مقاله کاربرد سیستم های خبره درتعیین اسکلت ساختمان های بلند مرتبه

بخشی از مقاله

کاربرد سیستم های خبره درتعیین اسکلت ساختمان های بلند مرتبه

چکیده

امروزه اختلاف نظر شدیدی بین مهندسان در مورد بتنی یا فولادی بودن اسکلت ساختمان های بلند وجود دارد و نظرات مختلفی در این باره ارائه گردیده است. در شرایط محیطی حال، به لحاظ وجود عدم قطعیتها و نیز تعدد عوامل موثر بر مدیریت و راهبری پروژهها از قبیل ملاحظات فنی، اقتصادی، فرهنگی و نظایر آنها، »تصمیمگیری« و »انتخاب بهینه« تنها از طریق بهرهگیری از تجارب متخصصان رشتههای مختلف امکانپذیر میباشد که این رویه معمولاً از طریق کار تیمی با صرف هزینه و زمان بسیار به ثمر میرسد و از آنجا که دانش چنین کارشناسانی همواره در دسترس نیست استفاده از امکانات هوش مصنوعی و سیستمهای خبره میتواند کمک شایانی به بهبود فرایند طراحی سازه ارائه دهد. عدم قطعیت موجود در فرایند طراحی، لزوم فازی بودن آن سیستم خبره را تایید میکند.

در این تحقیق سعی شده تا ضمن بیان معیارهای انتخاب و تصمیم گیری در مورد سیستم خبره، آرایش عناصر سازه ای و ویژه گیهای مرتبط با این مقولات، قواعد مبتنی بر این معیارها تبیین شوند و براساس آن قواعد، یک سیستم خبره فازی توسعه یابد که با توجه به شرایط معرفی شده از سوی کاربر نهایی، گزینه بهینه در زمینه انتخاب اسکلت ساختمان های بلند برای پروژه مفروض را پیشنهاد دهد.

واژههای کلیدی: ساختمان های بلند، سازه های بتنی، سازه های فولادی، سیستم سازه ای، سیستم خبره، هوش مصنوعی

1

-1 مقدمه

هر روز هنگام عبور از خیابانهای شهر شاهد ساخت و سازهای روز افزونی هستیم، ساختمانهای مختلف از یک طبقه تا چند طبقه که جلوی آنها انواع مصالح دیده میشود؛ سازههایی که گاه از بتن ساخته میشوند و گاه از فولاد. دهها سال است که بحث و اختلاف سلیقه در بین ساختمان سازان و مهندسین سازه در انتخاب و برتری سازه های فولادی و بتنی نسبت به یکدیگر باعث گردیده که این سئوال و ابهام همواره ذهن متخصصین و حتی مردم عادی رابه خود جلب نماید و بهمین دلیل کارفرمایان و سازندگان تا آخرین لحظات قبل از طراحی سازه خود در انتخاب نوع سازه با تردید مواجه میشوند . شاید استمرار این ابهام به این دلیل باشد که انتخاب نوع سازه تابعی است از مسائل اقتصادی، اقلیمی، فنی، اجرایی و... به عبارتی هیچکدام از این نوع سازه ها برتری مطلقی نسبت به دیگری را نداشته، بلکه در هر شرایطی هر کدام به یک برتری نسبی بر دیگری دست می یابند. بنابراین انتخاب ناصحیح نوع سازه در هر یک از پروژه های ساختمانی با توجه به زمان بر بودن و هزینه بر بودن پروژه ها باعث رشد منفی اقتصادی آن پروژه و رشد منفی اقتصادی در سطح ملی خواهد شد.

براین اساس و همگام با پیشرفتهای دمادم علوم تکنولوژیک، بشر با بهره گیری از توان و قابلیتهای متنوع رایانهها سعی در ایجاد سیستمهایی نموده است که اساس آنها را تلاش در جهت تقلید و بازتولید روال طبیعی تفکر، تعقل و استنتاج انسانی تشکیل میدهد. سیستمهایی که محصول این تلاش هستند، امروزه با نامهایی چون »هوش مصنوعی«، »سیستمهای خبره«، »شبکههای عصبی«، »سیستمهای مدیریت دانش«، »روباتها« و نظایر اینها در علوم و صنایع از پزشکی تا مخابرات و کتابداری و اینترنت به کار گرفته میشوند از این میان سیستمهای خبره فازی با اعتبار بخشیدن به ابهامات و عدم قطعیتها در استنتاج گام به گام دادهها و با بهرهگیری از پایگاه دادههای متقن از پیش معلوم، نظامی را ایجاد میکنند که با استفاده از آن میتوان با کمترین اتکا بر قدرت تفکر فردی، به انتخاب، آسیبشناسی انتخاب، و یا گمانهزنی قابل اعتماد در زمینه حل مسائل »ساختار نیافته« و پیچیده پرداخت. این مقاله با هدف بررسی کاربرد سیستمهای خبره در انتخاب بهترین اسکلت ساختمان انجام شده است. مهندسین عمران، معمار و مدیران پروژه، میتوانند با استفاده از این سیستم خبره، علاوه بر دریافت توصیههای فنی، دانش خود را در زمینه طراحی معماری، طراحی سازهای، برنامهریزی پروژه و حتی تخمین هزینهها و ریسک پروژه، ارتقا دهند.

-2 معیارهای موثر در انتخاب سیستم سازه ای و اسکلت ساختمان های بلند

منظور از انتخاب سیستم سازه ای، دو جنبه مهم را هدف قرار میدهد، یکی انتخاب بین سه گزینه فولاد، بتن و مصالح بنایی (البته با توجه به اینکه سیستم سازه ای ساختمان های بلند مد نظر می باشد، گزینه مصالح بنایی حذف می شود) و دیگری، انتخاب سیستم باربر (انواع قاب ها و آرایشهای سازهای) که با توجه به حجم بالای مطالب و گستردگی دسته بندی اطلاعات مربوط به انتخاب سیستم باربر تصمیم بر این گرفته شد تا بحث انتخاب بین گزینه فولاد و بتن مورد پژوهش قرار گیرد. معیارهای مؤثر در انتخاب اسکلت سازه را میتوان به شرح زیر برشمرد:

الف: هزینه

2

برای تخمین هزینههای مربوط به انتخاب سیستم سازهای موارد متعددی باید مورد توجه قرار گیرند . از آن جمله، میتوان به نکات زیر اشاره کرد. -1 بخشی از هزینه مربوط به سیستم سازهای، ناشی از انتخاب مصالح متناسب با آن سیستم سازهای است. به عنوان مثال میزان مصرف آهن در سازههای فلزی با اتصالات صلب (موسوم به قاب خمشی)، بیش از مصرف آهن در سازههای فلزی با مهاربندی جانبی است. هزینه مصالح، تابع شرایط متغیر ناپایداری است که در هر روز احتمال دگرگونی آن وجود دارد (نظیر اعمال سیاستهای ناگهانی در زمینه واردات، تولید یا صادرات مصالح ساختمانی، شرایط سیاسی، تحریمهای اقتصادی، فرسودگی نسبی کارخانجات تولید مصالح و دورههای تعمیراتی طولانی مدت و موارد مشابه). از اینرو،

هزینه ناشی از مصالح متناسب با سیستم انتخاب شده، نمیتوان عامل قطعی و قابل اتکا در زمینه تعیین سیستم سازهای باشد.

-2 بخشی از هزینه مربوط به انتخاب سیستم سازهای، مربوط به سطح بهرهمندی منطقه احداث ساختمان مورد نظر از توسعه یافتگی و پیشرفت صنعتی است. به عنوان مثال، در صورتی که تصمیم گرفته شود تا یک ساختمان با سیستم پیشرفته پسفشرده در منطقه محرومی از کشور احداث شود، باید توجه داشت که نظر یه عدم کفایت نیروی انسانی و صنایع آن منطقه برای احداث چنین بنایی، کلیه ملزومات و نیروی انسانی مجرب باید از نقاط دیگر کشور به آن نقطه اعزام شوند که این، خود باعث افزایش هزینههای ساخت میگردد.

-3 فرض کنیم مهندس معمار قصد دارد به جهت برخی ملاحظات معماری، زیبایی شناختی یا عملکردی، پلان یا نمای ساختمان را به شکل خاص اصطلاحاً» بی نظم« طراحی کند. در این صورت، به جهت رعایت اصول ایمنی در برابر زلزله، حریق و نظایر آن، تمهیدات ویژهای را باید در نظر گرفت تا ساختمان به خاطر المانهای غیرمتعارف ارائه شده از سوی معمار، در برابر زلزله، حریق، ... آسیب پذیر نباشد.

بدیهی است که این »تمهیدات ویژه« مستلزم صرف هزینه است.

ب: زمان و سرعت اجرا
برخی از مهمترین معیارهایی که در این گروه قابل ارزیابی است به شرح زیر است: -1 وابستگی به ابزارها و امکانات کمکی اجرا و نصب -2 وابستگی اقدامات مختلف اجرایی به یکدیگر

-3 میزان عملیات اجرایی برای فرآوری مواد و مصالح در کارگاه ساختمانی نسبت به میزان آن در مبدأ -4 محدودیتهای فصلی در اجرای سیستم ساختمانی مورد نظر -5 زمان صرف شده و زمان بندی کلی اجرای سیستم مورد نظر در شرایط زمانی و مکانی معین

ج: قابلیت و ویژگیهای اجرایی، فنی و تخصصی
این گروه از معیارها عمدتا ناظر بر قابلیتهای اجرایی سیستم موردنظر است. البته تأثیر این گروه معیارها در اقتصاد و سرعت اجرا غیر قابل تردید است. اما به دلیل اهمیت ویژهای که در کارایی اجرایی و میزان استقبال از سیستمهای مورد ارزیابی دارد، به صورت مجزا مطرح میشود که برخی از آنها عبارتند از:

-1 انطباق سیستم با شرایط اقلیمی؛ به عنوان مثال، ثابت شده است که سازه های فولادی در شرایط اقلیمی دارای حالت حدی (هوای بسیار سرد در زمستان و هوای بسیار گرم در تابستان) که در مناطق کویری میتوان نمونههای آن را یافت، عملکرد بهتری دارند؛ چرا که دورههای ذوب و انجماد متوالی، بر عمر و دوام بتن اثر مخربی دارد. در عوض در مناطق با اقلیم پررطوبت، سازههای بتنی آشکارا بر سازههای فولادی ترجیح دارند؛ به طوری که برخی از کارشناسان، میزان پوسیدگی در سازه فولادی در چنین اقلیمی را، معادل بیش از 7 برابر میزان پوسیدگی در اقلیم خشک است.

-2 انطباق سیستم با شرایط بهداشت و ایمنی داخلی؛ به عنوان مثال، در سازهای با پلانL شکل با توجه به وجود تمرکز تنش در رأس زاویهی پلان (مرز تقعر)، باید تمهیدات ویژهای را نظر گرفت تا سازه در برابر نیروی جانبی حاصل از زمین لرزه مقاوم شود. برای این منظور، دو راه حل وجود دارد: یکی ایجاد دیوار برشی قوی و اتصالات با صلبیت بالا که توان مهار تنش بسیار بزرگ ایجاد شده در مرز تقعر را داشته باشد و دیگری، ایجاد درز انقطاع و جداسازی لرزه ای ساختمان در مرز تقعر. در راه حل اول، سیرکولاسیون افقی در هر طبقه دچار انقطاع نمیشود چرا که ساختمان به صورت یکپارچه است. در نتیجه در صورت بروز حریق، انتشار دود و شعله در سراسر طبقه محتمل است و در عوض تراکم دود و گازهای خفه کننده کاهش مییابد. اما در راه حل دوم، با توجه به اینکه به خاطر وجود درز انقطاع، فضای ارتباط دهنده دوبال ساختمان، محدود خواهد شد، در صورت بروز حریق، شعله و دود حاصله، در فضای محدودتری باقی خواهد ماند و احتمال گسترش آن به سایر بخشها اندکی کاهش خواهد یافت اما در عوض، چگالی دود و گازهای خفهکننده، افزایش نسبتاً زیادی خواهد یافت و این امر میتواند حتی بیش از خود حریق، موجب وارد آمدن خسارات و تلفات جانی شود. اینکه کدامیک از راهحلهای ارائه شده، باید انتخاب شوند، به تناسب ویژگیهای هر یک ازاین راهکارها با سایر معیارهای طراحی بستگی دارد. در این راستا، میتوان از »عملکرد« به عنوان یکی از عوامل انتخاب راه حل مناسب نام برد. ترجیح بر آن است که در ساختمانهایی با عملکرد بیمارستان، آسایشگاه، هتل و نظایر آن، از راه حل اول یعنی ایجاد دیوارهای برشی و اتصالات صلب استفاده شود.

-3 دوام و پایایی سیستم در شرایط مختلف جوی -4 قابلیت ایجاد تغییرات در سیستم موردنظر پس از اجرا و در دوران بهرهبرداری

3

د: ایمنی در برابر زلزله

بدیهی است هر چه سطح ریسک زمین لرزه منطقه بالاتر باشد، سازه ساختمان موردنظر باید شرایط بیشتری را در زمینه ایمنی در برابر زلزله برآورده کند. ممکن است این شرایط و معیارها، با توجه به برخی معیارهای دیگر نظیر عملکرد، شکل پلان، شرایط بارگذاری و ... تشدید نیز بشوند.

نکته: در بحث سطح خطر یا ریسک وقوع حوادث طبیعی، مباحث دیگری نیز مطرح میشود که در واقع مربوط به حوزههای دانش مدیریت ریسک پروژه می باشد. در بحث مدیریت ریسک، شاخص ریسک پروژه را از حاصل ضرب سه عامل، یعنی:

احتمال وقوع ریسک ( در اینجا: سطح خطر وقوع زمین لرزه شدید)، میزان خسارات ناشی از وقوع ریسک (اعم از خسارات جانی، مالی، مستقیم، غیر مستقیم، کوتاهمدت، میان مدت و بلندمدت) و فاکتور افکار عمومی، به دست میآید. با توجه به این نکته، باید گفت که سطح خطر نسبی وقوع زمینلرزه، معیاری است که اثر آن بر فرایند انتخاب سیستم سازه ای، میتواند تحت تأثیر معیارهای دیگری چون عملکرد سازه و موضع اجتماع در قبال سازه مورد نظر قرار بگیرد.

ه: شیب زمین

شیب طبیعی زمین، نوعی از عوارض ناخواسته در زمین است که میتواند بر فرایند انتخاب سیستم سازهای تأثیر بگذارد، چرا که جریان انتقال نیرو به پی را دچار اختلال میکند.

و: مقاومت زمین و جنس ز: میزان در دسترس بودن مصالح ح: شرایط کارگاه

به عنوان مثال، چنانچه در دسترسی به کارگاه یک پروژه به اندازهای محدودیت وجود داشته باشد که امکان فعالیت ماشینآلات متداول کارگاهی میسر نباشد و یا مستلزم صرف هزینهها و تدارک تمهیدات خاص باشد، مدیر پروژه میتواند گزینههای دیگری را از قبیل استفاده از عناصر سازهای پیشساخته را مد نظر قرار دهد.

ط: میزان جاگیربودن سیستم و ابعاد عناصر سازهای ی: مباحث آسیبشناسانه طراحی معماری و عملکردی

این معیار، خود به دهها معیار تقسیم میشود. در این خصوص، توصیهها و رهنمودهایی در کتب مهندسی سازه و نیز در آییننامههای طراحی لرزهای وجود دارد. به عنوان مثال برای رفع آثار لرزه ای مخرب ناشی از وجود طبقه نرم، ستون کوتاه، عدم تقارن در پلان، گسست در جریان افقی و عمودی نیروها و نظایر آن، راهحلهایی در کتب مذکور آورده شده که به جهت اختصار از ذکر آنها خودداری میشود.

یادآوری: چنانچه ملاحظه میشود، تقریباً در کلیه ویژگیها، قطعیتی وجود ندارد و صرفاً انتخاب براساس مزیتهای نسبی است. این همان عاملی است که باعث میشود تا در انتخابگری، از "سیستمهای خبره فازی" استفاده کنیم.

-3 سیستم های خبره فازی

سیستمهای خبره، برنامههای کامپیوتری هوشمندی هستند که دانش و روشهای استنباط و استنتاج را بکار میگیرند تا مسائلی را حل کنند که برای حل آنها به مهارت انسانی نیاز است. میتوان از مزایای استفاده از سیستمهای خبره به پاسخدهی سریع، افزایش قابلیت اطمینان، کاهش هزینه، انعطافپذیری سیستم، سهولت انتقال دانش و تجربیات چندگانه اشاره نمود.

دو حادثه در اوایل قرن بیستم منجر به شکلگیری »منطق فازی« یا »منطق مبهم« شد (منطق فازی یعنی توان استدلال با مجموعههای فازی). اولین حادثه پاراداکسهای مطرح شده توسط برتراند راسل در ارتباط با منطق ارسطو بود. برتراند راسل بنیادهای منطقی برای منطق فازی »منطق مبهم« را نهاد، اما هرگز موضوع را تعقیب نکرد. وی در ارتباط با منطق ارسطویی چنین بیان میدارد:

»تمامی منطق سنتی بنا به عادت فرض را بر آن میگذارد که نمادهای دقیقی به کار گرفته شده است. به این دلیل موضوع در مورد این زندگی خاکی قابل بکارگیری نیست، بلکه فقط برای یک زندگی ماوراءالطبیعه معتبر است.«

دومین حادثه، کشف »اصل عدم قطعیت« توسط هایزنبرگ در فیزیک کوانتوم بود. هایزنبرگ نشان داد که حتی اتمهای مغز نیز نامطمئن هستند. حتی با اطلاعات کامل نمیتوانید چیزی بگویید که صددرصد مطمئن باشید. هایزنبرگ نشان داد که حتی در فیزیک، حقیقت گزارهها تابع درجات مختلفی است.

در این میان، منطقیون برای گریز از خشکی و جزمیت منطق دو ارزشی، منطقهای چند ارزشی را به عنوان تعمیم منطق دو ارزشی پایهگذاری کردند. اولین منطق سه ارزشی در سال 1930 توسط لوکاسیه ویچ ـ منطق دان لهستانی ـ پایهگذاری شد. سپس منطقدانان دیگر نظیر بوخوار، کلین و هی تینگ نیز منطقهای سه ارزشی دیگری ارائه کردند. منطق فازی نیز یک منطق چند ارزشی است. در این منطق به جای درست یا نادرست، سیاه یا سفید، صفر یا یک، سایههای نامحدودی از خاکستری بین سیاه و سفید وجود دارد. در سال 1937 ماکس بلک ـ فیلسوف کوانتوم ـ مقالهای راجع به