Tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có tiết diện thay đổi bằng phương pháp thuật giải di truyền (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI DƯƠNG CƠNG PHƯỚC TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CĨ TIẾT DIỆN THAY ĐỔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG Hà Nội - 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI DƯƠNG CƠNG PHƯỚC KHĨA: 2021 – 2023 TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CÓ TIẾT DIỆN THAY ĐỔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8580201 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THÚY VÂN TS PHẠM THỊ HÀ GIANG HÀ NỘI – 2023 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô khoa Sau đại học với thầy giáo, cô giáo khoa, môn giảng dạy tạo điều kiện để tơi hồn thành khóa học 2021 - 2023 Đặc biệt cảm ơn cô TS Trần Thị Thúy Vân TS Phạm Thị Hà Giang, người trực tiếp hướng dẫn khoa học luận văn tạo điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình giúp đỡ giới thiệu đầy đủ tài liệu để tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Cảm ơn thầy giáo, cô giáo môn Sức bền vật liệu – Cơ học kết cấu trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, thầy cô tiểu ban bảo vệ đề cương, thầy cô tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, có ý kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn Vì thời gian thực luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi hạn chế, thiếu sót Tơi xin hứa đầu tư nghiên cứu thêm vấn đề cịn hạn chế, thiếu sót để hồn thiện thêm kiến thức trình làm việc sau Hà Nội, ngày tháng năm 2023 Học viên Dương Công Phước LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập Các số liệu khoa học, kết nghiên cứu Luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Học viên Dương Công Phước MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục chữ viết tắt Danh mục hình vẽ Danh mục bảng biểu MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài * Đối tượng phạm vi nghiên cứu * Phương pháp nghiên cứu * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài * Cấu trúc luận văn NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TỐI ƯU KẾT CẤU KHUNG THÉP PHẲNG CÓ TIẾT DIỆN THAY ĐỔI 1.1 Kết cấu khung thép phẳng kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi 1.1.1 Khái niệm kết cấu khung thép phẳng 1.1.2 Kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi 1.2 Các phương pháp tính tốn nội lực khung thép phẳng 1.2.1 Các phương pháp giải tích 1.2.2 Phương pháp số 16 1.3 Tổng quan tối ưu hoá kết cấu 19 1.3.1 Lịch sử phát triển toán tối ưu hoá kết cấu 19 1.3.2 Khái niệm toán tối ưu hóa kết cấu 20 1.3.3 Phân loại tốn tối ưu hóa 22 1.3.4 Các phương pháp giải toán tối ưu kết cấu 23 CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CÓ TIẾT DIỆN THAY ĐỔI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN 30 2.1.Xác định nội lực hệ khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp phần tử hữu hạn 30 2.1.1 Xác định ma trận độ cứng phần tử có tiết diện thay đổi 30 2.1.2 Trình tự xác định nội lực hệ khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp phần tử hữu hạn 36 2.1.3 Phân tích khung phẳng theo Tiêu chuẩn xây dựng BS5950 38 2.2 Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền 41 2.2.1 Cơ sở lý thuyết tính tối ưu phương pháp thuật giải di truyền 41 2.2.2 Thiết lập điều kiện ràng buộc cho toán tối ưu hóa trọng lượng khung thép phẳng có tiết diện thay đổi 56 2.2.3 Quy trình tính tối ưu hóa khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền 58 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN 69 3.1 Ví dụ tính tốn 69 3.2 Chương trình tính nội lực khung phương pháp phần tử hữu hạn…… ……………………71 3.3 Tính tối ưu lượng khung thép phương pháp thuật giải di truyền 87 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 100 Kết luận 100 Kiến nghị 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt HCB PP PTHH GA Tên đầy đủ Hệ Phương pháp phần tử hữu hạn Thuật giải di truyền DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình Nội dung Trang Hình 1.1 Kết cấu khung thép phẳng Hình 1.2 Kết cấu khung thép phẳng sử dụng xây dựng Hình 1.3 Hình 1.4 Kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi theo hình bậc thang Kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi liên tục Hình 1.5 Ví dụ hệ khung siêu tĩnh Hình 1.6 Ví dụ thiết lập hệ hệ siêu tĩnh Hình 1.7 Ví dụ hệ siêu động hệ xác định động 13 Hình 1.8 Hình 2.1 Ví dụ cách thiết lập hệ cân phương pháp chuyển vị 14 Nội lực dọc trục chuyển vị cấu kiện có tiết diện thay đổi 31 (a) Mơ tương tự cột cấu kiện có tiết Hình 2.2 diện thay đổi (b) ứng dụng phương pháp tải trọng đơn vị 34 cấu kiện có tiết diện thay đổi Hình 2.3 Hình 2.4 Sơ đồ thiết kế kết cấu thép theo Tiêu chuẩn BS 5950 Sơ đồ thực thuật giải di truyền 40 50 Sơ đồ tính tốn tối ưu trọng lượng khung thép Hình 2.5 phẳng có tiết diện thay đổi theo thuật giải di truyền 66 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Tiết diện cột dầm khung tầng nhịp có tiết diện thay đổi ví dụ toán 69 Tải trọng tác dụng lên khung thép phẳng tầng nhịp ví dụ tốn 71 Bậc tự khung thép phẳng tầng nhịp ví dụ tốn 71 Các cấu kiện khung thép phẳng tầng nhịp ví dụ tốn 87 Kích thước cấu kiện khung ví dụ tốn 88 Kết tính tối ưu hóa khung thép phẳng có tiết diện thay đổi ví dụ cho 97 Tiết diện cấu kiện khung thép phẳng cho sau trình tối ưu hóa 98 DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Nội dung bảng biểu Bảng 3.1 Bảng 3.2 Tiết diện cột dầm khung có tiết diện thay đổi Kết tiết diện khung thép phẳng có tiết diện thay đổi sau q trình tối ưu hóa Trang 70 98 MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài Trong năm gần đây, vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu cơng trình nói chung kết cấu khung thép nói riêng có vai trị ý nghĩa quan trọng, nhằm mục đích xác định kích thước, hình dáng hợp lý kết cấu sở đảm bảo khả chịu lực với trọng lượng nhỏ nhất, tương ứng chi phí vật liệu thấp nhất, không cho phép giảm giá thành xây dựng mà mang lại nhiều ưu điểm cho làm việc hệ kết cấu Việc lựa chọn hình dáng, kích thước mặt cắt ngang phụ thuộc vào sơ đồ làm việc cấu kiện tải trọng tác dụng lên hệ khung Trong phần lớn kết cấu xây dựng kích thước mặt cắt ngang lựa chọn khơng đổi Tuy nhiên, nhiều trường hợp yêu cầu tiết kiệm vật liệu, u cầu khơng gian kiến trúc kích thước mặt cắt ngang cấu kiện thiết kế thay đổi theo quy luật định Việc lựa chọn kích thước hình học tiết diện kích thước hình học phần tử khung phẳng có tiết diện thay đổi cho phù hợp để vừa thỏa mãn điều kiện bền, điều kiện cứng điều kiện ổn định kết cấu, vừa đem lại hiệu kinh tế cao, tiết kiệm chi phí vật liệu ln vấn đề nhà nghiên cứu nước quan tâm Vì tốn thiết kế tối ưu hệ kết cấu nói chung kết cấu khung thép có tiết diện thay đổi nói riêng mang tính cấp thiết cao Bên cạnh đó, việc giải tốn tối ưu hóa kết cấu cơng trình nói chung kết cấu hệ khung thép phẳng nói riêng giúp cho việc lựa chọn tiết diện cấu kiện cách hợp lý, tiết kiệm mà đảm bảo tiêu chí độ bền, độ cứng độ ổn định cho cơng trình Để giải vấn đề áp dụng nhiều phương pháp khác tùy thuộc vào tính phức tạp mục tiêu mà tốn đặt Trong khn khổ luận văn, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tính tối ưu trọng lượng hệ khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền” để giải toán lựa chọn kích thước tiết diện tối ưu cho kết cấu khung thép có tiết diện thay đổi * Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu toán tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền; Lập quy trình tính tối ưu hóa trọng lượng kết cấu cho khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền * Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu hệ khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi chịu tải trọng tĩnh, vật liệu làm việc giai đoạn đàn hồi * Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu phương pháp tính tốn để giải vấn đề tối ưu trọng lượng kết cấu Trên sở lựa phương pháp thuật giải di truyền để giải toán tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Sử dụng phần mềm lập trình Matlab để khảo sát số số toán cụ thể * Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài - Ý nghĩa khoa học: Đưa quy trình tính tốn tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi 3 Các kết nghiên cứu áp dụng việc phân tích kết cấu cơng trình - Ý nghĩa thực tiễn đề tài: Có thể làm tài liệu tham khảo cơng việc tính tốn kết cấu cơng trình với tiêu chí thiết kế tối ưu Ngồi làm tài liệu tham khảo cho cán bộ, học viên sinh viên trường Đại Học kỹ thuật * Cấu trúc luận văn Ngoài phần Mở đầu, Kết luận Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Phụ lục, nội dung Luận văn gồm ba chương: - Chương 1: Tổng quan tối ưu kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi - Chương 2: Quy trình tính tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi phương pháp thuật giải di truyền - Chương 3: Ví dụ tính tốn Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping THÔNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lịng liên hệ với Trung Tâm Thông tin Thư viện Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.1 - Nhà F - Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 - Nguyễn Trãi - Thanh Xuân Hà Nội Email: huongdtl@hau.edu.vn ĐT: 0243.8545.649 TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 100 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn nghiên cứu trình bày tổng quan vấn đề nghiên cứu bao gồm: tổng quan kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi, phương pháp tính tốn nội lực loại kết cấu này, phương pháp tính tốn tối ưu hóa kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Tác giả luận văn tìm hiểu nghiên cứu phương pháp tính tốn tối ưu hóa phương pháp thuật giải di truyền áp dụng tốn tối ưu hóa, phân tích khả phù hợp phương pháp thuật giải di truyền áp dụng tính tốn tối ưu hóa kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Luận văn tìm hiểu nội dung thuật giải di truyền, nêu lên nguyên lý hoạt động chế thực thuật giải Đưa sơ đồ khối tính tốn tối ưu kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Tương tự, luận văn đưa quy trình tính tốn tối ưu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi, tìm tiết diện tối ưu phương pháp thuật giải di truyền Trên sở nghiên cứu phương pháp thuật giải di truyền cho tốn tối ưu hóa trọng lượng kế cấu khung thép phẳng tiết diện thay đổi, tác giả thiết lập chương trình tính sử dụng ngơn ngữ lập trình tính tốn MATLAB để tự động hóa q trình tính tốn Qua rút số kết luận quan trọng sau: • GA hiệu việc xử lý toán phức tạp phải nhiều yếu tố, nhiều biến khác người sử dụng dễ dàng bổ sung yêu cầu không thiết phải kiểm tra mối liên hệ với yêu cầu cũ • GA hiệu với toán tối ưu mà biến rời rạc • Mặc dù linh hoạt tính tốn GA có nhược điểm lớn thời gian tính tốn đặc biệt số lượng biến lớn, cấn phân tích qua nhiều hệ để thấy hội tụ thời gian chạy lâu 101 Kiến nghị Tăng cường áp dụng cơng nghệ tin học để GA tối ưu kết cấu cách mạnh mẽ sử dụng ngơng ngữ lập trình mạnh hơn, sử dụng máy tính cấu hình cao, viết chương trình phân mảnh liệu để chạy nhiều máy tổng hợp lại Thuật giải di truyền áp dụng vào toán tối ưu cấu trúc kết cấu khung thép phẳng có tiết diện thay đổi Để thực tế áp dụng toán thuật giải di truyền hàm mục tiêu ràng buộc kết cấu thép quen thuộc kết hợp với điều kiện môi trường, độ tin cậy tuổi thọ cơng trình vào tính kết cấu cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt: Lều Thọ Trình (2001), Cơ học kết cấu tập II, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội Chu Quốc Thắng (1997), Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội Lê Xn Huỳnh (2006), Tính tốn kết cấu theo lý thuyết tối ưu, NXB Khoa học kỹ thuật Hoàng Kiếm – Lê hoàng Thái (2001), Thuật giải di truyền cách tự nhiên toán máy tính Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thị Bạch Kim (2014), Các phương pháp tối ưu: lý thuyết thuật toán, NXB Bách Khoa- Hà Nội Đồn Đình Kiến (2000), Thiết kế kết cấu thép theo tiêu chuẩn Anh BS 5950: part1: 2000, Nhà xuất xây dựng Nguyễn Viết Trung- Vũ Văn Toàn- Trần Thu Hằng (2009), Tính tốn kỹ thuật xây dựng Mathcad, NXB Xây dựng, Hà Nội Vũ Như Cầu (1990), Lý thuyết tối ưu học kết cấu, Trường Đại học Xây dựng Hà nội Nguyễn Hoàng Hải, Nguyễn Khắc Kiểm, Nguyễn Trung Dũng, Hà Trần Đức (2003), Lập trình MATLAB, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 10 Nguyễn Hoài Sơn, Đỗ Thanh Việt, Bùi Xn Lâm (2000), Ứng dụng MATLAB tính tốn kỹ thuật, Nhà xuất Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh 11 Bộ xây dựng (1995), TCVN 2737:1995: Tải trọng tác động – Tiêu chuẩn thiết kế 12 Bộ xây dựng (2012), TCVN 5575:2012: Kết cấu thép – Tiêu chuẩn thiết kế Tiếng anh: 13 Dan M.Frangopol, Franklin Y.Cheng (1996), Advances in structural optimization, Americal Society of Civil Engineers 14 Honar Khoshavi Issa (2010), Design Optimisation of Steel Portal Frames Using Modified Distributed Genetic Algorithms, A thesis submitted in partial fulfilment of the requirements of the Nottingham Trent University for the degree of Doctor of Philosophy 15 Hegazy, T., and M Kassab 2003 Resource optimization using combined simulation and genetic algorithms, Journal of Construction Engineering and Management, 129(6), 698-705 16 Kandil, A., and K El-Rayes 2006, Parallel genetic algorithms for optimizing resource utilization in largescale construction projects, Journal of Construction Engineering and Management 132(5), 491-498 17 Kim, J.-L., E Noornejad, and A Koofigar 2010, Integrated genetic algorithm application in construction research, Department of Civil Engineering and Construction Engineering Management, California State University, Long Beach, CA 18 Kim, J.-L., and R D Ellis 2008, Permutation based elitist genetic algorithm for multiple resource constrained project scheduling problem, Journal of Construction Engineering and Management, 134(11): 904-913 19 Liu, Y., S.-L Zhao, X.-K Du, and S.-Q Li 2005, Optimization of resource allocation in construction using genetic algorithms, Proc 2005 Int Conf on Machine Learning and Cybernetics 6(18-21), 3428- 3432 20 Majid K.I(1974), Optimum Design of Structures, Newnes- Butterworths London 21 Charles V Camp, Shahram Pezeshk, and Hakan Hansson, Flexural Design of Reinforced Concrete Frames Using A Genetic Algorithm, Journal Of Structural Engineering / January 2003 / 115 22 EN 1993 Eurocode 3: Design of steel structures 23 Hegazy, T., and M Kassab 2003 Resource optimization using combined simulation and genetic algorithms, Journal of Construction Engineering and Management, 129(6), 698-705 24 Kandil, A., and K El-Rayes 2006, Parallel genetic algorithms for optimizing resource utilization in largescale construction projects, Journal of Construction Engineering and Management 132(5), 491-498 25 Kim, J.-L., E Noornejad, and A Koofigar 2010, Integrated genetic algorithm application in construction research, Department of Civil Engineering and Construction Engineering Management, California State University, Long Beach, CA 26 Kim, J.-L., and R D Ellis 2008, Permutation based elitist genetic algorithm for multiple resource constrained project scheduling problem, Journal of Construction Engineering and Management, 134(11): 904-913 27 Liu, Y., S.-L Zhao, X.-K Du, and S.-Q Li 2005, Optimization of resource allocation in construction using genetic algorithms, Proc 2005 Int Conf on Machine Learning and Cybernetics 6(18-21), 3428- 3432 28 BS 5950: Part 1: 1990: Structural use of steelwork in building Part Code of practice for design in simple and continuous construction: hot rolled sections