Modifiye Yapay Arı Kolonisi Algoritması ile Konsol Dayanma Duvarının Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği 2018’ e Göre Optimum Tasarımı

Abstract

Geoteknik mühendisliğinde iki farklı zemin seviyesi arasında meydana gelen yatay kuvvetlerin stabilitesinin sağlanmasında dayanma duvarları oldukça yaygın kullanılan bir çözümdür. Bu çalışmada Türkiye Deprem Yönetmeliği 2018’ e göre konsol dayanma duvarının optimum tasarımı modifiye arı kolonisi algoritması kullanılarak araştırılmıştır. Doğadan esinlenerek geliştirilen yapay arı kolonisi algoritması, arıların besin kaynağı bulma sürecini taklit eden bir sezgisel optimizasyon yöntemidir. Konsol dayanma duvarının optimum tasarımlarını elde etmek için optimizasyon analizleri yapılmış ve amaç fonksiyonu konsol dayanma duvarının maliyeti olarak alınmıştır. Duvarın geometrisinden kaynaklanan boyut limitleri, statik ve dinamik yükler etkisinde kayma, devrilme ve taşıma gücü kontrollerinin normalize edilmiş matematiksel ifadeleri algoritmaya sınırlayıcılar olarak eklenmiştir. Optimizasyon analizlerinde, temelin ön ve arka ampatman mesafeleri, gövdenin alt ve üst genişlikleri ve temel kalınlığı ayrık tasarım değişkeni olarak dikkate alınmış ve bu ayrık tasarım değişken değerleri kullanılarak tasarım kümesi oluşturulmuştur. Seçilen bölgelere göre Türkiye Deprem Haritası’ ndan alınan farklı kısa periyot harita spektral ivme katsayıları ve farklı yerel zemin sınıfları için modifiye yapay arı kolonisi algoritması ile optimize edilmiş konsol dayanma duvarının minimum maliyetleri elde edilmiştir. Amaç fonksiyonunun minimum değerleri çeşitli zemin özellikleri ve deprem yüklerini içeren farklı tasarım durumları açısından karşılaştırılmıştır. Farklı tasarım durumları dikkate alınarak elde edilen optimum sonuçlar incelendiğinde değişen özelliklerin optimum tasarıma etkisi sezgisel optimizasyon analizleri ile mantıklı olarak kısa zamanda elde edilmiştir. Modifiye yapay arı kolonisi algoritmasının konsol dayanma duvar tasarımı gibi çok bilinmeyenli karmaşık mühendislik problemlerinin çözümünde etkili ve başarılı bir yöntem olduğu görülmüştür

Keywords

• Konsol Dayanma Duvarı
• Deprem yükü
• Modifiye arı kolonisi algoritması
• Ayrık değişkenli sezgisel tasarım optimizasyonu

Optimum Design of Cantilever Retaining Wall with Modified Artificial Bee Colony Algorithm according to Turkish Building Earthquake Code 2018

Abstract

Retaining walls are a widely employed solution in geotechnical engineering to provide the stability of the lateral forces occurring between two different soil levels. In this study, the optimum design of the cantilever retaining wall according to the Turkish Earthquake Code 2018 has been investigated via a modified bee colony algorithm. The artificial bee colony algorithm, inspired by nature, is a heuristic optimization method that mimics the process of bees tried to find food sources. The optimization analyses have been conducted to obtain economical designs and the objective function has been taken as the cost of the cantilever retaining wall. Normalized mathematical expressions of the size limits arising from the geometry of the wall and the checks of the sliding, overturning, and bearing capacity under the static and dynamic loads have been added to the algorithm as constraints. In the optimization analysis, the front and back extension length of the base, the top and bottom width of the stem, and the base thickness have been taken into consideration as the discrete design parameters and formed the design space utilizing these discrete values of parameters. The minimum costs of the cantilever retaining wall optimized by the modified artificial bee colony algorithm have been examined for different values of local soil classes and short-period map spectral acceleration coefficients taken from the Turkey Earthquake Map 2018 according to the selected regions. The minimum values of the objective function have been compared in terms of the different design cases includes variable values of soil properties and the earthquake loads. When the optimum results obtained by considering different design cases and earthquake loads have been examined, the effect of changing properties on the optimum wall design has been obtained coherently in a short time with heuristic optimization analysis. It has been observed that the modified artificial bee colony algorithm is an effective and successful method in solving complex engineering problems like the design of a cantilever retaining wall with many unknowns.

Keywords

• Cantilever retaining wall
• Seismic loads
• Modified artificial bee colony algorithm
• Cantilever retaining wall
• Seismic loads
• Modified artificial bee colony algorithm
• heuristic optimum design with discrete parameters

References

1. Akay, B., & Karaboga, D. (2012). A modified Artificial Bee Colony algorithm for real-parameter optimization. Information Sciences, 192, 120–142. https://doi.org/10.1016/j.ins.2010.07.015
2. Arslan, Ö., Keskin, I., & Ateş, A. (2018). Farklı deprem yüklerinin betonarme konsol bir istinat duvarının maliyetine etkisinin analizi. Anadolu Üniversitesi Bilim Ve Teknoloji Dergisi - B Teorik Bilimler, 6, 28–35. https://doi.org/10.20290/aubtdb.497527
3. Aydogdu, I. (2017). Cost optimization of reinforced concrete cantilever retaining walls under seismic loading using a biogeography-based optimization algorithm with Levy flights. Taylor & Francis, 49(3), 381–400. https://doi.org/10.1080/0305215X.2016.1191837
4. Bilgin, H. (2006). İstinat duvarlarının dinamik ve statik yükler altındaki davranışının analizi [Karadeniz Teknik Üniversitesi]. http://acikerisim.ktu.edu.tr/jspui/bitstream/123456789/1095/1/Tam Metin.pdf
5. Camp, C., & Akin, A. (2012). Design of retaining walls using big bang–big crunch optimization. Journal of Structural Engineering, 138(March), 438–448. http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000461
6. Ceranic, B., Fryer, C., & Baines, R. W. (2001). An application of simulated annealing to the optimum design of reinforced concrete retaining structures. Computers and Structures, 79(17), 1569–1581. https://doi.org/10.1016/S0045-7949(01)00037-2
7. Chau, K. W., & Albermani, F. (2003). Knowledge-Based System on Optimum Design of Liquid Retaining Structures with Genetic Algorithms. Journal of Structural Engineering, 129(10), 1312. https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2003)129:10(1312)
8. Dağdeviren, U., & Kaymak, B. (2018). Investigation of parameters affecting optimum cost design of reinforced concrete retaining walls using artificial bee colony algorithm. Journal of the Faculty of Engineering and Architecture of Gazi University, 33(1), 239–253. https://doi.org/10.17341/gazimmfd.406796

9. Dalyan, İ., Akın, M., & Akbay Arama, Z. (2020). Betonarme istinat duvarlarının geoteknik tasarımında etkili parametrelerin 2018 Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği’ne göre değerlendirilmesi. Türk Deprem Araştırma Dergisi, 2(2), 176–192. https://doi.org/10.46464/tdad.80428
10. Das, B. (2007). Principles of Foundation Engineering 6th Edition. http://thuvienso.hau.edu.vn:8888/dspace/handle/hau/5215
11. Deb, K. (2000). An efficient constraint handling method for genetic algorithms. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 186(2–4). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/S0045-7825(99)00389-88
12. Kalemci, E. N., İkizler, S. B., Dede, T., & Angın, Z. (2020). Design of reinforced concrete cantilever retaining wall using Grey wolf optimization algorithm. Structures, 23, 245–253. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2019.09.013
13. Karaboga, D. (2005). An idea based on honey bee swarm for numerical optimization. Technical Report TR06, Erciyes University, Turkey. https://pdfs.semanticscholar.org/015d/f4d97ed1f541752842c49d12e429a785460b.pdf
14. Karaboğa, D. (2014). Yapay zeka optimizasyon algoritmaları. Nobel Akademik Yayıncılık ISBN978-605-133-764-7
15. Karaboga, D., & Akay, B. (2011). A modified Artificial Bee Colony (ABC) algorithm for constrained optimization problems. Applied Soft Computing Journal, 11(3), 3021–3031. https://doi.org/10.1016/j.asoc.2010.12.001
16. Kaveh, A., Akbari, H., & Hosseini, S. M. (2021). Plasma generation optimization for optimal design of reinforced concrete cantilever retaining wall structures. Iranian Journal of Science and Technology - Transactions of Civil Engineering. https://doi.org/10.1007/s40996-020-00566-8
17. Kayhan, A., & Demir, A. (2018). Statik ve dinamik yüklere maruz betonarme konsol istinat duvarlarının diferansiyel gelişim algoritması ile optimum tasarımı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 24(3), 403–412. https://doi.org/10.5505/pajes.2017.04834
18. Khajehzadeh, M., Taha, M. R., El-Shafie, A., & Eslami, M. (2010). Economic design of retaining wall using particle swarm optimization with passive congregation. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 4(11), 5500–5507.
19. Meyerhof, G. G. (1963). Some Recent Research on the Bearing Capacity of Foundations. Canadian Geotechnical Journal, 1(1), 16–26. https://doi.org/10.1139/t63-003
20. Ravichandran, N., Wang, L., Rahbari, P., & Juang, C. H. (2021). Robust design optimization of retaining wall backfilled with shredded tire in the face of earthquake hazards. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 80(2), 1351–1363. https://doi.org/10.1007/s10064-020-02038-9
21. Sheikholeslami, R., Khalili, B., Of, S. Z.-I. J., & 2014, U. (2014). Optimum cost design of reinforced concrete retaining walls using hybrid firefly algorithm. Ijetch.Org. https://doi.org/10.7763/IJET.2014.V6.742
22. TDBY. (2018). Türkiye bina deprem yönetmeliği. Afet ve Acil Durum Yönetimi Başkanlığı, Ankara. http://www.resmigazete.gov.tr/eskiler/2018/03/20180318M1.pdf
23. TDTH. (2018). Türkiye Deprem Tehlike Haritaları. İnteraktif Web Uygulaması. https://tdth.afad.gov.tr/TDTH/main.xhtml
24. Temur, R., & Bekdas, G. (2016). Teaching learning-based optimization for design of cantilever retaining walls design and analysis of nonlinear structural systems view project teaching learning-based optimization for design of cantilever retaining walls. Structural Engineering and Mechanics, 57(4), 763–783. https://doi.org/10.12989/sem.2016.57.4.763
25. Uray, E., Tan, Ö., Çarbaş, S., & Erkan, H. (2021). Metaheuristics-based pre-design guide for cantilever retaining walls. Teknik Dergi, 32(4). https://doi.org/10.18400/tekderg.561956
26. Yıldırım, İ. Z. (2004). İstinat Duvarlarının Tasarımında Deprem Etkilerinin İncelenmesi [İstanbul Teknik Üniversitesi]. https://tez.yok.gov.tr/UlusalTezMerkezi/tezSorguSonucYeni.jsp