بخشی از مقاله
چکیده
یکی از مشکلات سدهای بتنی وزنی هزینه بالای بتنریزی از نظر حجم بالای سد میباشد. جهت رسیدن به گزینه بهینه، ناچار به تعریف مسئله بهینهسازی در این مسائل خواهیم بود. بهترین ابعاد، ابعادی میباشند که با تأمین شرایط پایداری، کمترین حجم بتنریزی را دارا باشند. لذا در این تحقیق، از روش ژنتیک که جزء روشهای هوشمند میباشد، جهت تعیین ابعاد بهینه مقطع سد بتنی استفاده شده است.در بررسی قیود تنش، در این مسئله، تنش فشاری در ترازهای بالاتر به دست آمده، حداکثر تنش به دست آمده در الگوریتم بهینهساز قرار داده شده و مسئله، حل شده و با نتایج مسئله در حالت بدون تحلیل تراز به تراز تنش، مقایسه شده است.
کلمات کلیدی: سد بتنی وزنی، بهینهسازی، قید تنش فشاری، الگوریتم ژنتیک
مقدمه
با توجه به اینکه در سدهای وزنی، اولاً وزن سد در ایجاد پایداری این سازه و ایجاد تعادل در برابر نیروهای محرک مانند هیدروستاتیک، هیدرودینامیک و بالابرنده نقش مهمی را ایفا میکند و ثانیاً در ساخت سد، از بتن استفاده می-شود؛ هزینه ساخت این سدها معمولاً بیشتر از سدهای دیگر است. بنابراین اگر بتوان به نحوی مقطع سد را بهینه نمودکه حجم بتن مصرفی در ساخت سد، کاهش یابد؛ به اقتصاد طرح کمک فراوانی خواهد کرد.[1] با توجه به مشکلات روشهای جستجوی کلاسیک، از قبیل امکان گرفتار شدن در نقاط بهینهی محلی، استفاده از مشتقات توابع در فضای جستجو و عدم کارایی در اکثر مسائل عملی، رویکرد محاسبات جستجو به سمت بهرهگیری از علوم طبیعی در حل مسائل بهینهسازی سوق پیدا کرده است.
شاخههایی از علوم ریاضی که به مدل سازی و پیادهسازی این اصول میپردازند در قالب محاسبات تکاملی1 مطرح میشوند. الگوریتم ژنتیک، الگوریتم گروه ذرات و الگوریتم مورچگان، نمونههایی از الگوریتمهایی هستند که از فرایندهای زیستی و تکاملی موجود در طبیعت به منظور تعیین راه حلهای بهینه استفاده میکنند.[2]پیش از این، مسئلهی بهینهسازی سدهای بتنی، بیشتر در کشور چین که سدهای در دست ساخت بسیاری داشته و دارد، مورد بررسی قرار گرفته است5]،4،.[3 در ایران نیز امامزاده،[6]1380؛ ماهری و همکاران،[7]1382؛ به بررسی مسئلهی بهینهسازی در سدهای بتنی قوسی و بر اساس الگوریتمهای مرسوم ریاضی و الگوریتم ژنتیک پرداختهاند.
مرتضوی نائینی و همکاران،1384، با الگوریتم مورچگان[8]، ملازاده و همکاران،1384، با الگوریتم ژنتیک[9]، غضنفری هاشمی و همکاران با الگوریتم بازپخت[10]، جعفریه و همکاران با الگوریتم ذرات[11]، اقدام به بررسی بهینهسازی در سدهای وزنی کرده اند.در این تحقیق، در بررسی مسئلهی بهینهسازی، برای اعمال قیدها، از تحلیل سه مقطع از سازه - دو مقطع نیمه و مقطع کامل - برای تنش فشاری و لغزش استفاده شده است. از آنجا که مقدار تنش فشاری در بدنهی سد و در هر تراز به صورت خطی از بالادست به پائیندست تغییر میکند؛ میتوان حداکثر تنش فشاری موجود در لبههای بالادست و پائیندست را بر اساس تحلیل المانهای جانبی سازه، به دست آورد. در این مسئله، برای تبدیل مسئلهی مقید به نامقید، از روش تابع جریمه استفاده شده است. ×
مواد و روشها
-1 شبیهسازی
Visual Basic و Matlab محیطهای برنامهنویسی مورد استفاده در این پروژه میباشد که علاوه بر اصول برنامهنویسی ساده و پیشرفته، امکان استفاده از واصل گرافیکی را امکانپذیر مینمایند.در این برنامه سعی شده است تا با داشتن ژئومتری مقطع سد و هیدرولیک مربوط به مخزن سد، سد مورد نظر بررسی و مورد تجزیه و تحلیل قرار بگیرد.در این برنامه با استفاده از ایجاد فرمهای متعدد و زیرمجموعه در فرم اصلی، ورود ژئومتری تک تک نیروها در فرم-های جداگانه و مربوط به خود انجام میگیرد که این امر مزیت شناسایی فاکتورهای مؤثر در هر نیرو را به کاربر می-دهد. بر اساس استانداردهای طراحی، هفت نیروی مؤثر در بررسی پایداری سدها در این فرم تهیه گردیده است که براساس اهمیت نیروها عبارتند از: نیروهای وزن، هیدروستاتیک، زیر فشار، اکتیو رسوبات، زلزله در بدنه، زلزله در مخزن و نیروهای موج .که بر اساس ترکیبات بارگذاری USBR به استثنای تنشهای حرارتی که در سدهای وزنی محاسبه نمیشوند، در نظر گرفته شدهاند12]،.[13
-1-1 ترکیبات بارگذاری پیشنهادی :USBR
بارگذاری عادی - معمولی - : که در این حالت، تأثیر همزمان بار مرده، نیروی هیدروستاتیکی آب در تراز نرمال و طراحی - تراز تاج سرریز - و نیروهای رسوبات - در صورت وجود - ، بالابرنده، یخ و پایاب در نظر گرفته میشود. اگر بارهای ناشی از تغییر درجه حرازت نیز وجود داشته باشد حداقل درجهی حرارتهای موجود به کار گرفته میشود.بارگذاری غیر عادی - غیر معمولی - : در این نوع ترکیب، تأثیر همزمان بار مرده، نیروی هیدروستاتیکی آب در تراز حداکثر در بالادست و نیروهای رسوبات - در صورت وجود - ، بالابرنده، پایاب و حداقل درجهی حرارت در صورت لزوم، در نظر گرفته میشود.بارگذاری فوقالعاده: در بارگذاری فوقالعاده، تمام بارهای بارگذاری عادی به اضافهی حداکثر منطقی نیروی زلزله اثر میکند.[14]
-2-1 تعیین ضرایب پایداری:
در مدل ارائه شده، که از خاصیت GUI بهره میبرد، مقادیر ضرائب پایداری و همچنین، مقدار ضریب خزش محاسبه میشود. بدیهی است تعیین ضرائب پایداریها به عنوان قیود بخش بهینهسازی به کار میروند.
-1 ضریب اطمینان در برابر لغزش: در این مدل ابتدا با محاسبه نیروهای محرک و مقاوم به صورت مجزا، اقدام به بررسی ضریب اطمینان در برابر لغزش نموده و پایداری با رابطه زیر کنترل میشود:
در آن SFS، ضریب اصطکاک برشی، ، ضریب اصطکاک بین مصالح دوقطعه بالایی و پائینی، FV ، مجموع نیروهای قائم بر مقطع، Fh ، مجموع نیروهای افقی بر مقطع، ، مقاومت برشی متوسط مصالح در مقطع مورد نظر، A ، سطح مقطع مورد نظر میباشند.
