگردها افزایش می یابد; بنابراین انتخاب ابعاد بهینه مستلزم طراحی مناسب است.[19] برای تخمین حداقل میلگرد تقویت برشی توسط آزمایشات تجربی بر روی تیرهای کوچک قابل محاسبه است.
[9] متغیرهای خارجی طراحی از جمله هندسه مقطع و خصوصیات مواد مقطع تیر، با استفاده از روابط ساده تجربی و عملی به جای استفاده از روابط محاسباتی کامپیوتری، قابل محاسبه است .[8] تحقیق بر اساس بهینه اقتصادی میلگردهای طولی و ارتفاع مناسب مقطع امری ارزشمند جهت اقتصادی نمودن تیر مستطیلی بتنی می باشد.[21] می توان در طراحی ها با استفاده از ترکیبات طراحی به صورت دستی به طراحی ها پرداخت.[12] شرایط تکیه گاهی، قیمت مواد، بار اعمال شده و تنش تسلیم فولاد بر خلاف مقاومت بتن و عرض تیر تاثیر زیادی در نسبت بهینه فولاد دارد.
[22] نسبت بهینه فولاد در تیر بتنی در طول یک دهانه ممکن است ثابت نباشد و در طول دهانه تغییر کند.[5] روش خطوط تنش اصلی یک روش جدید جهت طراحی بهینه تیرهاست.[38] بهینهسازی مبتنی بر عملکرد - PBO - روشی مناسب برای طراحی بهینه اتصالات بین تیر و ستون های بتنی می باشد.[20] الگوریتم بهینه سازی فرآیند مقید شده احتمالی، پاسخی با تقریب مناسب برای بارگذاری های مفروض ارائه می دهد.[16] با استفاده از نمودارهای نیرو و خمش می توان به بهینه سازی تیرهای بتنی با هر شکل مقطع و ارتفاع، پرداخت.[14]
.2 روشهای بهینهسازی تیر بتنی
استفاده از روشهای مختلف جهت بهینه ساختن تیرها به طوری که بتن و فولاد مصرفی حداقل گردد، با همان کارایی نتایج روشهای استاندارد ارائه میگردد. ابتدا دو روش عددی و سپس روش ضرایب لاگرانژ و در انتها روش سیمپلکس ارائه میگردد. هدف،روشیمناسب برای بهینه ساختن هزینههای فولاد و بتن و قالبها میباشد. برای این کار ما نیازمند یک تابع هدف کلی هستیم که نشاندهنده هزینههای کلی تیر اعم از هزینههای فولاد، بتن و قالبها باشد. فرمول زیر تابع هدف اصلی ما نیز میباشد.
