مقاله پیشبینی عملکرد لرزه ای قابهای فولادی خمشی با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی

بخشی از مقاله

پیشبینی عملکرد لرزه ای قابهای فولادی خمشی با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی

خلاصه

با پیدایش علوم کامپیوتر و تولید بستههای نرم افزاری مختلف، روز به روز روشهای مختلفی از الگوریتمهای محاسباتی در دسترس مهندسین محاسب قرار میگیرد. مهمترین ویژگیهای این الگوریتمها را میتوان سرعت بالای اجرای و دقت مناسب آنها دانست. امروزه شبکههای عصبی مصنوعی به عنوان یکی از این نوع متدهای محاسباتی است که در بین تمام علوم گسترش پیدا نموده و مهندسی عمران نیز از این قاعده مستثنی نبوده است. لذا در این مقالهی تحقیقاتی ارزیابی سطح عملکرد قابهای خمشی فولادی مهاربندی شده با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج حاصله از دقت بسیار بالای شبکههای عصبی مصنوعی استفاده شده حکایت دارند.

کلمات کلیدی: الگوریتمهای محاسباتی، شبکههای عصبی مصنوعی، قابهای خمشی فولادی

1. مقدمه

ایران یکی از زلزله خیزترین کشورهای جهان میباشد که روی کمربند زلزله آلپ – همالیا قرار دارد. ایران از جمله کشورهایی است که بخاطر وقوع زلزله در گذشته تلفات جانی و مالی بسیاری را متحمل شده است. با توجه به این که وقوع زلزله از کنترل بشر خارج میباشد، چگونگی اثرات مخرب زلزلهها همواره مورد توجه محققین بوده است. از قرن گذشته که آییننامههای ساختمانی تدوین شدند برای مقابله با آثار زلزله نیز روشهای طراحی و محاسبه نیروهای ناشی از زلزله در سازهها ارائه شد. در اکثر آییننامهها ی طراحی لرزهای نیروی ناشی از زلزله از روند تحلیل استاتیکی معادل محاسبه میشوند، استفاده از این روش که با ساده سازیهای زیادی از جمله در نظر نگرفتن اثرات دینامیکی زلزله و همچنین فرض رفتار خطی سازه در هنگام وقوع زلزله بوده است، باعث عدم اعتماد به رفتار این سازهها در زلزلههای بزرگ میشود.

محققین بر اساس مطالعاتی که بر روی زمین لرزههای اخیر داشتهاند، مشاهد کردند که سازههای که با آییننامههای متداول طراحی شدهاند از لحاظ تامین امنیت و سلامت جانی عملکرد خوبی دارند ولی میزان خسارت وارد بر این سازهها بسیار بالا بوده و از لحاظ اقتصادی تعمیر و مرمت آنها توجیهی ندارد. در واقع این آییننامهها فاقد مکانیزم لازم جهت کنترل ساختمانها در سطوح عملکرد متفاوت میباشند. از این رو بسیاری از آییننامههای طراحی در حال گذر از یک سری تغییرهای بنیادی هستند بطوریکه ساختمان با توجه به عملکردی که از عناصر سازه ای و غیر سازهای آن انتظار میرود طراحی میشود. در ایران تنها آییننامه در این زمینه دستور العمل بهسازی لرزهای ساختمانهای موجود میباشد که توسط سازمان مدیریت و برنامه ریزی کشور در اختیار جامعه مهندسین قرارگرفته است.

2. مدلسازی

سازههای مورد نظر با کاربری مسکونی و در منطقهای با خطر لرزهای زیاد و بر روی خاک نوع П در نظر گرفته شدهاند، با تغییر تعداد دهانه از دو تا چهار دهانه و تغییر تعداد طبقات از سه تا هفت طبقه در مجموع پانزده قاب انتخاب شده است. قابهای مذکور مطابق مبحث ششم مقررات ملی و استاندارد 2800 بارگذاری ثقلی و لرزهای شده اند و طراحی قابها با رعایت جزئیات مربوط به شرایط شکلپذیری متوسط مطابق با مبحث دهم مقررات ملی ایران طراحی شدهاند..

•تمام قابهای مورد بررسی با استفاده از ویرایش 11 نرمافزار SAP2000 تحلیل شدهاند.

•مفاصل خمیری مطابق آئیننامه بهسازی لرزهای با توجه به نوع رفتار مورد نظر در تیرها و ستونها به اجزای سازهای اختصاص داده میشود.

•.روش کار در تحلیل استاتیکی غیرخطی به این ترتیب است که ابتدا بارهای ثقلی به سازه اعمال میگردد، سپس بارهای جانبی به مجموعه بارها اضافه میشود. در این تحقیق نیروهای جانبی بصورت توزیع متناسب با بار جانبی در روش استاتیکی خطی میباشد. همچنین ترکیب بار ثقلی مطابق با دستورالعمل بهسازی لرزهای ایران به صورت زیر اعمال شده است:

QLبار زنده و QD بار مرده میباشد. الگوی بار جانبی به صورت توزیع، منطبق بر روش استاتیکی معادل (مطابق با استاندارد 2800 ایران) وارد شده است.
•با تغییر پارامترهای سازه ای قابهای مذکور تعداد 154 قاب مدلسازی شده است، منحنی ظرفیت تمام قابهای مدلسازی شده با استفاده از تحلیل پوشآور بدست آمده است. سپس با استفاده از روش ضرایب جابجایی برای سه شتاب مبنای طرح، برش پایه و جابجایی بام (خروجیهای شبکه عصبی) در تغییر مکان هدف محاسبه شده است. در نهایت تعداد 462 زوج آموزشی جهت مدلسازی شبکه عصبی آماده شده .

•در این تحقیق دو شبکه عصبی مصنوعی زیر جهت پیش¬بینی نقطه عملکرد مورد بررسی قرار گرفته است: -شبکه عصبی مصنوعی پیش سو (Feed Forward) با 11الگوریتم پسانتشار خطا (BP)
-شبکه عصبی تابع بنیادی شعاعی (Basis Function Radial)

3. تحلیل استاتیکی غیر خطی (پوش آور)

در این روش بار جانبی ناشی از زلزله، به طور استاتیکی و به تدریج به صورت فزاینده به سازه اعمال میشود تا آنجا که تغییر مکان در یک نقطه کنترل (مرکز جرم بام) تحت اثر بار جانبی به مقدار مشخص (تغییر مکان هدف) برسد یا پیش از آن سازه ناپایدار شود. این روش مشابه تحلیل استاتیکی خطی است با این تفاوت که رفتار غیرخطی تمام اعضاء و اجزاء سازه در تحلیل وارد میشود و همچنین اثر زلزله به جای اعمال بار مشخص بر حسب تغییر مکان برآورد میشود. روش کار در تحلیل استاتیکی غیرخطی به این ترتیب است که ابتدا بارهای ثقلی به سازه اعمال میگردد، سپس بارهای جانبی به مجموعه بارها اضافه میشود.

در این تحقیق ترکیب بار ثقلی مطابق با دستورالعمل بهسازی لرزهای ایران به صورت زیر اعمال شده استْ

که در رابطه فوق QL بار زنده و QD بار مرده میباشد. الگوی بار جانبی به صورت توزیع، منطبق بر روش استاتیکی معادل (مطابق با استاندارد 2800 ایران) وارد شده است.

برای انجام تحلیل استاتیکی غیرخطی (پوشآور) باید مفاصل پلاستیک تعریف شوند.

4. تعیین تغییر مکان هدف

تغییر مکان هدف در در واقع، بیشینه جابجایی سازه را تحت طیف زلزله معرفی شده مشخص میکند که برای ساختمان با دیافراگم صلب با فرمول تقریبی ارئه شده در بند (1-2-3-3-3) دستورالعمل بهسازی که همان فرمول ارائه شده در بند(FEMA356 (2-3-3-3-3 به روش سعی و خطا محاسبه می گردد4]،.[2

در این رابطه Te تناوب اصلی موثر ساختمان با فرض رفتار خطی در جهت مورد بررسی، Ti زمان تناوب اصلی ساختمان با فرض رفتار خطی در جهت مورد نظر، Ki سختی جانبی الاستیک ساختمان در جهت مورد بررسی و Ke سختی جانبی موثر ساختمان در جهت مورد بررسی میباشد. همچنین در این رابطه، C0 ضریب اصلاح برای ارتباط تغییر مکان طیفی سیستم یک درجه آزدی به تغییر مکان بام سیستم چند درجه آزادی میباشد که در مدل ها بر اساس شکل مدی محاسبه شده است. C1 ضریب اصلاح برای تبدیل تغییر مکانهای محاسبه شده از پاسخ خطی الاستیک به ماکزیمم تغییر مکان الاستیک مورد انتظار سازه بر مبنای روابط دستور العمل