-

Abstract

The Optimization of Multi-Storey Composite Steel Frames with Genetic Algorithm Including Dynamic Constraints Optimum design of the structures, in other words designing the structures with minimum weight is one of the major research areas in structural engineering. The priority during optimization process is to ensure whether the necessary conditions are satisfied or not. In this study, the optimization of steel frame systems is carried out for traditional and dynamic constraints by using a genetic algorithm that mimics the biological processes. The stress constraints are determined according to TS648-Turkish code for design and construction of steel structures. Furthermore, displacement constrains are considered in the optimization procedure. In addition, natural frequencies are incorporated as dynamic constraints. Optimum design of multi-story plane frames is obtained and comparisons with the results of previous studies are made. The same design processes are repeated for the case of frames with composite beams. A program is coded in MATLAB to carry out all these applications. Results obtained in the study for the frame systems are also verified by SAP2000. It is concluded that the weight of the frames with composite beams are fewer and the dynamic constraints affect the design

Keywords

• Genetic algorithm, steel frame, dynamic constraint, composite beam

Çok Katlı Kompozit Çelik Çerçevelerin Genetik Algoritma ile Dinamik Sınırlayıcılı Optimizasyonu

Abstract

Yapı sistemlerinin minimum ağırlık olacak şekilde, yani optimum boyutlandırılması, yapı mühendisliğinin temel konuları arasında yer almaktadır. Sistem elemanlarının optimizasyonu esnasında öncelik gerekli şartların sağlanmasıdır. Bu çalışmada biyolojik süreçleri taklit eden genetik algoritma kullanılarak çelik çerçeve sistemlerinin geleneksel ve dinamik sınırlayıcılar için optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Boyutlandırmada göz önünde bulundurulan gerekli şartlar TS648 Çelik yapıların hesap ve yapım kuralları şartnamesine uygun şekilde gerilme sınırlayıcıları olarak belirlenmiştir. Buna ilaveten yer değiştirme sınırlayıcıları kullanılmıştır. Ayrıca doğal frekanslar dinamik sınırlayıcılar olarak işleme dahil edilmiştir. Çok katlı düzlem çerçeve örnekleri optimum boyutlandırılmış ve sonuçlar karşılaştırılmıştır. İşlemler çerçevelerin kompozit kirişli olması durumu için tekrarlanmıştır. Tüm bu uygulamaların pratik olarak yürütülebilmesi için MATLAB[22]’da bir program geliştirilmiştir. Geliştirilen program ile çerçeve sistemlere ilişkin elde edilen sonuçlar SAP2000[23] programı yardımı ile doğrulanmıştır. Kompozit kirişli çerçevelerin daha hafif olduğu ve dinamik sınırlayıcıların boyutlandırmayı etkilediği gösterilmiştir

Keywords

• Genetik algoritma, çelik çerçeve, dinamik sınırlayıcı, kompozit kiriş

References

1. Goldberg, D.E., Genetic Algorithm in Search, Optimization and Machine Learning, Addison-Wesley Publishing Company, New York, 1989.
2. Rajeev, S., Krishnamoorthy, C. S., Discrete Optimization of Structures Using Genetic Algorithms, Journal of Structural Engineering, ASCE, 118, 1233-1250, 1992.
3. Saka, M.P., Optimum Design of Steel Frames with Stability Constraints, Computers and Structures, 41, 1365-1377, 1991.
4. Daloğlu, A, Aydın, Z., Kafes Sistemlerin Uygulamaya Yönelik Optimum Tasarımı, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 5, 951-957, 1999.
5. Daloglu, A., Armutcu M., Genetik Algoritma ile Düzlem Çelik Çerçevelerin Optimum Tasarımı, İMO Teknik Dergi, 116, 1601-1615, 1998.
6. Salajegheh, E., Optimum Design of Steel Space Frames with Frequency Constraints Using Three Point Rayleigh Quotient Approximation, Journal of Constructional Steel Research 54, 305–313, 2000.
7. Sergeyev, O., Mroz, Z., Sensitivity Analysis and Optimal Design of 3D Frame Structures For Stress And Frequency Constraints, Computers and Structures 75, 167- 185, 2000.
8. Isenberg, J., Pereyra, V., Lawver, D., Optimal Design of Steel Frame Structures, Elsevier, Applied Numerical Mathematics, 40, 59–71, 2002.

9. Toğan, V., Daloğlu A., Genetik Algoritma ile Üç Boyutlu Kafes Sistemlerin Şekil Ve Boyut Optimizasyonu, İMO Teknik Dergi, 251, 3809 -3825, 2006.
10. Değertekin, S.Ö., Ülker, M., Hayalioğlu, M.S., Uzay Çelik Çerçevelerin Tabu Arama ve Genetik Algoritma Yöntemleriyle Optimum Tasarımı, İMO Teknik Dergi, 259, 3917-3934, 2006.
11. Aydogdu, İ, Saka, M.P., Ant Colony Optimization of Irregular Steel Frames Including Elemental Warping Effect, Advances in Engineering Software, 44, 150–169, 2012.
12. Erdogan, Y. S., Genetik Algoritmalar Kullanılarak Sonlu Elemanlar Güncellenmesi Yöntemiyle Hasar Tespiti ve Parametre Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, 2007
13. Saka, M. P., Optimum design of steel sway frames to BS5950 using harmony search algorithm, ScienceDirect, Journal of Constructional Steel Research, 65, 36–43, 2009
14. Togan, V., Design of Planar Steel Frames Using Teaching–Learning Based Optimization, Engineering Structures, 34, 225–232, 2012.
15. Bekiroğlu, S., Genetik Algoritma İle Çelik Çerçevelerin Optimum Boyutlandırılması, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, 2003
16. TS 648, Çelik Yapıların Hesap Ve Yapım Kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1980
17. Topçu, A., Bilgisayar Destekli Nümerik Analiz Ders Notları, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 2013.
18. Salmon, C.G., Johnson, J.E., Steel Structures-Design and Behavior Book. 2nd Edition, Harper&Row, 1980.
19. Günbay, S., Çelik-Beton Kompozit Enkesitli, Kirişlerin Gerilme ve Şekil Değiştirmelerinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi, 2005.
20. Armutçu, M., Çelik Çerçevelerin Genetik Algoritma ile Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi, 1997.
21. Dumonteil, P., Simple Equations for Effective Length Factors, Engineering Journal, AISC, 29:3,111-115, 1992.
22. MATLAB, The language of technical computing, The Mathworks Inc., Natick, MA, 2009.
23. SAP2000, Integrated finite element analysis and design of structures, Computers and Structures Inc., Berkeley, California, USA, 2008.