عنوان : انتخاب رکورد مناسب زلزله جهت انجام تحلیل دینامیکی  سازه با بهره گیری از الگوریتم ژنتیک

دانشگاه آزاد اسلامی

واحد علوم و تحقیقات آذربایجان شرقی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد

رشته: عمران

گرایش: سازه

عنوان:

انتخاب رکورد مناسب زلزله جهت انجام تحلیل دینامیکی  سازه با بهره گیری از الگوریتم ژنتیک

استاد راهنما:

دکتر سامان یغمایی سابق

استاد مشاور:

دکتر ناصر تقی زادیه

برای رعایت حریم خصوصی نام نگارنده پایان نامه درج نمی گردد
(در فایل دانلودی نام نویسنده موجود می باشد)
تکه هایی از متن پایان نامه به عنوان نمونه :
(ممکن می باشد هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود اما در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می باشد)
فهرست مطالب:
فصل اول…………………………………………………. 1
(کلیات و پیشینه پژوهش) ………………………………………………1
1-1  مقدمه………………………………………………. 2
1-2  ادبیات پژوهش………………………………………………. 8
1-2-1 مبانی لرزه شناسی……………………………………………….. 8
1-2-2  تاریخچه ی زمانی زلزله………………………………………………. 14
1-2-3   هموار کردن طیف پاسخ ناشی از رکوردهای مختلف…………………… 17
1-2-4  طیف طرح مقیاس شده……………………………………………… 18
1-2-5  ضوابط آیین نامه ای……………………………………………….. 18
1-3 بهینه سازی……………………………………………….. 20
1-3-1 انواع روش های بهینه سازی……………………………………………….. 21
1-3-2  جستجوی ابتکاری……………………………………………….. 21
1-4  وراثت……………………………………………….. 24
1-4-1  مروری بر تاریخچه علم ژنتیک………………………………………………… 25
1-4-2  الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 27
1-4-3 تاریخچه الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 28
1-4-4  خصوصیات الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 30
1-4-5   ساختار کلی الگوریتم‏های ژنتیکی…………………………………………… 31
1-4-6 پارامتر های الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 32
1-5 طریقه کلی بهینه سازی و حل مسائل در الگوریتم ژنتیک……………………….. 33
1-6 پیشینه پژوهش………………………………………………. 34
1-6-1 مقدمه………………………………………………. 34
1-6-2 تحقیقات صورت گرفته در ارتباط با موضوع……………………………………. 36
1-6-3 جمع بندی از مبانی نظری و عملی برای ساختن پشتوانه معتبر………………. 43
فصل دوم………………………………………………45
(روش پژوهش، تجزیه و تحلیل داده ها)……………………………………………… 45
2-1 مقدمه………………………………………………46
2-2 تعاریف و مفاهیم پایه ژنتیک………………………………………………… 48
2-2-1 ژن………………………………………………. 48
2-2-2 مارپیچ مضاعف………………………………………………… 49
2-2-3  کروموزم………………………………………………. 50
2-2-4  آلل………………………………………………. 51
2-2-5  جمعیت……………………………………………….. 51
2-2-6  اصل بقاء و برازندگی……………………………………………….. 52
2-2-6  تولید مثل………………………………………………. 54
2-2-7  انتخاب……………………………………………….. 54
2-2-8  تقاطع………………………………………………. 56
2-2-9  جهش………………………………………………… 58
2-2-10  حذف……………………………………………….. 59
2-2-11  تعویض یا جایگزینی……………………………………………….. 60
2-3  جایگزینی به روش انتخاب نخبه گرا……………………………………. 61
2-4  همگرایی……………………………………………….. 62
2-5  طریقه کلی الگوریتم‏های ژنتیکی………………………………………….. 63
2-6 عملگرهای الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 67
2-7 مزایای الکوریتم ژنتیک………………………………………………… 70
2-8 معایب الگوریتم ژنتیک……………………………………………….. 71
2-9 کاربردهای الگوریتم ژنتیک………………………………………………… 72
2-10 تحلیل های تاریخچه زمانی……………………………………………….. 73
2-11  انواع روش های مختلف مقیاس سازی شتابنگاشت ها………………..75
2-12 به مقیاس درآوردن رکوردها……………………………………………… 77
2-13 بهره گیری از الگوریتم ژنتیک برای مقیاس کردن رکوردها …………………..79
2-14 المان های اساسی الگوریتم ژنتیک اعمال شده در این مسائل…………..81
2-15 انتخاب شتابنگاشت ها برای طرح لرزه ای…………………………………. 83
2-16 چگونگی جمع آوری و شیوه های تجزیه و تحلیل داده ها………………..84
2-17 فرمول بندی مسئله………………………………………………. 86
2-18 انتخاب، اجرا و مقایسه ی مثال ها و شواهد………………………….. 88
2-19  برنامه های اجرا شده در مراحل مختلف و ارائه برنامه تکامل یافته………. 89
2-20 عملگرهای ژنتیک………………………………………………… 91
2-20-1  انتخاب……………………………………………….. 91
2-20-2  همبری……………………………………………….. 91
2-20-3  جهش………………………………………………… 91
2-21  گونه سازی………………………………………………. 92
2-22   انتخاب شتابنگاشت ها و تاثیر بزرگی جامعه نگاشت ها……………… 93
فصل سوم………………………………………………. 94
نتایج و بحث……………………………………………….. 94
3-1  پارامترهای کنترلی الگوریتم ژنتیک…………………………………………… 95
3-2 نتایج اجرای برنامه………………………………………………. 97
3-3  مطالعه مقایسه ای برنامه ارائه شده………………………………………… 99
3-4  مطالعه تاثیر پارامترهای کنترلی بهینه یابی در الگوریتم ژنتیک دودویی……….110
3-5 ارائه الگوریتم ژنتیک هیبریدی (انتخاب پارامترهای کنترلی بهینه یابی توسط الگوریتم ژنتیک)……146
3-6 یافته های پژوهش………………………………………………… 151
3-7 جمع بندی کلی……………………………………………….. 153
3-8 پیشنهادها و زمینه های ادامه پژوهش……………………………. 156
منابع………………………………………………. 157
پیوست……………………………………………….. 162
چکیده:
در این مقاله رویکرد جدیدی برای انتخاب بهینه شتابنگاشت ها و مقیاس کردن آن ها جهت انجام تحلیل های دینامیکی تاریخچه زمانی، برای دست یافتن به طیف پاسخ میانگین که تطبیق مناسب و فاصله کمی با طیف هدف داشته باشد و بیانگر زلزله مورد انتظار ساختگاه باشد، توسط الگوریتم ژنتیک دودویی و اعداد طبیعی ارائه شده می باشد. به دلیل تفاوت ماهیت شتابنگاشت ها و ضرایب مقیاس الگوریتم ژنتیک ارائه شده در این مقاله دورگه(دارای دو کروموزوم) می باشد. الگوریتم ارائه شده قادر می باشد تا از میان مجموعه ای شامل بینهایت رکورد حرکت زمین، طی فرآیندی که در آن انتخاب طبیعی، آمیزش، جهش انجام می شود نسل جدیدی از افراد را ساخته و این فرآیند را تا زمانی ادامه دهد که فردی با ویژگی های مطلوب بدست آید. یکی از مهم ترین عوامل در اندازه دقت و کارایی این برنامه ها تخمین صحیح پارامترهای آن هاست. در صورتی که این پارامترها به درستی محاسبه شوند، اختلاف بین طیف پاسخ میانگین و طیف طرح بشدت کم می گردد. با در نظر داشتن تعداد نسبتا زیاد این پارامترها، کاربرد شیوه های مبتنی بر کوشش و خطا تا حد زیادی متکی بر مهارت کاربر می باشد، برنامه الگوریتم ژنتیک هیبریدی ارائه شده می تواند این نقص را برطرف کند. این برنامه دارای دو ژنتیک می باشد که همزمان با یکدیگر اجرا می شوند و جواب های نزدیک به جواب بهینه حاصل می کند. این برنامه خود قادر می باشد محدوده ضرایب مطلوب و مقادیر همبری و جهش هر کروموزوم را در اختیار کاربر قرار دهد.
فصل اول: کلیات و پیشینه پژوهش
1-1- مقدمه
فلات ایران سابقه لرزه خیزی طولانی دارد و مطالعه تاریخ کهن بر وقوع زلزله در سه هزار سال قبل از میلاد مسیح گواه می باشد. امبرسز در یک مطالعه تاریخی سابقه نزدیک به شش هزار زلزله را که از دو هزار سال قبل در این سرزمین رخ داده از منابع تاریخی استخراج نموده و مورد تحلیل قرار داده می باشد. که این نتایج نشان داده مناطق فعال در ادوار مختلف کم و بیش بر هم منطبق هستند.
با در نظر داشتن این مسئله که کشور ایران در روی چندین گسل زلزله واقع شده می باشد و ساختمان های ناپایدار که همه ساله شاهد ویرانی آنها پیش روی رخداد های زلزله هستیم، بایستی به دنبال راه هایی برای این مشکل گشت. حرکت زمین در هنگام زلزله می تواند خسارات شدیدی بر ساختمانها و تجهیزات داخل آنها وارد نماید. هنگامیکه شتاب، سرعت و تغییر مکانهای زمین به سازه اعمال می شوند در اغلب حالات تقویت شده و تقویت شدن این جنبش ها باعث ایجاد نیروها و تغییر مکانهای زیاد در سازه می گردد. عوامل زیادی بر حرکت زمین و تقویت آنها اثر می گذارند. به مقصود مطالعه رفتار یک سازه و طراحی ایمن و اقتصادی آن لازم می باشد که اثر این عوامل مورد توجه قرار گیرند[5].
ارزیابی و شناخت زلزله هایی که در آینده ممکن می باشد به وقوع بپیوندد از مسائل مهم مهندسی زلزله و سازه می باشد، که نیازمند شناخت و پیش بینی زلزله محتمل و خصوصیات آن در منطقه و همچنین شناخت رفتار سازه تحت این زلزله می باشد. در روش های تحلیل دینامیکی نیروی جانبی زلزله با بهره گیری از بازتاب دینامیکی که سازه بر اثر حرکت زمین ناشی از زلزله، از خود نشان می دهد، بدست می آید. این روش ها شامل روش “تحلیل طیفی” و روش “تحلیل تاریخچه زمانی” می باشد. حرکت زمین، که از آن در تحلیل های دینامیکی بهره گیری می گردد بایستی حداقل، شرایط زلزله طرح را داشته باشد. آثار حرکت زمین به یکی از دو صورت “طیف بازتاب شتاب” و یا “تاریخچه زمانی شتاب” تعیین می گردد[3]. برای طیف بازتاب شتاب می توان از طیف طرح استاندارد و یا از طیف طرح ویژه ساختگاه مطابق ضوابط آیین نامه بهره گیری نمود.
عموما سازه ها هنگامی که تحت زلزله های قوی قرار می گیرند وارد محدوده غیر خطی می شوند، به همین دلیل تحلیل غیر خطی تاریخچه زمانی سازه مهم می باشد. تحلیل های غیرخطی تاریخچه زمانی[1]، در تحلیل لرزه ای و طراحی سازه رایج تر می باشد. آیین نامه های مربوط به سازه های جداساز لرزه ای، مقررات حاکم بر تحلیل های غیرخطی تاریخچه زمانی را شامل می شوند. حدود دو دهه می باشد که در اروپا و آمریکا مقررات آیین نامه های حاکم بر تحلیل های تاریخچه زمانی تشریح شده می باشد. با وجود اینکه خطر لرزه ای در یک محل(سایت) برای مقاصد طراحی بوسیله طیف طرح[2]، ارائه شده می باشد تقریبا همه ی آیین نامه های طراحی، برای مقیاس کردن[3] و انتخاب تاریخچه ی زمانی زمین لرزه مطابق با طیف طرح، به یک روش دقیق تری نیازمندند.
چندین روش برای مقیاس گذاری تاریخچه زمانی ارائه شده می باشد. این روش ها شامل: روش های حوزه بسامد[4] و روش های حوزه زمانی[5] می باشد، که در روشهای حوزه بسامد، مقدار بسامد، برای مطابقت دادن رکورد حرکت زمین دستکاری می گردد. در روش حوزه زمانی مقدار دامنه رکورد حرکت زمین مقیاس می گردد. صرفنظر از این روش ها تقریبا در همه ی نظریه های موجود، فرآیندهای انتخاب و مقیاس گذاری زلزله مطابق با طیف طرح جداگانه و مجزا می باشد[30].
انتخاب حرکت زمین در تحلیل های دینامیکی بسیار مهم می باشد زیرا حرکت ها تاثیر قابل توجهی در نتیجه تحلیل و همچنین خروجی طرح دارند. پس، بدست آوردن یک مجموعه از حرکات زمین با تخمین دقیق از پاسخ لرزه ای سازه بر اساس خطر لرزه ای محلی که سازه در آن واقع شده، بسیار مهم می باشد. اخیرا دسترسی به داده های دیجیتال آنلاین و همین گونه دسترسی به شتابنگاشت های زمین لرزه های واقعی افزایش یافته می باشد. اگر چه بسته به شرایط ایستگاه ثبت شتابنگاشت، بزرگی زلزله منبع، محل ثبت رکورد حرکت زمین، نوع گسل، نوع خاک، مدت زمان حرکت ها، مشخصات طیفی تفاوت های زیادی دارند.
هدف اصلی در این پژوهش، انتخاب یک ترکیب مناسب از مجموعه رکوردهای زلزله در یک محل مشخص (سایت) که با طیف طرح تطبیق پیدا کرده و کمترین اختلاف را با آن داشته باشد، می باشد. مشخصات لازم جهت مقیاس کردن رکورد زلزله، متغیرهای عددی ای هستند که در یک محدوده خاص توسط کاربر اعمال می شوند. پس فاز و شکل طیف پاسخ[6] زمین لرزه دست نخورده باقی می ماند. برخلاف روشهای متداول جهت مقیاس کردن، که در آن آغاز مجموعه ای از رکوردهای زلزله از پیش تعیین شده و سپس، مقیاس کردن را با طیف طرح تطبیق می دادند، روش ارائه شده قادر می باشد از یک مجموعه شامل هزاران رکورد زلزله، جستجو کرده و یک زیر مجموعه از رکوردهایی که مطابق طیف هدف[7] می باشند را معرفی کند، که این وظیفه توسط الگوریتم ژنتیک[8] انجام می گردد. الگوریتم ژنتیک سرآمد روش های تکاملی می باشد و نیازی به اطلاعات گرادیان ندارد. پیاده سازی الگوریتم های ژنتیک با ایجاد یک جمعیت[9] اولیه از کروموزوم ها[10] شروع می گردد. سپس این ساختارهای اولیه ارزیابی شده و با در نظر داشتن اندازه شایستگی به آنها فرصت تولید مثل داده می گردد. معمولا اندازه مطلوبیت راه حل ها با در نظر داشتن جمعیت فعلی تعیین می گردد. ساختار الگوریتم ژنتیک به این شکل می باشد که حداقل بایستی دارای یک عضو در جمعیت اولیه خود باشد. این عضو وظیفه تولید یک جمعیت تازه و نمو آن را برای برآورده ساختن شرط پایانی، بر عهده دارد.
در الگوریتم ژنتیک اولین مرحله تکامل، تولید افراد می باشد. در این الگوریتم ها پس از تولید جمعیت اولیه، نوبت به انتخاب دو والدین[11] و تلفیق[12] آنها در قالب یک یا دو فرزند[13] و در نهایت جهش[14] فرزندان می رسد. فرزندان جدید جایگزین یکی از افراد ضعیف تر نسبت به خود در جمعیت می شوند.
الگوریتم ژنتیک یک رویه تکراری می باشد که شامل یک جمعیت با اندازه ثابت می باشد. هر یک از افراد این جمعیت با در نظر داشتن یک رشته محدود از سمبول ها ارائه می شوند که از آنها تحت عنوان ژنوم دانسته می گردد. هر یک از این ژنوم ها یک راه حل ممکن در فضای مسئله را کد می کنند. از فضای مسئله به فضای جستجو تعبیر می گردد که این فضا تمام راه حل های ممکن مسئله را در بر می گیرد. عموما از الگوریتم های ژنتیک در مورد مسائلی بهره گیری می گردد که فضای جستجوی آنها بسیار بزرگ بوده و روشهای جستجوی معمول در مورد آنها کاربردی ندارد.
با در نظر داشتن هدف اصلی این پژوهش که بدست آوردن مجموعه حرکت زمین توسط الگوریتم ژنتیک، مطابق با طیف طرح آیین نامه 2800 ایران[3] می باشد، الگوریتم ژنتیک می تواند، از میان جامعه نگاشت های واقعی زمین برای یک منطقه مشخص با نوع خاک مخصوص، به انتخاب و مقیاس گذاری برای بدست آوردن ترکیب مناسبی از حرکت های زمین، مطابق با طیف طرح معرفی شده در آیین نامه 2800 ایرن، بپردازد.
فرآیند پژوهش به این شکل می باشد که، آغاز بر اساس ویژگی های زلزله های مختلف رخ داده در جهان بر اساس نوع خاک، و فاصله ایستگاه از منبع زلزله مشخص، یک پایگاه داده[15] انتخاب شده، سپس این داده ها را برای انواع مختلف خاک بسط داده خواهد گردید و سپس الگوریتم ژنتیک به انتخاب طیف پاسخ ترکیب این رکوردها با مقایسه طیف آیین نامه خواهد پرداخت، و اگر معیار همگرایی[16] ارضا گردد آن مجموعه[17] به عنوان یک فرد برای رکورد زلزله انتخاب می گردد.( طیف پاسخ از بسط مجموعه های که متناسب با طیف طرح آیین نامه هستند بدست می آید). نتایج نشان میدهد که الگوریتم ژنتیک نتایج دقیقی را در انتخاب و مقیاس کردن مجموعه های زلزله اصلی مطابق با طیف طرح تولید می کند. از نتایج این پژوهش می توان در دفاتر طراحی و مشاوره زمانی که انجام تحلیل های دینامیکی ضروری می باشد، بهره گیری نمود.
در این پژوهش با در نظر داشتن فرضیاتی مانند مقایسه طیف پاسخ با طیف طراحی بر اساس استاندارد 2800 ایران، خطی بودن رفتار سازه ها در تهیه طیف پاسخ و فرضیات متداول در بهینه سازی بر اساس الگوریتم ژنتیک(GA) به سوالاتی از قبیل سوالات مطرح شده در ذیل پاسخ داده خواهد گردید.
چگونه بر اساس مشخصه های الگوریتم ژنتیک می توان رکورد مناسب سازگار با طیف طرح، جهت انجام تحلیل دینامیکی انتخاب نماییم؟
 آیا پارامترهای مختلف در طراحی الگوریتم ژنتیک بر روی نتایج می تواند تاثیری داشته باشد؟
2-1- ادبیات پژوهش
در این قسمت شامل چهار بخش می باشد که هر یک به اظهار و تعاریف مفهومی و عملیاتی متغیرهای به کار رفته در این پژوهش پرداخته شده می باشد. گفتار اول مربوط به مبانی لرزه شناسی جهت یادآوری اظهار شده، بخش دوم مروری کوتاه بر ضوابط آیین نامه ای مورد نیاز این پژوهش می باشد، بخش سوم مختصری از بهینه سازی اظهار شده و بخش چهارم مروری کوتاه از تعاریف ژنتیک و الگوریتم ژنتیک می باشد.
1-2-1- مبانی لرزه شناسی
حرکت زمین: هنگامیکه شتاب، سرعت و تغییر مکانهای زمین به سازه اعمال می شوند در اغلب حالات تقویت شده و تقویت شدن این جنبش ها باعث ایجاد نیروها و تغییر مکانهای زیاد در سازه می گردد. عوامل زیادی بر حرکت زمین و تقویت آنها اثر می گذارند. به مقصود مطالعه رفتار یک سازه و طراحی ایمن و اقتصادی آن لازم می باشد که اثر این عوامل مورد توجه قرار گیرند[5].
عوامل موثر بر حرکات زمین :
حرکات زمین و مدت دوام آنها در یک محل تحت تاثیر عوامل مختلفی قرار دارد که مهمترین آنها عبارتند از:
1- بزرگای زلزله
2- فاصله محل مورد نظر از منبع آزاد شدن انرژی
3- شرایط خاک محل
4- تغییرات شرایط زمین شناسی و سرعت انتشار امواج در مسیر
5- شرایط و سازوکار منبع زمین لرزه( نوع گسل، شرایط تنش و افت تنش)
با در نظر داشتن رکوردهای ثبت شده از زلزله های پیشین می توان اثر این عوامل را بر حرکات زمین مطالعه نمود[5].
بزرگی[1]زلزله و اثر آن: اندازه زلزله بستگی به انرزی آزاد شده دارد. از سوی دیگر دامنه ارتعاش حاصل از زلزله در فاصله معینی از مرکز زلزله ارتباط مستقیمی با انرژی آزاد شده دارد. از این رو ریشتر[2] اول بار در سال 1935 بزرگیM  را چنین تعریف نمود.
در این ارتباط M بزرگی (درجه ریشتر) و A دامنه لرزه نگاشتی می باشد که از یک دستگاه لرزه نگار وود اندرسن در فاصله 100 کیلومتری مرکز زلزله بدست آمده باشد( A  بر حسب میکرن می باشد).
در یک فاصله معین از محل آزاد شدن انرژی، زلزله هایی با بزرگای زیاد سبب می شوند که حداکثر شتاب، سرعت و تغییر مکان زمین نیز بزرگ باشند. اثر بزرگا بر مدت دوام حرکات شدید نیز توسط محققین مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. نتایج بدست آمده ناشی از ارتباط خطی بین زمان دوام حرکات شدید و بزرگای زلزله می باشد. در یک بزرگای معین، مدت دوام حرکات شدید در سنگ حدود نصف آن برای خاک می باشد[5].
تأثیر فاصله: اثر فاصله تا منبع آزاد شدن انرژی توسط محققین مختلف مورد مطالعه قرار گرفته می باشد. در اغلب مطالعات حداکثر حرکات زمین بصورت تابعی از فاصله ترسیم گردیده می باشد. به نحویکه یک منحنی مناسب به نقاط اطلاعات برازش داده می گردد و معادله این منحنی برای تعیین حداکثر حرکات زمین در فواصل مختلف مورد بهره گیری ثرار می گیرد. این روابط که آنها را کاهیدگی می نامند، در آغاز مستقل از بزرگای زلزله مطرح می گردید، اما بعد ها محققان اثر این پارامتررا نیز در روابط وارد نمودند نتایج تحقیقات نشان می دهد که حداکثر شتاب زمین با افزایش فاصله تا منبع آزاد شدن انرژی بزرگای زمین لرزه بر روابط کاهیدگی موثر می باشد. اما در نزدیکی گسل فقط زمین لرزه هایی که بزرگای کوچکی دارند در روابط کاهیدگی گوثر بوده و زمین لرزه های با بزرگای زیاد اثر چندانی بر این روابط ندارند.
[1] magnitude
[2] Richter
[1] Time –history
[2] Design Spectrum
[3] Scaling
[4] frequency-domain
[5] time-domain
[6] Response Spectrum
[7] Target spectrum
[8] Genetic Algorithm(GA)
[9] Population
[10] Choromosome
[11] Parents
[12] Crossover
[13] Offspring
[14] Mutation
[15] database
[16] Convergence
[17] dataset
تعداد صفحه : 201
قیمت : 14700 تومان

این مطلب رو هم توصیه می کنم بخونین:   دانلود پایان نامه ارشد: تخمین ضرایب آزمایش تحکیم در لایه‌های آبرفتی با استفاده از مدلسازی با Anfis و شبکه‌های عصبی

بلافاصله پس از پرداخت لینک دانلود فایل در اختیار شما قرار می گیرد

و در ضمن فایل خریداری شده به ایمیل شما ارسال می گردد.

دسته‌ها: عمران