Yapı mühendisliğinde metasezgizel algoritmalar ile optimizasyon uygulamaları
Optimization applications by metaheuristic algorithms in structural engineering
Yazar: AYLİN ECE KAYABEKİR
Danışman: DOÇ. DR. GEBRAİL BEKDAŞ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Armoni arama algoritması = Harmony search algorithm ; Enerji optimizasyon modeli = Energy optimization model ; Geometri optimizasyonu = Geometry optimisiation ; Sezgisel algoritmalar = Heuristic algorithms ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Yapı optimizasyonu = Structural optimization ; Şekil optimizasyonu = Shape optimization

Özet:
Mühendislik tasarımlarının ana unsurları arasında yer alan güvenlik ve maliyet kavramlarının her ikisinin de tasarımda sağlanmaya çalışılması, optimizasyon uygulamalarının mühendislikte sıklıkla kullanılmasını sağlamıştır. Optimizasyon uygulamalarıyla inşaat mühendisliği alanında da sıklıkla karşılaşılmaktadır. 
Son yıllarda, inşaat mühendisliğinde optimizasyon uygulamaları için geliştirilen yöntemlerde metasezgisel algoritmalar kullanılmaktadır. Bu algoritmalar doğada gerçekleşen çeşitli olaydan ilham alınarak oluşturulmuştur. Bu tez çalışmasında bir sınıftaki öğretmen öğrenci arasındaki benzeşimden yararlanan Öğretme ve Öğrenme Tabanlı Optimizasyon Algoritması (TLBO), çiçeklerin tozlaşma sürecinden ilham alan Çiçek Toplaşma Algoritması (FPA) ve bir müzisyenin en uygun armoniyi aramasından esinlenen Armoni Arama Algoritması (HS) gibi çeşitli metasezgisel algoritmalar çeşitli uygulamalarda kullanılmıştır. 
Bu çalışmada geometrik değişkenlere ve donatı çeliği tasarımına bağlı olarak maliyet minimizasyonunu amaç fonksiyonu olarak ele alan statik ve dinamik yükler altında istinat duvarlarının optimum tasarımı, düzgün yayılı yüke maruz kalan çerçeve yapılarda oluşabilecek normal gerilmelerin azaltılmasını amaçlayan açıklık optimizasyonu, betonarme kirişlerin kayma kapasitesini arttırmak amacıyla optimum karbon fiber takviyeli polimer tasarımı, I-kirişin geometrik değişkenlerine bağlı olarak düşey yer değiştirmesinin optimizasyonu, toplam potansiyel enerji minimizasyonu yöntemini kullanarak kafes sistemler ve kablo yapıların toplam potensiyel enerjisi en aza indirerek ikinci mertebe değişkenlerinin çözülmesi olmak üzere altı farklı uygulama ele alınmıştır.
Metasezgisel algoritmalarla yapılan optimizasyon uygulamaları incelendiğinde düşük maliyetli betonarme tasarım sonuçlarının bulunmasında, minimum gerilmeyi veren çerçeve açıklıklarının bulunmasında, minimum malzeme ile kesme kapasitesinin istenilen düzeyde arttırılmasında ve deplasman kısıtı altında en uygun optimum kesitin bulunmasında kullanılan yöntemlerin etkili olduğu görülmüştür. Ayrıca alternatif yapısal analiz yöntemi olan 'metasezgisel algoritmalarla enerji minimizasyon uygulamasında kullanılan algoritmaların birbiriyle tutarlı ve etkili sonuçlar verdiği görülmüştür.

Abstract:
The effort in providing the both of safety and cost measures that are the main needs in engineering design supported the often use of optimization applications. Optimization applications are frequently encountered in the civil engineering area. 
Recently, metaheuristic algorithms have been used in developed methods for optimization applications of civil engineering. These algorithms are developed by inspiring several happenings from nature. In this thesis, teaching learning based optimization (TLBO) simulating the teacher and student in a class, flower pollination algorithm (FPA) imitating the process of flower pollination and harmony search (HS) algorithm inspired by the search of best harmony of a musician were used as several metaheuristic algorithms. 
In this study, six different applications which are the optimum design of retaining walls under static and dynamic forces considering the minimization of the cost related to the design of geometrical variables and reinforcement steel, the span optimization aiming to reduce the normal stresses occurred on frame structures subjected to equally distributed load, the optimum design of carbon fiber reinforced polymer for increasing the shear capacity of reinforced concrete beams, the vertical displacement optimization according to the geometrical variables of a I-beam, the second-order solution of variables of truss and cable structures by minimum reduction of total potential energy using Total Potential Optimization using Meta-heuristic Algorithms (TPO/MA). 
According to investigation of optimization applications employing metaheuristic algorithms, the employed algorithms seem as effective in finding reinforced concrete design results with low cost, finding frame spans resulting with minimum stress, increasing the desired level of shear capacity with minimum material and finding the optimum section providing the displacement constraint. Also, it is seen that the employed algorithms employed with an alternative structural analysis method called energy minimization using metaheuristic algorithms gave coherent and effective solutions.