(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền

(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền(Luận văn thạc sĩ) Thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền

LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 (Ký tên ghi rõ họ tên) Bùi Thanh Thắng ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Lê Anh Thắng giúp đỡ, hướng dẫn cung cấp thơng tin cần thiết để tơi hồn thành luận văn thạc sĩ Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo Khoa Xây Dựng Cơ Học Ứng Dụng trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Xin cảm ơn tất người thân gia đình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành luận văn Vì kiến thức thời gian thực luận văn thạc sĩ có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp q thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017 Bùi Thanh Thắng iii TĨM TẮT Trong việc thiết kế kết cấu nói chung kết cấu thép nhà cơng nghiệp nói riêng, đa số kỹ sư thiết kế sử dụng phương pháp dần với thông số cần thiết kế Các thông số thường chọn theo kinh nghiệm kỹ sư thiết kế Do đó, phương án đưa trọng lượng lượng kết cấu chưa tối ưu Để hạn chế vấn đề trên, phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu khung thép nhà công nghiệp dựa hàm mục tiêu trọng lượng kết cấu sử dụng thuật toán di truyền với hỗ trợ phần mềm Matlab đề cập luận văn Dữ liệu đầu vào bao gồm: vật liệu, tọa độ nút khung, điều kiện biên, tải trọng hệ giằng Kết tính tốn kích thước mặt cắt tiết diện trọng lượng khung thép tối ưu đảm bảo điều kiện ràng buộc theo tiêu chuẩn Eurocode Cuối cùng, tác giả đưa khuyến cao cho kỹ sư chọn chiều dài đoạn nách khung bước khung để tối ưu thiết kế khung thép Đồng thời, lập bảng tra tiết diện cho loại khung thép giúp kỹ sư thiết kế sơ nhanh tiết diện khối lượng vật liệu thiết kế iv ABSTRACT In the general structural design and industrial structural steel, the majority of designer use the correct method should graduallywith the design parameters These parameters are usually chosen on experience of designer.Therefore, the proposed weights structure may not be optimal To limit this problem, a method of design optimization industrial structural steelbased on objective of weight using genetic algorithms with the assistance of Matlab software mentioned in this thesis Input data including:material, frame coordinates, support type, load and bracing Calculated results are the optimum cross-sectional dimension and the optimum frame weight to ensure constraintsof the Eurocode standard Finally, the author recommends that the engineer choose the haunch and spacing to optimize the design steel frame At the same time, charting cross sections for steel frames helps engineers quickly design the cross section and mass of material when designing v MỤC LỤC Quyết định giao đề tài Xác nhận cán hướng dẫn Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt iv Abstract v Mục lục vi Danh sách ký hiệu x Danh sách hình xi Danh sách bảng xii CHƯƠNG TỔNG QUAN .1 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.2.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước .2 1.2.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Mục tiêu nghiên cứu .6 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Đóng góp đề tài CHƯƠNG THIẾT KẾ KẾT KHUNG THÉPNHÀ CÔNG NGHIỆP THEO TIÊU CHUẨN EUROCODE .7 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Tải trọng tổ hợp tải trọng 2.3 Phân lớp mặt cắt tiết diện 2.4 Khả chịu lực cắt .10 vi 2.5 Khả chịu lực dọc 11 2.6 Khả chịu moment uốn 11 2.7 Khả chống ổn định 12 2.7.1 Khả chống ổn định cấu kiện chịu nén .12 2.7.2 Khả chống ổn định cấu kiện chịu uốn .12 2.8 Khả chịu nén uốn đồng thời .14 2.9 Độ võng chuyển vị ngang 14 2.10 Hệ giằng .14 2.11 Điều kiện biên 15 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT THUẬT GIẢI DI TRUYỀN 16 3.1 Giới thiệu chung .16 3.2 Các trình thuật giải di truyền 18 3.2.1 Mã hóa nhiễm sắc thể 18 3.2.2 Chọn lọc 18 3.2.3 Lai ghép 18 3.2.4 Đột biến 19 3.2.5 Vòng lặp hệ 19 CHƯƠNG PHÁT TRIỂN THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG THÉP SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN 21 4.1 Sơ đồ phương pháp nghiên cứu .21 4.2 Giới thiệu toán 22 4.3 Khai báo liệu đầu vào .23 4.3.1 Thông số vật liệu .23 4.3.2 Tải trọng 23 4.3.3 Tọa độ nút khung 25 4.3.4 Các biến thiết kế 25 4.3.5 Hệ giằng 27 4.4 Các điều kiện ràng buộc 28 4.5 Hàm phạt 29 4.6 Sơ đồ tối ưu hóa GA 29 vii 4.7 Khảo sát hội tụ GA .32 4.7.1 Tỷ lệ lai ghép (CrossoverFcn) 32 4.7.2 Tỷ lệ đột biến (MutationFcn) 34 4.7.3 Quy mô dân số (PopulationSize) 36 4.7.4 Giá trị hàm phạt (P) 38 4.8 Kết so sánh 40 4.9 Kiểm tra kết tính tốn phần mềm Sap2000 46 CHƯƠNG XÂY DỰNG KHUNG TỐI ƯU 50 5.1 Bài toán .50 5.2 Bài toán .52 5.3 Bài toán .54 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .59 6.1 Kết luận .59 6.2 Kiến nghị hướng nghiên cứu tương lai .60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 viii DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU Fy Cường chịu kéo thép G Tĩnh tải Q Hoạt tải ULS Tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn SLS Tổ hợp tải trọng theo trạng thái sử dụng VEd Lực cắt thiết kế Av Diện tích tiết diện M0 Hệ số độ tin cậy vật liệu NEd Lực nén thiết kế Nc,Rd Độ bền thiết kế tiết diện chịu nén Nb,Rd Độ bền ổn định tiết diện chịu nén MEd Moment uốn thiết kế Mc,Rd Độ bền chịu uốn tiết diện Mcr Moment tới hạn ổn định giai đoạn đàn hồi Mb,Rd Độ bền chịu uốn ổn định Wpl Mô đun đàn hồi dẻo Wel Mô đun đàn hồi α: Hệ số sai lệch  Độ mảnh z Hệ số giảm cho ổn định Iz Moment quán tính theo phương z Iy Moment quán tính theo phương y l Khoảng cách giằng β Hệ số chiều dài kl Khoảng cách giằng chống uốn xoắn LT Hệ số giảm cho ổn định uốn xoắn αLT Hệ số sai lệch It Hằng số độ cong xoắn ix Iw Hằng số độ cong mặt cắt tiết diện y Hệ số ổn định nén uốn theo phương y z Hệ số ổn định nén uốn theo phương z kyy, kzy Hệ số tương tác G Mô đun chống cắt E Mô đun đàn hồi Ifc Moment quán tính cánh chịu nén Ift Moment quán tính cánh chịu kéo Wy Moment chống uốn tiết diện NST Nhiễm sắc thể Fweight Khối lượng khung gself-weight Trọng lượng thân u Độ võng khung u  max Độ võng cho phép h Chuyển vị ngang khung h  max Độ võng cho phép x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 2.1:Phân loại tiết diện loại 1, 2, 3, Hình 3.1: Kỹ thuật tìm kiếm leo đồi [40] 17 Hình 3.2: Lưu đồ thuật giải di truyền [41] 17 Hình 3.3: Nhiễm sắc thể GA 18 Hình 3.4: Sắp xếp thứ tự độ thích nghi cá thể 18 Hình 4.1: Sơ đồ phương pháp nghiên cứu 21 Hình 4.2: Khung thép nhịp 30m 22 Hình 4.3: Tỉnh tải phân bố khung 24 Hình 4.4: Hoạt tải phân bố khung 24 Hình 4.5: Tọa độ nút khung 25 Hình 4.6: Mặt cắt tiết diện khung 26 Hình 4.7: Số lượng vị trí hệ giằng xà gồ 27 Hình 4.8: Sơ đồ tối ưu hóa GA 31 Hình 4.9: Quan hệ tỷ lệ lai ghép sô hệ hội tụ 33 Hình 4.10: Quan hệ tỷ lệ lai ghép khối lượng 33 Hình 4.11: Quan hệ tỷ lệ đột biến số hệ hội tụ 35 Hình 4.12: Quan hệ tỷ lệ đột biến khối lượng 36 Hình 4.13: Quan hệ quy mơ dân số số hệ hội tụ 37 Hình 4.14: Quan hệ quy mơ dân số khối lượng 37 Hình 4.15: Quan hệ giá trị hàm phạt số hệ hội tụ 39 Hình 4.16: Quan hệ giá trị hàm phạt khối lượng 39 Hình 4.17: Chuyển vị 40 Hình 4.18: Moment 40 Hình 4.19: Lực dọc 41 Hình 4.20: Lực cắt 41 Hình 4.21: Kiểm tra điều kiện chịu nén 41 Hình 4.22: Kiểm tra điều kiện chịu cắt 42 xi THIẾT KẾ TỐI ƯU KHUNG THÉP NHÀ CÔNG NGHIỆP SỬ DỤNG THUẬT TOÁN DI TRUYỀN DESIGN OPTIMIZATION OF AN INDUSTRIAL STRUCTURE FROM STEEL PORTAL FRAME USING GENETIC ALGORTHM (1) Bùi Thanh Thắng, (2)TS Lê Anh Thắng (1) Học viên cao học Trường đại học SPKT TP HCM, (2) Đại học SPKT TP HCM TÓM TẮT Trong việc thiết kế kết cấu nói chung kết cấu thép nhà cơng nghiệp nói riêng, đa số kỹ sư thiết kế sử dụng phương pháp dần với thông số cần thiết kế Các thông số thường chọn theo kinh nghiệm kỹ sư thiết kế Do đó, phương án đưa trọng lượng lượng kết cấu chưa tối ưu Để hạn chế vấn đề trên, phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu khung thép nhà công nghiệp dựa hàm mục tiêu trọng lượng kết cấu sử dụng thuật toán di truyền với hỗ trợ phần mềm Matlab đề cập nghiên cứu Dữ liệu đầu vào bao gồm: vật liệu, tọa độ nút khung, điều kiện biên, tải trọng hệ giằng Kết tính tốn kích thước mặt cắt tiết diện trọng lượng khung thép tối ưu đảm bảo điều kiện ràng buộc theo tiêu chuẩn Eurocode Từ khóa: tối ưu hóa, khung thép nhà cơng nghiêp, thuật tốn di truyền ABSTRACT In the general structural design and industrial structural steel, the majority of designer use the correct method should graduallywith the design parameters These parameters are usually chosen on experience of designer Therefore, the proposed weights structure may not be optimal To limit this problem, a method of design optimization industrial structural steelbased on objective of weight using genetic algorithms with the assistance of Matlab software mentioned in this thesis Input data including:material, frame coordinates, support type, load and bracing Calculated results are the optimum cross-sectional dimension and the optimum frame weight to ensure constraints of the Eurocode standard Key words: optimization, steel portal frame, genetic algorithm Giới thiệu Bài toán thiết kế tối ưu kết cấu toán thiết kế phổ biến nghiên cứu nhiều phương pháp tối ưu Bài toán đạt mục tiêu dựa cở sở tối thiểu trọng lượng chi phí với ràng buộc cho phép Trong năm trở lại đây, với phát triển cơng nghệ máy tính điện tử, phương pháp tối ưu hóa kết cấu xây dựng nghiên cứu rộng rãi tồn giới Có thể kể đến phương 65 pháp tối ưu đại như: thuật gải di truyền (GA), thuật giải tối ưu bầy đàn (PSO), thuật giải tiến hóa (EA), thuật giải đàn kiến (ACO), thuật giải luyện thép (SA) Các phương pháp tìm kiếm ngẫu nhiên theo tượng tự nhiên nhân tạo Ở nước ta, việc tiếp cận phương pháp tối ưu đại nhiều tác giả nghiên cứu năm gần Phạm Hồng Anh [1] sử dụng thuật tốn thụ phấn hoa (FPA) để tối ưu trọng lượng kết cấu dàn không gian với biến thiết kế rời rạc với ràng buộc ứng xuất chuyển vị Phạm Huy Cương Lê Xuân Huỳnh [2] sử dụng thuật giải di truyền (GA) để tối ưu trọng lượng kết cấu dàn không gian với ràng buộc bền, ổn định chuyển vị Bùi Công Thành Trương Tuấn Hiệp [3] thực tối ưu hóa cấu trúc hệ dàn phẳng thuật giải mơ luyện kim (SA) Bùi Hồng Giang Nguyễn Hữu Lộc [4] sử dụng phương pháp mật độ phương pháp tiến hóa để tối ưu hình dáng kết cấu Qua cho thấy, phương pháp tối ưu đại ngày quan tâm Trong phương pháp tối ưu mơ q trình tự nhiên, thuật giải di truyền (GA) thuật giải phổ biến nhiều tác giả áp dụng cho nhiều toán phức tạp khác Ưu điểm GA tối ưu kết cấu với số biến thiết kế lớn, tìm kiếm khơng gian rộng lớn với nhiều phương án Có thể thấy giải thuật di truyền (GA) phương pháp tối ưu đầy triển vọng lĩnh vực thiết kế kết cấu tối ưu Xuất phát từ nhu cầu thực tế kế thừa nghiên cứu tác giả toàn giới, tác giả phát triển phương pháp tối ưu hóa kết cấu sử dụng thuật giải di truyền phát triển để tự động thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn Eurocode Dữ liệu đầu vào người sử dụng khai báo bao gồm: đặc trưng vật liệu, tọa độ nút khung, hệ giằng, điều kiện biên tải trọng Tiêu chuẩn Eurocode 2.1 Khả chịu lực cắt Giá trị thiết kế lực cắt VED mặt cắt tiết diện phải thỏa mãn điều kiện: VEd  1.0 Vc,Rd Trong đó: Vc,Rd  A v (f y / 3)  M0 : khả chịu cắt tiết diện VEd : lực cắt thiết kế fy : giới hạn chảy thép Av: diện tích tiết diện M0: hệ số 2.2 Khả chịu nén Giá trị thiết kế lực dọc NEd mặt cắt tiết diện phải thỏa mãn điều kiện: 66 N Ed  1.0 Nc,Rd Trong đó: NEd : lực dọc thiết kế Nc,Rd  Af y  M0 : khả chịu lực dọc mặt cắt tiết diện loại 1, 2.3 Khả moment uốn Giá trị thiết kế moment uốn MEd mặt cắt tiết diện phải thỏa mãn điều kiện: M Ed  1.0 M c,Rd Trong đó: MEd : moment uốn thiết kế M c,Rd  Wplf y Mc,Rd  Welf y  M0  M0 : khả chịu moment uốn mặt cắt tiết diện loại : khả chịu moment uốn mặt cắt tiết diện loại Wpl: mô đun đàn hồi dẻo Wel: mô đun đàn hồi 2.4 Khả chống oằn 2.4 Khả chống oằn mặt phẳng Giá trị thiết kế lực nén NEd mặt cắt tiết diện phải thỏa mãn điều kiện: N Ed  1.0 N b,Rd Trong đó: NEd : lực nén thiết kế N b,Rd  z Af y  M1 : khả chịu nén mặt cắt tiết diện loại 1, z : hệ số giảm cho ổn định z    2       0.5 1  (  0.2)        α: hệ số sai lệch 67  : độ mảnh  N cr  Af y N cr EIz  l  Iz: moment quán tính theo phương z β: hệ số chiều dài l: khoảng cách giằng N Nếu   0.2 Ed  0.04 bỏ qua ảnh hưởng ổn định kiểm N cr tra tiết diện chịu nén túy 2.4 Khả chống xoắn biên Giá trị thiết kế lực nén NEd mặt cắt tiết diện phải thỏa mãn điều kiện: M Ed  1.0 M b,Rd Trong đó: MEd : giá trị moment thiết kế M b,Rd  Lt Wy f y  M1 : độ bền chịu uốn thiết kế ổn định Wy : moment chống uốn tiết diện tương ứng Wy = Wpl,y = Acyc+ Atyt: tiết diện loại 1,2 Wy = Wel,y = Iy y :đối với tiết diện loại LT : hệ số giảm cho ổn định uốn xoắn LT   1.0 LT  LT   LT   LT  0.5 1  LT  LT  0.2   LT     LT  Wf y M cr αLT: hệ số sai lệch Mcr  2  kl  68 I w GI t  kl   Iz  EIz It : số độ cong xoắn bi t i It   Iw: số độ cong mặt cắt tiết diện Iw  1 f  f Iz hs2 Trong đó: f  Ifc  Ifc  Ift  Ifc, Ift : moment quán tính cánh nén kéo tương ứng G: mô đun chống cắt kl: khoảng cách hai điểm giằng chống xoắn k: lấy 1,0 2.5 Khả chịu uốn nén dọc đồng thời N Ed M Ed  k yy  1.0  y N Rk LT M y,Rk  M1  M1 N Ed M Ed  k zy  1.0 z N Rk LT M y,Rk  M1  M1 Trong đó: y, z: hệ số ổn định nén uốn y : hệ số ổn định uốn xoắn Kyy, kzy: hệ số tương tác 69 Thuật giải di truyền (GA) DỮ LIỆU DẦU VÀO Vật liệu Tọa độ ĐK biên Hệ giằng Tải trọng TẠO DÂN SỐ BAN ĐẦU PHÂN TÍCH KHUNG (CALFEM) Lực dọc Lực cắt Moment Chuyển vị KIỂM TRA THEO EC3 Lực cắt VEd  1.0 Vc,Rd Lực dọc N Ed  1.0 Nc,Rd Moment M Ed  1.0 Mc,Rd Tương tác NEd MEd  k yy  1.0  y NRk LT M y,Rk  M1  M1 Tương tác NEd MEd  k zy  1.0 z NRk LT M y,Rk  M1  M1 Chuyển vị   1.0 max HÀM PHẠT PHÁT TRIỂN THẾ HỆ CON No KẾT THÚC KHI ĐẠT TIÊCHÍ THIẾT KẾ TỐI ƯU 70 Chọn lọc Lai ghép Đột biến Quá trình thực tối ưu hóa kết cấu thuật giải di truyền tiến hành theo sơ đồ mô tả bước thực sau:  Bước 1: Khai báo liệu ban đầu bao gồm: vật liệu, tọa độ nút khung, hệ giằng, tải trọng tổ hợp tải trọng tác dụng lên khung, điều kiên biên  Bước 2: Tạo dân số ban đầu, với cá nhân đặc trưng mặt cắt tiết diện khung thép  Bước 3: Phân tích khung phương pháp phần tữ hữu hạn (CALEM-Toolbox) [5] để xác định nội lực bao gồm: lực dọc, lực cắt, moment chuyển vị  Bước 4: Kiểm tra khả chịu lực tiết diện thông qua điều kiện ràng buộc theo tiêu chuẩn Eurocode như: khả chịu cắt, khả chịu nén, khả chịu moment uốn, tương tác nén uốn đồng thời chuyển vị  Bước 5: Áp dụng hình phạt cộng thêm khối lượng vào khung cá nhân vi phạm điều kiện ràng buộc  Bước 6: Kết thúc q trình tìm kiếm tiêu chí ràng buộc đạt, thực tiếp bước Nếu khơng đạt thực tiếp bước  Bước 7: Tạo hệ thông qua trình lựa chọn, lai ghép đột biến Đưa quần thể vào dân số ban đầu (bước 2) tiến hành bước lặp lặp lại GA hội tụ  Bước 8: Lấy kết tối ưu tìm tiến hành phân tích đưa kết 71 Bài toán tối ưu 4.1 Giới thiệu toán Trong báo, toán tác giả trích [7], với thơng số toán sau:         Nhịp khung: 30m Bước khung: 6m Chiều cao giọt nước: 7m Chiều cao đỉnh: 8,58m Mác thép: S275 Tỉnh tải (G) = 0,55 + gself-weight Hoạt tải (Q) = 0,6 kN/m2 Tổ hợp tải trọng ULS = 1,35G + 1,5Q SLS = 1,0G + 1,0Q Bảng 4.1: Kết tính tốn Cột: 533x210x101 UB Mcx = 692 kNm ry = 4,57 cm b/T = 6,03 Zx = 2.290 cm3 d/t = 44,1 Sx = 2.610 cm3 Ix = 61.500 cm4 u = 0,873 Iy = 2.690 cm4 x = 33,2 rx = 21,9 cm A = 129 cm2 Xà ngang: 457x191x67 UB Mcx = 405 kNm ry = 4,12 cm b/T = 7,48 Zx = 1.300 cm3 d/t = 48,0 Sx = 1.470 cm3 Ix = 29.400cm4 u = 0,872 Iy = 1.450 cm4 x = 37,9 rx = 18,5 cm A = 85,5 cm2 Tổng KL: 3.685,77 Kg 4.2 Các biến thiết kế Khung thép tạo nên từ các cấu kiện tổ hợp hàn, kích thước mặt căt tiết diện cần quan tâm q trình thiết kế Trong đó, hw chiều cao bụng, tw 72 chiều dày bụng, bu bề rộng cánh trên, tu chiều dày cánh trên, bl bề rộng cánh dưới, tl chiều dày cánh MC6 MC7 MC3 MC4 MC10 MC11 MC5 MC12 MC13 MC14 MC8 MC9 MC2 MC15 bu tw hw tu tl bl MC1 MC16 Hình 4.1: Mặt cắt tiết diện Căn vào loại thép có thị trường, điều kiện thi công, độ dày thép lấy khoảng từ 5-20 mm Các ràng buộc tiết diện lấy sau: chiều rộng cánh nằm khoảng từ 100-300 mm, chiều dày cánh nằm khoảng từ 5-20 mm, chiều cao bụng nằm khoảng từ 300-1000 mm, chiều dày bụng nằm khoảng từ 5-20 mm Bảng 4.2: Các biến thiết kế Chiều STT Chiều rộng Chiều dày Chiều rộng Chiều dày mặt cánh bụng cánh cánh cắt (mm) (mm) (mm) (mm) bu1 (100-300) tu1 (5-20) hw1 (300-1000) tw1 (5-20) bl1 (100-300) tl1 (5-20) bu2 (100-300) tu2 (5-20) hw2 (300-1000) tw2 (5-20) bl2 (100-300) tl2 (5-20) bu3 (100-300) tu3 (5-20) hw3 (300-1000) tw3 (5-20) bl3 (100-300) tl3 (5-20) bu4 (100-300) tu4 (5-20) hw4 (300-1000) tw4 (5-20) bl4 (100-300) tl4 (5-20) bu5 (100-300) tu5 (5-20) hw5 (300-1000) tw5 (5-20) bl5 (100-300) tl5 (5-20) bu6 (100-300) tu6 (5-20) hw6 (300-1000) tw6 (5-20) bl6 (100-300) tl6 (5-20) dày Chiều cao cánh bụng (mm) (mm) 73 Chiều STT Chiều rộng Chiều dày Chiều rộng Chiều dày mặt cánh bụng cánh cánh cắt (mm) (mm) (mm) (mm) bu7 (100-300) tu7 (5-20) hw7 (300-1000) tw7 (5-20) bl7 (100-300) tl7 (5-20) bu8 (100-300) tu8 (5-20) hw8 (300-1000) tw8 (5-20) bl8 (100-300) tl8 (5-20) bu9 (100-300) tu9 (5-20) hw9 (300-1000) tw9 (5-20) bl9 (100-300) tl9 (5-20) 10 bu10(100-300) tu10 (5-20) hw10 (300-1000) tw10 (5-20) bl10 (100-300) tl10 (5-20) 11 bu11 (100-300) tu11 (5-20) hw11 (300-1000) tw11 (5-20) bl11 (100-300) tl11 (5-20) 12 bu12 (100-300) tu12 (5-20) hw12 (300-1000) tw12 (5-20) bl12 (100-300) tl12 (5-20) 13 bu13 (100-300) tu13 (5-20) hw13 (300-1000) tw13 (5-20) bl13 (100-300) tl13 (5-20) 14 bu14 (100-300) tu14 (5-20) hw14 (300-1000) tw14 (5-20) bl14 (100-300) tl14 (5-20) 15 bu15 (100-300) tu15 (5-20) hw15 (300-1000) tw15 (5-20) bl15 (100-300) tl15 (5-20) 16 bu16 (100-300) tu16 (5-20) hw16 (300-1000) tw16 (5-20) bl16 (100-300) tl16 (5-20) dày Chiều cao cánh bụng (mm) (mm) 4.3 Các điều kiện ràng buộc g1  VEd  1.0 Vc,Rd g2  N Ed  1.0 Nc,Rd g3  M Ed  1.0 Mc,Rd g4  N Ed M Ed  k yy  1.0  y N Rk LT M y,Rk  M1 g6  g7   M1 N Ed M Ed  k zy  1.0 z N Rk LT M y,Rk  M1  M1  max  1.0 74 g8    1.0 max g8 { 1,2 t tf t ≤ tf g9 { 1,2 3tf h 3tf ≤ h g10 { 1,2 thuộc tiết diện loại thuộc trường hợp khác 4.4 Hàm mục tiêu hàm phạt Mục tiêu toán tối ưu tối thiểu trọng lượng khung thép (Fweight ) Trong đó, bao gồm khối lượng cột, xà ngang Để tính thực tính tốn tối ưu, hình phạt áp dụng cho vi phạm ràng buộc cộng thêm khối lượng (P ) vào khối lượng khung F F {F eight F gM ≤ eight P eight 5P Trong đó: F: tổng khối lượng hàm phạt Fweight: tổng khối lượng khung P: giá trị hình phạt gM: giá trị ràng buộc 75 gM ≤ 1,5 gM 1,5 4.5 Kết so sánh Hình 4.2 : Kết khung tối ưu Bảng 4.3: Kết mặt cắt tiết diện khung STT Chiều rộng Chiều dày Chiều dày Chiều rộng Chiều dày mặt cánh cánh bụng cánh cánh cắt (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) 202 13 410 13 202 13 202 13 774 13 202 13 245 12 774 10 202 12 245 12 592 10 202 12 117 12 592 117 12 117 12 592 117 12 204 13 592 204 13 204 13 756 204 13 204 13 756 204 13 Chiều cao bụng (mm) 76 10 204 13 592 204 13 11 117 12 592 117 12 12 117 12 592 117 12 13 245 12 592 10 202 12 14 245 12 774 10 202 12 15 202 13 774 13 202 13 16 202 13 410 13 202 13 Căn vào kết tính tốn hình 3.2, GA tìm khung cuối với tổng khối lượng thép 3529 kg So sánh với khối lượng giới thiệu mục 3.1 3685,77 kg phương pháp tác giả đưa tiết kiệm 154,77 kg, tương đương khoảng gần 5% Kết luận kiến nghị 5.1 Kết luận Một phương pháp tối ưu hóa kết cấu sử dụng thuật giải di truyền phát triển để tự động thiết kế tối ưu khung thép nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn Eurocode Dữ liệu đầu vào người sử dụng khai báo bao gồm: đặc trưng vật liệu, tọa độ nút khung, hệ giằng, điều kiện biên tải trọng Sau kết thúc trình tính tốn, chương trình đưa kết tối ưu Kết tính tốn kiểm tra so sánh với nghiên cứu trước Theo đó, phương pháp tác giả đưa tiết kiệm khoảng 5% trọng lượng khung thép so với thiết kế ban đầu mà nghiên cứu trước công bố 5.2 Kiến nghị Trong nghiên cứu này, để đơn giản q trình tính tốn tác giả khơng xét đến tiết diện loại Vì vậy, phát triển thuật toán tối ưu kể đến tiết diện loại Hàm mục tiêu trọng lượng kết cấu khung, chưa kể đến chi phí bao gồm như: sản xuất, nhân cơng, lắp dựng Do đó, tốn tối ưu đa mục tiêu cần phát triển để có kết tốt Phân tích khung phẳng 2D, chưa xét đến làm việc không gian hệ thống khung thép nhà công nghiệp Do vậy, việc phát triển thuật tốn kể đến làm việc khơng gian khung thép mang lại hiệu Những ràng buộc toán theo tiêu chuẩn Eurocode Do đó, phát triển thêm số tiêu chuẩn khác như: AISC TCVN 77 Tài liệu tham khảo [1] Phạm Hoàng Anh Tối ưu trọng lượng kết cấu thép dàn với biến thiết kế rời rạc thuật giải thụ phấn hoa Trường Đại Học Xây Dựng [2] Bùi Công Thành, Trương Tuấn Hiệp Tối ưu vị tướng kết cấu dàn phẳng sử dụng thuật giải mô luyện kim Tạp chí phát triển KH&CN, 11(5), (2008), 67-77 [3] Lê Xn Huỳnh, Phạm Huy Cương Tính tốn tối ưu kết cấu dàn không gian theo thuật giải di truyền Tạp chí Xây dựng, 11, (2004), 37-41 [4] Bùi Hồng Giang, Nguyễn Hữu Lộc Tối ưu hóa kiểu dáng kết cấu theo phương pháp mật độ phương pháp tiến hóa Tạp chí phát triển KH&CN, tập 11 số 3-2008, 5868, 2008 [5] Austrell, P.-E.et al., 2004 CALFEM: A Finite Element Toolbox Lund University [6] CEN, 2005 European Committee For Standardisation Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings [7] Salter PR, Malik AS, King CM Design of single-span steel portal frame to BS 59501:2000 SCI publication P252 Ascot: The Steel Construction Institute; 2004 [8] Tata Steel Steel building design: Design data, in accordance with Eurocodes and the UK national annexes 2013 [9] Tata Steel Elastic Design of Single-Span Steel Portal Frame Buildings to Eurocode SCI publication P397 2012 [10] MathWorks, 2014 Global Optimization Toolbox Software Version 3.2 (R2014b) [11] MathWorks, 2014 MATLAB Software Version 8.13 (R2014b) [12] Ghassan Numan, Design and optimization of steel portal frames according to Eurocode using genetic algorithm 2012 [13] Ross McKinstray, James B.P Lim, Tiku T Tanyimboh, Duoc T Phan, Wei Sha: Optimal design of long-span steel portal frame using fabricated beams 2014 [14] Đoàn Định Kiến (2012): Thết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Anh BS 5950: Part 1:2000, Nhà xuất xây dựng, Hà Nội Thông tin liên hệ tác giả (người chịu trách nhiệm viết): Họ tên: Bùi Thanh Thắng Đơn vị: Công ty TNHH tư vấn thiết kế Kiến An Vinh Điện thoại: 0975.130.371 Email: thanhthang6991@gmail.com 78 S K L 0 ... pháp thiết kế tối ưu kết cấu khung thép nhà công nghiệp sử dụng thuật tốn di truyền mơi trường Matlab để ứng dụng thiết kế tối ưu trọng lượng kết cấu tiết kiệm chi phí cho kết cấu nhà cơng nghiệp. .. vào tối ưu kết cấu dàn thép Bên cạnh có số nghiên cứu tối ưu kết cấu liên hợp Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu tối ưu kết cấu khung thép nhà công nghiệp Do vậy, “ Thiết kế tối ưu kết cấu khung thép. .. thuật di truyền để phân tích lựa chọn, tiến tới tìm phương án tối ưu cho kết cấu hướng thiết kế xây dựng giới năm trở lại Do đề tài ? ?Thiết kế tối ưu kết cấu thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán