CHƯƠNG 1. Nhu cầu xây dựng nhà xưởng, nhà công nghiệp đang bùng nổ mạnh mẽ trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Khi sử dụng các giải pháp kết cấu bê tông cốt thép thông thường, công trình nhà công nghiệp không thể đáp ứng được về mặt kết cấu và thi công. Hầu hết kết cấu nhà công nghiệp đều sử dụng khung thép tiền chế.
Các kết cấu thép được thiết kế thành những cấu kiện rời và được chế tạo sẵn ở nhà máy. Sau đó mới được đưa ra công trường để thi công lắp ráp dẫn đến việc thi công rất nhanh. Để duy trì sự cạnh tranh do sự gia tăng của giá thành vật liệu, các nhà sản xuất, thi công buộc phải giảm chi phí và rút ngắn thời gian thi công. Do vậy, xu hướng thiết kế hiện đại là sử dụng phương pháp thiết kế tối ưu để xác định các thông số thiết kế sao cho chi phí các cấu kiện là nhỏ nhất được áp dụng thay thế cho phương pháp thiết kế truyền thống để góp phần giảm chi phí đầu tư xây dựng công trình.
Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của công nghệ máy tính điện tử, phương pháp tối ưu hoá kết cấu xây được nghiên cứu rộng rãi trên toàn thế giới. Đặc biệt là những phương pháp tối ưu hiện đại như thuật giải di truyền (GA), thuật giải luyện thép (SA), thuật giải đàn chim (PSO) và thuật giải đàn kiến (ACO). Phương pháp tối ưu bằng giải thuật di truyền (GA) là một phương pháp mới mà ngày nay mọi người rất quan tâm vì những hiệu quả nổi trội so với các phương pháp khác trong giải quyết các bài toán tối ưu hóa trong nhiều lĩnh vực. Trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, việc áp dụng giải thuật di truyền để phân tích lựa chọn, tiến tới tìm ra phương án tối ưu cho kết cấu là một hướng đi mới đối với những thiết kế xây dựng trên thế giới những năm trở lại đây.
Do vậy đề tài “Thiết kế tối ưu kết cấu thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền” là vấn đề có ý nghĩa thiết thực trong việc thiết kế kết cấu xây dựng hiện nói chung và kết cấu thép nhà công nghiệp nói riêng. Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Vấn đề sử dụng các thuật toán để tính toán, thiết kế tối ưu hóa kết cấu nói chung và kết cấu thép nói riêng được rất nhiều tác giả nước ngoài đề cập và nghiên cứu. Bài toán thiết kế tối ưu có thể đạt được trên cơ sở các tiêu chí lựa chọn như trọng lượng tối thiểu hoặc chi phí tối thiểu.
Đa số các nghiên cứu đã được công bố đều được đề cập việc tối ưu hóa kết cấu tập trung vào việc tổi thiểu trọng lượng. Nhóm tác giả Ross McKinstray, James B. Phan, Wei Sha [1] đã sử dụng giải thuật di truyền (GA) để tối ưu hóa kết cấu khung cổng nhà công nghiệp nhịp lớn. Trọng lượng kết cấu là hàm mục tiêu được kể đến.
Nhóm tác giả kết luận rằng, với phương pháp của họ đưa sẽ tiết kiệm 15% trọng lượng kết cấu đối với khung có nhịp lớn (>40m).S Massoudi [2] đã sử dụng lý thuyết “đàn kiến” để tính toán tối ưu cho kết cấu dầm liên hợp. Chi phí là hàm mục tiêu được sử dụng. Kết quả cho ra nhiều giải pháp lựa chọn khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của ô sàn cũng như tải trọng tác dụng. Koumousis và Georgiou [3] sử dụng thuật toán di truyền để lập chương trình tính toán tối ưu cho mặt cắt tiết diện thép, vì kèo mái hình thang.
Nhóm tác giả kết luận rằng, thuật toán di truyền cung cấp một phương pháp hiệu quả để giải quyết bài toán tối ưu phức tạp. Ghassan Numan [4] thực hiện thiết kế tối ưu khung thép theo Eurocode 3 sử dụng thuật toán di truyền GA. Hàm mục tiêu là tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép. Tác giả đã phân tích động lực học của kết cấu khung, kiểm tra các điều kiện ổn định của kết cấu theo tiêu chuẩn Eurocode 3 kết hợp giải thuật di truyền GA để tìm ra tiết diện tối ưu cho kết cấu.
Ngoài ra tác giả cũng phân tích sự ảnh hưởng của hệ giằng đến biến dạng của kết cấu khung. Huang và Arora [5] đã nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền để thiết kế tối ưu dàn không gian hai chiều, khung thép nhiều tầng. Nhóm tác giả đã đề xuất ba giải pháp để giải quyết vấn đề tối ưu hóa với các bài toán tối ưu tiết diện rời rạc. 2 Bhatti [6] đã xây dựng ý tưởng tối ưu hóa dầm liên hợp bằng cách thiết lập công thức tối ưu hóa tiêu chuẩn và giải quyết vấn đề dựa trên công thức đại cương số Mathematica.
Tuy nhiên hàm chi phí chỉ bao gồm chi phí của dầm thép và đinh chịu cắt, bỏ qua chi phí bê tông. Shah, Muhammad Aslam, N H R Sulon [7] nhóm tác giả tối ưu tiết diện hình học của khung cổng thép nhà công nghiệp sử dụng thuật toán di truyền (GA). Ngoài ra, nhóm tác giả cũng đưa ra so sánh tối ưu kết cấu giữa các bước khung khác nhau. Cuối cùng, nhóm tác giả dùng phương pháp phần tử hữu hạn trên phần mềm Abaqus để kiểm tra kết quả tính toán.
Longetal [8] đề cập một số phương pháp tính toán phi tuyến để tối ưu hóa chi phí cầu dây văng dựa trên hàm mục tiêu chi phí, trong đó có các chi phí bê tông cốt thép, kết cấu thép, dây cáp và ván khuôn. Kravanja và Silih [9] đã sử dụng phương pháp phân tích phi tuyến để xây dựng mô hình tối ưu hóa cho dầm I liên hợp. Hàm mục tiêu là tối thiểu trọng lượng dầm thép, không kể đến các yếu tố khác như bê tông, chốt liên kết… Petr Hradil, Matti Mielonen and Ludovic Fülöp [10] nhóm tác giả đã đưa ra ba phương pháp thiết kế khung cổng thép nhà công nghiệp theo tiêu chuẩn Eurocode 3. Ngoài các phương pháp thiết kế tiên tiến kể trên, nhóm tác giả còn sử dụng thuật toán di truyền (GA) để tối ưu hình dáng kết cấu khung.
Kết quả nghiên chỉ ra rõ ràng những lợi ích của việc sử dụng các mô hình thiết kế tiên tiến và kết hợp với tối ưu hóa kết cấu bằng thuật giải di truyền. Ngoài ra, Kravanja và Silih [11] thực hiện việc tối ưu hóa dựa trên so sánh giữa dầm liên hợp thép I và dàn liên hợp. Hàm mục tiêu chi phí bao gồm chi phí bê tông, dầm thép, cốt thép, chốt chống cắt, sơn chống ăn mòn, sơn chống cháy, chi phí hàn và chi phí ván khuôn. Adeli và Kin [12] đề xuất mô hình mạng Noron để tối ưu chi phí phần tử dầm và kết cấu liên hợp.
Senoucid và Ansari [13] cũng phát triển thuật toán dựa trên thuật giải di truyền để tối ưu hóa chi phí dầm liên hợp đơn giản 1 nhịp. Có thể thấy rằng, tối ưu hóa kết cấu thép, kết cấu liên hợp đã được nhiều tác giả ngoài nước nghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau.Tuy nhiên, phương 3 pháp tối ưu bằng thuật giải di truyền được nhiều tác giả sử dụng nhất và cho thấy sự hiệu quả trong nhiều bài toán phức tạp. Vì vậy, tối ưu hóa kết cấu bằng thuật giải di truyền là phương pháp triển vọng trong tương lai. Tình hình nghiên cứu trong nước Vấn đề tính toán, thiết kế tối ưu cho kết cấu nói chung và thiết kế kết cấu thép được nhiều tác giả trong nước nghiên cứu bằng rất nhiều phương pháp khác nhau, để cho những kết quả tối ưu.
Nhóm tác giả Vũ Anh Tuấn, Hàn Ngọc Đức [14] nghiên cứu kết cấu dầm liên hợp thép – bê tông. Nội dung nghiên cứu trình bày quá trình tự động hóa thiết kế tối ưu dầm thép liên hợp thép–bê tông sử dụng thuật toán tiến hóa vi phân (Defferential Evolution Algorithm – DEA). Hàm mục tiêu là tối thiểu hóa trọng lượng dầm thép. Nghiên cứu này cho thấy phương pháp thiết kế tối ưu sử dụng thuật toán DEA có hiệu quả và thời gian tối ưu nhanh hơn.
Bên cạnh đó tác giả Vũ Anh Tuấn và Nguyễn Quốc Cường [15] sử dụng thuật toán tiến hóa vi phân để giải quyết bài toán tối ưu kết dàn thép, cột có dây căn. Hàm mục tiêu là tối ưu trọng lượng kết cấu. Kết quả cho thấy sử dụng thuật toán tiến hóa vi phân cho kết quả tốt hơn các thuật toán tiến hóa khác. Tuy nhiên, cũng như các thuật toán tiến hóa khác, thuật toán tiến hóa vi phân có thời gian tính toán khá lớn.
Nhóm tác giả Bùi Hoàng Giang, Nguyễn Hữu Lộc [16] đã sử dụng phương pháp và phương pháp tiến hóa để tối ưu hình dáng kết cấu. Kết quả kết cấu tối ưu thép phương pháp mật độ mịn hơn. Điều đó cho thấy rằng áp dụng kỹ thuật chọn lọc thích hợp theo phương pháp mật độ sẽ cho những kết quả chấp nhận được. Tác giả Nguyễn Trọng Hà [17] đã dùng phương pháp thiết kế kết cấu dàn hợp lý theo độ tin cậy cho trước và ràng buộc các chỉ tiêu kinh tế.
Kết quả tính toán tương đối hợp lý và thời gian thực hiện thuật toán ngắn hơn so với hầu hết các thuật toán tối ưu khác. Tác giả Phạm Hoàng Anh [18] đã sử dụng thuật giải thụ phấn hoa (FPA) để tối ưu trọng lượng kết cấu thép dàn với biến thiết kế rời rạc. Hàm mục tiêu là trọng lượng kết cấu với các ràng buộc về ứng suất và chuyển vị và biến thiết kế là diện tích tiết diện của các thanh. Đây là một trong những thuật toán mới được phát triển 4 trong thời gian gần đây, mô phỏng quá trình thụ phấn hoa trong tự nhiên để giải các bài toán tối ưu.
Kết quả số cho thấy, thuật giải mới có thể tìm được thiết kế tối ưu một cách hiệu quả và cạnh tranh so với một số thuật giải mêta-ơrixtic hiện nay. Tác giả Thái Bình Quốc [19] đã sử dụng phương pháp DE cải tiến để tối ưu hóa kết cấu dàn với biến thiết kế rời rạc bằng sự kết hợp giữa phương pháp phần tử hữu hạn (phần tử thanh hai nút tuyến tính) và giải thuật tiến hóa DE (Differential Evolution) cải tiến. Bài toán tối ưu hóa được thành lập với hàm mục tiêu là cực tiểu trọng lượng của toàn bộ hệ kết cấu dàn, hàm ràng buộc bao gồm các ràng buộc liên quan đến điều kiện thiết kế và các ràng buộc liên quan đến khả năng làm việc của kết cấu như như: ràng buộc về biến kích thước theo mô đun có sẵn, ràng buộc về chuyển vị, ràng buộc về ứng suất và ràng buộc về độ ổn định.