TARIFNAME DAYANMA DUVARLARININ OPTIMUM TASARIMLARINDA KULLANILAN SEZGISEL ALGORITMALARIN IYILESTIRME YÖNTEMI TEKNIK ALAN Bulus, dayanma duvarlarinin optimizasyon analizlerinde kullanilan sezgisel algoritmalarin daha hizli çözüme ulasmasi açisindan iyilestirilmesi için bir yöntemle ÖNCEKI TEKNIK Geoteknik mühendisligi yapilarinin geleneksel yöntemler kullanilarak güvenli tasarimlarinin elde edilmesi sistematik olarak çok sayida ön boyutlandirma yapilarak analizlerin ve kontrollerin tekrarlanmasini gerektirmektedir. Yaygin olarak karsilasilan geoteknik mühendisligi yapilarinin projelendirilmesi ve insasi için gerçeklestirilen tasarimlarin stabilite kosullarini saglamasi kadar ekonomik olmasi da önemlidir. Ayrica tasarim sürecinin mümkün olan en kisa zamanda tamamlanmasi ve elde edilen güvenli çözümün olasi tüm çözümler arasinda en ekonomik tasarim olmasi dikkat edilmesi gereken bir digertasarim kriteridir. Geleneksel yöntemler kullanilarak sonucu etkileyen tüm parametre ve boyutlarin dikkate alinacagi kapsamli tasarim çalismalarinin yapilmasi zaman ve maliyet açisindan neredeyse imkânsizdir. Günümüzde, ele alinan problemin karmasik çok bilinmeyenli yapisi da dikkate alinarak gerçeklestirilen tüm denemeler sonucu bulunan güvenli tasarimlar arasindan en ekonomik olan tasarimin kisa zamanda elde edilmesinde optimizasyon teknikleri gibi yeni yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadir. Genellikle geoteknik mühendisligi uygulamalarina yönelik kullanilan yazilimlar, son zamanlarda farkli disiplinler için gelistirilmis optimizasyon tekniklerini içermemektedirler. Bu tür tekniklerin uygulanabilmesi için daha fazla bilimsel arastirmalarin yapilmasina ve geoteknik yapilarinin optimum boyutlandirilmasi için tasarim kriterlerinin olusturulmasina gereksinim vardir. Sezgisel optimizasyon yöntemleri, doganin zor problemler karsisinda ürettigi çözümlerden faydalanarak dogadan esinlenme, sürülerin sosyal davranislarini simüle etme veya bilimdeki yasalari temel alarak büyük boyutlu optimizasyon problemlerine çözüm üreten algoritmalardir. Sezgisel yöntemler, biyoloji tabanli, fizik tabanli, sürü tabanli, sosyal tabanli, müzik tabanli ve kimya tabanli olmak üzere alti farkli grupta düsünülebilir ve bu yöntemlerin birlikte kullanilmasiyla elde edilen melez yöntemler de bulunmaktadir. Bu yöntemler kesin çözümü garanti etmemekle birlikte global çözüme oldukça yakinsama özelligine sahiptirler. Mevcut optimizasyon analizlerinde optimizasyon problemine ait matematiksel ifadeler algoritmaya islem olarak tanimlanmakta ve binlerce kere algoritmanin isletilmesi ile optimum sonuca ulasilmaktadir. Tanimlanan islemlerin kisa olmasi birçok kere isletilen algoritmanin daha az zamanda sonuç vermesine fayda saglamaktadir. Karmasik mühendislik problemlerinin çözümünde, geleneksel optimizasyon yöntemlerinin türev bilgisine ihtiyaç duymasi ve baslangiç noktasinin gerekliligi gibi özelliklerinden dolayi kabul edilebilir zaman diliminde sonuca ulasan, basit, etkili ve uygulanabilirligi kolay olan sezgisel optimizasyon algoritmalari daha popüler olmustur.Literatürde dayanma duvarlarinin optimum tasarimi için benzetimli tavlama algoritmasi (Ceranic ve ark., 2001), parçacik sürü optimizasyonu algoritmasi (Ahmadi-Nedushan ve Varaee, 2009), büyük patlama-büyük büzülme algoritmasi (Camp ve Akin, 2012), atesböcegi algoritmasi (Sheikholeslami ve ark., 2014), yerçekimi arama algoritmasi (Khajehzadeh ve Eslami, 2012) ve ögretme-ögrenme tabanli algoritma (Temur ve Bekdas, 2016) gibi sezgisel optimizasyon teknikleri kullanilarak yapilmis birçok çalisma bulunmaktadir. Gandomi ve ark. (2015) tarafindan yapilan çalismada sürü zekâsi algoritmalari olarak bilinen parçacik sürü optimizasyonu, atesböcegi ve guguk kusu algoritmalari kullanilarak elde edilen optimizasyon sonuçlari birbirleriyle karsilastirilmistir. Stabilite kosullarini saglamasi ve ekonomik olmasi gereken dayanma duvari tasarimini içsel sürtünme açisi, birim hacim agirlik, bosluk suyu basinci durumu gibi zemin özellikleri ile duvar enkesitinin geometrik parametreleriri i etkilemektedir. Optimum dayanma duvar tasarimina etkiyen bu tür faktörlerin etkisini arastiran parametrik çalismalar farkli arastirmacilar tarafindan yapilmis (Yepes ve ark. (2008) ve Molina-Moreno ve ark. (2017)) ve optimum tasarimlara parametrelerin degisiminin etkisi arastirilmistir. Dagdeviren ve Kaymak (2018) betonarme istinat duvarlarinin optimum maliyet tasarimini etkileyen parametreleri incelemislerdir. Farkli duvar yüksekligi, sürsarj yükü, dolgu zemini içsel sürtünme açisi ve pasif toprak basinci katsayisi degerleri dikkate alinarak iç stabilite ve yapisal stabilite kriterlerini saglayan bes yüz farkli istinat duvarinin optimum maliyet tasarimi yapay ari kolonisi algoritmasi kullanilarak arastirilmistir.Bir baska çalismada harmoni arama algoritmasi ile betonarme konsol dayanma duvarinin optimum tasarimi arastirilarak maliyet tasarimi yapilmistir Akin ve Saka (2010). Betonarme dayanma yapilari arasinda en yaygin olarak kullanilan betonarme konsol dayanma duvarinda tasarim parametreleri olarak duvar yüksekligi, ön çikma mesafesi, gövde alt ve üst kalinliklari, temel taban genisligi, temel kalinligi, dis yüksekligi, dis kalinligi, burun-dis mesafesi kullanilmistir. BULUSUN KISA AÇIKLAMASI Bulus, dayanma duvarlarinin optimizasyon analizlerinde kullanilan sezgisel algoritmalarin daha hizli çözüme ulasmasi açisindan iyilestirilmesi için bir yöntemle ilgilidir. Istatistiksel tabanli deney tasarimi ve kalite iyilestirme amaçli kullanilan Taguchi metodu ile seçilen hedef degere göre dayanma duvarlarinin kayma, devrilme ve toptan göçme güvenlik sayilarinin tahmin edilebildigi bir yöntem gelistirilmistir.Gelistirilen yöntem, optimizasyon analizlerinde sinirlayici ve amaç fonksiyonu olarak kullanilmistir. Patent kapsaminda sunulan yöntemin olusturulmasinda dikkate alinan geoteknik mühendisligi yapilari, kullanilan tasarim parametreleri ve tasarim kriterleri çizelgede verilmistir (Çizelge 1) Geoteknik Mühendisligi Yapisi Seçilen Tasarim Parametresi Tasarim Kriteri 0 Duvar Yüksekligi - Temel Taban Genisligi . On Çikma Mesafesi 0 Temel Kalinligi 0 Duvar On yüz Egimi o içsel Sürtünme Açisi . Duvar Yüksekligi 0 Temel Taban Genisligi __ _ Egik Taban Yüzlü . - Kayma Guvenlik Sayisi i Ön Çikma Mesafesi Konsol Dayanma o Devrilme Güvenlik Sayisi - Temel Kalinligi __ .. _ Duvari 0 Toptan Goçme Guvenlik Sayisi . Taban Egimi - Içsel Sürtünme Açisi 0 Duvar Yüksekligi 0 Temel Taban Genisligi Disli Konsol Dayanma 0 Ön Çikma Mesafesi Duvari . Temel Kalinligi 0 Dis Yüksekligi . içsel Sürtünme Açisi Çizelge 1. Geoteknik mühendisligi yapilari, kullanilan tasarim parametreleri ve tasarim kriterleri SEKIL LISTESI Sekil 1. Harmoni Aramasi Algoritmasi Akis Semasi Sekil 2. Yapay Ari Kolonisi Algoritmasi Akis Semasi Sekil 3. Yöntem Akis Semasi BULUSUN DETAYLI AÇIKLAMASI Mühendislikte optimizasyon; en faydali sistemi minimum maliyetle imal etmek ya da isletmek veya maksimum kazanç ya da verim elde etmek için gerekli tasarimlarin yapilmasi olarak tanimlanmaktadir. Optimizasyon yöntemleri genel olarak deterministik ve sezgisel olmak üzere ikiye ayrilmaktadir. Matematik tabanli deterministik yöntemler, problemin çok bilinmeyenli karmasik yapisi, sonsuz çözüm uzayi ya da iterasyon sayisinin fazla olmasi gibi durumlarda yetersiz kalabilmektedir.Sistemin birlikte davranisini etkileyen bütün parametreleri dikkate alan optimum tasarimlari matematik tabanli deterministik yöntemlerle elde etmek oldukça zordur. Çünkü bu tür yapilarin tasarimi ve boyutlandirilmasinda genellikle bir sistem seçilerek ön boyutlandirma yapilmakta ve sonra seçilen boyutlar için gerekli kontroller (tahkikler) ve analizler yapilmaktadir. Ancak seçilen sistemin ve boyutlarin optimum sistem veya boyutlar olup olmadigi ve seçilenden daha ekonomik bir sistemin veya boyutun varligi vb. hususlarinda belirsizlikler bulunmaktadir. Bu durumlar son zamanlarda etkili bir sekilde kullanilan ve bilimsel çalismalari yapilan sezgisel optimizasyon yöntemlerini ön plana çikarmistir. Sezgisel optimizasyon yöntemleri, doganin zor problemler karsisinda ürettigi çözümlerden faydalanarak dogadan esinlenme, sürülerin sosyal davranislarini simüle etme veya bilimdeki yasalari temel alarak büyük boyutlu optimizasyon problemlerine çözüm üreten algoritmalardir. Bulus kapsaminda kullanilan Geem vd. (2001) tarafindan gelistirilen bir algoritma olan harmoni arama algoritmasi, bir orkestradaki müzisyenlerin çaldiklari notalar ile en iyi harmoniyi bulma prensibine dayanmaktadir (Sekil 1). Harmoni arama algoritmasinda baslangiç degerlerine ihtiyaç duyulmamasi, birçok yönde global çözüme lokal çözüme takilmadan ulasilmasi, optimizasyonda hem ayrik hem de sürekli degiskenler kullanilmasi ve az zamanda iterasyonlarin tamamlanmasi bu metodu digerlerine göre daha avantajli hale getirmistir. Yine bulus kapsaminda kullanilan bir diger algoritma olan ve Karaboga (2005) tarafindan gelistirilen yapay ari kolonisi algoritmasi, dogada sürü halinde yasayan, beslenme, savunma ve göç etme gibi temel yasam ihtiyaçlarini sürüde bulunan bireyler arasi iletisimde etkili olan sürü zekâsindan esinlenerek saglayan algoritmalardan biridir Korunmak istenen yöntemde, dayanma duvarlarinin tasarimi öncesinde belirlenen zemin özelliklerini dikkate alarak optimum boyutlarinin elde edilmesi amaciyla, fiziki testlerden elde edilen sonuçlar bir cihaz içerisinde bulunan yazilim araciligiyla bir dizi algoritma isletimlerine tabi tutularak zeminin farkli içsel sürtünme açisi degerleri ve farkli duvar yükseklikleri için stabilite kriterlerini saglayan optimum tasarim ortaya konmaktadir. Burada cihaz bir bilgisayar, cep telefonu, tablet veya yazilim sürebilen herhangi bir donanim olabilmektedir. Bulusumuza konu yöntemin detaylari bu bölümde verilecektir. - Geoteknik mühendisligi alaninda yanal zemin basinçlarinin karsilanmasi amaciyla oldukça yaygin bir sekilde kullanilan dayanma duvari tasarimi yapilmadan önce insa yapilacak alanda zemin incelemeleri gerçeklestirilir. - Bu zemin incelemeleri kapsaminda zeminin fiziksel özellikleri (birim hacim agirlik, içsel sürtünme açisi vb.), zemin tabakalanma durumu, yeralti suyu seviyesi vb. parametrelerin belirlenmesi için laboratuvar ve arazi deneyleri uygulanmaktadir. - Arazide Standart Penetrasyon (SPT), Koni Penetrasyon (CPT), Dilatometre (DMT), Presiyometre (PMT) gibi deneyler yapilarak tasarim yapilacak olan zemin profili ve zemin özellikleri elde edilmektedir. Bahsedilen arazi deneylerinden SPT deneyi dünyanin birçok ülkesinde oldugu gibi Türkiye'de de yaygin kullanima sahip olan en eski arazi deneylerinden birisidir. Deney düzeneginin basit olmasi, sondaj islemi sirasinda açilan kuyu içinde kolayca uygulanabildigi için düsük maliyetli olmasi, sondaj çukurlarindan numune alinabilmesi, bütün deney gruplarinda ve yeralti suyu seviyesi altinda uygulanabilmesi SPT deneyinin diger deneylere göre üstün yönleridir. - Dayanma duvari yapilmasi planlanan zeminde Standart Penetrasyon Deneyi yapilarak temel tasarimi, duvar tasarimi, sivilasma analizi vb. çalismalar için gerekli parametreler çesitli korelasyonlarla elde edilebilmektedir. Bu deneyde, 63,5 kilogramlik agirliga sahip tokmagin 762 mm yükseklikten düsürülerek sertlestirilmis çelik uca sahip sondanin zemine 305 mm çakilmasi için gereken toplam vurus sayisinin elde edilmesi temel prensiptir.Sonda zemine toplam 45 cm çakilir, ilk 150m örselenmis kisim olup degerlendirmeye alinmaz. Sondanin son 30cm zemine girmesi için kaydedilen vurus sayisi SPT-N degeri olarak kaydedilir. Çakma isleminin tamamlanmasinin ardindan sonda (numune alici) sondaj kuyusundan çikarilir. Yarik numune alici açilir ve temsili zemin numunesi alinir.Laboratuvar ortamina getirilen bu numuneler üzerinde elek analizi, kivam limitleri tayini gibi tanimlama deneyleri yapilir. - Araziden sondaj sirasinda alinan örselenmemis zemin örnekleri laboratuvar ortamina getirilerek Serbest basinç, üç eksenli basinç, konsolidasyon vb. deneylere tabi tutularak zeminin mekanik parametreleri belirlenir. - Arazide yapilan deney sonrasinda elde edilen SPT-Narazi sayilari üzerinde derinlik (CN), enerji (CE), tij uzunlugu (CR), sondaj çapi (CB), kilif düzeltme (Cs), çakma basligi (CA), tokmak yastigi (Cc), vurus sayisi sikligi (CBF) ve yer alti su seviyesi düzeltmeleri yapilarak N60 ve N1,60 degerleri elde edilmektedir (Sivrikaya ve Togrol, 2009). N60 = NaraziCECRCBCSCACBFCC N1,60 = Nsociv Burada N60, teorik serbest düsme tokmak enerjisinin %60'ina göre düzeltilmis vurus sayisina ve N1,60, teorik serbest düsme tokmak enerjisinin %60' ina ve efektif jeolojik basinci 100kPa alarak düzeltilmis vurus sayisina karsilik gelmektedir. - Araziden elde edilen SPT-N sayilarinin düzeltilmis degerlerini kullanarak bu patent basvurusuna konu olan dayanma duvarinin tasariminin yapilacagi zemin ortami özelliklerinde içsel sürtünme açisi (EP) tayin edilmektedir.Literatürde düzeltilmis SPT-N sayilarini kullanarak Q degerinin elde edilmesi için asagida Çizelge ?de verilen farkli arastirmacilar tarafindan belirtilen birçok korelasyonlar bulunmaktadir (Sivrikaya ve Togrol, 2009). Zemin Cinsi ß (°) Referans Köseli ve iyi derecelenmis . zemin daneleri Yuvarlak ve iyi derecelenmis derecelenmis zemin daneleri Yuvarlak ve üniform * derecelenmis zemin daneleri * Japan Road Association (1990) 9 = (12N1,50*)0"5+2Ü Nisa: SPT-N'nin Liao ve Whitman (1986) baglantisini kullanarak 100 kPa jeolojik basinçla normalize edilmis Kumlu Hatanaka ve Uchida (1996) sekli. McGregor ve Duncan (1998) bu korelasyon için N1 yerine Nmo yani (N1)so kullanmayi tavsiye etmektedir. Çizelge 2. Literatürde SPT-N ile QI arasindaki korelasyonlar Bulusa konu yöntemin uygulama adimlari su sekildedir: Dayanma duvari tasarimi yapilacak zemin ortami ve insaat sahasinin detayli zemin incelemesi, laboratuvar ve arazi deneyleri yapilir. Optimum dayanma duvari tasariminin elde edilebilmesi için gerekli olan zeminin içsel sürtünme açisi (Q, °), arazide gerçeklestirilen Standart Penatrasyon deneyi yapilarak elde edilen N1,60 degerine göre literatürde verilen iliskilerden faydalanilarak belirlenir. Optimum dayanma duvari tasariminin elde edilebilmesi için gerekli bir diger parametre olan duvar yüksekligi (H), arazi incelemesi sirasinda insa alani için belirlenen koordinat ve dijital nivo, total station gibi cihazlarla ölçülen arazi kotu verilerine göre belirlenmektedir. Ayrica bitisik nizam yapi veya yolun varligi, bitisik nizam yapinin temel ve su basman kotu ve benzeri unsurlar da duvar yüksekliginin belirlenmesinde etkili olan faktörlerdir. Optimizasyon analizlerinin ilk adiminda dayanma duvari tasarimi için arazi ve laboratuvar ölçümleri ile elde edilen H ve !3 tasarim parametreleri sinirlayicilari ve amaç fonksiyonu cihaz içerisindeki dayanma duvari çesidine göre farklilik gösteren istatistik tabanli gelistirilmis matematik modelleri (Formül akisi - 1, Formül akisi - 2 veya Formül akisi - 3"den dayanma duvar çesidine göre uygun olan herhangi biri) içeren yazilima girilir ve optimizasyon algoritmasi baslatilir.Dayanma duvarinin optimum tasariminin arastirilmasinda tasarim degiskenlerinin farkli ve ayrik degerlerini içeren genis bir tasarim havuzu olusturulur. Bu tasarim havuzu, dayanma duvarinin optimum boyutlarinin elde edilmesi amaciyla temel taban genisligi, temel ön ampatman genisligi, temel arka ampatman genisligi, temel kalinligi, duvar ön yüz egimi, temel taban egimi ve dis yüksekligi gibi duvar boyutlarini kapsamaktadir. En iyi çözümün arastirilmasinda bu tasarim havuzundan rastgele seçilen degerler arasindan en optimum olan (minimum amaç fonksiyon degerine sahip) ve ayni zamanda sinirlayici olarak algoritmaya girilen stabilite kriterlerini saglayan kombinasyon en iyi çözüm olarak atandigi için bu degerler istatistik tabanli matematik modelde atanan H ve G tasarim parametreleri ile birlikte yerine konularak kayma, devrilme ve toptan göçme güvenlik sayilari belirlenmektedir. Seçilen maksimum iterasyon sayisina ulasilincaya kadar sezgisel optimizasyon algoritmasi (Sekil 1 ve Sekil 2) isletilir ve sinirlayicilari saglayan optimum çözüm (duvar tasarimi) kaydedilir. Sezgisel optimizasyon algoritmalarinin optimum çözüm arayisini rastgele yapmasi sebebiyle algoritmalarin her isletilmesinde farkli optimum çözümlerin (tasarimlarin) elde edilmesi muhtemeldir. Bu sebeple maksimum iterasyon sayisi kadar isletilen algoritma birbirinden bagimsiz olarak en az 30 kere daha çalistirilarak her çalistirma için elde edilen optimum çözümler (tasarimlar) kaydedilir. Tüm farkli çalistirmalar sonucu elde edilen optimum çözümler (tasarimlar) arasindan en iyi tasarima (minimum amaç fonksiyonu degerine) sahip olan çözüm en optimum duvar tasarimi olarak kaydedilir.Asagida, yazilim içerisinde kullanilan matematiksel modeller verilmistir. Matematiksel model genel gösterimi: Ä=wa *WE 1 *îwrwmwr A A katsayilari Dayanma duvar tipi Fm(kay) ledev) letop) Güvenlik Parameti'e Matematiksel model -1.4953 iyi; Duvar yüksekligine bagli temel taban genisligi etki katsayisi, XIG-I) WB& Temel taban genisligine bagli ön çikma mesafesi etki katsayisi, X2(Xi) wa Duvar yüksekligine bagli temel kalinligi etki katsayisi, X3(H) Vu Duvar ön yüz egimi etki katsayisi, X4 ve› Içsel sürtünme açisi etki katsayisi, 0 B Temel taban genisligi Bâu On çikma mesafesi d Temel kalinligi 0 Içsel sürtünme açisi H Duvar yüksekligi Formül Akisi - 1 (Konsol Dayanma Duvari) Güvenlik Parametre Matematiksel model liman?) VB = l--32.8652 FmüOP) `VB = - 2.7734 ia.fi.i'\.nni:n1n EmlA-vû ,._,.. i( .fn\3 ....-f.i°'ii\2 .-..-i.[.i°'ii\ . nin: ws Duvai yüksekligine bagli temel taban genisligi etki katsayisi, Xiu-I) Wen Temel taban genisligine bagli ön çikma mesafesi etki katsayisi, Xi(Xi) Ve Duvar yüksekligine bagli temel kalinligi etki katsayisi, X5(H) Van Duvar taban egimi etki katsayisi, X4 wa Içsel sürtünme açisi etki katsayisi, 0 B Temel taban genisligi Béo Önçikma mesafesi d Temel kalinligi mt Taban egimi Q) Içsel süm'inme açisi H Dut-'ar ;i'üksekligi Formül Akisi - 2 (Egik Taban Yüzlü Konsol Dayanma Duvari) Güvenlik Parametre Matematik model Finütab') "'13 = - - 4.61955 WB Duvar yüksekligine bagh temel taban genisligi etki katsayisi. Xi(H) Wk Dis yüksekligi etki katsayisi, X5 W Içsel sürtünme açisi etki katsayisi, 0 B Temel taban genisligi Ban Ön çikma mesafesi d Temel kalinligi k Dis yüksekligi 0 Içsel sününme açisi Formül Akisi - 3 (Disli Konsol Dayanma Duvari) Optimizasyon problemini ve algortima parametrelerini baslat Harmoni matrisini olustur iyiden en kötüye sirala Yeni harmoni olustur 4% Yeni harmoni harmoni atrisindeki en kötü harmonide daha iyi mi? Harmoni matrisini güncelle i urdurma kriteri saglaniyor mu? Baslangiç besin Görevli arilar için komsu kaynaklari belirle Gözcü anlarin seçtigi komsu kaynaklari üm gözcü arilar dagitildi mi? Birakilacak kaynaklari belirle yeni kaynaklar üret ..2 ` = n.: :o 2... e. _ ..I-i... I ...SSGmFn-miGI' tin-III... i › . âiiiitilid i 86 ::0 Su .2. h _ .5.Eliaic 0 I :Elilaiiilillllililllilh I› no; ..0 ..to 1 .m anlik::.nîliunçinnlâru:.i .::lu ..wanna .Ka .lâ Hd :5 n 1 Wi- J _n i..." . | 3... .::o 2... n... . "md En".e.in.ininarilnn.mi __E-:ini .5 ..3. c.. En_ _2_ ev. . ` .x .x a." .n :a : .Iq a ..J "Sanéhaulîifâsne aan-.ini 9..! 8.8.1 iEiIîiinîn a ::8:35:385› _ .li _ Mücagm _ ::îîîzu:Jîgzsaâîîuîfii› î.! . _5.922855... _ .::L-75.2.a,nîxiiziîmfîizigi.ni î.! 80.212..! !i .05 .gmmuEEo Safa ...siginan-gaza!... 52 32:15.& EE ...Efe ggggâlu_ 32.7.. &manyetik-agi.! .E .aza _Nacacogewao e 2. ..::anne::.. ..m i 52 magara» EE ...sari ..::5 . pl.. . TR TR TR TR TR TR