تم انجاز اطروحة الدكتوراه للطالب شــــــامـل عبـــد المجيـــــد كاظـــــم بهيـــــــة في قسم الهندسة الموارد المائية عن بحثه الموسوم “الأبعاد المثلى لسد خرساني ثقالي تحت تأثير الزلازل وتداخل المائع والمنشأ والأساس”وبأشراف أ.د أحمد عبد الصاحب محمدعلي, أ.د رافع هاشم السهيلي وتألفت لجنة المناقشة برئاسة أ.د ريـــــاض زهيــــــــر الزبـيــــدي وعضوية كل من أ.م.د عبــد الحســـن خضيـــر شـكـــر, أ.م.د قاســم حميـــد جلعــوط أ.م.د حيدر عبد الأمير خضير, أ.م.د عدنــان صــادق جعفــر
وتلخص بحثه بما يلي :
تم في هذا البحث بناء نموذج أمثلية لإيجاد أبعاد مقطع السد الخرساني الثقالي المعرض لأحمال ديناميكية نتيجة لحدوث الهزات الأرضية. وقد استخدمت في هذا النموذج تقنيتي الشبكات العصبية الصناعية والخوارزمية الجينية الوراثية للحل.
بالنظر لكون استخدام تقنية الخوارزمية الجينية الوراثية لإيجاد المقطع الأمثل للسد تحتاج إلى حساب الإجهادات المختلفة المتولدة في جسم السد نتيجة للنشاط الزلزالي ولعدد كبير من المدخلات المولدة عشوائياً, لذا تم في هذا البحث بناء قاعدة بيانات من المدخلات والمخرجات وبإستخدام برنامج تحليل النظم ANSYS. تضمنت قاعدة البيانات 900 حالة مختلفة بعد أن حُدد المجال لكل متغير وبالإعتماد على التوصيات والمصادر ذات العلاقة المعتمدة. حٌللت كل حالة من هذه الحالات خطياً كمنظومة مترابطة ثنائية البعد 2D مع الأخذ بنظر الإعتبار قابلية الماء في الخزان للإنضغاط وإهمال لزوجة الماء والأمواج على سطح الخزان. إن جسم السد (الخرسانة) قد أُعتبر مرناً وتتغير خواصه بصورة منظمة وخطّية وكذلك الحال بالنسبة للأساس (التربة).
تم إستخدام البرنامج الإحصائي SPSS وقاعدة البيانات المشار إليها أعلاه, بعد تحويل المتغيرات إلى متغيرات لابعدية في بناء نموذج الشبكات العصبية الصناعية ANN. أظهرت النتائج قابلية النموذج على تخمين قيم المخرجات من إجهادات وضغوط هيدروليكية بدقة عالية, حيث تراوحت قيم معامل الإرتباط مابين قيم المخرجات المحسوبة ببرنامج ANSYS والقيم المحسوبة من النموذج ANN مابين 97.8% إلى 99.7%. وأظهرت النتائج إن أفضل تقسيم للبيانات إلى نماذج التدريب, الإختبار, والبرهان هو 79.7%, 12.7%, و 7.7% على التوالي. أن أفضل عدد للعقد في الطبقة المخفية هو 16 حيث كان متوسط الخطأ النسبي الإجمالي في نماذج التدريب 1.4% وفي نماذج الإختبار 1.6% وفي نماذج البرهان 1.4%. أما أفضل دالة تفعيل للطبقة المخفية فقد كانت الدالة الزائدية (tanh), ولطبقة المخرجات الدالة الخطية (Identity).
تم كتابة برنامج بلغة MATLAB لتطبيق نموذج الشبكات العصبية الصناعية بحيث يُمكن من إيجاد الإجهادات والضغوط الهيدروديناميكية مباشرة, بعد أن يدخل المدخلات المطلوبة من أبعاد وخواص ميكانيكي وفيزيائية والتعجيل الناجم عن حركة الأرض أثناء الهزات الأرضية بشكل مباشر وسريع كبديل عن إجراء التحليل باستخدام برنامج ANSYS. أن تدقيق أداء النموذج المشار إليه أعلاه تم تطبيقه على ثلاث حالات لبيانات مختلفة لم تستخدم في قاعدة البيانات التي تم استخدامها لبناء النموذج. وعند مقارنة النتائج لهذه الحالات الثلاثة المأخوذة من نموذج الشبكات العصبية الصناعية مع النتائج التي تم الحصول عليها من استخدام برنامج التحليل ANSYS تبينت قابلية النموذج على تخمين المخرجات بدقة عالية. حيث كان معامل الأرتباط في الحالات الثلاثة هو 99.6% في حالة التعجيل الأفقي فقط, 99.9% في حالة التعجيل العمودي فقط, و99.8% في حالة التعجيل المزدوج أفقي وعمودي على التوالي.
إضافة لذلك تم كتابة برنامج بلغة MATLAB لإستخدام التقنية الخوارزمية الجينية الوراثية لإيجاد المقطع الأمثل للسد والذي يجعل مساحة المقطع في نهايته الصغرى ويحقق المتطلبات المتعلقة بمحددات الإجهادات الرئيسية وإجهادات القص والإنفعالات الحاصلة في جسم السد عند أقل حد مسموح به, بالإضافة إلى محددات إضافية أخرى تتعلق بأبعاد شكل المقطع تتوافق مع التوصيات الموضوعة من قبل المصادر المعتمدة في تصاميم السدود. وقد تبين عند التطبيق بأن أقل عدد للمجتمع المولد عشوائياً في البداية كحلول مقترحة هو 30000 والذي يعطي حلاً مثالياً مستقراً. وجد أن أفضل موقع لعملية تبادل الجينات بين الحلول المتزاوجة هو بعد المتغير الرابع من متغيرات القرار. أما المرحلة الأخيرة من هذه التقنية والتي هي مرحلة المعايرة الدقيقة للحل الأمثل لتحسين دالة الهدف, فقد تبين بأن الحلول المعطاة تعطي أفضل دالة هدف ممكنة ولا تحتاج إلى معايرة إضافية.
تم التحري عن تأثير كل متغير من متغيرات عدم القرار والتي هي إرتفاع السد H ونسبة التعجيل الأفقي إلى التعجيل الأرضي ax/g ونسبة التعجيل العمودي إلى التعجيل الأرضي ay/g ونسبة تردد الهزة الأرضية إلى التردد الطبيعي للسد w/wn ونسبة معامل مرونة الأساس إلى معامل مرونة السد Es/Ec ونسبة الكثافة الكتلية لتربة الأساس إلى الكثافة الكتلية لخرسانة السد cρs/ρ على الحل الأمثل وذلك بتغيير متغير واحد مع ثبات باقي المتغيرات للسد في كل مرة. بينت النتائج والتي تم الحصول عليها بأن الحل الأمثل (أصغر مساحة مقطع) يتناسب دائماً طرديا مع كل متغير من متغيرات عدم القرار. وأن نسبة عرض قاعدة السد الى إرتفاعه B/H ونسبة إرتفاع الماء في الخزان إلى إرتفاع السد hw/H ونسبة إرتفاع ميل وجه السد إلى إرتفاعه hu/H تتناسب عكسيا مع ارتفاع السد فقط و طرديا مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. أما نسبة إرتفاع ميل ظهر السد إلى إرتفاعه hd/H فقد كان متذبذباً مابين الزيادة والنقصان مع زيادة كل من التعجيل الأفقي والتعجيل العمودي ومعامل مرونة تربة الأساس و يتناسب عكسيا مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. كذلك كانت نسبة عرض ميل وجه السد إلى عرض قاعدته bu/B تتناسب عكسيا مع إرتفاع السد فقط و طردياً مع باقي متغيرات عدم القرار. أن نسبة عرض ميل ظهر السد إلى عرض قاعدته bd/B تتناسب طردياً مع إرتفاع السد فقط و عكسياً مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. وأخيراً فإن نسبة عرض قمة السد إلى عرض قاعدته bc/B دائماً تتناسب طرديا مع كل متغير من متغيرات عدم القرار.
وتلخص بحثه بما يلي :
تم في هذا البحث بناء نموذج أمثلية لإيجاد أبعاد مقطع السد الخرساني الثقالي المعرض لأحمال ديناميكية نتيجة لحدوث الهزات الأرضية. وقد استخدمت في هذا النموذج تقنيتي الشبكات العصبية الصناعية والخوارزمية الجينية الوراثية للحل.
بالنظر لكون استخدام تقنية الخوارزمية الجينية الوراثية لإيجاد المقطع الأمثل للسد تحتاج إلى حساب الإجهادات المختلفة المتولدة في جسم السد نتيجة للنشاط الزلزالي ولعدد كبير من المدخلات المولدة عشوائياً, لذا تم في هذا البحث بناء قاعدة بيانات من المدخلات والمخرجات وبإستخدام برنامج تحليل النظم ANSYS. تضمنت قاعدة البيانات 900 حالة مختلفة بعد أن حُدد المجال لكل متغير وبالإعتماد على التوصيات والمصادر ذات العلاقة المعتمدة. حٌللت كل حالة من هذه الحالات خطياً كمنظومة مترابطة ثنائية البعد 2D مع الأخذ بنظر الإعتبار قابلية الماء في الخزان للإنضغاط وإهمال لزوجة الماء والأمواج على سطح الخزان. إن جسم السد (الخرسانة) قد أُعتبر مرناً وتتغير خواصه بصورة منظمة وخطّية وكذلك الحال بالنسبة للأساس (التربة).
تم إستخدام البرنامج الإحصائي SPSS وقاعدة البيانات المشار إليها أعلاه, بعد تحويل المتغيرات إلى متغيرات لابعدية في بناء نموذج الشبكات العصبية الصناعية ANN. أظهرت النتائج قابلية النموذج على تخمين قيم المخرجات من إجهادات وضغوط هيدروليكية بدقة عالية, حيث تراوحت قيم معامل الإرتباط مابين قيم المخرجات المحسوبة ببرنامج ANSYS والقيم المحسوبة من النموذج ANN مابين 97.8% إلى 99.7%. وأظهرت النتائج إن أفضل تقسيم للبيانات إلى نماذج التدريب, الإختبار, والبرهان هو 79.7%, 12.7%, و 7.7% على التوالي. أن أفضل عدد للعقد في الطبقة المخفية هو 16 حيث كان متوسط الخطأ النسبي الإجمالي في نماذج التدريب 1.4% وفي نماذج الإختبار 1.6% وفي نماذج البرهان 1.4%. أما أفضل دالة تفعيل للطبقة المخفية فقد كانت الدالة الزائدية (tanh), ولطبقة المخرجات الدالة الخطية (Identity).
تم كتابة برنامج بلغة MATLAB لتطبيق نموذج الشبكات العصبية الصناعية بحيث يُمكن من إيجاد الإجهادات والضغوط الهيدروديناميكية مباشرة, بعد أن يدخل المدخلات المطلوبة من أبعاد وخواص ميكانيكي وفيزيائية والتعجيل الناجم عن حركة الأرض أثناء الهزات الأرضية بشكل مباشر وسريع كبديل عن إجراء التحليل باستخدام برنامج ANSYS. أن تدقيق أداء النموذج المشار إليه أعلاه تم تطبيقه على ثلاث حالات لبيانات مختلفة لم تستخدم في قاعدة البيانات التي تم استخدامها لبناء النموذج. وعند مقارنة النتائج لهذه الحالات الثلاثة المأخوذة من نموذج الشبكات العصبية الصناعية مع النتائج التي تم الحصول عليها من استخدام برنامج التحليل ANSYS تبينت قابلية النموذج على تخمين المخرجات بدقة عالية. حيث كان معامل الأرتباط في الحالات الثلاثة هو 99.6% في حالة التعجيل الأفقي فقط, 99.9% في حالة التعجيل العمودي فقط, و99.8% في حالة التعجيل المزدوج أفقي وعمودي على التوالي.
إضافة لذلك تم كتابة برنامج بلغة MATLAB لإستخدام التقنية الخوارزمية الجينية الوراثية لإيجاد المقطع الأمثل للسد والذي يجعل مساحة المقطع في نهايته الصغرى ويحقق المتطلبات المتعلقة بمحددات الإجهادات الرئيسية وإجهادات القص والإنفعالات الحاصلة في جسم السد عند أقل حد مسموح به, بالإضافة إلى محددات إضافية أخرى تتعلق بأبعاد شكل المقطع تتوافق مع التوصيات الموضوعة من قبل المصادر المعتمدة في تصاميم السدود. وقد تبين عند التطبيق بأن أقل عدد للمجتمع المولد عشوائياً في البداية كحلول مقترحة هو 30000 والذي يعطي حلاً مثالياً مستقراً. وجد أن أفضل موقع لعملية تبادل الجينات بين الحلول المتزاوجة هو بعد المتغير الرابع من متغيرات القرار. أما المرحلة الأخيرة من هذه التقنية والتي هي مرحلة المعايرة الدقيقة للحل الأمثل لتحسين دالة الهدف, فقد تبين بأن الحلول المعطاة تعطي أفضل دالة هدف ممكنة ولا تحتاج إلى معايرة إضافية.
تم التحري عن تأثير كل متغير من متغيرات عدم القرار والتي هي إرتفاع السد H ونسبة التعجيل الأفقي إلى التعجيل الأرضي ax/g ونسبة التعجيل العمودي إلى التعجيل الأرضي ay/g ونسبة تردد الهزة الأرضية إلى التردد الطبيعي للسد w/wn ونسبة معامل مرونة الأساس إلى معامل مرونة السد Es/Ec ونسبة الكثافة الكتلية لتربة الأساس إلى الكثافة الكتلية لخرسانة السد cρs/ρ على الحل الأمثل وذلك بتغيير متغير واحد مع ثبات باقي المتغيرات للسد في كل مرة. بينت النتائج والتي تم الحصول عليها بأن الحل الأمثل (أصغر مساحة مقطع) يتناسب دائماً طرديا مع كل متغير من متغيرات عدم القرار. وأن نسبة عرض قاعدة السد الى إرتفاعه B/H ونسبة إرتفاع الماء في الخزان إلى إرتفاع السد hw/H ونسبة إرتفاع ميل وجه السد إلى إرتفاعه hu/H تتناسب عكسيا مع ارتفاع السد فقط و طرديا مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. أما نسبة إرتفاع ميل ظهر السد إلى إرتفاعه hd/H فقد كان متذبذباً مابين الزيادة والنقصان مع زيادة كل من التعجيل الأفقي والتعجيل العمودي ومعامل مرونة تربة الأساس و يتناسب عكسيا مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. كذلك كانت نسبة عرض ميل وجه السد إلى عرض قاعدته bu/B تتناسب عكسيا مع إرتفاع السد فقط و طردياً مع باقي متغيرات عدم القرار. أن نسبة عرض ميل ظهر السد إلى عرض قاعدته bd/B تتناسب طردياً مع إرتفاع السد فقط و عكسياً مع باقي متغيرات عدم القرار الأخرى. وأخيراً فإن نسبة عرض قمة السد إلى عرض قاعدته bc/B دائماً تتناسب طرديا مع كل متغير من متغيرات عدم القرار.
