Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi 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 NGUYỄN QUANG TRUNG TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG HÀ NỘI - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN QUANG TRUNG KHÓA: 2018 – 2020 TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CĨ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THÚY VÂN HÀ NỘI - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI NGUYỄN QUANG TRUNG KHĨA: 2018 – 2020 TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng Mã số: 8.58.02.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS TRẦN THỊ THÚY VÂN XÁC NHẬN CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHÁM LUẬN VĂN HÀ NỘI -2020 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 2018 - 2020 Đặc biệt tơi cảm ơn cô TS Trần Thị Thúy Vân, 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 hạn chế, thiếu sót để hồn thiện thêm kiến thức trình làm việc sau Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Học viên Nguyễn Quang Trung 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 Nguyễn Quang Trung MỤC LỤC Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh mục bảng biểu Danh mục hình vẽ Danh mục chữ viết tắt MỞ ĐẦU * Lý chọn đề tài * Mục đích nghiên cứu * 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 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÓ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KẾT CẤU 1.1 Các phương pháp tính tốn nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi 1.1.1 Các phương pháp giải tích [2] 1.1.2 Phương pháp số 21 1.2 Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng 24 1.2.1 Bài tốn tối ưu hóa 24 1.2.2 Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng .27 1.3 So sánh đặc điểm phương pháp tính tối ưu trọng lượng .32 1.3.1 Phương pháp quy hoạch toán học .32 1.3.2 Phương pháp tiêu chuẩn tối ưu 32 1.3.3 Phương pháp tối ưu tiến hóa 32 1.3.4 Phương pháp ứng dụng thuật giải di truyền 32 CHƯƠNG XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN 33 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tối ưu phương pháp thuật giải di truyền 33 2.1.1 Các tính chất đặc điểm thuật giải di truyền 34 2.1.2 Các nguyên tắc nguyên lý hoạt động thuật giải di truyền 35 2.2 Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền .42 2.2.1 Phát biểu toán .42 2.2.2 Thiết kế quy trình thuật giải di truyền .43 2.3 Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền 44 2.3.1 Tính tốn nội lực khung có nút liên kết đàn hồi phương pháp phần tử hữu hạn 44 2.3.2 Quy trình tính nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp phần tử hữu hạn 51 2.3.3 Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền 51 CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN 56 3.1 Tính nội lực khung phương pháp phần tử hữu hạn 57 3.1.1 Chương trình 57 3.1.2 Chương trình phụ trợ 58 3.2 Tính tối ưu lượng khung thép phương pháp thuật giải di truyền 62 3.2.1 Hàm mục tiêu 62 3.2.2 Hàm phạt (penalty function) 63 3.2.3 Lựa chọn .64 3.2.4 Lai ghép đột biến 66 3.2.5 Chương trình tính tối ưu hóa .68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74 Kết luận 74 Kiến nghị .74 TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu hình Bảng 3.1 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Nội dung Kết tính nội lực Trang 62 Kết tính tốn tối ưu khơng kể tới độ đàn hồi liên kết Kết tính tốn tối ưu kể tới độ đàn hồi liên kết 72 73 DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu hình Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Nội dung Khung thép sử dụng xây dựng nhà dân dụng nhiều tầng nhịp Khung thép sử dụng xây dựng nhà dân dụng nhiều tầng nhiều nhịp Khung thép sử dụng xây dựng nhà công nghiệp tầng nhịp Khung thép sử dụng xây dựng nhà công nghiệp nhiều tầng nhiều nhịp Trang 5 6 Hình 1.5 Khung thép phẳng có liên kết đàn hồi Hình 1.6 Khung thép phẳng tầng nhịp có liên kết đàn hồi Hình 1.7 Nút khung thép phẳng có liên kết đàn hồi Hình 1.8 Cấu tạo nút khung thép phẳng có liên kết đàn hồi Hình 1.9 Ví dụ hệ khung siêu tĩnh 10 Hình 1.10 Ví dụ thiết lập hệ hệ siêu tĩnh 11 Hình 1.11 Ví dụ sơ đồ tính khung có liên kết đàn hồi 15 Hình 1.12 Hệ khung có liên kết đàn hồi 15 Hình 1.13 Ví dụ hệ siêu động hệ xác định động 18 Hình 1.14 Ví dụ cách thiết lập HCB phương pháp chuyển vị 18 Hình 1.15 Ví dụ hệ khung có liên kết đàn hồi 20 Hình 1.16 Hệ ví dụ hình 21 Hình 2.1 Sơ đồ thực thuật giải di truyền 41 Hình 2.2 Phần tử dầm với liên kết đàn hồi 44 Hình 2.3 Mơ hình 2-D Phần tử dầm 46 Hình 2.4 Mơ hình 2-D phần tử cột 49 Hình 2.5 Sơ đồ bước tối ưu khung phẳng có liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền 55 Hình 3.1 Sơ đồ khung thép phẳng tầng nhịp 56 Hình 3.2 Kết chương trình tính 72 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chứ viết tắt Tên đầy đủ GA Thuật giải di truyền HCB Hệ PPTHHH Phương pháp phần tử hữu hạn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong tính tốn thiết kế kết cấu cơng trình vấn đề lựa chọn kích thước cấu kiện phù hợp cho đủ khả chịu lực đảm bảo tính kinh tế cho cơng trình vấn đề ngày quan tâm nghiên cứu Đối với kết cấu khung thép phẳng, số tiêu chuẩn nước ngoài, nút liên kết cấu kiện dầm-cột tính tốn có kể đến độ đàn hồi liên kết phụ thuộc vào loại liên kết sử dụng nút khác Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn kết cấu thép áp dụng Việt nam để đơn giản tính tốn, thường coi nút khung cứng khớp hồn toàn, chưa kể đến cách cụ thể độ đàn hồi liên kết dầm – cột Điều khơng phản ánh làm việc thực tế toàn hệ , dẫn tới việc nội lực phân bố chưa xác sơ đồ tính tốn chưa hợp lý Vì vậy, tiêu chí tiết kiệm việc lựa chọn kích thước tiết diện chưa đảm bảo Do đó, vấn đề phân tích nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi có ý nghĩa thực tiễn Bên cạnh đó, việc giải tốn tối ưu hóa kết cấu cơng trình nói chung kết cấu khung thép phẳng nói riêng giúp cho việc lựa chọn tiết diện cấu kiện cách hợp lý 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 khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền” để giải tốn lựa chọn kích thước tiết diện tối ưu cho kết cấu khung thép Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu toán tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền; Khảo sát ảnh hưởng nút có liên kết đàn hồi tới kết tính tốn tốn tối ưu hóa để từ đưa số khuyến nghị cần thiết; Lập quy trình tính tối ưu hóa trọng lượng kết cấu cho khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: kết cấu khung thép phẳng; Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung thép phẳng 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 nút liên kết đàn hồi 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 kết tính tốn tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi; Các kết nghiên cứu áp dụng việc phân tích kết cấu cơng trình Cấu trúc luận văn Ngồi phần Mở đầu, Kết luận Kiến nghị, Tài liệu tham khảo Phụ lục, nội dung Luận văn gồm ba chương: - Chương 1: Tổng quan kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp tính tối ưu trọng lượng kết cấu 3 - Chương 2: Quy trình tính tối ưu trọng lượng kết cấu khung phẳng phương pháp thuật giải di truyền - Chương 3: Các ví dụ tính tốn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÓ LIÊN KẾT ĐÀN HỒI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KẾT CẤU 1.1 Các phương pháp tính tốn nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi 1.2 Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi 1.3 So sánh đặc điểm phương pháp tính tối ưu trọng lượng CHƯƠNG QUY TRÌNH TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KẾT CẤU KHUNG THÉP PHẲNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN 2.1 Cơ sở lý thuyết giải tốn tối ưu hóa phương pháp thuật giải di truyền 2.2 Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền 2.3 Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền CHƯƠNG VÍ DỤ TÍNH TỐN 3.1 Tính nội lực khung phương pháp phần tử hữu hạn 3.2 Tính tối ưu lượng khung thép phương pháp thuật giải di truyền KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kiến nghị THƠNG BÁO Để xem phần văn tài liệu này, vui lịng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội Email: digilib.hau@gmail.com TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN 74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Trong luận văn trình bày tổng quan phương pháp giải toán tối ưu kết cấu, tình hình nghiên cứu tối ưu hố kết cấu Việt Nam tổng quan kết cấu khung thép phẳng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi Tác giả nghiên cứu phương pháp thuật giải di truyền phân tích khả phù hợp việc ứng dụng thuật giải di truyền để tính tốn tối ưu kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi 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 nút liên kết đàn hồi Luận văn đưa quy trình tính tốn nội lực cho khung thép kể đến nút có liên kết đàn hồi Trên sở nghiên cứu phương pháp thuật giải di truyền cho tốn tối ưu hóa trọng lượng kế cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi, 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 tốn 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 Kiến nghị Tăng cường áp dụng công nghệ tin học để GA tối ưu kết cấu cách mạnh mẽ sử dụng ngông ngữ lập trình mạnh hơn, sử dụng máy 75 tính cấu hình cao, viết chương trình phân mảnh liệu để chạy nhiều máy tổng hợp lại Thuật giải di truyền áp dụng vào tốn tối ưu cấu trúc kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi Để thực tế áp dụng tốn thuật giải di truyền ngồi hàm mục tiêu ràng buộc kết cấu thép quen thuộc kết hợp với điều kiện mơi trường, độ tin cậy tuổi thọ cơng trình vào tính kết cấu cơng trình TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Vũ Quốc Anh, Nguyễn Trâm (2002), Hiệu kinh tế thiết kế khung thép có xét đến độ đàn hồi liên kết, Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị học tồn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr 603-609 Vũ Quốc Anh (2002), Phương pháp tính nội lực chuyển vị khung thép có xét đến độ đàn hồi liên kết, Tuyển tập cơng trình khoa học, Hội nghị học toàn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr 45-51 Lê Xn Huỳnh (2006), Tính tốn kết cấu theo lý thuyết tối ưu, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hoàng Kiếm, Lê Hoài Bắc, Lê Hoàng Thái (2000), Mạng nơ ron thuật giải di truyền: Ứng dụng cho nhận dạng ký tự viết tay, Báo cáo khoa học công nghệ thông tin, Trường Đại học khoa học tự nhiên – ĐHQG TP Hồ Chí Minh, tháng 5, tr 66 - 77 Nguyễn Hồng Sơn (2007), Phân tích kết cấu khung thép phẳng có liên kết nửa cứng phi tuyến, Luận văn Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc hà Nội, Hà Nội Nguyễn Đình Thúc (2001), Lập Trình Tiến Hố, Nhà xuất Giáo dục Nguyễn Thời Trung, Nguyễn Xuân Hùng , Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng Matlab Tiếng Anh Aniko Csebfalvi, Optimal design of frame structures with semi-rigid joints, Civil Engineering, Periodica Polytechnica, 2007 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 10.Chen Wai-fah, Norimitsu Kishi and Masato Komuro, Semi-rigid connections handbook 11.Gerard R Monforton Matrix analysis of frames with semi-rigid connections, 1962 12.Hegazy, T., and M Kassab 2003 Resource optimization using combined simulation and genetic algorithms, Journal of Construction Engineering and Management, 129(6), 698-705 13.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 14.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 15.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): 904913 16.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), 34283432  ... lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền 2.3 Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp thuật giải di truyền CHƯƠNG... quan kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi phương pháp tính tối ưu trọng lượng kết cấu 3 - Chương 2: Quy trình tính tối ưu trọng lượng kết cấu khung phẳng phương pháp thuật giải di truyền. .. LƯỢNG KẾT CẤU KHUNG THÉP PHẲNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN 2.1 Cơ sở lý thuyết giải tốn tối ưu hóa phương pháp thuật giải di truyền 2.2 Tính tối ưu trọng lượng khung