Optimum Design of Welded Connections of Steel Structures Using Metaheuristic Methods

Abstract

In this study, it is aimed to make optimum design of welded joints of steel structures using Jaya, TLBO and Sine-Cosine algorithms, to determine the advantages and disadvantages of the metaheuristic algorithms used in this study in terms of numerical models and to investigate the usability of the "Fair Penalty Method" presented in this study for solving constrained optimization problems. For these goals, three numerical models are created from the fillet welded connection in accordance with the ÇYTHYDE-2018 regulation. 54 different analyzes are carried out using three different population sizes for the Load and Resistance Factor Design (LRFD) and Allowable Strength Design (ASD) methods defined in the regulation. As a result of the investigations, it is understood that the algorithms considered are suitable for the optimization of welded joints of steel structures, and the advantages and disadvantages of the algorithms compared to each other are revealed. In addition, it is observed that the Fair Penalty Method presented in this study is useable in solving constrained optimization problems.

Keywords

• Steel Structures
• Welded Connections
• Optimization
• Metaheuristic Algorithms

Çelik Yapıların Kaynaklı Birleşimlerinin Metasezgisel Yöntemlerle Optimum Tasarımı

Abstract

Bu çalışmada; Jaya, TLBO ve Sinüs-Kosinüs algoritmaları kullanılarak çelik yapıların kaynaklı birleşimlerinin optimum tasarımının yapılması, kullanılan metasezgisel algoritmaların bu çalışmadaki sayısal modeller ekseninde birbirlerine göre avantaj ve dezavantajlarının belirlenmesi ve bu çalışmada ortaya konan Adil Ceza Yöntemi’nin kısıtlı optimizasyon problemlerinin çözümü için kullanılabilirliğinin araştırılması hedeflenmiştir. İlgili hedefler doğrultusunda köşe kaynaklı bir bağlantıdan, Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar – 2018’de belirtilen gereklilikleri sağlayan üç adet sayısal model oluşturulmuştur. Yönetmelikte tanımlanan Yük ve Dayanım Katsayıları ile Tasarım (YDKT) ve Güvenlik Katsayıları ile Tasarım (GKT) yöntemleri için üç farklı popülasyon büyüklüğü kullanılarak 54 farklı analiz gerçekleştirilmiştir. Yapılan incelemeler neticesinde, ele alınan algoritmaların çelik yapıların kaynaklı birleşimlerin optimizasyonu için uygun olduğu anlaşılmış olup algoritmaların birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları ortaya konulmuştur. Bununla beraber, bu çalışmada sunulan Adil Ceza Yöntemi’nin kısıtlı optimizasyon problemlerinin çözümünde kullanılabilir olduğu görülmüştür.

Keywords

• Çelik Yapılar
• Kaynaklı Birleşimler
• Optimizasyon
• Metasezgisel Algoritmalar

References

1. Pham, D. T., Karaboğa, D. 2000. Intelligent Optimisation Techniques. Springer-Verlag, London 302s.
2. Talbi, E. G. 2009. Metaheuristic: from Design to Implementation. 2nd Edition. Wiley, New Jersey, 624s.
3. Yildiz, A. R., Abderazek, H., Mirjalili, S. 2020. A Comparative Study of Recent NonTraditional Methods for Mechanical Design, Optimization Archives of Computational Methods in Engineering, Cilt. 27, s. 1031–1048. DOI: 10.1007/s11831-019-09343-x
4. Kennedy, J., Eberhart, R. C. 1995. Particle Swarm Optimization. Proceedings of IEEE International Conference on Neural Networks. November 27-December 1, Perth, 1942–1948.
5. Dorigo, M., Birattari, M., Stutzle, T. 2006. Ant Colony Optimization—Artificial Ants as a Computational Intelligence Technique, IEEE Computational Intelligence Magazine, Cilt. 1, s. 28–39. DOI: 10.1109/CI-M.2006.248054
6. Karaboğa, D., Baştürk, B. 2007. A Powerful and Efficient Algorithm for Numerical Function Optimization: Artificial Bee Colony (ABC) Algorithm, Journal of Global Optimization, Cilt. 39, s. 459–471. DOI: 10.1007/s10898-007-9149-x
7. Yang, X. S. 2010. Nature-Inspired Metaheuristic Algorithms. 2nd Edition. Luniver Press, Fome, 147s.
8. Gandomi, A. H., Yang, X. S., Alavi, A. H. 2013. Cuckoo Search Algorithm: A Metaheuristic Approach to Solve Structural Optimization Problems, Engineering with Computers, Cilt. 29, s. 17–35. DOI: 10.1007/s00366-011-0241-y

9. Holland, J. H. 1975. Adaptation in Natural And Artificial Systems. University of Michigan Press, Ann Arbor, 194s.
10. Storn, R., Price, K. 1995. Differential Evolution—A Simple and Efficient Adaptive Scheme for Global Optimization Overcontinuous Spaces, Report No: TR-ICSI 95-012, 15p.
11. Beyer, H. G., Schwefel, H. P. 2002. Evolution Strategies a Comprehensive Introduction, Natural Computing, Cilt. 1, s. 3–52. DOI: 10.1023/A:1015059928466
12. Koza, J. R. 1994. Genetic Programming II, Automatic Discovery of Reusable Subprograms. MIT Press, Cambridge, 746s.
13. Kirkpatrick, S., Gelatt, C. D., Vecchi, M. P., 1983. Optimization by Simulated Annealing, Science, Cilt. 220,s. 671–680. DOI: 10.1126/science.220.4598.671
14. Erol, O. K., Eksin, I. 2006. A New Optimization Method: Big Bang– Big Crunch, Advances in Engineering Software, Cilt. 37, s. 106–111. DOI: 10.1016/j.advengsoft.2005.04.005
15. Hatamlou, A. 2013. Black hole: A New Heuristic Optimization Approach for Data Clustering, Information Sciences, Cilt. 222, s. 175–184. DOI: 10.1016/j.ins.2012.08.023
16. Kaveh, A., Khayatazad, M. 2012. A New Meta-Heuristic Method: Ray Optimization, Computers & Structures, Cilt. 112, s. 283–294. DOI: 10.1016/j.compstruc.2012.09.003
17. Schmit, L. A. 1960. Structural Design by Systematic Synthesis. 2nd Conference on Electronic Computation, September 8-9, Pittsburgh, 105–132.
18. Saka, M. P., Hasançebi, O., Geem, Z. W. 2016. Metaheuristics in Structural Optimization and Discussions on Harmony Search Algorithm, Swarm and Evolutionary Computation, Cilt. 28, s. 88–97. DOI: 10.1016/j.swevo.2016.01.005
19. Saka, M. P. 1991. Optimum Design of Steel Frames with Stability Constraints, Computers and Structures, Cilt. 41, s. 1365-1377. DOI: 10.1016/0045-7949(91)90274-P
20. Daloğlu, A., Armutçu, M. 1998. Genetik Algoritma ile Düzlem Çelik Çerçevelerin Optimum Tasarımı, Teknik Dergi, Cilt. 116, s. 1601-1615.
21. Daloğlu, A., Aydın, Z. 1999. Kafes Sistemlerin Uygulamaya Yönelik Optimum Tasarımı, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt. 5, s. 951-957.
22. Kameshki, E. S., Saka, M. P. 2001. Optimum Design of Nonlinear Steel Frames with Semi-Rigid Connections Using a Genetic Algorithm, Computers and Structures, Cilt. 79, s. 1593–1604. DOI: 10.1016/S0045-7949(01)00035-9
23. Hayalioğlu, M. S., Değertekin, S. Ö. 2005. Minimum Cost Design of Steel Frames with Semi-Rigid Connections and Column Bases via Genetic Optimization, Computers and Structures, Cilt. 83, s. 1849-1863. DOI: 10.1016/j.compstruc.2005.02.009
24. Kaveh, A., Talatahari, S. 2007. A Discrete Particle Swarm Ant Colony Optimization for Design of Steel Frames, Asian Journal of Civil Engineering Building and Housing, Cilt. 9, s. 563-575.
25. Saka, M. P. 2009. Optimum Design of Steel Sway Frames to BS5950 Using Harmony Search Algorithm, Journal of Constructional Steel Research, Cilt. 65, s. 36–43. DOI: 10.1016/j.jcsr.2008.02.005
26. Toğan, V. 2012. Design of Planar Steel Frames Using Teaching–Learning Based Optimization, Engineering Structures, Cilt. 34, s. 225–232. DOI: 10.1016/j.engstruct.2011.08.035
27. Ragsdell, K. M., Phillips, D. T. 1976. Optimal Design of a Class of Welded Structures Using Geometric Programming, ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, Cilt. 98, s. 1021–1025. DOI: 10.1115/1.3438995
28. Coello, C. A. C. 2000. Use of a Self-Adaptive Penalty Approach for Engineering Optimization Problems, Computers in Industry, Cilt. 41, s. 113–127. DOI: 10.1016/S0166-3615(99)00046-9
29. Lee, K. S., Geem, Z. W. 2005. A New Meta-Heuristic Algorithm for Continuous Engineering Optimization: Harmony Search Theory and Practice, Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Cilt. 194, s. 3902–3933. DOI: 10.1016/j.cma.2004.09.007
30. Kaveh, A., Talatahari, S. 2010. A novel heuristic optimization method: charged system search, Acta Mechanica, Cilt. 213, s. 267–289. DOI:10.1007/s00707-009-0270-4
31. Mirjalili, S., Mirjalili, S. M., Lewis, A. 2014. Grey Wolf Optimizer, Advances in Engineering Software, Cilt. 69, s. 46–61. DOI:10.1016/j.advengsoft.2013.12.007
32. David, D. C. N., Stephen, S. E. A., Ajoy, J. A. 2016. Cost Minimization of Welded Beam Design Problem Using PSO, SA, PS, GOLDLIKE, CUCKOO, FF, FP, ALO, GSA and MVO, International Journal of Applied Mathematics, Cilt. 5, s. 1–14.
33. Alberdi, R., Murren, P., Khandelwal, K. 2015. Connection Topology Optimization of Steel Moment Frames Using Metaheuristic Algorithms, Engineering Structures, Cilt. 100, s. 276-292. DOI: 10.1016/j.engstruct.2015.06.014
34. Jin, S., Ohmori, H., Lee, S. 2017. Optimal Design of Steel Structures Considering Welding Cost and Constructability of Beam-Column Connections, Journal of Constructional Steel Research, Cilt. 135, s. 292-301. DOI: 10.1016/j.jcsr.2017.03.020
35. Çelik Yapıların Tasarım, Hesap ve Yapımına Dair Esaslar. 2018. Resmî Gazete, 15 Şubat 2018, Sayı 30333.
36. Sezer, S. 2021. Çelik Yapıların Kaynaklı Birleşimlerinin Metasezgisel Yöntemlerle Optimum Tasarımı, Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 110s, Afyonkarahisar.
37. Rao, R. V. 2016. Jaya: A Simple and New Optimization Algorithm for Solving Constrained and Unconstrained Optimization Problems, International Journal of Industrial Engineering Computations, Cilt. 7, s. 19–34. DOI: 10.5267/j.ijiec.2015.8.004
38. Rao, R. V., Savasani, V. J., Vakharia, D. P. 2011. Teaching–Learning-Based Optimization: A Novel Method for Constrained Mechanical Design Optimization Problems, Computer-Aided Design, Cilt.. 43, s. 303-315. DOI: 10.1016/j.cad.2010.12.015
39. Mirjalili, S. 2015. SCA: A Sine Cosine Algorithm for Solving Optimization Problems, Knowledge-Based Systems, Cilt. 96, s. 120-133. DOI: 10.1016/j.knosys.2015.12.022
40. MATLAB. 2016. version 9.0.0 (R2016a), The MathWorks Inc., Natick, Massachusetts.