Artificial bee colony (ABC), harmony search (HS) and particle swarm optimization (PSO) based discrete and continuous optimum design of steel trusses

Abstract

Çelik yapısal tasarımlar, inşaat mühendisleri ve ilgili alanda çalışan araştırma enstitüleri tarafından gerçekleştirilen süren gözlemlere dayanarak yapılır. Bu tez çalışmasında, göz önünde tutulan tasarım kuralları, Amerikan Çelik Konstrüksiyon Enstitüsü'nün (AISC) yayınladığı, Güvenlik Katsayıları ile Tasarım Kuralları (GKT) ve Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarımı (YDKT), yönetmenliklerine uygun yapılmıştır. Yapıların dayanımını kontrol etmek için kullanılan eleman iç kuvvetleri, inşaat mühendisliği alanında kullanılan farklı yöntemlerle yapılabilir ancak Sonlu Elemanlar Yöntemi (SEY) bunlar arasında en yaygın olan ve inşaat mühendisliği alanındaki geliştirilen bilgisayar programlarında da kullanılandır. Bununla birlikte, yapısal tasarım sadece sağlamlık ve güvenilirlik koşullarını tatmin etmekle kalmaz, aynı zamanda en verimli ve ekonomik tasarımı da bulmayı gerektirir. Bu tezde, 2 boyutlu ve 3 boyutlu çelik kafes sistemlerin ayrık ve ayrık olmayan (sürekli) tasarım değişkenleri ile optimizasyonu üç farklı meta sezgisel algoritma kullanılarak; Yapay arı Koloni (ABC), Harmoni Arama (HS) ve Parçacık Sürü Optimizasyonu (PSO), gerçekleştirilmektedir. Analiz yöntemi için SEY kullanılmakta, gerilme ve yer değiştirme sınırlayıcıları uygulanmakta ve problemler iki farklı yöntemle çözülmektedir. Birincisi, tamamen MATLAB'de kodlanan bir program ile, ikincisi SAP2000'den analiz sonuçlarını alarak ve Açık Uygulama Programlama Arayüzü (OAPI) özelliği aracılığıyla, MATLAB üzerinde optimizasyon gerçekleştirir. Çeşitli örneklerle uygulanılan algoritmaların etkililiği, sağlamlığı ve yakınsama hızı gösterilmektedir.

Steel structural designs are done based on many considerations that have been implemented over past years by civil engineers and research organizations. In this study, the design verifications assumed are based on prescriptions of American Institute of Steel Construction (AISC) that proposes to main ways that are Allowable Stress Design (ASD) and Load Resistance Factor Design (LRFD). Element internal forces used for the verifications are evaluated from different methods among which Finite Element Method (FEM) is the most common and also implemented in usual civil engineering programs. However structural design is not only limited in satisfying stability and reliability conditions but also in finding the most efficient and economical design. In this thesis, 2D and 3D steel trusses under discrete and non-discrete optimizations will be implemented using three specific metaheuristic algorithms, namely Artificial Bee Colony (ABC), Harmony Search (HS) and Particle Swarm Optimization (PSO). Given that analysis method is based on FEM, problems will be solved using two joint procedures while applying stress and displacement constraints. The first one consists of a script completely written in MATLAB that solves the whole problem, whereas the second retrieves the analysis results from SAP2000 and performs the optimization on MATLAB through the Open Application Programming Interface (OAPI) facility. The run of several examples demonstrates the effectiveness, robustness and fast convergence of employed algorithms.