• اطلاعیه ها

    • Amir Sepahvand

      راه اندازی بخش دریافت انجمن   ۱۶/۰۱/۱۶

      در این بخش میتوانید پروژه ها ، نقشه ها ، مقاله ها و ... خود را ارسال نموده و به اشتراک بگذارید. نکته:برای ارسال فایل ابتدا باید عضو انجمن شوید. آموزش تصویری ارسال فایل در بخش دریافت بزودی در انجمن قرار داده خواهد شد. ورود به بخش دریافت (اینجا کلیک کنید)
fazasaze

بهینه سازی ارتفاع و تعیین محل بهینه ستون های سازه های فضاکار تخت سه لایه با استفاده از الگوریتم ژنتیک

1 ارسال در این موضوع قرار دارد

بهینه سازی ارتفاع و تعیین محل بهینه ستون های سازه های فضاکار تخت سه لایه با استفاده از الگوریتم ژنتیک

واژه های کلیدی: سازه های فضاکار تخت ، بهینه سازی ارتفاع،الگوریتم ژنتیک،عملگر انتخاب، عملگر پیوند

چکیده :

دراین مقاله جهت بهینه سازی سازه های فضاکار تخت سه لایه، سطح مقطع تمامی اعضاارتفاع شبکه ونیز وجودوعدم وجود ستونها بعنوان متغیرهای طراحی و وزن سازه بعنوان تابع هدف انتخاب میشود.
قیود مسئله بهینه سازی شامل حداکثر تغییر مکان گره ها و حداکثر تنش و ضریب لاغری اعضا و نیز پایداری سازه می باشند که این مقادیر در پنج حالت مختلف بارگذاری که ترکیبی از بارهای ثقلی و جانبی است تعیین میشوند و مقادیر مجاز با استفاده از ضوابط آئین نامه استخراج می گردد به منظور کاهش زمان طراحی  ستون ها گروه بندی شده اند.

مقدمه

درمیان روش های بهینه سازی الهام گرفته از طبیعت جاندار، الگوریتم ژنتیک از تکامل یافته ترینها به شمار می رود.
الگوریتم ژنتیک براساس اصول تکاملی طبیعی موجودات زنده پایه ریزی شده است درطبیعت افرادی که دررقابت برای دستیابی به منابع محدودی مانندی غذاوسرپناه پیروزمیشوند،باقی میمانندوتولید مثل میکنند.
برتری این افراد مدیون ویژگی فردی آن هاست که تاحد زیادی تحت تاثیر ژنهای آن ها قرار دارد.
اصول اولیه الگوریتم ژنتیک توسط جان هلند، همکاران و دانشجویانش در دانشگاه میشیگان ایالات متحده در سال 1975، ارائه شده.
پس ازاین گزارش مقدماتی،تحقیق در جهت توسعه چارچوب ریاضی این الگوریتم و بطور همزمان در زمینه کاربردهای آن ادامه یافت.

درزمینه مهندسی سازه،افراد مختلفی نشان دادندکه الگوریتم های ژنتیک،مناسب ترین روش برای بهینه سازی سازه هابا متغیرهای گسسته میباشند.
مثلاَ درسال1992راجیو وکریشنامورتی،ازروش الگوریتم ژنتیک ساده واصلاح شده ای که گلدبرگ پیشنهاد داده بودبرای بهینه کردن خرپاها استفاده کردند.
در سال 1995، هاجلا ولی ، روشی  دو مرحله ای برای بهینه سازی شکل خرپاها ارائه نمودند. در همین سال، اوساکی برای یافتن شکل بهینه خرپاها تحت اثر چندین حالت بارگذاری، از روش الگوریتم ژنتیک بهره برد.

درمقاله حاضرجهت بهینه سازی شبکه سازه های فضاکار تخت سه لایه،ابتداسازه باتمام ستونهاوارتفاع مساوی دولایه ایجادمیشودکه سازه پایه نامیده میشود(شکل1).
سپس متغیرهای طراحی بااستفاده ازالگوریتم ژنتیک به نحوی تعیین میگردندکه وزن سازه حداقل گشته وقیود مسئله بهینه سازی نیزارضا گردند.
به دلیل تقارن شکل وبارگذاری وبه منظور کاهش فضای طراحی هرگره بصورت مجزاحذف نمیشودبلکه گره هابصورت هشت ویاچهارگرهی حذف میشوند(جدول1).

%D8%B4%D8%A8%DA%A9%D9%87-%D8%B3%D9%87-%D

الگوریتم ژنتیک در بهینه سازی شکل سازه های فضاکار تخت

درالگوریتم ژنتیک،متغیرها بوسیله رشته هایی از اعداد( در اینجا دودویی) که به آن ها ژن گفته می شود،مشخص می شوند.
از کنارهم قراردادن رشته های مربوط به هرمتغیر،رشته ای باطول ثابت ایجاد میشودکه کروموزم یافردنامیده میشود.
هرفردنشان دهنده یک نقطه پاسخ درفضای جستجو است.پس ازتعیین رشته مربوط به هرفردتعداد مشخصی ازرشته هابصورت تصادفی ویا انتخابی ایجاد میشوندکه به آن ها جمعیت اولیه گفته میشود.
سپس الگوریتم ژنتیک بااستفاده ازعملگرهای احتمالی،در چندین تکرار یا نسل،جمعیت جدیدی را جایگزین جمعیت قبلی می کند که در توالی نسل ها، برازندگی متوسط افرادافزایش می یابد.
این روند تا رسیدن به جواب بهینه و یا ارضای شرط همگرایی ادامه می یابد.

متغیرهای مسئله بهینه سازی شکل سازه های فضاکار

  • وجود و عدم وجود ستون ها

برای تعیین وجودوعدم وجودهرستون ازیک ژن یک بیتی استفاده میشود.بدین ترتیب اگرمقداربیت یک باشدبمعنی وجودواگرصفرباشد،به معنی عدم وجودآن ستون است.

  • مقاطع عرضی اعضا

استفاده از متغیرهای مربوط  به مقاطع عرضی اعضا شامل دو مرحله است :

3-2-1-  رمز گذاری

طول زیررشته مربوط به مقاطع عرضی اعضا بستگی به تعداد متغیرهای مستقل برای هر عضو دارد. اگر بتوان مقطع عرضی عضو iام را از بین m پروفیل انتخاب نمود، طول زیر رشته مربوط به سطح مقطع عضوi ام(li)، از رابطه زیر تعیین می شود :

%D9%81%D8%B1%D9%85%D9%88%D9%84-1.jpg

3-2-2- رمز گشایی

ابتدا زیر رشته با ارقام دودویی، با استفاده از رابطه زیر به عدد دهدهی I تبدیل می شود :

%D9%81%D8%B1%D9%85%D9%88%D9%84-2.jpg

در رابطه فوق،l طول زیر رشته و c(i) مقدار عددی بیت i ام است که مقدار آن صفر و یا یک می باشد. در مرحله بعد با ایجاد تناظر یک به یک از I به مجموعه نیم رخ های عرضی،مقدار فیزیکی نیمرخ عرضی هر عضو تعیین می شود.

  • ارتفاع شبکه

در این مقاله برای بدست آوردن فاصله بهینه هر کدام از دو شبکه بالا و پایین از شبکه میانی از یک کروموزم شش بیتی استفاده شده است که پس از رمز گشایی این کروموزم با استفاده از رابطه (2)، عدد بدست آمده در عدد 5 ضرب شده و با Hmin  که در اینجا L/40(L عرض زمین) در نظر گرفته شده است جمع می شود و به نزدیکترین عدد مضرب 5 گرد می شود. باتوجه به نیروهای داخلی،ستون ها، اعضای شبکه بالا، پایین، میانی و نیز اعضای قطری بالا و پایین هریک به سه تیپ گروه بندی شده اند بنابراین در مجموع،اعضا به 18 تیپ تقسیم می شوند. اگر مقاطع عرضی را بتوان از 8 نوع پروفیل مختلف انتخاب نمود، طول زیر رشته مربوط به هر تیپ، با استفاده از رابطه(1) عبارت است از :

%D9%81%D8%B1%D9%85%D9%88%D9%84-3.jpg

بنابراین طول کروموزم که از کنارهم قراردادن زیر رشته های مربوط به متغیرهای طراحی ایجاد میشود،بصورت زیر بدست می آید:

4.jpg

حال فرض کنید که کروموزم نشان داده شده در شکل(2)، یکی از افراد جمعیت اولیه باشد:

5.jpg

مشخصات سازه حاصل از رمزگشایی آن بصورت زیر می شود:

6.jpg

7.jpg

2-شکل سازه:با توجه به قسمت مربوط به وجود وعدم وجودگره ها،فقط بیت اول صفراست.بنابراین،گره های موجوددرردیف اول جدول(1)،حذف خواهند شد.باحذف این گره شکل سازه بصورت زیرخواهد بود(شکل 3).

%D8%B4%D8%A8%DA%A9%D9%87-%D8%B3%D9%87-%D

3 – سطح مقطع اعضا: با استفاده از رابطه (2) شماره پروفیل مربوط به اعضای هر تیپ محاسبه می شود:

8.jpg

اینک میتوان باایجاد تناظریک به یک بین شماره حاصل ازرمزگشایی متغیرهاوشماره هرپروفیل درجدول،مشخصات فیزیکی مقاطع عرضی اعضای هرتیپ رابدست آورد.

4 – ارتفاع شبکه بالا:

9.jpg

تابع هدف و تابع هدف اصلاح شده

تابع هدف درمسئله بهینه سازی ارتفاع و تعیین محل بهینه ستون های سازه های فضاکار تخت بصورت زیر است

10.jpg

که دراین رابطهWوزن سازه فضاکارو li,Ai,r,m بترتیب تعداد،چگالی اعضا،سطح مقطع وطول عضو iام است.قیود مسئله عبارتنداز.

11.jpg

که در روابط فوق، n تعداد درجات آزادی سازه، co تعداد حالات بارگذاری مختلف،m تعداد اعضا، sik تنش در عضو i ام و در حالت بارگذاری K ام، ik.jpg تنش مجاز عضو iام و در حالت بارگذاری kام، ujk تغییر مکان درجه آزادی jام و درحالت بارگذاری K ام و ikkk.jpgتغییر مکان مجاز درجه آزادی j ام،li ضریب لاغری مجاز عضو iام و در حالت بارگذاریKام برای تبدیل تابع مقید و نا مقید، ابتدا ضریب نقض محدودیت کل سازه با استفاده از رابطه زیر تعیین می شود.

12.jpg

که دررابطه فوق P ضریب نقض محدودیت کل سازه،m تعداد اعضا،nتعداد درجات آزادی سازه و coتعدادحالات بارگذاری مختلف میباشد.سپس تابع هدف اصلاح شده یاتابع هدف نامقیدبصورت زیرمحاسبه می گردد.

13.jpg

دراین رابطهWmوزن اصلاح شده،Wوزن،Oضریب نقض محدودیت سازه وPضریبی است که مشخص میکند،طرح نقض کننده محدودیتها،به چه اندازه درایجاد نسلهای بعدی تاثیرداشته باشد.

تابع برازندگی

الگوریتم ژنتیک برای مسائل بیشینه سازی کاربرددارد.بنابراین درمسائل کمینه سازی،تابع هدف ازیک عدد ثابت وبزرگ کم میشود وبه تابع حاصل تابع برازندگی اطلاق میگردد:

14.jpg

دراین رابطه،Fi تابع برازندگی طرح i ام،Wm maxو Wm minبترتیب بیشترین وکمترین مقدارتابع هدف اصلاح شده درنسل موردبررسی است.

عملگر انتخاب

این عملگردرهرنسل،برای افراد بابرازندگی بیشترشانس بیشتروبرای افراد بابرازندگی کمتر،شانس کمتری برای بقاومشارکت جهت تولیدنسل بعد ایجاد میکند.
دراین مقاله ازروش انتخاب برگزیده یاردیفی استفاده شده است.

عملگر پیوند

دراین عملگر،ابتداازاستخرآمیزش،دوکروموزم بعنوان والدین انتخاب میشودوسپس باتعیین موقعیتهای تصادفی ازکروموزم های والدین ومبادله اعدادبیتهای بین این موقعیت ها،دوکروموزم جدیدایجاد میشود.

عملگر جهش

درعملگر جهش ابتدا بیتی تصادفی ازطول کروموزم تعیین میشود وسپس مقداراین بیت ازیک به صفر و یابالعکس تغییرمی یابد.

مثال عددی

دراین قسمت،شکل سازه فضاکار بهینه درشکل5و6 نشان داده شده ووزن سازه،باحالتی که درآن ارتفاع ثابت وتمامی ستونها وجود دارند،مقایسه میگردد.
مشخصات مصالح مصرفی، نیروهای وارد به سازه و نیز مقادیر مجاز برخی از قیود به صورت زیر است :

15.jpg

در روابط بالا Fy,r,E به ترتیب مدول الاستیسته، چگالی و تنش تسلیم فولاد،u.jpgجابجایی مجاز افقی گره i ام از سطح زمین، L1 و L2 به ترتیب ابعاد زمین در جهت کوچکتر و بزرگتر، hcطول ستون ها،uv.jpg جابجایی مجاز قائم گره های شبکه دولایه، Exو Ey به ترتیب نیروی جانبی در جهت x و y ،Wdl وزن پوشش و تاسیسات سقف،Ws وزن سازه های فضاکار تخت می باشد.

%D8%B4%D8%A8%DA%A9%D9%87-%D8%B3%D9%87-%D

کهDوSبترتیب،قطرخارجی وضخامت لوله ها برحسب سانتیمترمیباشد.پس ازانجام بهینه سازی،فاصله بهینه شبکه بالاوپایین ازشبکه میانی ونیزمحل بهینه ستونهادرشکلهای(5و6)نشان داده شده است.

%D8%A7%D8%B1%D8%AA%D9%81%D8%A7%D8%B9-%D8

سازه های فضاکار تخت

مشخصات سازه بهینه بصورت زیر است :

تعداد ستونها16عددو وزن سازه 48533 کیلوگرم میباشد وارتفاع شبکه بالا از شبکه میانی 105 سانتیمتروارتفاع شبکه پایین ازشبکه میانی275سانتیمترمیباشد.

که وزن سازه پایه 4/51177 کیلوگرم بوده است که درصد کاهش وزن سازه، بصورت زیر قابل محاسبه است :

16.jpg

درصد کاهش تعداد ستون ها نیز 55% می باشد.

نتیجه گیری

در این مقاله جهت بدست آوردن فاصله بهینه شبکه سازه های فضاکار تخت بالا و پایین از شبکه میانی و نیز محل بهینه ستون ها در سازه های فضاکار تخت مربع با ستون گذاری یکسان در چهار طرف الگوریتم ژنتیک مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به مثال های حل شده، در سازه ای با شرایط مشابه فاصله بهینه شبکه تخت بالا از شبکه میانی بین L/29 تا L/35 و فاصله بهینه شبکه تخت پایین از شبکه میانی بین L/13 تاL/14  بدست آمده است که L عرض زمین می باشد تعیین محل بهینه ستون ها با استفاده ازیک قاعده کلی امکان پذیر نیست و بایستی بازای تعداد تقسیمات مشخص شبکه سه لایه، محل بهینه ستون ها را تعیین نمود.

تهیه کنندگان :کامران محمدی ،حسین ابراهیمی فرسنگی

مرجع : http://fazasazeh.ir

 

 

Amir Sepahvand پسند دیده است

به اشتراک گذاری این ارسال


لینک به ارسال
به اشتراک گذاری در سایت های دیگر

برای ارسال دیدگاه یک حساب کاربری ایجاد کنید یا وارد حساب خود شوید

برای اینکه بتوانید دیدگاهی ارسال کنید نیاز دارید که کاربر سایت شوید

ایجاد یک حساب کاربری

برای حساب کاربری جدید در سایت ما ثبت نام کنید. عضویت خیلی ساده است !


ثبت نام یک حساب کاربری جدید

ورود به حساب کاربری

دارای حساب کاربری هستید؟ از اینجا وارد شوید


ورود به حساب کاربری

  • مطالب مشابه

    • توسط fazasaze
      امروزه استفاده از سازه ی فضاکار جهت پوشش مكانهاي وسيع بدون وجود ستونهاي داخلي نظيراستاديومهاي ورزشي،آشيانه هاي هوا پيما،سالنهاي بزرگ تجاري وغيره تنها راه حل ممكن بشمار ميرود.
      ازميان انواع مختلف سازه ي فضاكار جهت پوشش مكانهاي نه چندان وسيع،استفاده ازشبكه هاي تخت دولايه بدليل سهولتهاي اجرايي رواج بيشتري دارد.بنابراين يافتن طرح بهينه اين نوع سازه ها مي تواند هزينه هاي تمام شده را كاهش دهد.
      دراين زمينه افرادمختلف،تحقيقات متعددي برروي بهينه سازي هندسي،بهينه سازي اندازه وبهينه سازي شكل شبكه هاي تخت دولايه انجام داده اند.بعنوان مثال ابراهيمي [1] براي بهينه سازي شكل سازه ي فضاكار تخت دولايه تحت بارهاي ثقلي، ازروش الگوريتم وراثتي استفاده كرد.اومجموع نيروهاي داخلي اعضا رابعنوان تابع هدف انتخاب نمود.سلاجقه و مشايخي[2] ازالگوريتم وراثتي جهت يافتن شكل بهينه سازه ی فضاکار تخت دولايه استفاده نمودند.آنهاسطح مقطع اعضا ونيزوجود وعدم وجودگره هاوستونهاي سازه رابعنوان متغيرهاي طراحي وقيمت اعضا،گره هاو لایه ها
    • توسط fazasaze
      طرح بهینه لرزه ای شکل شبکه های دولایه فضاکار با استفاده از الگوریتم جامعه پرندگان و شبکه های عصبی
      خلاصه
      درطراحی لرزه ای شبکه های دولایه فضاکار،مولفه قائم شتاب زلزله تاثیربسیارزیادتری نسبت به مولفه های افقی داشته ومعمولا ازمولفه های افقی برای طراحی ستونها استفاده میشود.
      دراین تحقیق، یک روش قدرتمند و عملی برای طرح بهینه لرزه ای شکل شبکه های دولایه فضاکار پیشنهاد می شود.
      بدین منظور با مدلسازی این سازه ها تحت بارگذاری ناشی از مولفه قائم شتاب زلزله و استفاده از تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی و در نظر گرفتن همزمان تعداد تقسیمات دهانه ها در دو جهت، ارتفاع بین دو لایه و سطح مقطع اعضا به عنوان متغیرهای طراحی،طرح بهینه شکل این سازه ها انجام می شود.
      درطی عملیات بهینه سازی،وزن سازه بعنوان تابع هدف وقیود طراحی شامل تنش ولاغری دراعضا وتغییرمکان گرهی درنظر گرفته میشوند.
      جهت کاهش زمان عملیات بهینه سازی،ازشبکه عصبی تابع بنیادی شعاعی برای تقریب سازی پاسخ لرزه ای سازه ها استفاده میشود.
      برای آموزش این شبکه ازتعدادی تحلیل دقیق اجزامحدوداستفاده گردیده تاشبکه عصبی درحالات مختلف با درونیابی بین این تحلیل های دقیق، پاسخ لرزه ای سازه رادربرابر بارهای اعمالی بدست آورد.
      همچنین حل مسئله بهینه سازی باالگوریتم جامعه پرندگان انجام شده که یکی ازروشهای بسیارمناسب برای بهینه سازی بامتغیرهای گسسته است.
      برای نشان دادن کارایی روش پیشنهادی، مثال های عددی ارائه شده و نتایج، بیانگر دقت و کارایی مناسب روش پیشنهادی برای طرح بهینه لرزه ای شکل شبکه های دولایه فضاکار بوده و از آن می توان به صورت عملی و کاربردی برای طراحی این سازه ها استفاده نمود.
      کلمات کلیدی : شبکه های دولایه فضاکار ، طرح بهینه شکل، تحلیل تاریخچه زمانی، الگوریتم جامعه پرندگان ، شبکه عصبی مصنوعی
      مقدمه
      درطراحی اکثرسازه هامعمولاَتاثیرمولفه های افقی شتاب زلزله زیاد بوده ومولفه قائم فقط درحالاتی خاص که آیین نامه های زلزله پیشنهاد میکنند،درنظرگرفته میشود.
      یکی حالاتی که درنظر گرفتن مولفه قائم زلزله در آن ضروری است، سازه های با دهانه های بزرگ می باشد.
      شبکه های دولایه فضاکار سازه هایی هستند که عمدتا برای پوشش دهانه های بزرگ بدون استفاده از ستون های میانی استفاده می گردند، لذا جهت طراحی این سازه ها، در نظرگرفتن اثر مولفه قائم زلزله ضروری است.
      باتوجه به این مطلب،طراحی بهینه این سازه هادربرابرزلزله باعث کم شدن وزن نهایی سازه ومنجربه وجود یک طرح اقتصادی خواهدشد.
      تحلیل سازه هادربرابر بارگذاری زلزله به ویژه تحلیل تاریخچه زمانی،وقت گیروطولانی بوده واستفاده ازتحلیل دقیق درفرآیند بهینه سازی باعث افزایش زمان بهینه سازی میگردد.
      بمنظورغلبه براین مشکل،ازتقریب سازی پاسخهای سازه ای تحت بارگذاری مورد نظراستفاده میشودکه زمان عملیات بهینه سازی راتاحدبسیار زیادی کاهش میدهد.
      دررابطه باطرح بهینه سازه هادربرابر زلزله وتقریب سازی پاسخهای دینامیکی سازهها،تحقیقاتی صورت گرفته است که به برخی ازآنها اشاره میشود.
      برخی افراد باآموزش شبکه عصبی تابع بنیادی شعاعی،پاسخ های تاریخچه زمانی قاب های سه بعدی دربرابر زلزله راپیش بینی نمودند.
      آنهااز یک تبدیل موجکی گسسته برای کاهش تعداد نقاط مورداستفاده دررکوردهای زلزله وازشبکه عصبی برای تقریب سازی استفاده کردند.
      درتحقیقی دیگر،بهینه سازی سازه هاتحت شتاب تاریخچه زمانی زلزله بااستفاده ازروش های پیشرفته تقریب سازی والگوریتم جامعه پرندگان انجام شد.
      همچنین بهینه سازی سازه هادربرابرزلزله بااستفاده ازالگوریتمهای وراثتی وجامعه پرندگان وتقریب سازی پاسخ غیرخطی سازه به کمک شبکه عصبی تابع بنیادی شعاعی انجام شد.
      آنها نیز به بهینه سازی سازه های فلزی با استفاده از الگوریتم های جامعه پرندگان و وراثتی اصلاح شده پرداختند و در آن، از سیستم های استناج فازی و تبدیل موجکی و تابع بنیادی شعاعی برای پیش بینی پاسخ سازه در برابر شتاب تاریخچه زمانی زلزله استفاده کردند.
      بهینه سازی سازه های فضاکار به عنوان یکی از سازه های پرکاربرد نیز مورد توجه محققین زیادی بوده است.
      آنها به بهینه سازی شبکه های دولایه فضاکار وگنبدهای تک لایه پرداخته وازالگوریتم وراثتی برای انجام این کاراستفاده نمودند .
      همچنین بهینه سازی سازه های فضاکار بااستفاده ازالگوریتم وراثتی اصلاح شده وتقریب سازی پاسخ سازه بوسیله شبکه عصبی انجام شد.
      همچنین در تحقیق دیگر، بهینه سازی سازه های خرپایی با متغیرهای گسسته و استفاده از الگوریتم جامعه پرندگان انجام شد.
      دراین مقاله طرح بهینه شکل شبکه های دولایه فضاکار تحت بارزلزله با استفاده ازتحلیل تاریخچه زمانی انجام می شود.
      برای کاهش زمان بهینه سازی،از شبکه عصبی تابع بنیادی شعاعی جهت تقریب سازی پاسخ های سازه استفاده می شود.
      متغیرهای درنظر گرفته شده برای بهینه سازی،تعداد تقسیمات دهانه شبکه در دوجهت،ارتفاع بین دولایه فوقانی وتحتانی وسطح مقطع اعضا میباشد.
      ضمنابرای حل مساله بهینه سازی،ازالگوریتم جامعه پرندگان که یکی ازبهترین الگوریتم های تکاملی برای متغیرهای گسسته وپیوسته است،استفاده میشود.
      فرمول بندی مساله بهینه سازی
      طراحی بهینه شبکه های دولایه فضاکار تحت بار قائم زلزله، شامل یافتن سطح مقطع بهینه برای اعضای سازه، ارتفاع بهینه بین دولایه و تعداد بهینه تقسیمات دهانه در دو راستا، تحت بارگذاری معین میباشد. فرمول بندی کلی مساله بهینه سازی به صورت زیر می باشد:

      درروابط فوقW(X)تابع هدف،gj (X)قیودطراحی و mوnبه ترتیب تعداد قیودوتعداد متغیرهای طراحی وRdمجموعه ای ازمتغیرهای گسسته طراحی می باشند.
      همچنینhminو,hmax*hبترتیب حداقل وحداکثرارتفاع بین دولایه وگام تغییرات آناهستند. t، Atو Nبترتیب تعداد گروه اعضا،سطح مقطع اعضای هر گروه وتعداد تقسیمات دهانه در دوراستای شبکه دولایه می باشند.وزن سازه به عنوان تابع هدف در نظر گرفته شده و از رابطه زیر تعیین می گردد:

      دررابطه فوقr kو Akو lkبه ترتیب چگالی مصالح،سطح مقطع و طول عضو kام می باشد وneبرابرباتعداد اعضا سازه است.
      قیود طراحی درعملیات بهینه سازي شامل قیود تغییر مکان،تنش و لاغري در اعضا بوده که از روابط(4)تا(6) تعیین می گردند.
      ضمنا تغییرمکانها وتنشها در هرلحظه از زمان، براساس تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی سازه طبق رابطه (7) به دست می آیند.

      درروابط فوق،spanطول دهانه،nj تعدا گره های سازه،skتنش دراعضا و lkلاغری دراعضای سازه می باشد
      .MوCوKبترتیب ماتریس جرم،میرایی وسختی سازه ونیز بترتیب بردارشتاب،سرعت وجابجایی میباشندÜg(t),Iنیز بترتیب بردار یکه وداده هاي شتابنگاشتی هستند.
      مقادیر حداقل و حداکثر ارتفاع بین دولایه بر اساس مرجع [9] وباگام20 سانتیمترطبق رابطه (8) محاسبه می شود:

      الگوریتم جامعه پرند گان براي بهینه سازي سازه ها
      الگوریتم جامعه پرندگان تکنیک بهینه سازي براساس قوانین احتمال میباشدکه ایده اولیه آن توسط راسل ابرهارت وجیمزکندي درسال1995ارائه شده است[10].
      این الگوریتم ازرفتاراجتماعی پرندگان درحین جستجوي غذا براي هدایت مجموعه پرندگان به منطقه امید بخش در فضاي جستجو استفاده میکند.
      الگوریتم جامعه پرندگان ذاتایک الگوریتم بهینه سازي بامقادیرپیوسته میباشدکه نمونه بهینه سازي بامتغیر هاي گسسته آن نیزارائه گشته است[8].
      دراین راستا مجموعه اي از تعدادي ذره تشکیل شده که هر ذره معرف یک پرنده در فضاي جستجو می باشد.
      این الگوریتم بابهنگام کردن موقعیت ذره ها باتوجه به میزان شایستگی آنها مجموعه رابه سمت جواب بهینه هدایت میکند.
      هرذره دراین الگوریتم داراي یک بردارسرعت ویک بردارموقعیت میباشد.باتوجه به رابطه زیر،بردار سرعت هر ذره بهنگام می شود.
      بردارموقعیت هر ذره تنها در مکانهایی از فضاي جستجو قرار می گیرند که شامل متغیر هاي گسسته مورد نظر باشد.

      در روابط فوق Xi وVi به ترتیب نشان دهنده بردار موقعیت و سرعت ذره  iام می باشند. Pi نشان دهنده بهترین موقعیت ذره  iام تا تکرار حاضر و Pg بیانگر موقعیت بهترین ذره در تمام جامعه تا تکرار حاضر می باشد و Riنیز موقعیت ذره اي است که به صورت تصادفی از جمعیت انتخاب می شود. ضرایب1c، 2c و 3c پارامترهاي اعتماد نامیده می شوند و تعیین کننده میزان اعتماد به جریان ذرات و یا حرکت جامعه می باشند 1r3 ,  r2 , rنیز ضرایبی هستند که به صورت تصادفی از بازه [0,1] تعیین می شوند w ضریب وزن می باشد که براي کاهش بردار سرعت ذره در مرحله قبل استفاده می شود.در رابطه(10)، INT به معنی گرد کردن بردار موقعیت و قرارگیري آن در جاي امکان پذیر، می باشد.
      الگوریتم جامعه پرندگان براي بهینه سازي مسائل مقیدمناسب میباشد.
      نقطه بهینه نهایی درفضاي شدنی یادرمرزبین فضاي شدنی یانشدنی قراردارد.دراین مقاله ازروشی موسوم بهfly-backبراي اعمال قیودبه تابع هدفاستفاده می شود.
      شبکه عصبی تابع بنیادي شعاعی (RBF)
      شبکه عصبی تابع بنیادي شعاعی به خاطر سرعت آموزش وسادگی وعمومیت آن، بصورت گسترده اي درمسائل مهندسی استفاده می شود.
      این شبکه عصبی داراي دولایه بوده که لایه پنهان آن داراي تابع تحریک گوسی میباشد.
      تابع تحریک شبکه تابع بنیادي شعاعی،دررابطه(11)ارائه شده است.

      در رابطه (11)،X برداردهای ورودی و sI,Ci,fi  بترتیب تابع گوسی،بردار وزن وشعاع ناحیه قابل قبول شبکه تابع بنیادي شعاعی است.شکل کلی شبکه عصبی تابع بنیادي شعاعی درشکل1نشان داده شده است. نرونهاي خروجی، مجموع وزندار پاسخ نرونهاي لایه مخفی را طبق رابطه ( 12 ) تعیین می کنند. در این رابطه wki مولفه i ام بردار وزن و y k بردار خروجی کلی شبکه می باشد.

      از این شبکه عصبی میتوان براي تقریب سازي هرتابع پیوسته با دقت دلخواه استفاده کرد.
      شبکه تابع بنیادي شعاعی داراي دولایه بوده وازاین شبکه به خوبی می توان براي درونیابی استفاده کرد[12].
      درتحقیق حاضرازاین شبکه براي تقریبسازي پاسخ لرزه اي شبکه هاي دولایه فضاکار تحت بارتاریخچه زمانی زلزله،استفاده شده است تابا افزایش سرعت عملیات بهینه سازي،کارایی الگوریتم افزایش بیابد.
       
      روش کار
      مراحل انجام طرح بهینه لرزه اي شکل شبکه هاي دولایه فضاکار بااستفاده ازالگوریتم جامعه پرندگان و شبکه عصبی بصورت زیراست:
      مرحله اول:براي آموزش شبکه عصبی،تعدادي آنالیزدقیق انجام میگیرد.دراین تحقیق ازنرم افزار اجزا محدودOpenSeesبراي تحلیل دینامیکی تاریخچه زمانی استفاده شده است.
      مرحله دوم:شبکه عصبی براي پیش بینی پاسخ هاي شبکه های دولایه فضاکار در برابر بارگذاري زلزله، آموزش داده می شود.
      مرحله سوم:جمعیت اولیه براي انجام بهینه سازي تشکیل میگردد.این جمعیت بشکلی ایجادمیشودکه تمام اعضاي جمعیت ناحیه قابل قبول طراحی قرارگیرند.
      مرحله چهارم: بردارهاي موقعیت و سرعت مربوط به هر یک از ذرات جمعیت اولیه بهنگام می شود.
      مرحله پنجم:بااستفاده ازشبکه عصبی آموزش داده شده،پاسخ لرزه اي هریک ازسازه هاي تشکیل یافته دربرابرزلزله تعیین شده ومقدارتابع هدف مربوط به هریک ازاعضاي جمعیت تعیین میگردد.
      مرحله ششم: بهترین موقعیت محلی و کلی ذرات تا تکرار فعلی به دست می آید.
      مرحله هفتم: شرایط همگرایی کنترل می شود.
      نتایج عددي
      براي نشان دادن کارایی روش پیشنهادي،دومثال عددي ارائه شده ودرآنهاطرح بهینه شکل شبکه هاي دولایه فضاکار باروش ذکرشددربخشهاي قبل انجام شده است.
      مثالهاي و2بترتیب شبکه هاي دولایه بادهانه هاي20و30مترمیباشند.سطح مقطع اعضا ازبین 16تیپ لوله مطابق مرجع انتخاب شده که درجدول1مشخص میباشند.
      در این جدول، D قطر خارجی و t ضخامت جداره لوله ها هستند.
      ضمنا مدول الاستیسیته و چگالی مصالح به ترتیب2000000کیلوگرم بر سانتیمترمربع و7850کیلوگرم بر مترمکعب درنظر گرفته شده اند.

      6-1- مثال 1: شبکه دو لایه با دهانه 20 متر
      شبکه های دولایه فضاکار نشان داده شده درشکل3،داراي چهار تکیه گاه درگوشه هاي شبکه تحتانی ودهانه20متربوده وبر گره هاي شبکه فوقانی،مجموع بارزنده ومرده به شدت150 کیلوگرم برمترمربع وارد میشود.
      علاوه براعمال بارهاي مرده و زنده، شتابنگاشتهاي مولفه قائم زلزله نشان داده شده درشکل 4 به سازه وارد شده است.
      براي اعضاي این سازه از مقاطع لوله معرفی شده در جدول 1 استفاده شده است.
      متغیر ارتفاع طبق رابطه ( 8) بین مقادیر70 تا190 ، با گام 20 سانتی متر تغییر می کند.
      حداقل وحداکثر تعدادتقسیمات دهانه با در نظر گرفتن طول 2 تا5متر براي اعضاي افقی،به ترتیب 4 و10می باشد.
      در این مثال اعضاي سازه به 12 گروه تقسیم بندي شده که سهم هر لایه، 4 گروه می باشد.
      گروه بندي اعضاي سازه، بر اساس تحلیل استاتیکی ناشی از اعمال بارهاي مرده و زنده انجام شده است.
      در شکل 3 گروه بندي اعضا در هر یک از لایه هاي شبکه مشخص شده است.

      طرح بهینه شکل شبکه های دو لایه فضاکار ،انجام وتاریخچه بهینه سازي درتکرارهاي مختلف ونحوه همگرایی درشکل5ارائه داده شده است.
      همچنین نتایج حاصله،شامل تیپهاي اختصاص داده شده به هریک ازگروههاي اعضاي لایه هاي فوقانی،تحتانی وقطري ونیزمقادیرحداکثر تنش درآنهادرجدول2نشان شده است.


      6-2- مثال 2: شبکه دو لایه با دهانه 30 متر
      شبکه های دولایه فضاکار نشان داده شده درشکل 7،داراي چهارتکیه گاه درگوشه هاي شبکه تحتانی ودهانه 30 متر میباشد.
      بارهاي مرده وزنده مشابه مثال 1بوده وعلاوه بر آنها،به سازه شتابنگاشتهاي مولفه قائم زلزله نشان داده شده درشکل8وارد شده است.
      براي اعضاي این سازه ازمقاطع لوله معرفی شده در جدول 1استفاده شده است.متغیرارتفاع طبق رابطه(8)بین مقادیر105تا285،باگام 20 سانتیمتر تغییر میکند.
      حداقل وحداکثر تعداد تقسیمات دهانه بادر نظر گرفتن طول2 تا5 متر براي اعضاي افقی،بترتیب6و15 میباشد.گروه بندي اعضاي سازه مانند مثال1است.

      درجدول3مقاطع اختصاص داده شده به هریک از اعضاي گروه در شبکه بالا،پایین ومیانی و مقادیرحداکثر تنش درآنها ذکر شده است.
      در شکل 9 نمودار همگرایی مربوط به سازه با دهانه 30 متر نشان داده شده است.


      نتیجه گیری
      دراین تحقیق ازالگوریتم جامعه پرندگان براي بهینه سازي سازه هاي فضاکارتحت بارزلزله استفاده شدکه نتایج عددي نشان دهنده همگرایی خوب این الگوریتم دربهینه سازي سازه هاي بزرگ میباشد.
      درمجموع،بادقت درنمودارهاي تاریخچه بهینه سازي وتعداد تکرارهاي انجام شده تارسیدن نقطه بهینه،ملاحظه میگرددکه تا85درصدازجواب بهینه نهایی درحدود100تکراربه انجام رسیده است.
      استفاده از تحلیل دقیق دینامیکی تاریخچه زمانی در عملیات بهینه سازي مستلزم صرف زمان طولانی می باشد.
      لذا استفاده از تقریب سازي براي بهینه سازي سازه هاي بزرگ تحت بار زلزله ضروري بوده و ضمن کاهش زمان بهینه سازي، نقش بسیار موثري در کارایی الگوریتم بهینه سازي دارد. در این تحقیق از شبکه عصبی تابع بنیادي شعاعی براي تقریب سازي پاسخ هاي سازه اي استفاده شد که با توجه به تعداد تکرارهاي بهینه سازي صورت گرفته، نشان دهنده سرعت و توانایی خوب این شبکه در تقریب سازي پاسخ هاي سازه هاي بزرگ است.
      متغیرهاي درنظر گرفته شده دراین تحقیق براي بهینه سازي، تاثیر قابل ملاحظه اي در کم کردن وزن سازه داشته اند.
      درهردومثال،تقریباکمترین تعداد تقسیمات دهانه وبیشترین ارتفاع بین دولایه درطرح بهینه نهایی انتخاب شده که نشان دهنده تاثیرزیاداین متغیرها درکم کردن وزن سازه وارضاي قیودطراحی میباشد.
      همچنین نتایج طرح بهینه شبکه هاي دولایه نشان میدهدکه یکی ازقیدهاي فعال درطرح بهینه این سازهها بادهانه بزرگ،قید تغییرمکان میباشد.
      وزن بهینه نهایی شبکه هاي دولایه فضاکار در مثالهاي عددي ارائه شده که یک مثال کاملا عملی است، نشان می دهد استفاده از این سازه ها براي پوشش دهانه هاي بزرگ کاملا اقتصادي می باشد. از طرفی مولفه قائم زلزله تاثیر زیادي در نیروهاي نهایی داشته و به همین دلیل در نظر گرفتن مولفه قائم زلزله در طراحی این سازه ها ضروري است.نوع متغیرهاي به کار رفته در این مقاله نسبت به سایر تحقیقات انجام شده، عملی تر بوده و از روش پیشنهادي می توان جهت طرح بهینه شکل شبکه هاي دولایه فضاکار در مسائل اجرایی و کاربردي استفاده کرد.
      مرجع : http://fazasazeh.ir
    • توسط fazasaze
      تهیه طیف بازتاب قائم و کاربرد آن برای سازههای فضاکار
      واژه های کلیدی : سازههای فضاکار، طیف بازتاب، اندرکنش خاک و سازه، آنالیز لحظه به لحظه
      چکیده
      باتوجه به پیشرفت های روز افزون در ساخت و ساز و گرایش معماران به استفاده از فضاهای باز، همچنین استفاده از سیستم های جدید ساختمانی ( همچون سازههای فضاکار )، موضوع تعیین نیروهای وارد بر سازه ها ناشی از مولفه قائم زلزله مطرح میگردد.
      چراکه به علت وجوددهانه های بزرگ تاثیراین نیروها افزایش یافته وحتی میتواند سازه را تا مرز خرابی پیش ببرد.
      ازآنجا که ساده ترین روش برآورداین نیروها،روش تحلیل استاتیکی معادل میباشد،دراین تحقیق به محاسبه ورسم طیف بازتاب قائم پرداخته شد.
      در این راستا سازه  هایی  با پریودهای مختلف و درصد میرایی 0.05 و همچنین چهار نوع خاک مدلسازی شد.
      خاکهاتک لایه ،همگن و دارای عملکردخطی فرض شدند ودر نهایت کل سیستم بصورت سازه ای با دودرجه آزادی مدل گردید.
      سپس بااستفاده ازآنالیزلحظه به لحظه،نسبت ماکزیمم شتاب سازه به ماکزیمم شتاب زمین برای هرزلزله محاسبه گردیدوازبین آنهابیشترین مقداربعنوان ضریب بازتاب درنظرگرفته شد.
      برای کنترل وصحت نتایج،ابتداازشتابنگاشتهای افقی استفاده کرده وطیف بازتاب افقی رسم گردید.سپس بااستفاده ازشتابنگاشتهای قائم،طیف بازتاب قائم نیزمحاسبه ورسم گردید.
      مقدمه
      همانگونه که می دانیم حرکات ارتعاشی زمین بجز حرکات افقی شامل حرکات قائم نیز می شود.
      این حرکات قائم همانند حرکات افقی می توانندباعث بوجود آمدن نیروهای اینرسی دراعضای مختلف شوند که دربعضی مواردبسیار حاد میباشند.
      با این حال آیین نامه های مختلف برخوردهای متفاوتی باآن کرده اند.بعنوان مثال درآیین نامه آمریکا(UBC88)صریحامقررگشته اثراین حرکات بر روی طرحهای بلندواعضای پیش تنیده درنظرگرفته شود.
      در آیین نامه اروپا(Euro code 8) این مسئله با دقت بیشتری بررسی شده است.
      براساس این آیین نامه درصورتی که مطالعات دقیق دریک محل صورت نگیرد،شتاب قائم زمین وهمچنین طیف بازتاب معرف حرکات قائم رامیتوان3/2مقادیرنظیرشان درحرکات افقی درنظرگرفت.
      وبالاخره درآیین نامه2800نسبت(B/R))برابر0.7برای حالاتی که دهانه تیرهابیش از15متربوده ویابارمتمرکزقابل توجهی روی تیرقرارداشته باشدوبرابر4/1برای طره هاپیشنهاد شده است.
      با توجه به موارد فوق اهمیت محاسبه نیروهای قائم وارد بر سازه ها تحت تاثیر نیروی زلزله بیشتر نمایان میگردد.
      بنابراین دراین تحقیق سعی برآنست تاطیف بازتابی برای خاکهای مختلف وتحت تاثیر مولفه قائم زلزله های السنترو،منجیل، بم وزرندترسیم گردد.
      تحقیقات انجام شده
      بر پایه مطالعات محققان متعدد در مورد تعداد زیادی از مولفه زلزله های جمع آوری شده، منحنی هایی توسط سید (Seed) در سال 1978 ترسیم شده است( شکل(1)) که بعد از تغییرات اندکی توسط شورای تکنولوژی کاربردی آمریکا(ATC) در قالب طیف هایی معرفی شده و به کار گرفته شد.
      در ضمن همین منحنی ها با جزئی تغییر در آیین نامه کمینه زلزله مهندسان سازه کالیفرنیا(SEAOC) نیز به کار رفت.
      همان طور که در شکل نشان داده شده، این منحنی ها برای چهار گروه خاک به دست آمده اند.

      درهمین راستا یک مطالعه دیگرتوسط موهرز(Mohraz)برپایه162مولفه زلزله که برای چهار گروه خاک حاصل شده بود،منجر به نتایج مشابه گردید(شکل (2الف)).
      شکل(2ب) نیزمقایسه ای بین طیفهای به کاررفته در آیین نامه کمیته زلزله مهندسان سازه کالیفرنیا ونتایج حاصل توسط موهرز میباشد.

      بررسی اندرکنش خاک و سازه
      تحلیل پدیده اندرکنش خاک و سازههای فضاکار در زمان وقوع زلزله از ضروریات مهندسی زلزله می باشد.
      به همین منظورتابه حال روشهای بسیاری برای مدلسازی این پدیده پیشنهاد شده است که هریک دارای مزایاونواقصی میباشندکه کاربردشان رامحدودمیسازد.
      در ادامه به اجمال به توضیح هریک پرداخته میشود.
      بررسی اندرکنش با استفاده از جرم- فنر- کمک فنر معادل:
      ساده ترین روش مدل خاک، استفاده از فنر، کمک فنرو جرم معادل می باشد که در تراز پی سازه قرارداده می شود. در حالت کلی و درحالت سه بعدی هر پی صلب که برروی خاک قرار گیرد، دارای شش درجه آزادی می باشد. در این مدل می بایست برای هریک از درجات آزادی، سختی فنر، میرایی و جرم معادل را تعیین نمود.
      بررسی اندرکنش با در نظر گرفتن خاک به صورت تیر برشی:
      مدل سازی خاک به صورت یک فنر و کمک فنر در مواقعی صحیح است که محیط کاملا همگن باشد. در مواردی که خاک دارای لایه های مختلف باشد، بهتر است از روش تیر برشی با جرم متمرکز و فنر جهت مدل کردن خاک استفاده شود در این روش انتخاب مناسب سختی و میرایی خاک کاری مشکل می باشد. با انتخاب فنری با سختی غیر خطی می توان از مدل فوق برای تحلیل غیرخطی اندرکنش نیز استفاده نمود.
      مدل نیم بینهایت ارتجاعی خاک :
      در این روش مدل نمودن خاک به صورت یک محیط نیمه بینهایت ارتجاعی یا ویسکو الاستیک خطی که در آن سختی و میرایی تابعی از تواتر بارگذاری می باشند، انجام می گردد. یکی از محدودیت های این روش آنست که رفتار خاک را نمی توان به صورت غیرخطی وارد نمود. لذا بررسی فقط در محدوده کرنش های کم قابل قبول خواهد بود. ولی میتوان اثر لایه بندی خاک را در این مدل وارد نمود.
      مدل عناصر محدود برای خاک :
      در مواردی که لایه بندی خاک در جهات افقی و عمودی قرار گرفته و بررسی  رفتار غیرخطی خاک در تحلیل اندرکنش ضروری باشد، استفاده از مدل نیمه بینهایت ارتجاعی امکان پذیر نبوده و باید از روش عناصر محدود استفاده نمود. در این روش می توان مدفون شدگی پی و لایه بندی خاک درجهات افقی وعمودی را به راحتی در تحلیل دخالت داد.گرچه امکان تحلیل مدل سه بعدی نیزدراین روش امکان پذیر است،لیکن بعلت هزینه بالا،آنرابصورت دوبعدی ویادرمختصات استوانه ای،برای تحلیل سازههای فضاکار باتقارن محوری،شبیه سازی مینمایند.
      اصول و مراحل رسم طیف بازتاب
      دراین تحقیق بعلت فرض تک لایه بودن خاک ودرنظر گرفتن رفتارخطی برای آن،همچنین همگن فرض کردن خاک،ازمدل جرم-فنر-کمک فنراستفاده میشود.
      دراین روش سیستم رابصورت یک سازههای فضاکار با دودرجه آزادی درنظرگرفته ومشخصات هریک رابا توجه به سازه وخاک موردنظراستخراج میکنیم.
      از جمله اطلاعات مورد نیاز برای چنین سیستمی جرم،سختی و میرایی سازه و خاک آن می باشد( شکل (3)).

      سپس باتوجه به روابط موجود دردینامیک سازه ها،سازه دودرجه آزادی رابه دوسازه بایک درجه آزادی تبدیل کرده وبااستفاده ازانتگرال دیوهامل(رابطه(1))هردو راتحت شتاب پایه مشخصی تحلیل مینماییم.

      پس ازاتمام تحلیل،آثارمدها بایکدیگرجمع و بیشترین مقدار تغییر مکان طبقه اول(خاک) وطبقه دوم (سازه)استخراج شده وماکزیمم شتاب هریک محاسبه میشود.
      در نهایت از تقسیم بیشینه شتاب سازه به بیشینه شتاب زمین، یک نقطه از طیف بازتاب بدست می آید.
      با تکرار این مراحل و با درنظر گرفتن پریودهای مختلف برای سازههای فضاکار ومدلسازی خاک ها، طیف کامل می شود.
      نحوه تهیه شتابنگاشت
      برای تعیین شتاب پایه لازمست شتابنگاشت زلزله ها را همپایه (normalize) کرد.
      روشهای مختلفی برای همپایه کردن شتابنگاشتها پیشنهاد شده است،که ازآن جمله میتوان به همپایه کردن براساس شدت طیفی،برمبنای شتاب،سرعت یاجابجایی اوج وهمچنین براساس متوسط هندسی شتاب اشاره کرد.
      از آنجا که همپایه کردن براساس شتاب اوج، رایج ترین روش در بین روش های فوق می باشد.
      و درضمن روش فوق ازنظر آیین نامه 2800 نیز مورد تایید می باشد،در این تحقیق نیز  از آن استفاده گردید.
      برای همپایه کردن براساس این روش کافیست کلیه شتابنگاشتها به مقدارحداکثرخود تقسیم شوند.بدین معنی که حداکثرشتاب آنها برابربا شتابgمی گردد.درشکلهای(4الف)تا(4د) شتابنگاشتهای افقی وقائم همپایه شدن آورده شده اند.




      محاسبه پارامترهای خاک و سازه و رسم طیف افقی
      دراین مرحله اطلاعات مربوط به هر گروه ازخاکهاازمنابع استخراج میگردد.
      پارامترهای اولیه مورد نیازعبارتند از:مدول برشی(G)،سرعت موج برشی(Vs)،ضریب پواسون(u)،ظرفیت باربری((q،چگالی(r)وشعاع پی(r).
      با استفاده ازپارامترهای جدول (1) وبرپایه مجموعه روابط موجود دردینامیک خاک برای ارتعاشات افقی(روابط(2)،جرم(M)،نسبت میرایی(x)وزمان تناوب(T)خاکها محاسبه میگردد.(جدول(2)).
      سپس اطلاعات مربوط به سازههای فضاکار نیز محاسبه می گردد.
      نسبت میرایی برای کلیه سازههای فضاکار برابر0.05وزمان تناوب آنها بصورت افزایشی ازمقدار0.15 تا10ثانیه درنظرگرفته میشود وجرم سازههای فضاکار باتوجه به ظرفیت باربری خاک وشعاع پی محاسبه میشود(جدول(3)).


      پس ازطی مراحل فوق ومدلسازی سیستمهای دودرجه آزادی،مولفه افقی زلزله های الستنرو،منجیل،بم وزرندرابترتیبی که ذکرشدوبااستفاده ازبرنامه ای که به زبان فرترن90نوشته شده برآنها تاثیرمیدهیم.
      برای تاثیرهردوشتابنگاشت طولی وعرضی زلزله ها،طیف بازتاب بدست آمده ازجفت شتابنگاشتها رابصورت جذرمجموع مربعات باهم ترکیب کرده ودرنهایت ازبین اعداد بدست آمده ازطیف چهارزلزله مقدارماکزیمم بعنوان طیف خام(شکل(5))استخراج میگردد.
      از آنجا که رفتار خاک ها همچنان نامعلوم بوده و هیچ مدلی نمی تواند تمامی مسائل مربوط به آنها را در نظر گیرد، واین قضیه در خاک های نرمتر دارای پیچیدگی بیشتر می باشد،همواره آیین نامه ها ضرایب مختلفی را برای گروه های چهارگانه خاک در نظر گرفته اند.
      ازمقایسه نتایج بدست آمده باطیفهای ارائه شده درآیین نامه،ضرایب مربوط به هردسته ازخاک بدست آمده تادرمرحله بعددرطیفهای قائم ضرب گردند.
      در ضمن طیف افقی بدست آمده( شکل (6)) و روابط مربوط به ان ( روابط(3)) نیز آورده شده اند.


      مقادیر Ts،S برای هر گروه خاک از جدول (4) استخراج می گردند.

      طیف حاضر نسبت به طیف افقی پیشنهادی توسط آیین نامه 2800، دارای بازه زمانی بزرگتری برای مقادیر ماکزیمم خود میباشد.
      در ضمن زمان آغاز این قسمت ها نسبت به آیین نامه در پریودهای بالاتر اتفاق می افتد.
      بطوریکه از مقایسه این دو طیف با یکدیگر و از تقسیم مقدار ضریب بازتاب آیین نامه ای به مقدار آن در این تحقیق (شکل(7))، در پریودهای کمتر از 0.6 ثانیه خاک نوع دوم،0.8 ثانیه خاک نوع سوم و 1.0 ثانیه خاک نوع چهارم اعداد بزرگتر از واحد ( در جهت اطمینان) و در پریودهای بالاتر اعداد کمتری دیده می شود( خلاف اطمینان).

      محاسبه پارامترهای خاک و رسم طیف قائم
      بااستفاده از پارامترهای موجود درجدول(1)وبراساس مجموعه دردینامیک خاک برای ارتعاشات قائم(روابط(4))،جرم(M)،نسبت میرایی(x)وزمان تناوب(T)محاسبه میگردد(جدول(5)).


      مشخصات سازه ها با حالت ارتعاش افقی تفاوتی نداشته و از مقادیر جدول (3) استفاده می شود.
      برهمین اساس طیف بازتاب قائم نیز رسم می شود( شکل(8)).

      درانتها برای بدست آوردن طیف موردنظر،ضرایب بدست آمده ازمرحله قبل درطیف بدست آمده اعمال شده وطیف اصلاح میگردد.
      طیف نهایی درشکل(9) قابل رویت میباشد و توسط روابط(5) قابل محاسبه است.

      مقادیر Ts، برای هر گروه خاک از جدول (6) استخراج می گردند.

      نتیجه گیری
      در آیین نامه های زلزله، طیف بازتاب قائم ارائه نگردیده و در برخی از آنها برای محاسبه ضریب بازتاب قائم پیشنهاد شده تا مقدار طیف افقی در عدد 0.67 ضرب گردد که البته پایه این استدلال را نیز کمتر بودن بیشینه شتاب قائم به افقی در زلزله ها میدانند، اما این در حالیست که در برخی از زلزله ها تنها میزان شتاب قائم کمتر از شتاب افقی نمی باشد،بلکه مقدار آن تا 25 درصد بیشتر( زلزله بم) نیز دیده شده است.
      بنابراین دراین تحقیق سعی شدتابااستفاده ازمولفه قائم شتابنگاشت زلزله های السنترو،منجیل،بم وزرند طیفی ارائه گردد.که نتیجه آن درروابط(5)وشکل(9)قابل رویت میباشد.
      درضمن ازمقایسه طیف بازتاب افقی بدست آمده دراین تحقیق(شکل(6))باطیف آیین نامه2800،به نظرمیرسددرپریودهای کوتاه،آیین نامه دارای ضریب اطمینانی بیشترازواحدودرپریودهای بالاترفاقداطمینان میباشد(شکل(7)).
      درنهایت بااستفاده ازنتیجه این تحقیق ودیگرتحقیقات انجام شده درزمینه سازههای فضاکار(مراجع[9],[8])،محاسبه نیروهای عمودی واردبراین سازهها باروش استاتیک معادل ممکن میگردد.
      تهیه کنندگان :رضا کمالی صالح آباد، عیسی سلاجقه ، محمدحسین باقری پور
      مرجع : http://fazasazeh.ir
    • توسط fazasaze
      رفتار شبکه های فضاکار دو لایه
      بررسی ضریب رفتار شبکه های فضاکار دو لایه
      واژه های کلیدی : سازه های فضاکار، شبکه های فضاکار دولایه،آنالیز خطی،آنالیز غیرخطی،ضریب رفتار
      چکیده
      استفاده روزافزون ازسازه های فضاکاربدلایل مختلفی ازجمله:زیبایی،سبکی،خوشرفتاری دربرابرزلزله های بوقوع پیوسته وپوشش دهانه های بزرگ باعث جلب توجه محققین ومهندسین به اینگونه سازه هاگردیده است.
      معماری مناسب،اجرای سریع،تناسب قیمت،طراحی ایده آل و…. سبب شده تا شبکه های فضاکار دولایه ازتوجه خاصی دربین دیگرسازه های فضاکاربرخوردارباشند.
      هدف از این مقاله بررسی ضریب رفتار شبکه های فضاکار دولایه، تحت تاثیر نیروهای قائم زلزله می باشد.
      ابتدا شبکه هایی  با تغییر در ارتفاع بین دولایه، طول اعضا شبکه های فوقانی و تحتانی و همچنین نوع شبکه فوقانی و تحتانی با استفاده از نرم افزار FORMIAN تهیه و سپس مطابق با آیین نامه های موجود طراحی سازه های فولادی، طراحی و مقاطع بهینه اعضای سازه مشخص گردیدند.
      در مرحله بعد با استفاده از روش های معمول آنالیز غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی و با بار استاتیکی زیاد شونده،آنالیز پوش آور روی سازه انجام گرفته تا سازه از حالت خطی خارج گردیده و وارد مرحله غیرخطی  شود که با افزایش بار،سازه به حالت ناپایدار در آمده و در نهایت خراب میشود که از حاصل نتایج این سری آنالیزها، منحنی های نیرو- تغییر شکل برای هر سازه در جهت قائم رسم شده و ضریب رفتار تک تک سازه ها و با یکدیگر مقایسه میشوند.
      مقدمه
      ضریب رفتار سازه(R)، در آیین نامه های زلزله نشانه مقاومت ،پایداری، شکل پذیری،نحوه خرابی سازه در زلزله، قدرت جذب انرژی نیروهای جانبی،مقاومت اضافه در تغییر شکل های زیاد،میرایی و رفتار کلی سازه در مقابل زلزله می باشد و به نوع سیستم ساختمان،سطح تکنولوژی مصالح، روش های طراحی،اجرا و نظارت همچنین مسائل اقتصادی، اجتماعی و فرهنگ ساختمان سازی بستگی دارد.
      بدین معنی،هراندازه مقداراین ضریب کم باشدنیروی برشی پایه زیادتری برای طرح سازه منظورمیشودکه باعث اتلاف هزینه اضافی درساختمان میشود.
      ولی هرچه مقدار این ضریب بیشتر باشد قابلیت اطمینان به جذب انرژی توسط سازه بیشتر و سازه سریعتر از ناحیه الاستیک خارج شده و تعداد مفاصل پلاستیک بیشتری تشکیل میشود که نشان دهنده شکل پذیری و قدرت جذب انرژی بیشتر سازه میباشد.
      مقادیرزیادی یا کمی پارامترهایی همچون تغییر شکل سازه، پایداری، میرایی، شکل پذیری و …. هریک تاثیری بر سیستم سازه میگذارند.
      پس بهترین آنها زمانی است که مقدار ضریب رفتار بهینه باشد.
      ضریب Rازیک طرف تاثیرقابل توجهی درطراحی بهینه ساختمان داشته و ازطرف دیگر نقش مهمی درقابلیت سرویس دهی ساختمان درزلزله دارد.
      پس این ضریب برای تعیین نیروهای زلزله به خصوص در سازه های فضاکار دولایه یکی از ضرایب مهم می باشد.
      با توجه به مرجع [2] و مطابق تفسیر [National Earthquake Hazard Reduction Program] NEHRP ضریب R را بصورت یک ضریب تجربی برای تبدیل پاسخ و به منظور به حساب آوردن دو عامل میرایی و شکل پذیری در یک سیستم سازه ای، در تغییر مکان های بزرگ نزدیک به تغییر مکان های نهایی سیستم تعریف می کند که صفت “تجربی” در تعریف بالا یعنی هیچ تکنیک اساسی  برای محاسبه مقادیر R در آیین نامه های مختلف وجود ندارد.
      در ایران تحقیقات  و بررسی های زیادی  در این مورد انجام  نشده و ضرایب R پیشنهاد شده در آیین نامه زلزله ایران با توجه به سیستم های مشابه سازه ای در آیین نامه های سایر کشورها انتخاب شده است و با توجه  به قضاوت مهندسی تهیه کنندگان اولیه، این مقادیر تعدیل شده اند.
      درمحاسبه ضریب رفتارپارامترهای زیادی که بعضی دربالا گفته شدموثرندامابدلیل پیچیدگی محاسبه فقط درسه ضریب خلاصه گردیده کلیه عوامل راشامل میگردد.
      دراین مقاله،تاثیرات ارتفاع بین دولایه،طول عضولایه های تحتانی وفوقانی ونوع شبکه درضریب رفتار سازه های فضاکار دولایه بررسی شده است.
      مدل سازی سازه فضاکار دولایه
      اعمال تحلیل غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی ابتدا باید توسط تک عضو صورت پذیرد.
      پس جهت آنالیزغیرخطی مصالح بایستی از المان غیرخطی در نرم افزار ANSYS استفاده شود.
      که بعد ازتحقیق و بررسی رفتار هرکدام ازالمانها نتایج حاصل گردیدکه بایستی برای آنالیز از المان هایBeamاستفاده شود که این المانها هریک رفتار غیرخطی وخطی مخصوص به خود را دارند.
      برای مدل سازی تک عضو از المان سه بعدی غیرخطی  Beam189 استفاده می شود. این المان رفتار غیرخطی داشته و توسط چهار گره (دو انتها،وسط و خارج از المان) تعریف می شود. عیب عمده این المان قابلیت آزاد سازی درجات آزادی چرخشی انتهایی المان است. چون در سازه های فضاکار همه اعضای خاصیت دو سرمفصل را دارند، به ناچار می بایست این مشکل توسط دو المان Beam44 که خاصیت آزاد سازی درجات آزادی چرخشی را دو انتها دارند، حل گردد. پس در هر تک عضو از یک المان Beam 189 و دو المان Beam44 استفاده می شود.
      رفتار فولاد بصورت غیرخطی در نظر گرفته شده است که در سازه های فضاکار اعضا با مقاطع لوله ای توخالی تعریف میشوند و برای در نظرگرفتن رفتار کمانشی عضو در اثر نیروی محوری بایستی یک انحنای اولیه به المان  وسطی عضو(Beam 189) داده شده باشد تا پس از وارد شدن،اولین گام نیروی محوری، همزمان کمانش در عضو صورت پذیرد.
      برای دستیابی به این مهم ابتدا چندین نمونه از عضو ساخته شده از یک، دو و سه المان Beam 189 با لاغری های مختلف توسط نرم افزار کامپیوتری مورد آزمایش قرار گرفته و مقادیر خطای آن ها با مقادیر تئوری مقایسه شده و کمترین خطای ممکن حاصل از آن عبارتست از : عضوی با دو المان خطی Beam44 به طول b/10(b طول عضو) از دو انتهای عضو و یک المان غیر خطی Beam 189 در وسط با انحنای اولیه  004/0 .
      حال برای مدل کردن شبکه های فضاکار دو لایه، ابتدا شکل یک سازه فضاکار دو لایه که لایه فوقانی آن شبکه قطری و لایه تحتانی آن شبکه مستطیلی میباشد با ارتفاع و طول عضوهای مختلف تولید (شکل 2) و سپس آنالیز و طراحی بهینه روی آن صورت میگیرد. مقاطع اعضا به سازه تخصیص داده شده و دوباره سازه آنالیز می گردد و این سیکل تا طرح بهینه سازه ادامه می یابد.
      کلیه مقاطع بدست آمده، به یک نرم افزار آنالیز غیرخطی سازه ها برده شده و تمام شرایط مدلسازی از جمله شرایط تکیه گاهی و شرایط مفصلی دو سراعضا تعریف میشوند و با آنالیز پوش آور و با روش حل معادلات غیرخطی نیوتن – رافسون آنالیز غیرخطی انجام میگردد.
      نتایج بصورت نمودارهای نیرو – تغییر مکان برای ارتفاع و طول اعضای مختلف ترسیم میشوند.
      همین روندبرای دیگرشبکه های دولایه بالایه تحتانی مستطیلی،لایه های فوقانی قطری وچهارطرفه انجام گرفته ودرنهایت نمودارنیرو–تغییرمکان باشرایط بالاترسیم میشوند.
      بررسی آنالیز غیر خطی سازه های فضاکار دو لایه
      رفتارغیر خطی سازه های دو لایه در برگیرنده خرابی اعضای تکی است که اگر سازه در اثر خرابی این اعضا به مکانیزم تبدیل شود، دچار کمانش کلی شده و تغییر مکان ها به میزان زیادی افزایش می یابد سپس بایستی با اطلاعات کافی رفتار حالت الاستیک تا پس کمانش سازه را مورد بررسی قرار داد که محققین زیادی در این خصوص تحقیق نموده اند.
      برخی روش های آنالیز کمانشی عبارتند از : روش خطوط گسیختگی، جایگزینی عضو کمان کرده، اصلاح سختی عضو کمانه کرده و روش های المان محدود پس با توجه به قدرت و سرعت پردازش اطلاعات بوسیله کامیپوتر، در این تحقیق از روش المان محدود استفاده گردیده که استفاده از این روش نیازمند سه مرحله مدل سازی سازه با المان های با طول معین، اعمال شرایط تعادل و سازگاری بین تغییر مکان های داخلی اعضا و استفاده از روش سختی یا نرمی می باشد. رفتار غیرخطی تمام سازه ها شامل دونوع غیرخطی مصالح و غیرخطی هندسی می باشد.
      درروش آنالیزغیرخطی مصالح،رفتارغیرخطی وابسته به زمان،خزش،آسودگی ودیگرخواص مصالح میباشندواگرمستقل ازسرعت بارگذاری باشدوابسته به سه پارامترمعیارتسلیم،قانون جریان وقانون سخت شوندگی میباشد.
      براساس مطالب گفته شده برای در نظر گرفتن رفتار فولاد بایستی منحنی تنش- کرنش و مدول الاستیسته،E را تعریف نمائیم.
      لذا نقطه ابتدا منحنی در مبدا و نقطه انتها در نقطه تسلیم (sy,ey) میباشد و در صورت در نظر گرفتن خط دوم به صورت موازی محور کرنش ها، رفتار الاستوپلاستیک کامل مورد نظر بوده اما برای تاثیر اثر سخت شوندگی کرنش در فولاد خط دوم را باشیب بزرگتر از صفر در نظر می گیریم.
      پس در مدل سازی از فولاد با منحنی تنش – کرنش ( شکل 1) استفاده میشود.


      محاسبه ضریب رفتار
      مفهموم ضریب رفتار براین اساس است که یک قاب لرزه ای با جزئیات خوب اجرا شده می تواند تغییر شکل های زیادی را بدون فرو ریزش تحمل نماید(رفتار شکل پذیر) و مقاومتی علاوه بر مقاومت طراحی از خود نشان دهد که اغلب به رزرو مقاومت معروف است.
      ضریب رفتاربه نسبت نیرویی که تحت یک حرکت لرزه ای زمین اگرسیستم کاملاارتجاعی عمل کند(طراحی الاستیک)به نیروی طراحی ازپیش تعیین شده درحالت حدی مقاومت گفته میشود.
      ضریب رفتارازروی منحنی نیرو- تغییر مکان سازه هادرحالت آنالیزخطی وغیرخطی(شکل 2) بدست می آید وشامل قسمت های ذیل است:

      ضریب کاهش نیرودراثر شکل پذیری(Rm):عبارتست ازخارج قسمت نیروی نهایی وارده به سازه درصورتیکه رفتارسازه الاستیک باقی بماند(Ve)به نیروی متناظرباحد تسلیم عمومی سازه درهنگام تشکیل مکانیزم خرابی(Vy).

      ضریب اضافه مقاومت(Rp):عبارتست ازخارج قسمت متناظرباحدتسلیم کلی سازه درهنگام تشکیل مکانیزم خرابی،(Vy)به نیروی متناظرباتشکیل لولاخمیری درسازه(Vp).مقداراین ضریب برای سازه حدود5/1الی3میباشد.

      ضریب تنش مجاز (Rw) : عبارتست از ضریبی که براساس نحوه برخود آیین نامه ها با تنش های طراحی ( بار مجاز یا نهایی) تعیین می شود و برابراست با نسبت نیرو در حد تشکیل اولین دولای خمیری (Vp) به نیروی در حد تنش مجاز (Vw). مقداراین ضریب حدود 5/1 تا 7/1 در اکثر سازه ها می باشد.

      باتوجه به اینکه در سازه های فضاکار از لوله توخالی با مقطع دایره ای استفاده شده پس :

      ضریب رفتار سازه های فضاکار دو لایه
      در این مقاله سه تیپ شبکه های فضاکار دولایه تحت عنوان مدل هایA,B,C موردبررسی قرارگرفته اند که عبارتند از :
      مدل A : شبکه فوقانی چهار طرفه و تحتانی شبکه مستطیلی.
      مدل B : شبکه فوقانی مستطیلی و شبکه تحتانی مستطیلی.
      مدل C : شبکه فوقانی قطری و شبکه تحتانی مستطیلی.
      دراین سه مدل ارتفاع بین دولایه (h)وطول عضو (b)میباشد ونتایج بصورت نسبت دوپارامتر b و h بطول دهانه Sمیباشند(شکل 3).

      کلیه ضرایب رفتار حاصل ازسه تیپ مدل شبکه های فضاکار دو لایه بررسی گردیده و در ادامه آورده شده اند.


      نتیجه گیری
      با توجه به اینکه میانگین ضریب رفتار به ترتیب در هریک از مدل های A،B،C برابر 2.63، 2.45، 2.76  بوده و میانگین برای سه مدل 2.60 میباشد نتیجه میگیریم که شبکه های فضاکار دو لایه از شکل پذیری زیادی در جهت قایم برخوردار نبوده و ضریب رفتار بسیار کمتر نسبت به دیگر سازه ها دارند. ازمقایسه ضرایب رفتارسه مدل بالا میتوان نتیجه گرفت که استفاده ازروش تحلیل استاتیک معادل برای آنالیزاین سازه هامناسب نمی باشد. باتوجه به پایین بودن ضریب رفتاروتغییرات زیاد آن دربین مدلهای مختلف شبکه های فضاکار دولایه،توصیه میشودجهت تحلیل سازه فضاکاردولایه ازروشهای آنالیزغیرخطی مستقیم استفاده گردد. تهیه کننده : احسان عراقی زاده
      منبع : http://fazasazeh.ir