Thiết kế tối ưu kết cấu khung bê tông cốt thép chịu tác dụng của động đất sử dụng thuật giải di truyền

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - - NGUYỄN BÁ KHANH THIẾT KẾ TỐI ƢU KẾT CẤU KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT SỬ DỤNG THUẬT GIẢI DI TRUYỀN Chuyên nghành : Xây Dựng Cơng Trình Dân Dụng Và Cơng Nghiệp Mã số : 60.58.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015 MỤC LỤC CHƢƠNG TỔNG QUAN – ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NHỮNG U CẦU CƠ BẢN VỀ TÍNH TỐN [39] 2.2 TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU UỐN [39] 2.2.1 SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM 2.2.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA TIẾT DIỆN THẲNG GÓC 2.2.3 TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU UỐN CĨ TIẾT DIỆN CHỮ NHẬT THEO CƢỜNG ĐỘ TRÊN TIẾT DIỆN THẲNG GÓC 2.3 TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU NÉN [39] 10 2.3.1 CHIỀU DÀI TÍNH TỐN 10 2.3.2 TIẾT DIỆN 10 2.3.3 CỐT THÉP DỌC CHỊU LỰC 11 2.3.4 TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU NÉN LỆCH TÂM 11 2.4 THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM TCVN 9386-2012 [40] 14 2.4.1 PHÂN VÙNG GIA TỐC NỀN ĐỘNG ĐẤT 14 2.4.2 PHỔ PHẢN ỨNG GIA TỐC ĐÀN HỒI 15 2.4.3 PHỔ THIẾT KẾ ĐÀN HỒI 17 2.4.4 HỆ SỐ ỨNG XỬ ĐỐI VỚI CÁC TÁC ĐỘNG ĐỘNG ĐẤT THEO PHƢƠNG NGANG 18 2.4.5 PHÂN TÍCH ĐÀN HỒI – TUYẾN TÍNH THEO TIÊU CHUẨN VIỆT NAM 20 2.4.6 PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TĨNH LỰC NGANG TƢƠNG ĐƢƠNG 21 2.5 THUẬT GIẢI DI TRUYỀN [8] [15] 25 2.5.1 VÍ DỤ BIẾN VÀ HÀM CHI PHÍ 28 2.5.2 MÃ HĨA BIẾN, ĐỘ CHÍNH XÁC VÀ BIÊN 29 2.5.3 QUẦN THỂ BAN ĐẦU 30 2.5.4 CHỌN LỌC TỰ NHIÊN 31 2.5.5 SỰ KẾT ĐÔI 32 2.5.6 LAI TẠO 33 2.5.7 ĐỘT BIẾN 37 2.5.8 THẾ HỆ KẾ TIẾP 39 2.5.9 SỰ HỘI TỤ 41 CHƢƠNG 42 THIẾT LẬP BÀI TOÁN TỐI ƢU CHO KHUNG 42 BÊ TÔNG CỐT THÉP [1] [16] [23] 42 3.1 HÀM MỤC TIÊU 42 3.2 HÀM RÀNG BUỘC 43 3.2.1 DẦM 43 3.2.2 CỘT 44 3.3 CHUYỂN ĐỔI THÀNH BÀI TỐN TỐI ƢU KHƠNG RÀNG BUỘC 46 CHƢƠNG 48 KHẢO SÁT BẰNG SỐ 48 4.1 KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP NHỊP & TẦNG 48 4.1.1 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ TỶ LỆ LAI TẠO 51 4.1.2 KHẢO SÁT BÀI TỐN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ KÍCH THƢỚC QUẦN THỂ 53 4.1.3 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ HÀM TỶ LỆ TƢƠNG THÍCH 54 4.1.4 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ HÀM CHỌN LỌC 55 4.1.5 KHẢO SÁT BÀI TỐN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ THƠNG SỐ PHẠT rp 56 4.1.6 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ SỐ CÁ THỂ TINH CHỌN 61 4.1.7 SO SÁNH KẾT QUẢ TỐI ƢU VỚI NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ 63 4.2 KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP NHỊP & TẦNG 67 4.2.1 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ KÍCH THƢỚC QUẦN THỂ 70 4.2.2 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ THÔNG SỐ PHẠT 71 4.2.3 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI SỰ THAY ĐỔI VỀ SỐ CÁ THỂ TINH CHỌN 78 4.2.4 SO SÁNH KẾT QUẢ TỐI ƢU VỚI NGHIÊN CỨU ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ 80 4.3 KHUNG BÊ TÔNG CỐT THÉP NHỊP & 15 TẦNG 84 4.3.1 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI THIẾT KẾ TỐI ƢU 90 4.3.2 KHẢO SÁT BÀI TOÁN VỚI THIẾT KẾ THÔNG THƢỜNG 94 4.3.3 SO SÁNH THIẾT KẾ TỐI ƢU VỚI THIẾT KẾ THÔNG THƢỜNG 103 CHƢƠNG 105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105 TÀI LIỆU THAM KHẢO 106 PHỤ LỤC 110 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Công Thành CHƢƠNG TỔNG QUAN – ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Bê tông cốt thép vật liệu chủ yếu dùng xây dựng cơng trình dân dụng, công nghiệp, giao thông thủy lợi Với ƣu điểm bật nhƣ khả chịu lực lớn, dễ tạo dáng theo yêu cầu kiến trúc, chịu lửa tốt, sử dụng vật liệu địa phƣơng (cát, đá, xi măng ) nên phạm vi ứng dụng vật liệu ngày rộng rãi Khi thiết kế kết kếu cấu bê tông cốt thép thƣờng cần phải ý đến bốn vấn đề:  Thỏa mãn yêu cầu mặt kiến trúc  Đảm bảo độ bền vững cần thiết  Tiết kiệm nguyên vật liệu cơng chế tạo  Phù hợp với trình độ kỹ thuật thi công Thông thƣờng, mâu thuẫn nảy sinh yêu cầu bền vững tiết kiệm nguyên vật liệu Giải tốt mâu thuẫn nhiệm vụ toán tối ƣu Kết cấu đƣợc gọi hợp lý bao gồm hai yếu tố: Giải pháp kết cấu hợp lý tiết diện hợp lý Thiết kế kết cấu bê tơng cốt thép thơng thƣờng theo trình tự sau:  Chọn trƣớc kích thƣớc tiết diện kết cấu theo cảm tính kinh nghiệm kết hợp với yêu cầu kiến trúc  Sử dụng phần mềm kết cấu chuyện biệt dùng phƣơng pháp học kết cấu để tính tốn nội lực giai đoạn đàn hồi  Tính tốn & kiểm tra cốt thép theo trạng thái giới hạn  Bố trí kiểm tra điều kiện cấu tạo  Khi không thỏa mãn điều kiện yêu cầu chọn lại kích thƣớc tiết diện tính tốn lại theo trình tự nhƣ Với cách thức thiết kế kết cấu thơng thƣờng, gặp khó khăn định:  Phụ thuộc vào kỹ kinh nghiệm ngƣời thiết kế  Đối với kết cấu phức tạp q trình Phân Tích - Thiết Kế - Phân Tích thƣờng tốn nhiều thời gian  Vấn đề tối ƣu hóa mặt chi phí xây dựng khó đạt đƣợc HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Công Thành → Trong năm gần đây, vấn đề thiết kế tối ƣu kết cấu cơng trình dân dụng cơng nghiệp có vai trị ý nghĩa quan trọng, nhằm mục đích xác định kích thƣớc hợp lý kết cấu dựa sở đảm bảo đủ bền với trọng lƣợng nhỏ nhất, tƣơng ứng với chi phí vật liệu thấp nhất, khơng cho phép giảm chi phí xây dựng mà cịn ảnh hƣởng tốt đến tính cơng trình thiết kế Thực tế cho thấy, tốn tối ƣu kết cấu (đặc biệt tối ƣu kết cấu chịu tác dụng tải trọng động) xuất từ lâu đƣợc áp dụng rộng rãi nhiều nƣớc giới Nhƣng lĩnh vực thiết kế kết cấu cơng trình dân dụng nƣớc ta chƣa đƣợc nghiên cứu sâu nhiều mặt hạn chế, chƣa thể áp dụng vào thực tiễn Tối ƣu trình tạo tốt Mục tiêu thiết kế tối ƣu tìm kiếm tham số để cực tiểu hóa hàm mục tiêu với ràng buộc ứng xử Không giống nhƣ kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép với diện vật liệu khác nhau, với nhiều tham số nhƣ: Bê tông, cốt thép, ván khuôn Mỗi tham số ảnh hƣởng đến kích thƣớc cấu kiện Bài tốn tối ƣu kết cấu, đƣợc định nghĩa mơ hình tốn nhƣ sau: Z  F X  g j X  , với j = 1, , m h j X  , với j = 1, , k Trong đó, X , vector biến thiết kế nhƣ: Vật liệu, dạng hình học, kích thƣớc tiết diện; g j X  h j X  lần lƣợt ràng buộc dạng bất đẳng thức đẳng thức; m,k lần lƣợt số ràng buộc bất đẳng thức đẳng thức; Z  F X hàm mục tiêu, trọng lƣợng, giá thành kết cấu đại lƣợng đặc trƣng kết cấu Mục tiêu tốn tối ƣu tìm kiếm giá trị biến thiết kế không gian thiết kế cho cực tiểu hóa hàm mục tiêu Z Với toán tối ƣu kết cấu, mặt toán học biến thiết kế thƣờng biến liên tục, biến rời rạc, biến nguyên … HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Công Thành Trong hai thập kỉ qua, nhiều thuật giải tối ƣu đƣợc phát triển cho thiết kế tối ƣu kết cấu thép Một số thuật giải đƣợc sử dụng cho kết cấu bê tông cốt thép Với kết cấu thép, Fuat Erbatur cộng [6] sử dụng thuật giải di truyền thiết kế tối ƣu khung phẳng khung không gian thép Mohsen KARGAHI James C ANDERSON [17] sử dụng phƣơng pháp “Tabu Search” thiết kế tối ƣu kết cấu thép chịu động đất, với kết thu đƣợc làm giảm 18.3% trọng lƣợng khung thép nhịp tầng … Với kết cấu bê tông cốt thép, Adamu cộng [3] sử dụng điều kiện tối ƣu liên tục để cực tiểu hóa chi phí dầm bê tông cốt thép Fadaee Grierson [4] tối ƣu hóa chí phí kết cấu khơng gian sử dụng điều kiện tối ƣu Rajeev Krishnamoorthy [5] áp dụng thuật giải di truyền đơn (SGA) để tối ƣu hóa chi phí khung 2D Zou XK [9], luận văn tiến sĩ nghiên cứu thiết kế tối ƣu cơng trình bê tơng cốt thép chịu tác dụng động đất, sử dụng phƣơng pháp phân tích phi tuyến đẩy dần, với mục tiêu kiểm sốt độ trơi dạt tầng Ferreira cộng [10] thiết kế tối ƣu tiết diện bê tông cốt thép chữ T chịu uốn Charles V Camp cộng [11] sử dụng thuật giải di truyền thiết kế tới ƣu khung bê tơng cốt thép chịu uốn có kể đến lực động đất khung nhịp tầng C.Lee J Ahn [12] sử dụng thuật giải di truyền thiết kế tối ƣu khung bê tông cốt thép chịu uốn X.-K Zou, C.-M Chan [18], áp dụng phƣơng pháp phân tích phi tuyến đẩy dần để thiết kế tối ƣu cơng tình bê tơng cốt thép chịu tác dụng động đất, với kết thu đƣợc tốt A Kaveh O Sabzi [36] sử dụng thuật giải big bang - big crunch thiết kế tối ƣu khung bê tơng cốt thép có kể đến tác động động đất khung nhịp tầng, khung nhịp tầng khung nhịp tầng, với kết thu đƣợc tốt nhanh chóng, bên cạnh thuật giải Gas đƣợc áp dụng để so sánh Hiện với ứng dụng phát triển phƣơng pháp tối ƣu nhiều lĩnh vực, Việt Nam bƣớc nghiên cứu ứng dụng Tuy nhiên, lĩnh vực xây dựng kết cấu cơng trình, cịn giai đoạn sơ khai Một số nghiên cứu thiết kế tối ƣu nhƣ: Tác giả Lƣơng Đức Long áp dụng GAs vào việc tối ƣu hóa tiến độ thi cơng Tác giả Lê Trung Kiên áp dụng GAs để tối ƣu hệ dàn phẳng Tác giả Vũ Đức Thắng [13] nghiên cứu thiết kế tối ƣu kết cấu bê tông cốt thép qua phân tích kết cấu phƣơng pháp phần tử hữu hạn Tác giả Lê Đức Hiển [14] áp dụng GAs vào việc thiết kế tối ƣu dầm bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật chữ T, xét đến tác dụng tải trọng tĩnh thông thƣờng, kết thu đƣợc sát so với phƣơng pháp giải Uri HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Công Thành Kirsch tốt phƣơng pháp An-to-nov Tác giả Nguyễn Trƣờng Sơn [22] áp dụng GAs vào việc tối ƣu hóa dầm bê tơng cốt thép dự ứng lực căng trƣớc thuật toán di truyền Tác giả Nguyễn Trung Sơn [25] áp dụng GAs vào việc thiết kế tối ƣu cầu nhịp liên tục dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực căng sau Tác giả Trƣơng Tuấn Hiệp [27] áp dụng thuật giải mô luyện kim vào tối ƣu vị tƣớng kết cấu dàn phẳng Tác giả Lê Anh Thái [28] áp dụng GAs vào việc thiết kế tối ƣu kết cấu khung bê tông cốt thép theo tiêu chuẩn Việt Nam, xét đến tác dụng tải trọng tĩnh thông thƣờng, kết thu đƣợc so sánh với phƣơng pháp thiết kế thông thƣờng, GAs cho kết tốt → Hầu hết nghiên cứu Việt Nam lĩnh vực cơng trình dân dụng & công nghiệp xét đến tối ƣu hóa kết cấu chịu tác dụng tải trọng tĩnh thơng thƣờng mà chƣa xét đến việc tối ƣu hóa kết cấu chịu tác dụng tải trọng động, số lƣợng biến thiết kế nhỏ xét đến vài trƣờng hợp tải đơn giản, chƣa thể áp dụng vào thiết kế tối ƣu thực tiễn Mặt khác, với yêu cầu thực tế, việc thiết kế hệ kết cấu chịu lực cho cơng trình cần kể đến ảnh hƣởng tác động tải trọng động lên công trình nhƣ: Gió động, động đất Vì lý đó, mục tiêu nghiên cứu luận văn là:  Tìm kiếm hệ kết cấu tối ƣu nhƣng đảm bảo khả chịu lực, cụ thể tải trọng thông thƣờng luận văn trọng đến việc tối ƣu hóa hệ kết cấu chịu tác dụng động đất với trƣờng hợp tổ hợp tải trọng khác số lƣợng biến thiết kế lớn (nhằm đánh giá chi tiết hơn) sử dụng thuật giải di truyền phân tích hệ kết cấu phƣơng pháp phần tử hữu hạn  Bên cạnh đó, thuật giải di truyền sử dụng biến liên tục đƣợc nghiên cứu sâu rộng Sự ảnh hƣởng tham số di truyền đến lời giải tối ƣu đƣợc khảo sát cách kỹ lƣỡng Việc nghiên cứu mang ý nghĩa thiết thực thực tiễn, nhằm tiết kiệm chi phí đầu tƣ xây dựng cơng trình ảnh hƣởng tốt đến tính cơng trình thiết kế, đồng thời giúp cho kỹ sƣ xây dựng am hiểu sâu tận dụng tối đa khả chịu lực cấu kiện, giúp cho việc thiết kế trở nên dễ dàng nhanh chóng với mức độ tin cậy cao HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Công Thành CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 NHỮNG YÊU CẦU CƠ BẢN VỀ TÍNH TỐN [39]  Kết cấu bê tơng cốt thép cần phải thỏa mãn yêu cầu tính toán theo độ bền (các trạng thái giới hạn thứ nhất) đáp ứng điều kiện sử dụng bình thƣờng (các trạng thái giới hạn thứ hai)  Tính tốn theo trạng thái giới hạn thứ nhằm đảm bảo cho kết cấu:  Khơng bị phá hoại giịn, dẻo, theo dạng phá hoại khác  Không bị ổn định hình dạng  Khơng bị phá hoại mỏi  Khơng bị phá hoại tác dụng đồng thời yếu tố lực ảnh hƣởng bất lợi mơi trƣờng  Tính toán theo trạng thái giới hạn thứ hai nhằm đảm bảo làm việc bình thƣờng kết cấu cho:  Khơng cho hình thành nhƣ mở rộng vết nứt mức vết nứt dài hạn điều kiện sử dụng khơng cho phép hình thành mở rộng vết nứt dài hạn  Khơng có biến dạng vƣợt giới hạn cho phép (độ võng, góc xoay, góc trƣợt, dao động) HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 Luận Văn Thạc Sĩ GVHD: PGS TS Bùi Cơng Thành 2.2 TÍNH TỐN CẤU KIỆN CHỊU UỐN [39] 2.2.1 SỰ LÀM VIỆC CỦA DẦM  Khi tải trọng nhỏ, dầm cịn ngun vẹn, chƣa có khe nứt  Khi tải trọng đủ lớn thấy xuất khe nứt thẳng góc với trục dầm khu vực có mơmen lớn khe nứt nghiêng khu vực gần gối tựa chỗ có lực cắt lớn  Khi tải trọng lớn dầm bị phá hoại tiết diện có khe nứt nghiêng thẳng góc tiết diện có khe nứt nghiêng → Việc tính tốn dầm theo cƣờng độ bảo đảm cho dầm khơng bị phá hoại tiết diện thẳng góc – tính tốn cường độ tiết diện thẳng góc khơng bị phá hoại tiết diện nghiêng – tính tốn cường độ tiết diện nghiêng Các dạng khe nứt dầm đơn giản 2.2.2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA TIẾT DIỆN THẲNG GĨC  Giai đoạn I: Khi mơmen cịn bé, xem nhƣ vật liệu làm việc đàn hồi, quan hệ ứng suất biến dạng đƣờng thẳng, sơ đồ ứng suất pháp có dạng tam giác Khi mômen tăng lên, biến dạng dẻo bê tông phát triển, sơ đồ ứng suất pháp có dạng đƣờng cong Khi sửa nứt, ứng suất kéo bê tông đạt tới giới hạn cƣờng độ chịu kéo Rbt HVTH: Nguyễn Bá Khanh Page MSHV: 12214060 ... nhiều thuật giải tối ƣu đƣợc phát triển cho thiết kế tối ƣu kết cấu thép Một số thuật giải đƣợc sử dụng cho kết cấu bê tông cốt thép Với kết cấu thép, Fuat Erbatur cộng [6] sử dụng thuật giải di truyền. .. [11] sử dụng thuật giải di truyền thiết kế tới ƣu khung bê tông cốt thép chịu uốn có kể đến lực động đất khung nhịp tầng C.Lee J Ahn [12] sử dụng thuật giải di truyền thiết kế tối ƣu khung bê tông. .. nhƣ kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép với di? ??n vật liệu khác nhau, với nhiều tham số nhƣ: Bê tông, cốt thép, ván khuôn Mỗi tham số ảnh hƣởng đến kích thƣớc cấu kiện Bài tốn tối ƣu kết cấu,