وزارت علوم، تحقیقات و فناوری
دانشگاه ملایر
دانشکده مهندسی عمران و معماری-گروه عمران
پایان نامه کارشناسی ارشد عمران )گرایش سازه(
طراحی بهینه لرزهای قابهای فولادی
استاد راهنما :
دكتر جلال اکبری
استاد مشاور:
دکتر علیرضا جهانپور
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود است)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل است)
چکیده:
در مهندسی عمران بهینهسازی سازهها برای بارگذاریهای استاتیكی به طور قابل ملاحظهای توسعه داده شده‌اند. لیكن، در بهینهسازی برای بارهای لرزهای مشكلات عدیده‌ای مانند وابستگی قیود نسبت به زمان، متغیر بودن فضای طراحی در زمان و محاسبات گرادیان نمود پیدا می كند. برای بهینهسازی در برابر زلزله در این تحقیق از روش تحلیل دینامیکی طیفی استفاده شده است كه دقت قابل قبولی داشته و با مشكلات فوقالذكر نیز درگیر نمیباشد. برای این منظور، به بهینهسازی قابهای فولادی كوتاه، متوسط و بلند در برابر زلزله پرداخته شده است. نتایج حاصل از بهینهسازی با بهره گرفتن از روش کلاسیک (روش های بر مبنای گرادیان) با نتایج حاصل از بهینهسازی گسسته الگوریتم ژنتیکی، برای اطمینان از بدست آمدن طرح بهینه كلی، مقایسه شده‌اند. در روش کلاسیک، برای محاسبه گرادیانها و تحلیل حساسیت، از روش تفاضل محدود پیشرونده استفاده شده است. با بهره گرفتن از تحلیل المان محدود، تحلیل استاتیکی انجام شده و با در نظر گرفتن جرم سازه بصورت سازگار از فرض ساده کننده قاب برشی، اجتناب گردیده است. با در نظر گرفتن سختی هندسی، اثرات ثانویه در تحلیل استاتیکی اعمال شده است. جهت انجام تحلیل لرزهای، با محاسبه طیف پاسخ الاستیک زلزله دلخواه، به تحلیل دینامیکی طیف پاسخ سازه پرداخته شده است.
در این پایان نامه ، قابلیت روش های ارائه شده با حل چند مساله از نوع بهینهسازی قابهای فولادی مهاربندی شده و مهاربندی نشده و بارعایت ضوابط فنی و آییننامهای تنش مجاز مبحث 10 مقررات ملی ساختمان، ارائه شده است. نتایج با یکدیگر مقایسه و اقتصادیترین سیستم سازهای در برابر ارتفاع مشخص شده است.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول :مقدمه……………………………………………………………………………………………1
1-1- زمینه تحقیق ………………………………………………………………………………………………………………..2
1-2-فرضیات تحقیق……………………………………………………………………………………………………………..4
1-3- لزوم انجام تحقیق…………………………………………………………………………………………………………5
1-4- شیوه تحقیق………………………………………………………………………………………………………………….5
1-5- خلاصه پایان نامه …………………………………………………………………………………………………………..9
فصل دوم :مروری بر تحقیقات گذشته…………………………………………..………………….10
2-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………..11
2-2- تاریخچه تحقیقات……………………………………………………………………………………………………….12
2-2-1-روشهای برنامه ریزی ریاضی…………………………………………………………………………………12
2-2-2-روشهای معیار بهینگی……………………………………………………………………………………………19
2-2-3-الگوریتمهای تکامل………………………………………………………………………………………………….22
2-3- نتیجهگیری……………………………………………………………………………………………………………………27
فصل سوم : روش تحقیق……………………………………………………………………………….29
3-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..30
3-2- دلیل بکارگیری روش تحقیق……………………………………………………………………………………..30
3-3-مراحل کار و جزئیات آن……………………………………………………………………………………………..31
3-4-صحت سنجی برنامه نوشته شده برای بارگذاریهای مختلف…………………………………..46
3-5- روشهای بهینهسازی………………………………………………………………………………………………….50
3-5-1- روش بهینهسازی گرادیانی SQP…………………………………………………………………………..50
3-5-2- روش بهینهسازی اکتشافی GA……………………………………………………………………………..52
3-6- فرمولبندی مساله بهینهسازی……………………………………………………………………………………….55
3-6-1- تابع هدف……………………………………………………………………………………………………………….55
3-6-2- قیود طراحی……………………………………………………………………………………………………………55
3-7- مزایای تحقیق انجام گرفته………………………………………………………………………………………….58
3-8- نتیجهگیری…………………………………………………………………………………………………………………..59
فصل چهارم : تحلیل نتایج و بحث………………………………………………………………….60
4-1- مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………………61
4-2- اطلاعات بدست آمده برای موضوعات تحقیق…………………………………………………………61
4-2-1- مساله اول (قاب چهار طبقه و سه دهانه)……………………………………………………………62
4-2-2- مساله دوم (قاب ده طبقه و پنج دهانه)……………………………………………………………….68
4-2-3- مساله سوم (قاب هجده طبقه و هفت دهانه)……………………………………………………..74
4-3- نتیجهگیری…………………………………………………………………………………………………………………79
فصل پنجم : نتیجه گیری و کاربرد…………………………………………………………………….81
5-1- مقدمه…………………………………………………………………………………………………………………………..82
5-2- نتیجهگیری كلی درباره مساله اصلی تحقیق……………………………………………………………….82
5-2-1- بهینهسازی لرزهای………………………………………………………………………………………………….83
5-2-2- روشهای بهینهسازی…………………………………………………………………………………………….83
5-2-3- مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و تحقیقات پیشین………………………………………..84
5-3- كاربردهای نظری و تحقیقی………………………………………………………………………………………85
5-4- كاربردهای عملی………………………………………………………………………………………………………..86
5-5- پیشنهاد تحقیقات آتی…………………………………………………………………………………………………86
منابع و مآخذ ………………………………………………………………………………………………………………………..88
پیوست ………………………………………………………………………………………………………………………………….96
زمینه تحقیق
منظور از بهینهسازی[1]در مهندسی عمران یافتن طرحی برای سازه است كه ضمن رعایت ضوابط فنی، حداقل هزینه اقتصادی را داشته باشد. قابهای ساختمانی معمولترین سازههای مهندسی عمران میباشند. بنابراین، بهینهسازی این نوع سازهها كمك بزرگی از نظراقتصادی خواهدبود. طراحی بهینه قابهای ساختمانی بصورت گسترده در دهه 60 میلادی مورد مطالعه قرار گرفت؛ زیرا یافتن پاسخ بهینه بصورت تحلیلی، تنها برای قابهای ساده و منظم امکانپذیر است. از دهه 80 میلادی با پیشرفت سریع تکنولوژی کامپیوتر، روشها و برنامه های کامپیوتری زیادی در زمینه بهینهسازی سازههای واقعی، تحت قیود طراحی عملی[2]، ارائه شده است ]1[. از آنجا که روش منحصر به فردی برای حل بهینه تمامی مسائل بهینهسازی وجود ندارد، از اینرو روشهای متعددی برای حل مسائل بهینهسازی توسعه یافته است ]2[. در حالت کلی، روشهای بهینهسازی مورد استفاده در مهندسی را میتوان به دو دسته متمایز تقسیم نمود:
الف) گرادیانی[3]
ب) اکتشافی[4]
از مشهورترین روشهای بهینهسازی گرادیانی میتوان به روشهای برنامه ریزی خطی (LP)[5]، برنامه ریزی مرتبه دوم (QP)[6] و برنامه ریزی غیرخطی (NLP)[7] و از روشهای اکتشافی نیز میتوان به روشهای الگوریتم ژنتیکی (GA)[8]، شبیهسازی بازپخت (SA)[9]، بهینهسازی هجوم ذرات (PSO)[10] و بهینهسازی فازی (FO)[11] اشاره نمود. در بهینهسازی گرادیانی، بدست آوردن جواب بهینه نیازمند محاسبه گرادیانها و تحلیل حساسیت[12] است. روشهای تحلیل حساسیت در شکل 1-1 آورده شده اند.
شکل 1-1- رویکردهای مختلف برای تحلیل حساسیت ]3[
علاوه بر مشکلات موجود در زمینه انتخاب روش بهینهسازی و نحوه تحلیل حساسیت، نحوه اعمال بار لرزهای نیز از عوامل مهم موجود در مساله بهینهسازی میباشد. بطور کلی بار ناشی از زلزله را میتوان به سه طریق بر سازه اعمال نمود:
الف. استاتیکی معادل (ESL)[13]
ب. تحلیل طیف پاسخ (RSA)[14]
پ. تحلیل تاریخچه زمانی (THA)[15]
در این تحقیق به بهینهسازی قابهای مهاربندی شده و مهاربندی نشده فولادی، تحت بارهای ثقلی و لرزهای، با بهره گرفتن از روش برنامه ریزی درجه دو متوالی (SQP)[16]و الگوریتم ژنتیکی (GA) پرداخته شده است. بار ناشی از زلزله نیز مستقیما با بهره گرفتن از روش تحلیل طیف پاسخ (RSA) بر روی سازه اعمال میشود. در انتها نتایج حاصل از اعمال این روشها بر روی قابهای 4، 10 و 18 طبقه مهاربندی شده و مهاربندی نشده فولادی با یکدیگر مقایسه و بحث و بررسیهای لازم صورت گرفته است.
1-2-فرضیات تحقیق
فرضیات اعمال شده در این تحقیق عبارتند از :
- تحلیل الاستیک خطی
- چشمپوشی از اثرات اندرکنش خاک و سازه
- استخراج قابها بصورت دو بعدی از کل سازه
- چشمپوشی از ضوابط طراحی لرزهای و جزئیات اتصالات
1-3-لزوم انجام تحقیق
در مناطق لرزهخیز مانند کشور ما ایران، نیاز مبرمی به طراحی بهینه سازههای مقاوم در برابر زلزله میباشد. طراحی بهینه این سازهها نقش بسزایی در کاهش آمار خسارات و تلفات ناشی از زلزله دارد. در اکثر تحقیقات صورت گرفته که در فصل آتی به آنها اشاره میگردد، فرضیات ساده کننده زیادی مورد استفاده قرار گرفتهاند که در میان آنها میتوان به قاب برشی[17]، ستون قوی-تیر ضعیف[18] و غیره اشاره کرد. علاوه بر این فرضیات، هدف بسیاری از تحقیقات سالهای اخیر، مقایسه روشهای بهینهسازی با یکدیگر و کاهش زمان همگرایی نتایج بوده است. بنابراین لزوم تحقیقی که در آن، بهینهسازی با بهره گرفتن از قیود طراحی موجود در مبحث 10 مقررات ملی ساختمان ایران (1387) و استاندارد 2800 (ویرایش سوم) و اعمال بارگذاری واقعی زلزله انجام شده باشد، به شدت احساس میشود.
1-4-شیوه تحقیق
برای طراحی یک سازه مقاوم در برابر زلزله، یکی از بهترین روشهای توصیه شده در آییننامههای طراحی، روش تحلیل طیف پاسخ (RSA) میباشد. در این روش، پاسخهای سازه در محدوده الاستیک خطی میباشند و برخلاف روش تحلیل تاریخه زمانی، متغیر زمان از پاسخ حذف میشود ]4[. برای انجام این روش، در ابتدا باید تحلیل مودال[19] صورت گرفته و فرکانسهای طبیعی سازه محاسبه شوند. سپس با بهره گرفتن از طیف طرح، که در آن تمامی فرکانسهای ممکن در مقابل پاسخهای حداکثر رسم شده اند و با بهره گرفتن از روش آماری ترکیب مربعی کامل (CQC)[20]،پاسخهای حداکثر سازه محاسبه شوند. بنابراین تابعی در محیط MATLAB برای تولید طیف پاسخ الاستیک نوشته شده است که طیف جا به جایی (Sd)[21]، شبه سرعت (Spv)[22] و شبه شتاب (Spa)[23] زلزله دلخواه را با بهره گرفتن از حل عددی روش خطی نیومارک، برای محدوده دوره تناوب و میرایی دلخواه، محاسبه مینماید.
بجای استفاده از برنامه های تجاری آماده، برنامهای در محیط MATLAB نوشته شده است که قادر به انجام تحلیلهای استاتیکی، P-Delta و دینامیکی طیف پاسخ میباشد. این برنامه براساس روش المان محدود (FEM)[24] نوشته شده است، برای ایجاد محیطی کاربر پسند، ورودی های برنامه در فایل پیوست اکسل (Excel) به برنامه معرفی میشوند. در این فایل باید مختصات گرهها، شماره المانها و گرههای ابتدا و انتهای آنها، درجه آزادی هر گره، بارهای متمرکز استاتیکی در هر گره، بارهای یکنواخت بر روی هر المان، مشخصات هر المان که شامل مدول الاستیسیته و جرم مخصوص میباشند و در انتها شتابنگاشت زلزله مورد نظر و میرایی ثابت سازه، وارد شوند. شکل 1-2 فلوچارت برنامه نوشته شده را نشان میدهد.
تعداد صفحه : 127
قیمت :14700 تومان
