(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 : نتیجه­گیری 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 شده­اند.

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