طراحی بهینه بر مبنای قابلیت اعتماد سازه ها با استفاده از الگوریتم کرم شب تاب

خدام, علی; فرج زاده, محمدسعید; شایانفر, محسنعلی

doi:10.22065/jsce.2020.203929.1962

طراحی بهینه بر مبنای قابلیت اعتماد سازه ها با استفاده از الگوریتم کرم شب تاب

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

¹ مدیر گروه مهندسی عمران- گروه عمران، دانشگاه صنعتی اراک

² دانشگاه علم و صنعت ایران

³ دانشیار، دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه علم و صنعت ایران

10.22065/jsce.2020.203929.1962

چکیده

در مهندسی سازه تامین ایمنی سازه‌ها با رعایت ملاحظات اقتصادی از اهداف بسیار حیاتی میباشد. طراحی بهینه بر مبنای قابلیت اعتماد سازه در جستجوی یافتن بهترین توازن ما بین ایمنی و هزینه – با درنظر گرفتن عدم قطعیت های سازه و بار– می باشد. در دهه های اخیر روش های متعددی برای حل این نوع مسایل مورد استفاده قرار گرفته، که هزینه ی محاسباتی بالا و فرآیند دشوار یافتن پاسخ، بزرگترین چالش پیش روی این روش ها می باشد. در این پژوهش روش شبیه سازی وزنی که یکی از روش های نوین و موثر برای محاسبه شاخص قابلیت اطمینان و احتمال خرابی سازه می باشد، برای تحلیل قابلیت اعتماد مورد استفاده قرار گرفته است. از مزایای این روش کاهش قابل توجه هزینه ی محاسباتی در عین دقت مناسب نتایج نهایی می باشد. برای بهینه سازی نیز با در نظر گرفتن حداقل شاخص قابلیت اعتماد به عنوان یک قید، به دنبال کمینه کردن تابع هدف که در این پژوهش میزان مصالح مصرفی (وزن سازه) در نظر گرفته شده، از الگوریتم کرم شب تاب استفاده شده است. الگوریتم کرم شب تاب از جمله الگوریتم های فرااکتشافی تصادفی پرکاربرد الهام گرفته شده از طبیعت می باشد که در آن شدت نور متصاعد شده از حشرات شب تاب با تابع هدف ارتباط داده میشود. نتایج مثال عددی و مقایسه آن با نتایج سایر روش های متناظر گویای این است که با استفاده از این روش ضمن حفظ سطح قابلیت اعتماد مورد نظر، به نسبت سایر روش های مقایسه شده وزن سازه و میزان مصالح مصرفی نیز کاهش پیدا کرده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

روش های عددی در مهندسی سازه

عنوان مقاله [English]

Reliability-Based Design Optimization of Structures using Firefly Algorithm

نویسندگان [English]

Ali Khodam ¹
Muhammad Saeid Farajzadeh ²
Mohsen Ali Shayanfar ³

¹ Arak University of Technology

² Iran University of Science and Technology

³ Associate Professor, Department of Civil Engineering, Iran University of Science and Technology

چکیده [English]

In structural engineering, it is vital to design structures by providing pre-deﬁned performance objectives economically.
Reliability-based design optimization (RBDO) is looking for the best balance between safety and cost, by considering uncertainties in structural parameters and loading conditions. In recent decades, several methods have been used to solve RBDO problem. However, most of these methods suffer from high computational cost of solving the problem as a big challenge.
In this paper, weighted simulation method, one of the newest and most effective methods for simulation-based reliability assessment methods, has been used for reliability analysis and evaluation of probabilistic constraints. The advantages of this method are a significant reduction in the computational cost and the proper accuracy of the final results.
For minimizing the objective function, which is the weight of structure in this paper, Firefly algorithm (FA) is utilized. The FA is a stochastic metaheuristic approach based on the idealized behavior of the flashing characteristics of fireflies. In FA, the flashing light can be formulated in way that it is associated with the objective function to be minimized. The numerical example results indicate that using the proposed method leads to the optimum design solutions better than other methods in the literature without violating reliability constraints.

کلیدواژه‌ها [English]

Structural Reliability
Reliability-Based Design Optimization
Firefly Algorithm
Weighted Average Simulation Method
Probability of failure of structures

مراجع

[1] Li, F., Wu, T., Badiru, A., Hu, M.and Soni, S. )2013). A single-loop deterministic method for reliability-based design optimization. Engineering Optimization,45,435–58

[2] Ditlevsen, O.and Madsen, H. (1996). Structural reliability methods. New York: Wiley.

[3] Choi, S.K., Grandhi, R. and Canfield, R.A. (2006). Reliability-based structural design. Springer Science & Business Media.

[4] Fiessler, B., Neumann, HJ. and Rackwitz, R. (1979). Quadratic limit states in structural reliability. Journal of Engineering Mechanics,105, 661–76.

[5] Zhao, YG. and Lu, ZH. (2007). Fourth-moment standardization for structural reliability assessment. ASCE Journal of Structural Engineering, 133,916–24

[6] Melchers, RE. (1999). Structural reliability analysis and prediction. Chichester. John Wiley and Sons.

[7] Nowak, AS. and Collins, KR. (2000). Reliability of structures. New York: McGraw-Hill.

[8] Rashki, M., Miri, M. and Moghaddam, MA. (2012). A new efficient simulation method to approximate the probability of failure and most probable point. Structural Safety, 39, 22–29.

[9] Rashki, M., Miri, M. and Moghaddam, MA. (2014). Closure to A new efficient simulation method to approximate the probability of failure and most probable point. Structural Safety, 46, 15–6.

[10] Luo, X., Lu, Z. and Xu, X. (2014). A new efficient simulation method to approximate the probability of failure and most probable point. Structural Safety, 46,13–4.

[11] Pu, Y., Das, PK. and Faulkner, D. (1997). A strategy for reliability-based optimization. Engineering Structures, 19, 276–82.

[12] Arora, JS. (2004). Introduction to optimum design. 2nd ed. New York: Elsevier Academic Press.

[13] Li, F., Wu, T., Hu, M. and Dong, J. (2010). An Accurate Penalty-Based Approach for Reliability-Based Design Optimization. Research in Engineering Design, 21, 87-98.

[14] Yang, XS. (2008). Nature-inspired metaheuristic algorithm. UK.Luniver Press.

[15] Youn, B.and Choi, K. (2004). An investigation of nonlinearity of reliability-based design optimization approaches. Journal of Mechanical Design, 126, 403–411.

[16] Shayanfar, M., Abbasnia, R. and Khodam, A. (2014). Development of a GA-based method for reliability-based optimization of structures with discrete and continuous design variables using OpenSees and Tcl. Finite Elements in Analysis and Design, 90, 61-73.

[17] Abbasnia, R., Shayanfar, M .and Khodam, A. (2014). Reliability-based design optimization of structural systems using a hybrid genetic algorithm. Structural Engineering and Mechanics, 52(6), 1099-1120.

[18] Okasha, N. (2016). An improved weighted average simulation approach for solving reliability-based analysis and design optimization problems. Structural Safety, 47-55

[19] Safaeian Hamzeh Kolaei, N., Miri, M .and Rashki, M. (2017). Reliability-Based Design Optimization of Structures using Modified Weighted Simulation Method. Journal of Coastal and Marine Engineering, 35 (2) ,1-22

[20] Wu, Y. T., Shin, Y., Sues, R .and Cesare, M. (2001). Safety-Factor Based Approach for Probability Based Design Optimization. In:19th AIAA Applied Aerodynamics Conference, Fluid Dynamics and Collocated Conferences: Anaheim, CA, U.S.A; 1522.