توصيفگر ها :
بهينهسازي سازه , بهينهسازي دومرحلهاي , سازههاي بتن مسلح , الگوريتم ژنتيك بدون بازگشت , بهينهسازي جانمايي ديوار برشي , بهينهسازي چندهدفه
چكيده فارسي :
با پيشرفت پردازندهها و توسعهي روشهاي عددي، طراحي سازه دقيقتر، ارزانتر و شبيهسازي سيستمهاي پيچيدهتر ممكن شده است. در زمينهي سازههاي بتن مسلح، به علت ماهيت پيچيدهتر رفتار مقاطع و سازه نسبت به سازههاي فولادي و قدمت بيشتر سازههاي فولادي، تحقيقات بهنسبت كمتري در زمينهي بهينهسازي اين نوع سازهها صورت پذيرفته است. اين امر جاي خالي تحقيقات بيشتر را فراهم ساخته است و مجال بررسي بيشتر رفتار اين سازهها و روشهاي بهتر براي بهينهسازي آنها را فراهم ميكند. در اين پژوهش با استفاده از ابزارهايي نظير Python، Matlab، PyMOO و OpenSees، به مدلسازي، تحليل و طراحي سازه بتن مسلح همراه با ديوارهاي برشي پرداخته شده و از الگوريتم ژنتيك بدون بازگشت براي بهينهسازي استفاده ميگردد. به اين منظور با مدلسازي در مقياسهاي مختلف (مصالح، المانها و سازه)، نتايج با مدلهاي پيشين عددي و آزمايشگاهي مقايسه و صحتسنجي شده و مسائل پيشنهادي به همراه مسائل شاخص در بهينهسازي سازه بررسي خواهند شد. در مرحله بعد با بهينهسازي هر كدام از المانها (تير، ستون و ديوار برشي) ليستي از مقاطع بهينه تهيه شده تا براي بهينهسازي سازه استفاده گردد. از اين مقاطع بهينه بهعنوان متغيرهاي طراحي براي بهينهسازي سازه بتن مسلح استفاده ميگردد. پس از اثباتمفهوم و نشان دادن موثر بودن روش دومرحلهاي پيشنهادي، چند مثال كاربردي با شرايط مختلف بهينهسازي شده تا عملكرد اين روش بيشتر بررسي گردد. در اين راستا، علاوهبر بهينهسازي قاب سهبعدي، محل ديوارهاي برشي نيز بر اساس طرح معماري بهينه گرديد. در آخرين مرحله، روش پيشنهادي دومرحلهاي براي بهينهسازي چند هدفه با درنظر گرفتن هزينه و مصرف آب به عنوان توابع هدف ثانويه مورد بررسي قرار گرفت. نتايج نشان داده كه روش پيشنهادي دومرحلهاي نهتنها به افزايش سرعت بهينهسازي كمك نموده، بلكه نتيجه نهايي را نيز به ميزان قابلتوجهي بهبود بخشيده است. همچنين اين روش علاوهبر كارايي بالا در بهينهسازي تكهدفه، ميتواند براي بهينهسازي و مسائل تصميمگيري چندهدفه نيز مورد استفاده قرار بگيرد. اين روش كاهش فضاي جستوجو و افزايش كارايي بهينهسازي را به همراه دارد، بهطوريكه هزينه كل سازهها تا 34% كاهش مييابد و هزينههاي محاسباتي به ميزان 51% كمتر ميشود. همچنين، روش دومرحلهاي موفق شد پايداري فرآيند بهينهسازي را تا 100% افزايش دهد و با كاهش مصرف آب تا 5.4%، تأثيرات زيستمحيطي را كاهش دهد. اين تحقيق نشان ميدهد كه الگوريتم پيشنهادي ميتواند پاسخهاي بهينه بيشتري در مقايسه با روشهاي مرسوم بيابد و مقدار مصالح مصرفي را تا 50% كاهش دهد. همچنين ميتواند امكان بهينهسازي جانمايي ديوار برشي براي كاهش هزينه سازه تا 35% و طراحي پايدارتر را فراهم كند. درنهايت برنامهي ارائه شده قابليت بهينهسازي يك سازه بتن مسلح بر اساس آييننامههاي موجود و با رويكرد طرح بهينه در مقياس واقعي را داشته و علاوه بر بهينهسازي سازه بتني و محل ديوارهاي برشي، با قابليت توسعه ميتواند در تحقيقات آينده نيز مورداستفاده قرار گيرد.
چكيده انگليسي :
With advancements in processors and the development of numerical methods, precise, cost-effective structural design and the simulation of complex systems have become feasible. In the realm f reinforced concrete structures, due to the more complex behavior of sections and structures compared to steel structures and the longer history of research in steel structures, relatively fewer studies have focused on optimizing this type of structure. This gap highlights the need for further investigation to better understand the behavior of reinforced concrete structures and to develop improved optimization methods. In this research, tools such as Python, Matlab, PyMOO, and OpenSees were utilized to model, analyze, and design reinforced concrete structures with shear walls. A non-revisiting genetic algorithm was applied for optimization. To achieve this, modeling at different scales (materials, elements, and structures) was performed, and the results were validated by comparing them with previous numerical and experimental models. Proposed problems, as well as benchmark problems in structural optimization, were examined. In the next step, by optimizing each component (beams, columns, and shear walls), a list of optimized sections was prepared for use in structural optimization. These optimized sections were then used as design variables for optimizing the reinforced concrete structure. After demonstrating the feasibility and effectiveness of the proposed two-stage approach, several practical examples under different optimization conditions were solved to further evaluate its performance. In addition to optimizing the three-dimensional frame, the placement of shear walls was optimized based on architectural layouts. Finally, the proposed two-stage method was applied to multi-objective optimization, considering cost and water consumption as secondary objective functions. The results indicated that the proposed two-stage method not only accelerated the optimization process but also significantly improved the final outcome. This method proved effective not only for single-objective optimization but also for multi-objective decision-making problems. The two-stage approach reduced the search space and enhanced optimization efficiency, decreasing total structural costs by up to 34% and computational costs by 51%. Additionally, it improved the stability of the optimization process by 100% and reduced water consumption by 5.4%, mitigating environmental impacts. This study demonstrates that the proposed algorithm can find more optimal solutions compared to conventional methods and enables optimized shear wall placement and more sustainable designs. Ultimately, the presented program is capable of optimizing a reinforced concrete structure based on existing codes with a focus on optimal design at a realistic scale. Beyond optimizing reinforced concrete structures and shear wall placement, its adaptability makes it suitable for future research applications.