26439

بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري با استفاده از الگوريتم هاي فراابتكاري اخير به روش مقاومت نهائي و روش اجزاء محدود

كارشناسي ارشد

مهندسي عمران - گرايش سازه

1398

1400/11/24

دكتر علي كاوه

عمران

در سال¬هاي اخير به دليل اهميت هزينه مصالح ساختماني و ساخت وساز، توجه ويژه¬اي به بهينه سازي سازه¬ها با هدف كاهش وزن و هزينه شده است. همچنين در ده¬هاي اخير استفاده از تيرهاي لانه زنبوري بسيار مورد توجه قرار گرفته است. اين تيرها به دليل اين كه در جان خود سوراخ¬هايي دارند، بدون آنكه وزن تير افزايش پيدا كند، ممان خمشي مقطع بيشتر مي¬شود. همچنين اين تيرها از منظر معماري نيز كاربردي¬تر بوده و مي¬توان تاسيسات و لوله¬كشي ها را نيز از سوراخ¬هاي اين تيرها كه در سقف استفاده مي¬شوند، عبور داد. به همين جهت بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري با توجه به استفاده روز افزون اين تيرها از اهميت بالايي برخوردار مي¬باشد. همچنين در سال¬هاي اخير الگوريتم¬هاي فراكاوشي بسيار خوبي ايجاد شده و براي بهينه سازي مورد استفاده قرار گرفته¬اند. در اين پژوهش دو رويكرد متفاوت براي بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري با تابع هدف هزينه استفاده شده است. در رويكرد اول بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري با سوراخ دايره¬اي و شش ضلعي با تابع هدف هزينه با استفاده از طراحي به روش مقاومت نهايي انجام شده است. 4 الگوريتم فراكاوشي SSOA, IS-Jaya, PGO, ST-JA كه به تازگي ايجاد شده¬اند براي بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري استفاده شده است. نتايج به دست آمده نشانگر عملكرد خوب اين الگوريتم¬ها در بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري در مقايسه با الگوريتم¬هاي موجود قبلي مي¬باشد. در رويكرد دوم، بهينه سازي تيرهاي لانه زنبوري با سوراخ شش ضلعي با تابع هدف هزينه با استفاده از تحليل به روش المان¬هاي محدود صورت گرفته است. در اين رويكرد 3 نوع بهينه سازي به طور همزمان صورت گرفته است. ابتدا در تحليل به روش اجزاء محدود بهينه سازي انجام شده است. به اين صورت كه گره ها و المان ها با استفاده از الگوريتم هاي موجود در تئوري گراف¬ها به صورت بهينه شماره گذاري شده است كه در نتيجه ماتريس سختي نزديك بهينه و به صورت نوار قطري باريك به دست آمده و حجم و زمان محاسبات بسيار كاهش يافته است. در بهينه سازي مرحله دوم، الگوريتم فراكاوشي PSO براي يافتن جواب بهينه بر اساس روش اجزاء محدود استفاده شده است. در نهايت نيز با استفاده از پردازش موازي در كد نوشته شده و با استفاده از ابر كامپيوتر، محاسبات به صورت موازي انجام شده و باعث كاهش بسيار چشمگيري در زمان لازم براي تحليل به روش اجزاء محدود و بهينه يابي گرديده است. به دليل رفتار تيرهاي لانه زنبوري كه بسيار شبيه به خرپاي ويرنديل مشابه خود مي¬باشد و معمولا تنش خطي نمي¬باشد و به دليل اينكه معمولاً تئوري ساده خمش حاكم بر اين تيرها نمي¬باشد، نتايج بهينه يابي به روش اجزاء محدود تابع هدف هزينه بيشتري داشته ولي با توجه به اختلاف زياد در تنش و جابجايي به وجود آمده در اين تيرها از دو روش مقاومت نهائي و اجزاء محدود، نتايج مربوط به بهينه¬سازي با استفاده از روش اجزاء محدود واقع بينانه¬تر و نزديك به رفتار واقعي در تيرهاي لانه زنبوري مي¬باشد.

1401/02/17

Optimization of Castellated Beams Using Recently Developed Meta-heuristic Algorithms by Final Strength Method and Finite Elements Method

2/13/2023 12:00:00 AM

Due to the importance of the cost of construction materials and construction, special attention has been paid to the optimization of structures with the aim of reducing the weight and cost as objective functions. The use of castellated beams has also received much attention in recent decades. Since these beams have holes in their webs, the bending moment of the cross section increases without increasing the weight of the beam. These beams are also more practical from an architectural point of view and installations and plumbing can be passed through the holes of these beams that are used in the roof. Therefore, optimization of castellated beams is of great importance due to the increasing use of these beams. In recent years, very efficient meta-heuristic algorithms have been developed and used for optimization. Many different approaches have been used to optimize castellated beams with cost objective function. In the first approach, the optimization of castellated beams with circular and hexagonal holes with cost objective function has been performed using the design of final resistance method. Four recently developed meta-heuristic algorithms SSOA, IS-Jaya, PGO and ST-JA have been employed to optimize castellated beams. The results show the good performance of these algorithms in optimizing castellated beams compared to previously existing algorithms. In the second approach, the optimization of castellated beams with hexagonal holes with cost objective function has been carried out using finite element analysis. In this approach, 3 types of optimization have been performed simultaneously. First, in finite element analysis, optimization is performed. In this way, nodes and elements are optimally numbered using the algorithms in graph theory, which results in a near-optimal stiffness matrix in the form of a narrow diameter bar, and the volume and time of calculations is greatly reduced. In the second stage optimization, the PSO meta-heuristic algorithm is used to find the optimal solution based on the finite element method. Finally, using parallel processing written in code and using a supercomputer, calculations are performed in parallel, resulting in a significant reduction in time required for finite element analysis and optimization. Due to the behavior of castellated beams, which are very similar to vierendeel trusses and are usually not linear stresses, and since usually the simple bending theory does not govern these beams, the finite element optimization results are more costly, but due to the large differences in stress and displacement in these beams from the two methods of final strength and finite elements, the results of optimization using the finite element method are more realistic and close to the actual behavior of castellated beams.

تيرهاي لانه زنبوري , بهينه سازي , الگوريتم هاي فراكاوشي , روش اجزاء محدود , طراحي بهينه سازه ها , تحليل بهينه سازه ها

Castellated beams , Optimization , Meta-heuristic algorithms , Finite element method , Optimum design of structures , Optimum analysis of structures

Pouya Almasi

Professor Ali Kaveh