فرمهای ساختمانی بهینه

چکیده :

یکی از هدفهائی که همواره در رشته های مهندسی معماری ، عمران ، مکانیک و ریاضی مورد توجه قرار گرفته ، دست یافتن به فرمهای ساختمانی است که در نوع خود از جنبه هائی بهترین و کاملترین طرح می باشند . امروزه نیز در جوامع مختلف توجه بیشتری به مسائل یافتن بهترین فرم از نظر هندسی و فیزیکی معطوف گشته بنحویکه این سلسله مطالعات خود رشته های خاص را بوجودآورده که به بهینه سازی درساختمان معروف است .

فرمهای ساختمانی را که از این لحاظ در طبقه خود دارای بالاترین قابلیت های مکانیکی و یا بالاترین ارزشهای اقتصادی هستند ، فرمهای بهینه می گویند ، که در این مقاله به بحث کیفی در مورد فرمه ای ساختمانی بهینه پرداخته و به ارائه نمونه هائی از این فرمها مانند : کم وزنترین فرمهای خرپائی ، کم وزنترین شبکه های تیری ، قوی ترین فرمهای ساختمانی فشاری و فرمهای بهینه رفتاری خواهیم پرداخت .

واژگان کلیدی : فرمهای ساختمانی، بهینه سازی، خرپای میچل، تیر شبکه ای، بهینه رفتاری

مقدمه :

با توجه به انواع فرمها و ارزش های مختلف آنها برای دست یافتن به فرم های بهینه ، مسائل مهندسی زیادی را باید مطرح و حل کرد و این مطلب خود در قرون متمادی پیوسته مورد تحقیق و بررسی محققانه درجهان قرار گرفته است . امروزه نیز در ج وامع مختلف توجه بیشتری به مسائل یافتن بهترین فرم به لحاظ هندسی و فیزیکی معطوف گشته ، به طوریکه این سلسله مطالعات خود رشته ای خاص را ایجاد کرده که به بهینه سازی ساختمانهای( Structural Optimization) معروف است . فرمهای ساختمانی را که از این نظر در نوع خود دارای بیشترین قابلیت های مکانیکی و یا بالاترین ارزش های اقتصادی می باشند فرمهای بهینه (( Optimal Forms می گویند.

در سال 1869 کلرک ماکسول( Klerk Maxwell )  تئوری فرمهای مقاوم با حد اقل وزن را بنیانگذاری کرد و در سال 1904 میچل( Michell ) تئوری عمومی فرمهای مقاوم را با حداقل وزن تعمیم داده و آنرا برای بدست آوردن چندین فرم خرپا با حداقل وزن بکار برد . از آن زمان تا به حال محققین زیادی با استفاده از این اصول فرمهای دیگری را نیز بدست آورده اند . در این مقاله ما به بحثی کیفی در مورد فرمهای ساختمانی بهینه خواهیم پرداخت و نمونه هایی از این فرمها را ارائه می دهیم.

1- کم وزن ترین فرم های خرپایی

یکی از معیارهای اصلی برای سنجش درجه تکامل فرمهای ساختمانی اینست که فرم ضمن ارضا ء شرایط مکانیکی ) تعادل ، پایداری، مقاومت و ارتجاع ( از نقطه نظر اقتصادی نیز نسبت به فرمهای نظیر دارای برتری باشند .

مصرف کم مصالح ) سبک وزن ( یکی از موازین اقتصادی است ، و سؤالی که همواره در تاریخ تکامل علم مکانیک و کاربرد آن در انتخاب فرمهای ساختمانی از نقطه نظر های علمی و مهندسی مطرح گردیده هدف یافتن فرم و یا فرمهای ی بوده است که در میان طرحهایی با قابلیتهای مکانیکی مشابه از همه سبکتر باشند .

فرمهایی که پس از مطالعات طولانی بدست آمده و تا حدود زیادی جوابگوی این نیاز هستند بنام یکی از مبتکران اولیه این طرحها شهرت یافته و بنام خرپاهای میچل( Mitchell Trusses ) خوانده می شوند . در این مقاله چندین نمونه از این فرمها را که برای انتقال نیروها به لحاظ مکانیکی کاملترین و در عین حال کم وزن ترین فرم ساختمانی هستند ، مورد بررسی کیفی قرار می دهیم….