Büyük ölçekli çelik yapıların sezgisel optimizasyon yöntemleriyle optimum tasarımı
Optimum design of large-scale steel structures using metaheuristic optimization methods
Yazar: İBRAHİM BEHRAM UĞUR
Danışman: PROF. DR. SADIK ÖZGÜR DEĞERTEKİN
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yapı optimizasyonu = Structural optimization

Özet:
Sezgisel optimizasyon yöntemleri, doğa olayları, hayvanların sürü veya besin arama davranışı, fizik yasaları ve evrimsel süreçlerle optimizasyon problemleri arasındaki analojiyi esas almaktadır. Bu tez kapsamında, düzlem ve büyük ölçekli uzay çelik çerçevelerin optimum tasarımı için Jaya Algoritması (JA), cıvık mantar algoritması (SMA) ve hibrit cıvık mantar-Jaya algoritması (HSMJA) yöntemleri önerilmiştir. JA, en kötü çözümden uzaklaşma ve en iyi çözüme yaklaşma prensibine dayanan ve diğer birçok sezgisel optimizasyon yönteminden farklı olarak algoritmaya özgü parametreler içermeyen bir optimizasyon yöntemidir. SMA, soğuk ve nemli ortamlarda yaşayan tek hücreli Physarum Polycephalum adı verilen bir mantar türünün besin arama davranışından ve morfolojik değişimlerinden esinlenerek modellenmiş bir optimizasyon yöntemidir. Bu çalışmada, JA ve SMA'dan daha güçlü bir yöntem elde etmek amacıyla JA'nın hızlı yakınsama kapasitesi ve SMA'nın güçlü arama kabiliyeti bir araya getirilerek hibrit cıvık mantar-Jaya algoritması adı verilen (HSMJA) bir yöntem de geliştirilmiştir. Her üç yöntemin etkinliğini test etmek amacıyla literatürden alınan dört düzlem ve dört uzay çelik çerçevenin dayanım, deplasman ve enkesit-boyut sınırlayıcıları altında optimum tasarımı icra edilmiştir. Optimizasyon algoritmalarını ve formülasyonunu içeren ana program MATLAB programlama dilinde kodlanmıştır. Çelik çerçevelerin yapısal analizleri ise düzlem çelik çerçeveler için OPENSEES yapı analiz yazılımına, uzay çelik çerçeve sistemler için ise açık kaynak kodları (OAPI) kullanılarak SAP2000 yapı analiz yazılımına yaptırılmıştır. Büyük ölçekli uzay çerçevelerin optimum tasarımında yapı analiz süresi oldukça uzun zaman almaktadır. Hesaplama süresini azaltmak amacıyla optimum tasarım sürecinde yapı analizi yapılacak tasarımların aynı anda çevrim içi bir veri tabanından yardımcı bilgisayarlara dağıtıldığı paralel bir hesaplama yöntemi geliştirilmiştir. Bu paralel hesaplama yöntemi HSMJA'ya entegre edilerek paralel hibrid cıvık mantar-jaya algoritması adı verilen (PHSMJA) bir yöntem geliştirilmiş ve büyük ölçekli uzay çelik çerçevelerin optimum tasarımında kullanılmıştır. JA, SMA, HSMJA ve PHSMJA'nın farklı başlangıç popülasyonları için yapılan farklı icraları sonucunda elde edilen tasarımlar arasındaki en hafif tasarım ve bu tasarımın elde edilmesi için gereken yapı analiz sayısı tablolarda sunulmuştur. Ayrıca elde edilen tasarımlara ait ortalama ağırlık, standart sapma gibi istatistiksel veriler ve en kötü tasarıma ait ağırlık değeri de tablolarda sunulmuş ve literatürdeki diğer yöntemler ile karşılaştırılmıştır. Yapılan karşılaştırmalar sonucunda HSMJA ile, SMA, JA ve literatürdeki diğer yöntemlerden daha hafif tasarımlar elde edilebildiği kanıtlanmıştır. Ayrıca önerilen PHSMJA ile hesaplama süresinin JA ve SMA'ya kıyasla %83 ile %88 oranında azaldığı tespit edilmiştir.

Abstract:
Metaheuristic optimization methods are based on analogies between natural events, herd or foraging behavior of animals, the laws of physics, and evolutionary processes and optimization problems. In this thesis, Jaya Algorithm (JA), slime mould algorithm (SMA) and hybrid slime mould-Jaya algorithm (HSMJA) methods are proposed for optimum design of planar and large-scale space steel frames. JA is an optimization method based on the principle of moving away from the worst solution and approaching the best solution, and unlike many other heuristic optimization methods, it does not contain algorithm-specific parameters. SMA is a metaheuristic method inspired by the foraging behavior and morphological alterations of a eukaryote called Physarum Polycephalum which inhabits cold and humid places. In this study, a method called hybrid slime mould-Jaya algorithm (HSMJA) was developed by combining the fast convergence capacity of JA and the strong search capability of SMA in order to obtain a more powerful method than JA and SMA. In order to test the effectiveness of the three methods presented in this study, the optimum design of four planar and four space steel frames taken from the literature under the strength, displacement and geometric-size constraints was performed. The main program containing the optimization algorithms and formulation is coded in the MATLAB programming language. Structural analyses were made by OPENSEES software for planar steel frames and SAP2000 software using open application programming interface (OAPI) for space steel frames. The structural analyses time take quite a long time in the optimum design of large-scale space frames. In order to reduce the computational time, a parallel computation method has been developed in which the designs to be analyzed in the optimum design process are simultaneously distributed from an online database to slave computers. This parallel computation method was integrated into HSMJA and a method called, parallel hybrid slime mould-jaya algorithm (PHSMJA), was developed and used in the optimum design of large-scale space steel frames. The lightest design among the designs obtained as a result of different executions of proposed algorithms for different initial populations and the number of structural analyses required to obtain this design are presented in the tables. Average weight and standard deviation of different designs obtained by different executions of the algorithms and the weight of the worst design are also presented in the tables and compared with other methods in the literature. As a result of the comparisons, it has been proven that lighter designs can be obtained with HSMJA than SMA, JA and other methods in the literature. In addition, it was determined that the computational time with the proposed PHSMJA was reduced by 83% to 88% compared to JA and SMA.