Optimum Design of Plane Steel Frame Usıng the Social Spider Optimization Algorithm

Abstract

Algorithms developed by mimicking natural phenomena have attracted significant attention from researchers in recent years. These types of algorithms are widely used in many engineering. In particular, there are numerous studies in structural engineering where such algorithms are applied to the optimal design of steel structures. In this study, a Social Spider Optimization (SSO) algorithm has been developed to achieve the minimum weight optimal design of plane steel frames. Social spider optimization (SSO) algorithm is a method developed by imitating the behavior of male or female spiders in natural life. The developed SSO algorithm is coded at visual basic application (VBA) programming language and integrated with the SAP2000 program. Plane steel frames are designed according to the American Institute of Steel Construction - Load and Resistance Factor Design (AISC - LRFD). The parameters as displacement, interstory drift and strength are considered at optimum design. Additionally, dimensions of sections are regarded for adaptedness. In the study, to test the effectiveness of the algorithm, plane steel frame examples selected from the literature and optimally designed with different methods and the results have been compared. These comparisons clearly demonstrate that the SSO is an effective and applicable algorithm for structural design problems.

Keywords

• Optimization
• Optimum Design
• Plane Steel Frame
• Social Spider Optimization
• Structural Design

Sosyal Örümcek Optimizasyon Algoritması Kullanılarak Düzlem Çelik Çerçevelerin Optimum Boyutlandırılması

Abstract

Günümüzde doğa olaylarını taklit ederek geliştirilen algoritmalar araştırmacılar tarafından yoğun ilgi görmektedir. Bu tür algoritmalar birçok mühendislik alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle de yapı mühendisliğinde çelik yapıların optimum tasarımı konusunda bu tür algoritmalar kullanılarak yapılan pek çok çalışma mevcuttur. Bu çalışmada da, düzlem çelik çerçevelerin minimum ağırlıklı optimum tasarımını gerçekleştirmek için Sosyal Örümcek Optimizasyon (SSO) algoritması geliştirilmiştir. Sosyal Örümcek Optimizasyon algoritması dişi ve erkek örümceklerin doğadaki davranışları göz önüne alınarak geliştirilen bir yöntemdir. Geliştirilen bu algoritma visual basic applications (VBA) programlama dilinde yazılmış ve SAP2000 programıyla entegrasyonu sağlanmıştır. Düzlem çelik çerçevelerin optimum tasarımında Amerikan Çelik Yapılar Enstitüsü-Yük ve Dayanım Faktörü Tasarımı (AISC-LRFD) şartnamesi kullanılmıştır. Optimum tasarımda deplasman, göreli kat ötelemesi, mukavemet kısıtlayıcıları ve ayrıca uygulanabilirlik açısından kesit boyut kısıtlayıcıları da dikkate alınmıştır. Çalışmada, algoritmanın performansını test etmek için literatürden seçilen ve farklı yöntemlerle optimum tasarımı gerçekleştirilen düzlem çelik çerçeve örnekleri göz önüne alınmış ve elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Tasarım sonuçları SSO algoritmasının güçlü ve kullanılabilir bir algoritma olduğunu göstermiştir.

Keywords

• Optimizasyon
• Optimum tasarım
• Düzlem çelik çerçeve
• Sosyal örümcek optimizasyonu
• Yapı dizaynı

References

1. S. Sezer and M. Hiçyılmaz, “Çelik yapıların kaynaklı birleşimlerinin metasezgisel yöntemlerle optimum tasarımı,” Dokuz Eylül Üniv. Müh. Fak. Fen ve Müh. Derg., vol. 24, no. 70, pp. 277–290, 2021.
2. S. O. Degertekin, “Optimum design of geometrically non-linear steel frames using artificial bee colony algorithm,” Steel Compos. Struct., vol. 12, no. 6, pp. 505–522, 2012.
3. M. P. Saka and E. Dogan, “Optimum design of unbraced steel frames to LRFD–AISC using particle swarm optimization,” Adv. Eng. Softw., vol. 46, no. 1, pp. 27–34, 2012.
4. S. Talatahari, E. Khalili, and S. M. Alavizadeh, “Accelerated particle swarm for optimum design of frame structures,” Math. Probl. Eng., vol. 2013, pp. 1–6, 2013.
5. M. R. Maheri and M. M. Narimani, “An enhanced harmony search algorithm for optimum design of side sway steel frames,” Comput. Struct., vol. 136, pp. 78–89, 2014.
6. P. Murren and K. Khandelwal, “Design-driven harmony search (DDHS) in steel frame optimization,” Eng. Struct., vol. 59, pp. 798–808, 2014.
7. M. P. Saka, “Optimum design of steel frames with stability constraints,” Comput. Struct., vol. 41, no. 6, pp. 1365–1377, 1991.
8. A. Daloğlu and M. Armutçu, “Genetik algoritma ile düzlem çelik çerçevelerin optimum tasarımı,” Teknik Dergi, vol. 9, no. 42, pp. 1601–1615, 1998.

9. A. Daloğlu and Z. Aydın, “Kafes sistemlerin uygulamaya yönelik optimum tasarımı,” Pamukkale Üniv. Müh. Fak. Müh. Bil. Derg., vol. 5, no. 1, pp. 951–957, 1999.
10. E. S. Kameshki and M. P. Saka, “Optimum design of nonlinear steel frames with semi-rigid connections using a genetic algorithm,” Comput. Struct., vol. 79, no. 17, pp. 1593–1604, 2001.
11. M. S. Hayalioğlu and S. Ö. Değertekin, “Minimum cost design of steel frames with semi-rigid connections and column bases via genetic optimization,” Comput. Struct., vol. 83, no. 21–22, pp. 1849–1863, 2005.
12. A. Kaveh and S. A. Talatahari, “Discrete particle swarm ant colony optimization for design of steel frames,” Asian J. Civ. Eng. (Build. Hous.), vol. 9, pp. 563–575, 2007.
13. M. P. Saka, “Optimum design of steel sway frames to BS5950 using harmony search algorithm,” J. Constr. Steel Res., vol. 65, no. 1, pp. 36–43, 2009.
14. LRFD-AISC, Manual of Steel Construction: Load and Resistance Factor Design, vol. 1, American Institute of Steel Construction, 1994.
15. E. Baş, “Sosyal örümcek algoritmasının sürekli ve ayrık optimizasyon problemlerinde performans iyileştirmeleri,” Doktora Tezi, Konya Teknik Üniversitesi, Fen Bil. Enstitüsü, Konya, 2020.
16. E. Cuevas and M. Cienfuegos, “A new algorithm inspired in the behavior of the social-spider for constrained optimization,” Expert Syst. Appl., vol. 41, no. 2, pp. 412–425, 2014.
17. E. Cuevas, M. Cienfuegos, D. Zaldivar, and M. Perez-Cisneros, “A swarm optimization algorithm inspired in the behavior of the social-spider,” Expert Syst. Appl., vol. 40, no. 16, pp. 6374–6384, 2013.
18. J. J. Q. Yu and V. O. K. Li, “A social spider algorithm for global optimization,” Appl. Soft Comput., vol. 30, pp. 614–627, 2015.
19. A. Kaveh and S. Talatahari, “Hybrid algorithm search, particle swarm and colony for structural design optimization,” Stud. Comput. Intell., vol. 239, pp. 159–198, 2009.
20. A. Kaveh and S. Talatahari, “An efficient hybrid algorithm based on harmony search, particle swarm and colony strategies for optimal design of structures,” in Harmony Search Algorithms for Structural Design Optimization, pp. 159–198, 2009.
21. A. Kaveh and S. Talatahari, “A discrete big bang-big crunch algorithm for optimal design of skeletal structures,” Asian J. Civ. Eng., vol. 11, no. 1, pp. 103–122, 2010.
22. M. Yetkin, “Düzlem çelik çerçevelerin sosyal örümcek optimizasyonuna göre boyutlandırılması,” Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Balıkesir, 2015.