انتخاب رکورد مناسب زلزله جهت انجام تحلیل دینامیکی سازه با استفاده از الگوریتم ژنتیک word

فهرست مطالب

فصل اول. 1

(کلیات و پیشینه پژوهش). 1

1-1 مقدمه. 2

1-2 ادبیات تحقیق. 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 الگوريتم‏هاي ژنتيكي. 31

1-4-6 پارامتر های الگوریتم ژنتیک. 32

1-5 روند کلي بهينه سازي و حل مسائل در الگوريتم ژنتيک. 33

1-6 پیشینه تحقیق. 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 تحقیق، 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 روند كلي الگوريتم‏هاي ژنتيكي. 63

2-6 عملگرهاي الگوریتم ژنتيك. 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 استفاده 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 بررسی مقایسه ای برنامه ارائه شده. 99

3-4 بررسی 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

 

فهرست جدول ها

شماره صفحه

عناوین

جدول 2- 1- انطباق بین سیر تکامل طبیعی و الگوریتم ژنتیک47

جدول 3- - 1پارامترهای الگوریتم ژنتیک مرجع[30]99

جدول 3- - 2 نتایج اجرای برنامه دودویی با مقادیر پارامترهای پیشنهادی مرجع[30]100

جدول 3- - 3 ضرایب مقیاس و شماره رکوردهای بهترین اجرای برنامه ژنتیک دودویی با مقادیر [30]100

جدول 3- - 4 نتایج اجرای برنامه حقیقی با مقادیر پارامترهای پیشنهادی مرجع[30]102

جدول 3- - 5 ضرایب مقیاس و شماره رکوردهای بهترین اجرای برنامه ژنتیک حقیقی با مقادیر متغیر پیشنهادی نعیم و همکاران[30]102

جدول 3- - 6پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی پیشنهاد شده توسط سیف[8]104

جدول 3- - 7 نتایج اجرای رمزدهی دودویی با مقادیر پیشنهادی پارامترهای سیف[8]104

جدول 3- - 8 ضرایب مقیاس و شماره رکوردهای بهترین اجرایی برنامه ژنتیک باینری با مقادیر ژنتیکی پیشنهادی سیف[8]105

جدول 3- - 9 پارامترهای الگوریتم ژنتیک حقیقی پیشنهاد شده توسط سیف[8]106

جدول 3- - 10 نتایج اجرای رمزدهی حقیقی با مقادیر پیشنهادی پارامترهای سیف[8]106

جدول 3- - 11 ضرایب مقیاس و شماره رکوردهای بهترین اجرای برنامه ژنتیک حقیقی با مقادیر ژنتیک پیشنهادی سیف[8]106

جدول 3- 12- نتایج بهترین اجرای برنامه الگوریتم ژنتیک دودویی با مقادیر پارامترهای پیشنهاد شده ی مرجع[30]107

جدول 3- - 13 پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی تعداد نسل111

جدول 3- - 14 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با تعداد نسل 50111

جدول 3- - 15 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با تعداد نسل 50111

جدول 3- - 16 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با تعداد نسل 200112

جدول 3- - 17 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با تعداد نسل 200113

جدول 3- - 18 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با تعداد نسل 500114

جدول 3- - 19 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با تعداد نسل 500114

جدول 3- - 20 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی تعداد فرد116

جدول 3- - 21 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با جامعه 50 عضوی117

جدول 3- - 22 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با جامعه 50 عضوی117

جدول 3- - 23 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با جامعه 300 عضوی118

جدول 3- - 24 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با جامعه 300 عضوی118

جدول 3- - 25 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی حد پایین ضرایب مقیاس گذاری120

جدول 3- - 26 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با حد پایین ضرایب مقیاس گذاری 0.2120

جدول 3- - 27 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه حد پایین ضرایب مقیاس گذاری 0.2121

جدول 3- - 28 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با حد پایین ضرایب مقیاس گذاری 1122

جدول 3- - 29 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه حد پایین ضرایب مقیاس گذاری 1122

جدول 3- - 30 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی حد بالا ضرایب مقیاس گذاری124

جدول 3- - 31 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با حد بالا ضرایب مقیاس گذاری 2124

جدول 3- - 32 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه حد بالا ضرایب مقیاس گذاری 2125

جدول 3- - 33 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با حد بالا ضرایب مقیاس گذاری 2.5126

جدول 3- - 34 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه حد بالا ضرایب مقیاس گذاری 2.5126

جدول 3- - 35 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی همبری کروموزوم اول128

جدول 3- - 36 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ همبری 0.6 برای کروموزوم اول128

جدول 3- - 37 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ همبری 0.6 برای کروموزوم اول128

جدول 3- - 38 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ همبری 0.9 برای کروموزوم اول129

جدول 3- - 39 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ همبری 0.9 برای کروموزوم اول130

جدول 3- - 40 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی نرخ همبری کروموزوم دوم132

جدول 3- - 41 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ همبری 06 برای کروموزوم دوم132

جدول 3- - 42 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ همبری 0.6 برای کروموزوم دوم132

جدول 3- - 43 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ همبری 0.9 برای کروموزوم دوم133

جدول 3- - 44 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ همبری 0.9 برای کروموزوم دوم134

جدول 3- - 45 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی با نرخ جهش 0.001 برای کروموزوم اول136

جدول 3- - 46 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ جهش 0.001 برای کروموزوم اول136

جدول 3- - 47 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ جهش 0.001 برای کروموزوم اول137

جدول 3- - 48 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ جهش 0.01 برای کروموزوم اول138

جدول 3- - 49 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ جهش 0.01 برای کروموزوم اول138

جدول 3- - 50 مقادیر پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی برای بررسی نرخ جهش کروموزوم دوم140

جدول 3- - 51 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ جهش 0.001 برای کروموزوم دوم140

جدول 3- - 52 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ جهش 0.001 برای کروموزوم دوم140

جدول 3- - 53 نتایج اجرای برنامه ژنتیک دودویی با نرخ جهش 0.01 برای کروموزوم دوم141

جدول 3- - 54 ضرایب مقیاس بهترین نتیجه حاصل شده از برنامه با نرخ جهش 0.01 برای کروموزوم دوم142

جدول 3- - 55 مقادیر نهایی پارامترهای الگوریتم ژنتیک دودویی پس از بررسی143

جدول 3- - 56 اسامی و ضرایب مقیاس رکوردهای منتخب از برنامه الگوریتم ژنتیک دودویی144

جدول 3- - 57 مقادیر پارامترهای بدست آمده از الگوریتم هیبریدی148

جدول 3- - 58 نتایج اجرای برنامه با مقادیر بدست آمده از الگوریتم هیبریدی148

جدول 3- - 59 ضرایب مقیاس و شماره زلزله های انتخاب شده از الگوریتم هیبریدی148

جدول 3-- 1 مقایسه خطای برنامه با مرجع [30]153

جدول 3-- 2 مقایسه خطای برنامه با مرجع [8]154

شکل 1- 1- اصول کار لرزه نگار[6]13

شکل 1- 2- شبه کد یک الگوریتم ژنتیک متداول31

فهرست شکل ها

شماره صفحه

عناوین

شکل 2- 1- نمودار بلوکی الگوریتم ژنتیک[15]64

شکل 2- 2- سمت راست الگوریتم باینری و سمت چپ الگوریتم اعداد حقیقی85

شکل 2- 3- طیف طرح آیین نامه زلزله 2800 برای زمین نوع 2 با خطر نسبی زیاد و خیلی زیاد93

شکل 3- 1- روند بررسی و اجرای برنامه های ارائه شده98

شکل 3- 2- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه101

شکل 3- 3- مقایسه طیف پاسخ متوسط جذر مجموع مربعات با طیف هدف[30]101

شکل 3- 4- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی حقیقی با مقادیر متغیرهای پیشنهادی مرجع[30]103

شکل 3- 5- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با مقادیر متغیرهای پیشنهادی سیف[8]105

شکل 3- 6- مقایسه طیف پاسخ متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی حقیقی با مقادیر متغیرهای پیشنهادی سیف[8]107

شکل 3- 7- نمودار برازش تابع شایستگی الگوریتم ژنتیک دودویی108

شکل 3- 8- طیف پاسخ مقیاس شده شتابنگاشت های بدست آمده از برنامه ژنتیک دودویی و طیف متوسط جذر مجموع مربعات در مقایسه با طیف آیین نامه 2800108

شکل 3- 9- طیف پاسخ مقیاس شده شتابنگاشت ها و طیف متوسط جذر مجموع مربعات مرجع [30]109

شکل 3- 10- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای نسل 50تایی112

شکل 3- 11- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای نسل 200تایی113

شکل 3- 12- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای نسل500تایی115

شکل 3- 13- بررسی و مقایسه طیف های پاسخ با تکرار نسل های مختلف115

شکل 3- 14- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای جامعه با تعداد فرد 50تایی117

شکل 3- 15- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای جامعه 300 عضوی119

شکل 3- 16- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح برای تعدادفرد مختلف119

شکل 3- 17- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه121

شکل 3- 18- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه122

شکل 3- 19- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح123

شکل 3- 20- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای بررسی حد بالا 0.2 ضرایب125

شکل 3- 21- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای126

شکل 3- 22- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح127

شکل 3- 23- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه129

شکل 3- 24- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای بررسی همبری کروموزوم اول برابر 0.9130

شکل 3- 25- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح131

شکل 3- 26- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه133

شکل 3- 27- مقایسه طیف متوسط با طیف طرح آیین نامه برای بررسی نرخ همبری کروموزوم دوم برابر 0.9134

شکل 3- 28- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح135

شکل 3- 29- مقایسه طیف پاسخ متوسط با طیف طرح آیین نامه برای بررسی نرخ جهش کروموزوم اول 0.001137

شکل 3- 30- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای بررسی جهش کروموزوم اول برابر با0.01138

شکل 3- 31- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح139

شکل 3- 32- مقایسه طیف متوسط جذر مجموع مربعات رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه141

شکل 3- 33- مقایسه طیف متوسط رمزدهی دودویی با طیف طرح آیین نامه برای بررسی جهش کروموزوم دوم 0.001142

شکل 3- 34- مقایسه و بررسی طیف های پاسخ بهترین نتایج بدست آمده با طیف طرح143

شکل 3- 35- نمودار روند بهبو تابع شایستگی پس از کنترل مقادیر پارامتری ژنتیک دودویی145

شکل 3- 36–سمت راست شتابنگاشت های منتخب مقیاس شده سمت چپ شتابنگاشت های منتخب مقیاس نشده145

شکل 3- 37- ساختار الگوریتم ژنتیک هیبریدی147

شکل 3- 38- نمودار برازش برنامه هیبریدی149

شکل 3- 39- مقایسه طیف پاسخ بدست آمده توسط الگوریتم هیبریدی با طیف طرح149

شکل 3- 40- نمودار میله ای برای مقایسه خطاهای 22 ترکیب از دو برنامه الگوریتم ژنتیک دودویی و حقیقی اجرا شده150

فصل اول

(کلیات و پیشینه پژوهش)

1-1 مقدمه

فلات ایران سابقه لرزه خیزی طولانی دارد و بررسی تاریخ کهن بر وقوع زلزله در سه هزار سال قبل از میلاد مسیح گواه است. امبرسز در یک بررسی 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 است. که این نتایج نشان داده مناطق فعال در ادوار مختلف کم و بیش بر هم منطبق هستند.

با توجه به این مسئله که کشور ایران در روی چندین گسل زلزله واقع شده است و ساختمان های ناپایدار که همه ساله شاهد ویرانی آنها در مقابل رخداد های زلزله هستیم، باید 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 شود. عوامل زیادی بر حرکت زمین و تقویت آنها اثر می گذارند. به منظور بررسی رفتار یک سازه و طراحی ایمن و اقتصادی آن لازم است که اثر این عوامل مورد توجه قرار گیرند[5].

ارزیابی و شناخت زلزله هایی که در آینده ممکن است 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 استفاده 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" است. حرکت زمین، که از آن در تحلیل های دینامیکی استفاده می گردد باید 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 استفاده 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 است. 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 است که در اروپا و آمریکا مقررات آیین نامه های حاکم بر تحلیل های تاریخچه زمانی تشریح شده است. با وجود اینکه خطر لرزه ای در یک محل(سایت) برای مقاصد طراحی بوسیله طیف طرح^[2]، ارائه شده است تقریبا همه ی آیین نامه های طراحی، برای مقیاس نمودن[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 است. 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 شود. در روش حوزه زمانی مقدار دامنه رکورد حرکت زمین مقیاس می شود. 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].