فایل طراحی بهینه لرزه ای قاب های فولادی

جزئیات و دریافت

این پایان نامه در قالب فرمت word قابل ویرایش ، آماده پرینت و ارائه به عنوان پروژه پایانی میباشد.

چکیده:
در مهندسي عمران بهينه¬سازي سازه‌ها براي بارگذاريهاي استاتيكي به طور قابل ملاحظه-اي توسعه داده شده‌اند. ليكن، در بهينه‌سازي براي بارهاي لرزه¬اي مشكلات عديده‌اي مانند وابستگي قيود نسبت به زمان، متغير بودن فضاي طراحي در زمان و محاسبات گراديان نمود پيدا مي كند. براي بهينه¬سازي در برابر زلزله در اين تحقيق از روش تحليل دینامیکی طيفي استفاده شده است كه دقت قابل قبولي داشته و با مشكلات فوق¬الذكر نيز درگير نمي¬باشد. براي اين منظور، به بهينه¬سازي قاب¬هاي فولادي كوتاه، متوسط و بلند در برابر زلزله پرداخته شده است. نتایج حاصل از بهینه¬سازی با استفاده از روش کلاسیک‌ (روشهاي بر مبناي گراديان) با نتایج حاصل از بهینه¬سازی گسسته الگوریتم ژنتیکی، براي اطمينان از بدست آمدن طرح بهينه كلي، مقایسه شده‌اند. در روش کلاسیک، براي محاسبه گرادیان¬ها و تحلیل حساسیت، از روش تفاضل محدود پیش¬رونده استفاده شده است. با استفاده از تحليل 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 لرزه¬ای، با محاسبه طیف پاسخ الاستیک زلزله دلخواه، به تحلیل دینامیکی طیف پاسخ سازه پرداخته شده است.
در این پایان¬نامه، قابليت روشهاي ارائه شده با حل چند مساله از نوع بهينه¬سازي قاب-هاي فولادی مهاربندي شده و مهاربندی نشده و بارعايت ضوابط فني و آيين¬نامه¬اي تنش مجاز مبحث 10 مقررات ملی ساختمان، ارائه شده است. نتایج با یکدیگر مقایسه و اقتصادیترین سیستم سازه¬ای 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-روش¬های برنامه¬ریزی ریاضی.............................................................................................12
2-2-2-روش¬های معیار بهینگی.........................................................................................................19
2-2-3-الگوریتم¬های تکامل................................................................................................................22
2-3- نتیجه¬گیری....................................................................................................................................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 بارگذاری¬های مختلف.........................................46
3-5- روش¬های بهینه¬سازی................................................................................................................50
3-5-1- روش بهینه¬سازی¬ گرادیانی SQP......................................................................................50
3-5-2- روش بهینه¬سازی¬ اکتشافی GA.........................................................................................52
3-6- فرمولبندی مساله بهینه¬سازی....................................................................................................55
3-6-1- تابع هدف...............................................................................................................................55
3-6-2- قیود طراحی...........................................................................................................................55
3-7- مزایای تحقیق انجام گرفته.......................................................................................................58
3-8- نتیجه¬گیری...................................................................................................................................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-  نتیجه¬گیری.................................................................................................................................79
فصل پنجم : نتیجه¬گیری و کاربرد...............................................................................81
5-1- مقدمه............................................................................................................................................82
5-2- نتيجه‌گيري كلي درباره مساله اصلي تحقيق.........................................................................82
5-2-1- بهينه‌سازي لرزه¬ای................................................................................................................83
5-2-2- روش¬های بهینه¬سازی..........................................................................................................83
5-2-3- مقایسه نتایج حاصل از این تحقیق و تحقیقات پیشین...............................................84
5-3- كاربردهاي نظري و تحقيقي...................................................................................................85
5-4- كاربردهاي عملي.......................................................................................................................86
5-5- پيشنهاد تحقيقات آتي...............................................................................................................86
منابع و مآخذ .........................................................................................................................................88
پیوست ....................................................................................................................................................96

فهرست جدول¬ها
عنوان                                                                                        صفحه
جدول 3-1- مشخصات برخی از پروفیل¬های IPB اشتال.............................................................36
جدول 3-2- مقایسه برازش با استفاده از روشهای حداقل مربعات و درونیابی اسپلاین فضایی.........................................................................................................................................................37
جدول 3-3- فرکانس¬های حاصل از نرم افزار S-Frame و برنامه نوشته شده..........................48
جدول 3-4- مقایسه تحلیل¬های صورت گرفته جهت صحت سنجی........................................48
جدول 4-1- نتایج اولیه حاصل از بهینه¬سازی SQP.......................................................................65
جدول 4-2- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP و GA قاب¬ مهاربندی شده....................67
جدول 4-3- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP و GA قاب¬ خمشی.................................67
جدول 4-4- نتایج اولیه حاصل از بهینه¬سازی SQP.......................................................................71
جدول 4-5- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP و GA قاب¬ مهاربندی شده....................73
جدول 4-6- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP و GA قاب¬ خمشی.................................73
جدول 4-7- نتایج اولیه حاصل از بهینه¬سازی SQP.......................................................................77
جدول 4-8- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP قاب¬ مهاربندی شده................................78
جدول 4-9- نتایج نهایی حاصل از بهینه¬سازی SQP قاب¬ خمشی.............................................78

فهرست شکل¬ها
عنوان                                                                                        صفحه
شکل 1-1- رویکردهای مختلف برای تحلیل حساسیت...............................................................3
شکل 1-2- فلوچارت برنامه نوشته شده در محیط MATLAB....................................................7
شکل 2-1- (الف) مساله بهینهسازی واقعی (ب) مساله با تقریب خطی.................................12
شکل 2-2- قاب فولادی مهاربندی شده 8 طبقه، تحت بار لرزهای..........................................20
شکل 2-3- کاهش وزن قاب هنگام روند بهینه¬سازی....................................................................21
شکل 2-4- قاب فضایی 6 طبقه و گروهبندی المان ها.................................................................25
شکل 2-5- تاریخچه همگرایی روند بهینه¬سازی.............................................................................26
شکل 2-6- مقایسه وزن نرمالیزه شده قابهای ساده مهاربندی شده با تکیه¬گاه¬های مفصلی در برابر قاب خمشی با تکیه¬گاه¬های صلب.............................................................................................26
شکل 2-7- a) مدل تقریبی دو بعدی، b)مدل تیر چند درجه آزادی..........................................27
شکل 3-1- سیستم SDOF دینامیکی ساده.........................................................................................31
شکل 3-2- روش عددی خطی نیومارک...........................................................................................33
شکل 3-3- شتابنگاشت مؤلفه افقی زلزله طبس..............................................................................33
شکل 3-4- طیف پاسخ شبه شتاب مؤلفه افقی زلزله طبس ........................................................34
شکل 3-5- صحت سنجی طیف پاسخ الاستیک.............................................................................34
شکل 3-6- تبدیل مختصات برای المانهای قاب ...........................................................................38
شکل 3-7- (الف) اثرات P-δ، (ب)اثرات P- ..............................................................................41
شکل 3-8- بردار ضریب تاثیر هنگام اعمال زلزله در جهت X ..................................................44
شکل 3-9- قاب مهاربندی شده 4 طبقه و 3 دهانه.........................................................................47
شکل 3-10- تغییر شکل نهایی سازه توسط SAP2000................................................................49
شکل 3-11- تغییر شکل نهایی سازه توسط برنامه نوشته شده در MATLAB ......................49
شکل 3-12- مود اول سازه توسط SAP2000.................................................................................50
شکل 3-13- مود اول سازه توسط برنامه نوشته شده در محیط MATLAB............................50
شکل 3-14- انواع فرزندان....................................................................................................................55
شکل 4-1- طیف شبه شتاب مؤلفه افقی زلزله السنترو (El Centro) ........................................63
شکل 4-2- قاب مهاربندی شده 4 طبقه و 3 دهانه و گروهبندی اعضای آن .........................63
شکل 4-3- قاب خمشی 4 طبقه و 3 دهانه و گروهبندی اعضای آن........................................63
شکل 4-4- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری D+L ........................................64
شکل 4-5- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری 0.75 (D+L+E).........................65
شکل 4-6- تابع هدف (وزن) در برابر تولید نسل، تحت بارگذاری D+L ...............................66
شکل 4-7- تابع هدف (وزن) در برابر تولید نسل، تحت بارگذاری 0.75 (D+L+E)................66
شکل 4-8- قاب مهاربندی شده 10 طبقه و 5 دهانه و گروهبندی اعضای آن........................69
شکل 4-9- قاب خمشی 10 طبقه و 5 دهانه و گروهبندی اعضای آن.....................................69
شکل 4-10- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری D+L.......................................70
شکل 4-11- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری 0.75 (D+L+E).......................71
شکل 4-12- تابع هدف (وزن) در برابر تولید نسل، تحت بارگذاری D+L..............................72
شکل 4-13- تابع هدف (وزن) در برابر تولید نسل، تحت بارگذاری 0.75 (D+L+E).............72
شکل 4-14- قاب مهاربندی شده 18 طبقه و 7 دهانه و گروهبندی اعضای آن.....................75
شکل 4-15- قاب خمشی 18 طبقه و 7 دهانه و گروهبندی اعضای آن...................................75
شکل 4-16- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری D+L.......................................76
شکل 4-17- تابع هدف (وزن) در برابر تکرار، تحت بارگذاری 0.75 (D+L+E).......................77 

فصل اول

مقدمه

1-1-زمينه تحقيق
منظور از بهينه¬سازي در مهندسي عمران يافتن طرحي براي سازه است كه ضمن رعايت ضوابط فني، حداقل هزينه اقتصادي را داشته باشد. قابهاي ساختماني معمول¬ترين سازه¬های مهندسي عمران می¬باشند. بنابراين، بهينه¬سازي اين نوع سازه¬ها كمك بزرگي از نظراقتصادي خواهدبود. طراحی بهینه قاب¬های ساختمانی بصورت گسترده در دهه¬ 60 میلادی مورد مطالعه قرار گرفت؛ زیرا یافتن پاسخ بهینه بصورت تحلیلی، تنها برای قاب¬های ساده و منظم امکان¬پذیر است. از دهه 80 میلادی با پیشرفت سریع تکنولوژی کامپیوتر، روش¬ها و برنامه-های کامپیوتری زیادی در زمینه بهینه¬سازی سازه¬های واقعی، تحت قیود طراحی عملی ، ارائه شده است ]1[. از آنجا که روش منحصر به فردی برای حل بهینه تمامی مسائل بهینه¬سازی وجود ندارد، از اینرو روش¬های متعددی برای حل مسائل بهینه¬سازی توسعه یافته است ]2[. در حالت کلی، روش¬های بهینه¬سازی مورد استفاده در مهندسی را می¬توان به دو دسته متمایز تقسیم نمود:
الف) گرادیانی 
ب)  اکتشافی