background image

X L V I I I   K O N F E R E N C J A   N AU K O W A 

KOMITETU  INŻ YNIERII  LĄ DOWEJ  I  WODNEJ  PAN 

I  KOMITETU  NAUKI  PZITB 

Opole – Krynica

 

2002

 

 
 
 
 

 

Joanna KALISZUK

1

 

Zenon WASZCZYSZYN

2

 

 
 

 

PROBABILISTYCZNA OCENA NIEZAWODNOŚ CI KONSTRUKCJI 

METODAMI  MONTE CARLO Z WYKORZYSTANIEM SSN 

 

 

1.   Wstęp 

 
Ocena  niezawodnoś ci  konstrukcji,  w  odniesieniu  do  jej  różnych  stanów  czy  też różnych 
czynników,  jest  złożonym  zagadnieniem,  które  wymaga  wyjś cia  poza  sformułowania 
deterministyczne.  Losowoś ć   zmiennych  i  parametrów  analizowanych  modeli  implikuje 
posługiwanie  się  probabilistycznymi  metodami  analizy  (pomijamy  inne  metody,  w  tym 
metody  półprobabilistyczne,  por.  [1]).  Metody  probabilistyczne,  stosowane  do  analizy 
konstrukcji  inżynierskich  są   omawiane  w  bogatej  literaturze,  że  wymienimy  tylko  dwie 
polskie monografie [1, 2].  

Złożonoś ć  analizy  problemów  niezawodnoś ci  konstrukcji  powoduje,  że  można  je 

analizować   głównie  numerycznie,  stosują c  różne  metody  symulacyjne,  a  wś ród  nich  różne 
modyfikacje  metod  Monte  Carlo  [3].  Zostały  one  oparte  na  solidnych  podstawach  matema-
tycznych, por. [3, 4] i stale są   wzbogacane  nowymi propozycjami symulacji komputerowych 
[5].  Najprostsza  metoda  klasyczna  MC  polega  na    generowaniu  rozwią zań  próbnych  (dalej 
nazywamy  je  krótko  "próbkami"),  i  sprawdzaniu  czy  spełniają   one  przyjęte  kryteria  nieza-
wodnoś ci.  Bardziej  złożoną   jest  metoda  ś redniej  ważonej  (ang.  importance  sampling),  która 
wymaga mniejszej liczby próbek do obliczenia prawdopodobieństwa niezawodnoś ci [3, 5]. 

W  teorii  konstrukcji  próbki  dla  metod  MC  liczymy  zazwyczaj  metodą   elementów 

skończonych (MES), por. [6]. Wymienione symulacje numeryczne wymagaj ą  na ogół bardzo 
dużej  liczby  próbek  co  przy  bardziej  złożonych  konstrukcjach  czyni  metody  MC 
numerycznie  nieefektywnymi.  W  tym  zakresie  interesują cą   jest  próba  zastosowania 
sztucznych sieci neuronowych do generowania próbek [7]. 

W  referacie  rozwijamy  pomysł  z  pracy  [7]  i  sprawdzamy  go  na  przykładzie  oceny 

probabilistycznej  noś noś ci  płaskiej  ramy  sprężysto-plastycznej  z  losową   granicą  
plastycznoś ci  materiału.  Do  obliczenia  wzorców  do  uczenia  i  testowania  sieci  stosujemy 
własny  program  MES,  oparty  na  pracy  [8].  Dzięki  prostej  sieci  jednokierunkowej  istotnie 
skrócono  czas  generowania  próbek  co  umożliwiło  szybkie  wyznaczanie  probabilistycznej 
granicy  noś noś ci  dla  różnych  przypadków  zmiennoś ci  granicy  plastycznoś ci  w  prętach 
rozpatrywanej ramy. 

                                                 

1

  Mgr inż., Wydział Inżynierii Lą dowej i Środowiska Uniwersytetu Zielonogórskiego 

2

  Prof. zw. dr hab. inż., Wydział Inżynierii Lą dowej Politechniki Krakowskiej 

background image

 

78 

2.  Niezawodność i zawodność konstrukcji 

 

W dalszym cią gu pomijamy  czynnik czasu. Za  miarę niezawodnoś ci  konstrukcji przyjmuje 
się prawdopodobieństwo dla ustalonego czasu, zdefiniowane w następują cy sposób: 
 
                                     Q =  Prob {G (R) 

>

 0} 

º

 Prob {

>

 S } ,                                      (1) 

                             

            

 

 

gdzie:  G  (S,  R  )  –  funkcja  stanów  (zapas  bezpieczeństwa),  R  =  R  (X

R

)  –  losowa  noś noś ć  

konstrukcji,  S  (X

S

)  –  losowe  obcią żenie,  X  =  [X

R

,  X

S

]  –  wektor    losowych  stanów  kon-

strukcji, por. [9].   

Do dalszych rozważań wprowadzamy też losową  zawodnoś ć (niesprawnoś ć) konstrukcji:  

                                                       G (X

º

 

-

 S  

£

 0 ,                                                          (2) 

 
oraz prawdopodobieństwo zawodnoś ci : 
                                            
                                        q

 

 = Prob { G (X

£

 0 } =   

   (X ) dX ,                                        (3) 

                                                                                

G(X

£

 0 

 
gdzie: (X) – funkcja gęstoś ci prawdopodobieństwa zawodnoś ci. 
 

3.  Numeryczne symulacje metodami Monte Carlo 

 

Symulacje  metodami  Monte  Carlo  służą  numerycznemu  obliczaniu  wartoś ci  całki  (3). 
Zakłada się, że wszystkie zmienne losowe funkcji G (X)  są  zmiennymi niezależnymi. Przy 
takim założeniu jest słuszne prawo wielkich liczb, a więc przybliżoną  wartoś ć   prawdopodo-
bieństwa zawodnoś ci konstrukcji można obliczać  wzorem [4]: 

 

     

 

 

      

( )

å

=

=

N

i

i

I

N

q

1

1

 

 

 

 

  (4) 

 

gdzie: N – całkowita liczba symulacji (wylosowanych próbek), (X

i

)– następują co zdefinio-

wany wskaźnik: 
 

     

 

        

( )

( )

( )

.

,

0

dla

0

dla

0

1

>

£

î

í

ì

=

i

i

i

G

G

I

X

X

X

 

 

 

  (5) 

 

  Powyższa  metoda,  zwana  metodą   klasyczną   MC  (KMC  lub  metoda  ‘orzeł-reszka’, 

por.[4]),  jest  łatwa  w  stosowaniu,  jednak  dla  uzyskania  oszacowań  obarczonych  małym 
błędem, wymaga bardzo dużej liczby symulacji. Przybliżony błą d tej metody okreś lony jest 
wzorem (6), por. [4]: 
 

     

 

 

   

   

,

N

=

d

  

 

 

  (6) 

 
gdzie:  – całkowita liczba symulacji. 

  Istnieje  wiele  metod o znacznie lepszej efektywnoś ci [3, 4]. Jedną  z nich jest  metoda 

‘ś redniej  ważonej’  (w  skrócie  WMC,  zwana  też metodą   losowania  istotnego,  por.  [4]).  W 
metodzie tej, łą czne prawdopodobieństwo zawodnoś ci konstrukcji przybliża wzór: 

background image

 

79 

     

 

 

( )

å

=

=

N

i

i

K

N

q

1

1

X

  , 

 

 

 

  (7) 

 

gdzie (X

i

) – zdefiniowano poniżej: 

 

     

    

( )

( )

( )

( )

( )

.

,

0

dla

0

0

dla

i

î

í

ì

>

£

=

i

i

i

X

i

X

G

G

g

f

K

X

X

X

X

X

   

 

  (8) 

 

gdzie: f

(X) –  funkcja gęstoś ci rozkładu prawdopodobieństwa zmiennej losowej, g

(X)

 

 –  

przyjęta funkcja wagi.  
 

4.  Zastosowanie SSN do generowania próbek dla metod MC 

 
Do  generowania  próbek  okreś lają cych  stany  konstrukcji  zazwyczaj  stosuje  się  metodę 
elementów  skończonych.  Stosowanie  programu  MES  do  obliczania  próbek  do  metod  MC 
jest jednak na ogół nieefektywne numerycznie. Wynika to z koniecznoś ci obliczenia bardzo 
wielkiej liczby próbek (rzędu kilkunastu a nawet kilkuset tysięcy), co może wymagać  bardzo 
długich czasów obliczeń. Z tego powodu w pracy [7] zaproponowano zastosowanie SSN. W 
takim podejś ciu program MES jest używany do obliczenia wzorców do uczenia i testowania 
SSN. Po nauczeniu sieci jest  ona stosowana do generowania próbek dla metod MC. W [7] 
wykazano,  że  takie  podejś cie  daje  skrócenie  czasu  rzędu  10

-3

  czasu  potrzebnego  do 

generowania  próbek  za  pomocą   programu  MES  w  porównaniu  z  generowaniem  próbek 
siecią  neuronową . 

  Wyżej  opisane  podejś cie  stosujemy  do  obliczania  próbek  odpowiadają cej  noś noś ci 

płaskich  ram  sprężysto-plastycznych,  którą   można  obliczyć   jednym  z  wielu  programów 
MES. W naszym referacie zastosowano program ELPLAF-v1,opracowany na podstawie [8] 
Program  uwzględnia  rozłożoną   plastycznoś ć   i  geometryczne  nieliniowoś ci  rzędu  II.  Do 
obliczeń  przyjęto  model  materiału  idealnie  plastycznego.  Noś noś ć   graniczna  odpowiada 
osią gnięciu  granicznego  punktu  na  ś cieżce  równowagi,  a  więc  noś noś ć   jest  obcią żeniem 
krytycznym ogólnej utraty statecznoś ci ramy.  
 

5.  Probabilistyczna ocena nośności płaskiej ramy stalowej 

 

Celem  sprawdzenia  działania  opisanej  metody  oceniania  bezpieczeństwa  ram  stalowych 
przeprowadzono  test  numeryczny.  Do  analizy  przyjęto  wielokondygnacyjną   ramę 
analizowaną  w [6]. Schemat ramy i konfigurację jednoparametrowego obcią żenia pokazano 
na  rys.1.  Przyjęto,  że  rama  jest  złożona  z  jednakowych  prętów  o  geometrycznych 
chakterystykach przekroju poprzecznego i module sprężystoś ci jak na rysunku. Przyjęto, że 
wartoś ć   ś rednia  granicy  plastycznoś ci  wynosi 

m

  =  240  Mpa,  a  odchylenie  standardowe 

s

 = 24MPa.  

  Obliczenia wykonane programem ELPLAF-v1 dla granicy platycznoś ci 

m

 , jednakowej 

dla  wszystkich  prętów  dały  wartoś ć   noś noś ci  ramy  P

k

  =  1042.3  kN,  a  więc  niższą   niż 

noś noś ć   o  wartoś ci  1143.7  kN,  obliczona  w  [6]  metodą   przegubów  plastycznych  na 
podstawie teorii geometrycznie liniowej.  

  Dalej  przyjęto,  że  granice  plastycznoś ci  dla  wszystkich  słupów  i  rygli  są   dwoma 

zmiennymi  losowymi,  odpowiednio    X

=    R

  s   

X

  2

  = R

  r

  .  Wszystkie  obliczenia,  zarówno 

dotyczą ce tworzenia sieci neuronowej jak i generowania próbek metodami MC wykonano w 
ś rodowisku MATLAB 5, [10]. 

background image

 

80 

 

 

  

E = 21000 kN/cm

2

 

s

0

 = 24 kN/cm

2

 

A = 149 cm

2

 

J = 25170 cm

4

 

S = 1868 cm

3

 

Z = 1638 cm

3

 

40

 

 

0.1P 

P 

 

 

P 

P 

1200 

 

 

1200 

0.1P 

0.1P 

0.1P 

40

40

40

 

 

Rys. 1. Schemat ramy i dane geometryczne i materiałowe 

 

5.1.  Neuronowa predykcja nośności ramy 

 

Przyjęto sieć  typu WPB (ze wsteczną  propagacja błędów) o strukturze 2

-

3

-

1 , a więc z jedną  

warstwą   ukrytą   o  dwuelementowym  wektorze  wejś cia,  trzech  sigmoidalnych  neuronach  w 
warstwie  ukrytej  i  jednoelementowym  wyjś ciu.  Problem  przewidywania  obcią żenia 
krytycznego sformułowano jako odwzorowanie wektora wejś cia x w skalarne wyjś cie y : 
   

   

                   x

(2

´

1)

 = { R

s

 , R

r

 

}  

®

  y

  =  P

 ,                                              (9) 

 
gdzie:  R

s

  –  granica  plastycznoś ci  słupów,  R

r

  –  granica  plastycznoś ci  rygli,  P

k

  –  wartoś ć  

obcią żenia krytycznego. 

  Do uczenia  sieci przyjęto 256 różnych  wzorców, zaś  do jej testowania 100  wzorców. 

Obliczenia  wykonano  za  pomocą   symulatora  neuronowego  [10]  korzystają c  z  metody 
uczenia Back-Propagation z członem Momentum. Do obliczeń przyjęto 2000 epok. Tabl. 1 
pokazuje dokładnoś ć  predykcji neuronowej w porównaniu z wartoś ciami P

k  

obliczonymi za 

pomocą  MES. W tablicy zestawiono błędy: 

 

                              

avr ep = 1/V 

å

 ep  ,   max ep =max{ep

½

 p = 1,...,V }   dla  ep =

½

1

-

 y

(p)

 / t

(p)

½×

 100 %     

 

                                                 

 

     

 

          

( )

( )

(

)

,

1

1

2

å

=

-

=

V

p

p

p

y

f

V

RMS

 

 

 

(10) 

 

gdzie: V =  L , 

-

  liczebnoś ć  wzorców odpowiednio dla zbioru uczą cego i testują cego,  t

( p) 

,

 

y

(  p

 

-

   wartoś ci  wyjś ciowe znane  i obliczane siecią  dla  wzorca   p . W Tabl. 1 podano też 

wartoś ci współczynnika korelacji dla zbioru par { t

( p) 

,

 

y

( p

} .  

  Na  rys.  2  pokazano  wyniki  predykcji  neuronowej  na  tle  wyników  otrzymanych  za 

pomocą   MES  dla  wartoś ci  obcią żenia  krytycznego  ramy  jako  funkcji    zmiennych  granic 
plastycznoś ci rygli i słupów P

 (R

R

r

 ) . 

  Na  rys.  2a  pokazano  rozkład wartoś ci  obcią żenia  krytycznego P

,  obliczonych  siecią  

neuronową   podczas  uczenia  na  L  =  256  regularnie  rozłożonych  wartoś ciach  granic 
plastycznoś ci ( 16 

´

 16 wartoś ci), a na Rys.2b są  widoczne wyniki testowania na  T = 100 

wzorcach  odpowiadają cych  wylosowanym  wartoś ciom  granic  plastycznoś ci.  Przedstawione 

background image

 

81 

wyniki wskazują  na bardzo dobre właś ciwoś ci predykcyjne sieci o dokładnoś ciach podanych 
w tabl. 2. 

 

Tablica 1. Błędy aproksymacji neuronowej 

 

Proces 

avr ep [%]  max ep [%]     RMS 

uczenie 

   0.379 

    2.128 

0.004822 

0.9996 

testowanie     0.387 

    1.118 

0.004760 

0.9980 

 

   a)                                                                      b)            

 

 

 

 

 

 

 

 

100 

200 

300 

350 

  

100 

 

 

200 

300 

400 

0.6 

0.8 

1.0 

1.2 

1.4 

Rs [MPa] 

 

 

Rr [MPa]  

 

 

O

bc

że

ni

kr

yt

yc

zn

 P

k

*1

0

3

 [

kN

 

 

 

 

 

 

 

150 

200 

250 

300 

150 

200 

250 

300 

 

 

0.8 

0.9 

1.0 

1.1 

1.2 

1.3 

Rs [MPa] 

 

 

Rr [MPa] 

 

 

O

bc

ia

że

ni

kr

yt

yc

zn

 P

k

*1

0

3

[k

N

 

Rys. 2. Porównanie wyników predykcji sieci z wynikami analizy sprężysto-plastycznej 

dla wzorców: a) uczą cych i b) testują cych, gdzie: □

 

-

 MES, 

Ñ

 

-

 sieć  neuronowa 

 

  Na  rys.  2a  pokazano  rozkład wartoś ci  obcią żenia  krytycznego P

,  obliczonych  siecią  

neuronową   podczas  uczenia  na  L  =  256  regularnie  rozłożonych  wartoś ciach  granic 
plastycznoś ci ( 16 

´

 16 wartoś ci), a na Rys.2b są  widoczne wyniki testowania na  T = 100 

wzorcach  odpowiadają cych  wylosowanym  wartoś ciom  granic  plastycznoś ci.  Przedstawione 
wyniki wskazują  na bardzo dobre właś ciwoś ci predykcyjne sieci o dokładnoś ciach podanych 
w tabl. 1. 
 

5.2.  Symulacja Monte Carlo 

 

Rozpatrzono  trzy  przypadki  różnią ce  się  przyjmowanymi  do  analizy  zmiennymi  
losowymi  X

i

.  Dla  każdej  zmiennej  losowej  okreś lono  funkcję  rozkładu  gęstoś ci 

prawdopodobieństwa  f  (X

i

)  oraz  przyjęto  parametry  charakteryzują ce  rozkłady,  tj.  wartoś ć  

oczekiwaną  

m

  i  odchylenie  standardowe 

s

  .  Charakterystyki  poszczególnych  przypadków 

zestawiono w tabl. 2. 

  W  przypadku  1  założono,  że  granice  plastycznoś ci  zmieniają   się  jednakowo  we 

wszystkich  słupach  i  ryglach,  tj.  losowane  są   wartoś ci  zmiennych   X

=  R

s

    i    X

3

  =  R

r

  .W 

przypadku 2 jest ustalona wartoś ć  granicy plastycznoś ci w ryglach  R

= 240 MPa , a wartoś ć  

granicy plastycznoś ci  w słupach jest losowana jako zmienna X

R

s.

. W przypadku 3 przy 

stałej  wartoś ci  granicy  plastycznoś ci  słupów  R

s

  =  240  MPa  losuje  się  wartoś ć   granicy 

plastycznoś ci w ryglach X

= R

.    

background image

 

82 

Tablica 2. Symulowane przypadki 

 

Przypa- 

dek 

zmienna  losowa 

 X

rozkład  funkcji 

f(X

i

)  

wartoś ć  oczekiw.  

m

  

odchyl. stand. 

 

s

  

obcią żenie [kN]  log.-normalny 

6.592 

0.2 

R

s

 słupów   [MPa] 

normalny 

240 

24 

R

r

 rygli       [MPa] 

normalny 

240 

24 

obcią żenie S [kN]  log.-normalny 

6.592 

0.2 

R

r

 słupów   [MPa] 

normalny 

240 

24 

obcią żenie S [kN]  log.-normalny 

6.592 

0.2 

R

r

 rygli       [MPa] 

normalny 

240 

24 

 

We  wszystkich  trzech  opisanych  przypadkach,  ocenę  bezpieczeństwa  konstrukcji 

przeprowadzono  dwiema  metodami  symulacji  MC,  tzn.  metodą   klasyczną   KMC  i  metodą  
ś redniej ważonej WMC. We wszystkich symulacjach metodą  WMC jako funkcję wagi g(X

i

),  

dla obcią żenia funkcję rozkładu normalnego o parametrach 

m

 =1042.3 kN  i 

s

 =165 kN.  

W  tabl.  3  przedstawiono  wyniki  symulacji  dla  wszystkich  rozpatrywanych 

przypadków.  Analiza  wyników  umieszczonych  w  tabl.  3.  potwierdza  lepszą   skutecznoś ć  
metody  WMC w porównaniu z metodą  KMC. 
 

Tablica 3. Wartoś ci prawdopodobieństwa zawodnoś ci ramy obliczne metodami 

Monte Carlo: klasyczna metoda MC (KMC) i metoda ś redniej ważonej (WMC

 

 

  Rys.  3  pokazuje  jak  zmienia  się  prawdopodobieństwo  niezawodnoś ci  ramy  dla 

różnych wartoś ci obcią żeń P, przyjmowanych jako stałe w symulacjach przypadków 
1-3.  Widać ,  że  krzywe  losowej  niezawodnoś ci  dla  przypadków  1  i  2  pokrywają   się. 
Inaczej  jest  w  przypadku  3  gdy  losowo  zmienia  się  tylko  granica  plastycznoś ci  rygli. 
Ustalona  wartoś ć   granicy  plastycznoś ci  słupów  powoduje,  że  od  wartoś ci  obcią żenia 
równego wartoś ci krytycznej  P

kr   

= 1042 kN o noś noś ci ramy decyduje uplastycznienie 

utwierdzenia słupów [6]. 

  Wykresy losowej niezawodnoś ci ramy pozwalają  oszacować  wartoś ć  obcią żenia jakie 

można  przykładać   do  ramy  o  założonym  prawdopodobieństwie  niezawodnoś ci.  Na  Rys.  3 
pokazano  przykładowo  przyjęte  prawdopodobieństwa  Q  =  0.9.  W  przypadku  1  losowej 
zmiennoś ci  granic  plastycznoś ci  słupów  i  rygli  można  przykładać   obcią żenie P(0.9)  =  927 
kN, a w przypadku 3 obcią żenie bezpieczne wynosi  P(0.9) = 1023kN. 

             Prawdopodobieństwo zawodnoś ci q 

Przypadek 1 

Przypadek 2 

Przypadek 3 

Liczba 

próbek 

KMC 

WMC 

KMC 

WMC 

KMC 

WMC 

50 

0.02000 

0.05023 

0.02000 

0.05534 

0.0000 

0.0333 

100 

0.04000 

0.04926 

0.04000 

0.05012 

0.0400 

0.0371 

1000 

0.05000 

0.05393 

0.06700 

0.05560 

0.0550 

0.0420 

2000 

0.05850 

0.05731 

0.05900 

0.05330 

0.0420 

0.0415 

5000 

0.05520 

0.05697 

0.06220 

0.05374 

0.0446 

0.0425 

10000 

0.05550 

0.05583 

0.05860 

0.05411 

0.0420 

0.0415 

50000 

0.05778 

0.05623 

0.05462 

0.05627 

0.0418 

0.0417 

100000 

0.05509 

0.055825  0.05498 

0.05505 

0.0416 

0.0416 

background image

 

83 

 

   

Obcią żenie  S = P [kN]

 

pr

aw

d.

 n

ie

za

w

od

no

śc

i r

am

Q

 

 

 

0.0

 

 

 

0.2

 

0.4

 

0.6

 

0.8

 

1

 

600

 

800

 

1023

 

1200

 

1400

 

à

 

 Rr

 

-

 

zm.los.; Rs=const  

 

D

 

 Rr=const; Rs

 

-

 

zm.los.  

 

 

 Rr

 

-

 

zm.los.; Rs

 

-

 

zm.los.

 

 

 

0.9

 

927

 

1000

 

 

Rys. 3. Prawdopodobieństwa niezawodnoś ci dla ustalonych wartoś ci obcią żeń  S = P 

 

5.3.  Analiza czasów obliczeń  

 
Obliczenia  wykonywano  na  komputerze  z  procesorem  AMD  A1000  pod  systemem 
Windows98.  W  trakcie  obliczeń  pomierzono  czasy  generowania  próbek  (obliczanie 
wartoś ci krytycznej  P

kr

 ( R

s

 R

r

 ) ) za pomocą  programu ELPLAF-v1 oparto na [8] oraz 

za  pomocą   sieci  neuronowej  BP+M:  2-3-1  programem  [10].  Okazało  się,  że  dla 
przypadku  jednego  losowania  wartoś ci  granic  plastycznoś ci,  R

r

  i    R

r

    czas  obliczeń 

programem  MES  wynosił  od  10.13  do  83.16  sec  i  ś rednio  ok.  32  sec  (  dla  67  losowań 
czas  wynosił  2077  sec).  Oznacza  to,  że  dla  przygotowania  356  wzorców  do  uczenia  i 
testowania  sieci  używają c  program  MES  był  potrzebny  czas  obliczeń  ok.  3.1  godz.  W 
taki  sam  sposób.  Jeś li  przyjmiemy  metodę  WMC  i  liczbę  wzorców  1000  to  stosują c 
program  MES  uś redniony  czas  obliczenia  dla  jednego  rozwią zania  (punkt  na  rys.  3) 
wynosi 32 

´

 1000 =3.2 

´

10

sec.  

Obliczanie  jednego  rozwią zania  (punkt  na  Rys.3)  metodami  Monte  Carlo  z 

generowaniem  100000  próbek  za  pomocą   sieci  neuronowe  wymagało  1.20  sec  dla  KMC  i 
1.80  sec  dla  WMC.  Taki  czas  jest  rzędu  0.5 

´

10

-4 

  mniejszy  niż czas  obliczeń  dla  1000 

próbek za pomocą  programu MES.  

W  pracy  [6],  gdzie  zastosowano  program  MES  oparty  na  założeniu  przegubów 

plastycznych i teorii rzędu I dla 1000 próbek otrzymano czas ok. 0.6 

´

10

4

 sec. W pracy [7] 

analizowano  większe  ramy  niż rama  na  rys.3  i  czasy  obliczeń  metodami  MC  dla  100000 
próbek generowanych za pomocą  sieci BPNN: 2-6-1 były rzędu 6.0 sec.   
 

6.  Wnioski koń cowe 

 

1. Zastosowanie  sieci  neuronowych  do  generowania  próbek  w  metodach  Monte  Carlo 

może  istotnie  skrócić   czas  obliczania  krzywych  prawdopodobieństwa  niezawodnoś ci 
konstrukcji. 

2. W  pracy  analizowaliś my  stosunkowo  prosty  przykład  ramy  prostoką tnej,  dwunawo-

wej i czteropiętrowej dla dwóch losowych zmiennych materiałowych (granice plastycznoś ci 
wszystkich  słupów  i  rygli).  Bez  istotnych  zmian  algorytmu  można  stosować   opisane 
podejś cie  dla  innych  zmiennych  losowych  (np.  zmian  charakterystyk  przekrojów, 
geometrycznych  imperfekcji  prętów  i  całej  ramy,  losowych  obcią żeń  nieproporcjonalnych 
lub  wieloparametrowych)  i  innych  typów  konstrukcji  dla  których  możemy  obliczać   za 
pomocą  MES wzorce do uczenia sieci. 

background image

 

84 

3. Pełniejsze oszacowanie numerycznej efektywnoś ci dyskutowanego podejś cia wymaga 

znacznie szerszej analizy numerycznej różnych konstrukcji i zapewne będzie istotnie zależne 
od liczby i typu zmiennych losowych. 

 

Literatura 

 
[1]  MURZEWSKI J., Niezawodność konstrukcji inżynierskich, Warszawa, Arkady, 1989. 
[2]  BIEGUS  A.,  Probabilistyczna  analiza  konstrukcji  stalowych,  Warszawa-Wrocław, 

PWN, 1999. 

[3]  RUBINSTEIN R.Y., Simulation and the  Monte Carlo Method, New York, John Wiley 

& Sons, 1981. 

[4]  ZIELIŃ SKI R., Metody Monte Carlo, Warszawa, WNT, 1970. 
[5]  MAREK  P.,  GUSTAR  M.,  ANAGNOS  Th.,  Simulation-Based  Reliability  Assessment 

for Structural Engineers,Boca Raton, Florida, CRC Press, 1996. 

[6]  PULIDO  J.  E.,  JACOBS  T.  L.,  PRATES  DE  LIMA  E.  C.,  Structural  reliability  using 

Monte Carlo simulation with variance reduction techniques on elastic-plastic structures
Computers & Structures
. 1992, Vol. 43, No. 3, s. 419-430. 

[7]  PAPADRAKAKIS M., PAPADOPOULOS V., LAGAROS N. D., Structural reliability 

analysis of elastic-plastic structures using neural networks and Monte Carlo simulation
Computer methods in applied mechanics and engineering
. Vol. ...  1996, s. 145-163. 

[8]  WASZCZYSZYN  Z.,  PABISEK  E.,  Elastoplastic  analysis  of  plane  steel  frames  by  a 

new superelement., Archiwum Inżynierii Lą dowej, (praca przyjęta do druku). 

[9]  MACHOWSKI  A.,  Zagadnienia  stanó w  granicznych  i  niezawodności  szkieletó w 

budynkó w wielokondygnacjowych, Politechnika Krakowska, Seria Inż. Lą d., Monografia 
262, 1999. 

[10] DEMUTHN  H.,  BEALE  M.,  Neural  Network  Toolbox  for  Use  with  MATLAB,  User's 

Guide, Version 3, The Math Works, Inc., 1998. 

 
 

PROBABILISTIC ESTIMATION OF STRUCTURAL RELIABILITY 

BY NEURAL NETWORK SUPPORTED MONTE CARLO METHODS 

 

Summary 

 

In  the  paper  a  forward  neural  network  is  used  for  generating  samples  in  the  Monte  Carlo 
methods.  The  patterns  for  network  training  and  testing  are  computed  by  a  FE  program.  
A high numerical efficiency of the proposed approach is demonstrated on example of a plane 
multi-storey elasto-plastic frame. 
 
 
 
 
 
 

 

 

Praca  została  wykonana  w  ramach  projektu  badawczego  KBN  Nr  8  T07E  002  20  pt. 
"Zastosowanie sztucznych sieci neuronowych do analizy konstrukcji stalowych".