پیش‌بینی عمق آبشستگی پایه پل با استفاده از مدل شبکه عصبی مصنوعی و مقایسه‌ی آن با روابط تجربی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه آب و محیطزیست، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

2 دانشجوی کارشناسی ارشد سازه های آبی، گروه آب وخاک دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران.

چکیده

برخورد جریان به پایه‌های پل و تکیه‌گاه‌ها جریان‌های آشفته‌ای را ایجاد می‌کند که سبب فرسایش در کنار پایه‌ها و تکیه‌گاه‌های پل شده و در نتیجه تخریب پل‌ها را در پی دارد. با توجه به پیچیدگی موضوع و پارامترهای زیادی که دخالت دارند هنوز یک رابطه‌ی دقیق یا راه حل اساسی برای پیش بینی عمق آبشستگی ارائه نشده است. در تحقیق حاضر عمق آبشستگی با استفاده از داده‌های اندازه‌گیری شده و با به کارگیری روش شبکه عصبی مصنوعی، رگرسیون خطی و غیرخطی و روابط تجربی برآورد شد. داده ها به دو صورت، با بعد و بدون بعد که با استفاده از آنالیز ابعادی بدست آمد مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج نشان داد مدل شبکه عصبی مصنوعی توانسته است با به کارگیری پارامترهای تأثیرگذار عمق آبشستگی را با ضریب تبیین برابر با 97/0 و 81/0 و همچنین خطای RMSE برابر با m01/0 و 32/0 به ترتیب زمانی که داده‌ها بابعد و بدون‌بعد استفاده شده‌اند، پیش‌بینی کند. همچنین رابطه تجربی دانشگاه ایالتی کلرادو توانسته است عمق آبشستگی را با ضریب تبیین و خطای RMSE برابر با 53/0 و 52/0 متر پیش بینی کند. مقایسه‌ نتایج مدل‌های مختلف نشان می‌دهد که مدل شبکه عصبی مصنوعی مقدار خطای پیش بینی عمق آبشستگی را به ترتیب 70، 7/85 و 7/87 درصد در مقایسه با مدل رگرسیون خطی، مدل رگرسیون غیرخطی و رابطه تجربی دانشگاه ایالتی کلرادو کاهش داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


حسونی زاده، هوشنگ. (1370). بررسی روش‌های پیش‌بینی آبشستگی موضعی اطراف پایه پل. پایان‌نامه کارشناسی ارشد دانشگاه شهید چمران اهواز.
راهنمای محاسبه‌ی آبشستگی موضعی(نشریه549). معاونت برنامه‌ریزی و نظارت راهبردی رئیس جمهور، تهران.
رئیسی، نرگس.، و قمشی، مهدی. (1394). اثر مقیاس مدل و آزمایش‌های آبشستگی پایه‌های پل. نشریه دانش آب و خاک، (3)25، 240-227. https://water-soil.tabrizu.ac.ir/article_4032.html
غضنفری هاشمی، سمانه.، و اعتماد شهیدی، امیر. (1391). پیش بینی عمق آبشستگی اطراف پایه‌ پل با استفاده از ماشین‌های بردار پشتیبان. مجله علمی پژوهشی عمران مدرس، (2)12، 36-23. http://mcej.modares.ac.ir/article-16-5542-fa.html
Abdallah Mohamed, Y., Mohamed Abdel-Aal, G., Hemdan Nasr-Allah, T., & shawky, A. (2016).      Experimental and theoretical in vestigation of scour at bridge abutmentAbdallah. Journal of king saud university Engineering sciences, 28, 32-40. http://dx.doi.org/10.1016/j.jksues.2013.09.005
Bateni, S.M., Borghei, S. M., & Jeng, D.S. (2007). Neural network and neuro-fuzzy assessments for      scour depth around bridge piers. Engineering application of artificial intelligence, 20(3), 401-414. http://dx.doi.org/10.1016/j.engappai.2006.06.012
Begum, S.A., Fujail, A.K., & Barbhuiya, M.D. (2012). Artifical neural network to predict equilibrium local scour depht around semicireular bridge abutments. 6th International symposium on advances in science and technology. Kuala Lumpur. Malaysia. https://civilica.com/doc/158958
Blench, T. (1962). Discussion, of scour at bridge crossings. By Laursen EM. Transactions of American society of civil Engineers ,127, 180-183.
Breusers, H.N.C. (1965). Scour around drilling platforms. Bulletin of hydraulic research, 19, 276-286.
Breusers, H.N.C., Nicollet, G., & shen, H.W. (1997). Local scour around cylindrical piers. Journal of hydraulic research, 15(3), 211-252. https://doi.org/10.1080/00221687709499645
Chiew, Y.M. (1992). Scour protection at bridge piers. Journal of Hydraulic Engineering, 118(9),1260-1269. https://doi.org/ 10.1061/(ASCE)0733-9429(1992)118:9(1260)
Chou, J.S., Pham, A.D. (2014). Hybrid computational model for predicting bridge scour depth near APA pier and abutments. Automation in construction, 48, 88-96. http://dx.doi.org/10.1016/j.autcon.2014.08.006
Dey, S., & Barbhuiya, A.K. (2004). Clear-water scour at abutment in thinly armored beds. Journal of Hydraulic Engineering, 130(2), 622-634. https://doi.org/10.1016/S1001-6279(10)60041-8
Emamgholizadeh, S., Bateni, M.F.M., & Jeng, D.S. (2013). Artificial intelligence-based estimation of flushing half-cone geometry. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 26 (10), 2551-2558. https://doi.org/10.1016/j.engappai.2013.05.014
Ettema, R., Melville B.W., & Borkdoll, B. (1998). Scale effect of pier-scour experiments. Journal of Hydraulic Engineering, 124(6), 639-642.
Ghazanfari Hashemi, S.G.H., & Etemad-Shahidi, A. (2012) Prediction of Scour Depth Around Bridge Pier by Support Vector Machines. MCEJ. 12(2) ,23-36.  http://mcej.modares.ac.ir/article-16-5542-fa.html [In Persian]
Guide to calculating local scour (Journal 549). Vice President for Strategic Planning and Oversight, Tehran. [In Persian]
Hanrahan, G. (2011). Artificial neural networks in biological and environmental analysis. CRC Press. Boca raton. https://doi.org/10.1201/b10515
Hassoni Zadeh, H. (1991). Investigation of local scour prediction methods around the bridge pier. Master Thesis of Shahid Chamran University of Ahvaz. [In Persian]
Inglis, S.C. (1949). Maximum depth of scour at heads of guide banks and groynes, pier noses, and downstream of bridges. The behavior and control of rivers and canals. Poona. India.
Kambekar, A.R., & Deo, M.C. (2003). Estimation of piel group using neural network. Applied ocean Research (25), 225-234. https://dx.doi.org/10.22115/scce.2019.173862.1098
Laursen, E. M., & Toch, A. (1956). Scour around bridge piers and abutments.  Bulletin no 4 lowa highway research board, ames lowa us publications.
Lee, S.O., & Sturm, T.W.  (2009). Effect of sediment size scaling on physical modeling of bridge pier      scour. Journal of Hydraulic Engineering, 135(10), 793-802. https://doi.org/10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000091
Melville, B.W. (1997). Pier and abutment scour –an integrated approach. Journal of Hydraulic Engineering, 123(2), 125-136. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1997)123:2(125)
Melville, B.W., & Stherland, A.J. (1988). Design method for local scour at bridge piers. Journal of       Hydraulic Engineering, 114(10). https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1988)114:10(1210)
Melville, M.W. (1975). Local scour at bridge sites. University of Auckland. School of Engineering. New Zealand. Project Report No. 117.
Neill, C. R. (1964). Riverbed scour-A review for engineers. Canadian Good Roads Association Technical Publication.  Ottawa, Canada, 23.
Raeisi, N., & Ghomeshi, M. (2015). Effect of Model Scale in Bridge Piers Scour Experiments. Water and Soil Science, 25(3), 227-240. https://water-soil.tabrizu.ac.ir/article_4032.html [In Persian]
Raudkivi, A. J. (1998). Loose Boundary Hydraulics. https://doi.org/10.1201/9781003077800
Raudkivi, A.J., & Ettema, R. (1983). Clear-water scour at cylindrical piers. Journal of Hydraulic Engineering, 109(3), 338-350. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9429(1983)109:3(338)
Richardson, E.V., & lagasse, P.F. (1999). Stream stability and scour at highway bridges. ASCE      Publications.