Chương 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan chung về đề tài nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: 1. Giới thiệu: Kết cấu liên hợp thép bêtông là loại kết cấu sử dụng thép kết cấu kết hợp với bêtông hoặc bêtông cốt thép để chúng cùng tham gia chịu lực. Các giải pháp kết cấu liên hợp thép bê tông đã và đang được sử dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới cho các công trình nhà nhiều tầng.
Hệ kết cấu này được ưa chuộng vì một loạt ưu điểm như: thi công nhanh, không cần hệ giàn giáo dưới sàn, mức độ công xưởng hóa cao, chất lượng ổn định,…Tuy nhiên, hệ kết cấu này cũng có những nhược điểm như sau: Do dầm thép đặt dưới tấm sàn tôn sóng nên dầm này được thiết kế chịu toàn bộ tải trọng từ sàn xuống mà không xét đến phần bê tông sàn có thể tham gia chịu uốn, làm tăng chiều cao của các tầng, mất mỹ quan, tăng chi phí công trình. Chính vì vậy năm 2006 Công Ty Peikko (Phần Lan) đã sáng chế kết cấu liên hợp thép bêtông sử dụng hệ dầm Combeam để khắc phục những nhược điểm trên. Khi thiết kế kết cấu liên hợp thép - bê tông thường sử dụng phương pháp thiết kế truyền thống “thử-sai” hay phương pháp đúng dần với các thông số như đặc trưng vật liệu, tải trọng, chiều dày sàn, kích thước hình học của dầm thép, cường độ và số lượng các chốt liên kết chịu cắt…Các thông số này thường được chọn theo kinh nghiệm của kỹ sư thiết kế và nó ảnh hưởng rất nhiều đến giá thành của cấu kiện. 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. 1 Luan van Thuật toán tìm kiếm tối ưu (cực trị) thường được phát triển bởi các chuyên gia, ít nhiều có kiến thức về Toán học. Rất nhiều thuật toán tối ưu hóa đã được phát triển, nhằm đáp ứng các bài toán tối ưu hóa đa dạng của thực tiễn. Có 2 thuật toán tìm kiếm rất mạnh và được sử dụng rộng rãi trong thực tế để giải quyết bài toán tối ưu hóa thiết kế, gồm có: - Thuật toán tìm kiếm bầy đàn (Particleswarm Optimization).
- Thuật toán di truyền đa mục tiêu (Nondominated Sorting Genetic Algorithm II – viết tắt NSGA II). Hai thuật toán này được áp dụng trong 2 trường hợp thiết kế công trình với các mục đích khác nhau. Tuy nhiên, đề tài này thực hiện việc tối ưu thiết kế kết cấu liên hợp dựa trên thuật toán di truyền kết hợp lý thuyết tính toán thiết kế kết cấu liên hợp. Sử dụng phần mềm lập trình Matlab để thiết lập chương trình tính toán tối ưu tự động với dữ liệu đầu vào do người thiết kế khai báo.
Tình hình nghiên cứu trong nước: Vấn đề tính toán, kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông hệ dầm Combeam là một công nghệ mới trong xây dựng tại Việt Nam. Năm 2012 Công ty TNHH Xây dựng Lâm Phạm ký kết hợp đồng độc quyền chuyển giao, tiếp thị và kinh doanh các sản phẩm công nghệ của tập đoàn Peikko Group (Phần Lan) tại Việt Nam. Nhưng hiện tại công nghệ dầm Combeam cũng chưa được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam. Vấn đề thiết kế tối ưu cho kết cấu nói chung được nhiều tác giả trong nước nghiên cứu bằng rất nhiều phương pháp khác nhau để cho ra những kết quả tối ưu, tôi xin đề cập đến một số đề tài nghiên cứu như sau: Nhóm tác giả Vũ Anh Tuấn, Hàn Ngọc Đức [1] nghiên cứu thiết kế tối ưu dầm liên hợp thép - bê tông.
Nội dung ứng dụng thuật toán tiến hóa vi phân (Differential Evolution Algorithm - DE-A) để tìm trọng lượng nhỏ nhất của dầm thép tiết diện chữ I tổ hợp trong hệ dầm thép liên hợp thép bê tông và đề xuất phương pháp thiết kế tối ưu dầm SRC đơn giản, chịu tải trọng phân bố đều. Bên cạnh đó tác giả Vũ Anh Tuấn và Nguyễn Quốc Cường [2] nghiên cứu thiết kế tối ưu kết cấu thép bằng thuật toán tiến hóa. Nội dung chính là tối ưu tiết 2 Luan van diện các hàm mục tiêu là cực tiểu hóa trọng lượng của kết cấu, theo thuật toán tiến hóa vi phân (Differential evolution – DE). Tuy nhiên, tối ưu kết cấu liên hợp hệ dầm Combeam sử dụng thuật toán di truyền thì chưa có nghiên cứu nào đề cập đến hàm mục tiêu là tổng chi phí sàn liên hợp bao gồm: chi phí dầm thép, chi phí bê tông, chốt chịu cắt… liên quan đến kết cấu này.
Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Vấn đề tính toán, kết cấu sàn liên hợp thép - bê tông dầm Combeam. Năm 2006 Công Ty Peikko (Phần Lan) đã sáng chế, thi công và kinh doanh độc quyền hệ dầm Combeam. Hiện nay, Peikko đã có chi nhánh phân phối sản phẩm này tại 30 quốc gia ở Châu Á - Thái Bình Dương, Châu Âu, Trung Đông và Bắc Mỹ, với hoạt động sản xuất tại 9 quốc gia.
Vấn đề thiết kế tối ưu kết cấu liên hợp 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 các chi phí tối thiểu. Đa số các nghiên cứu đã được công bố đều đề cập việc tối ưu hóa kết cấu tập trung vào việc tối thiểu trọng lượng. Chỉ một phần nhỏ của những bài viết này đã bàn về tối thiểu tổng chi phí.
Tôi xin được đề cập đến một số đề tài nghiên cứu như sau: Nhóm tác giả A. Massoudi [3] đã sử dụng lý thuyết “đàn kiến” để tính toán tối ưu cho kết cấu dầm liên hợp. Koumousis và Georgiou [4] sử dụng thuật toán di truyền để lập trình chương trình để tính toán, lựa chọn tối ưu cho mặt cắt tiết diện thép, vì kèo mái hình thang. Huang và Arora [5] đã nghiên cứu sử dụng thuật toán di truyền để thiết kế tối ưu giàn không gian hai chiều, khung thép nhiều tầng.
3 Luan van Hassan [8] đề cập một phương pháp tính toán phi tuyến tính để tối ưu hóa chi phí cầu dây văng dựa trên một hàm mục tiêu chi phí, trong đó có các chi phí của bê tông cốt thép, kết cấu thép, dây cáp và ván khuôn. Kravanja và Šilih [9] đã sử dụng phương pháp phân tích phi tuyến để xây dựng mô hình tối ưu hóa cho dầm I liên hợp và thực hiện việc tối ưu hoá dựa trên so sánh giữa dầm liên hợp thép I và dàn liên hợp. Adeli và Kim [10] đề xuất mô hình mạng Noron để tối ưu chi phí phần tử dầm của kết cấu liên hợp. Tuy nhiên, tối ưu kết cấu liên hợp hệ dầm Combeam sử dụng thuật toán di truyền thì chưa có nghiên cứu nào đề cập rõ rang đến hàm mục tiêu là tổng chi phí sàn liên hợp bao gồm: chi phí dầm thép, chi phí bê tông, chốt chịu cắt… liên quan đến kết cấu này.
Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu phân tích tính toán dầm Combeam, thiết lập bảng tra được để hỗ trợ các kỹ sư thiết kế trong việc lựa chọn kích thước, quy cách các cấu kiện thành phần của sàn liên hợp sử dụng hệ dầm Combeam để tiết kiệm thời gian, chi phí. Đưa kết cấu của sàn liên hợp sử dụng hệ dầm Combeam sử dụng phổ biến hơn ở Việt Nam giúp nâng tầm công nghệ xây dựng trong nước. Thiết kế tối ưu cho ô sàn kết cấu sử dụng hệ dầm Combeam bao gồm dầm chính, dầm phụ, bản sàn, chốt liên kết sử dụng thuật toán di truyền (GA) với hàm mục tiêu là tối ưu chi phí vật liệu. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài Sử dụng lý thuyết tính toán thiết kế kết cấu liên hợp hệ dầm Combeam và thuật toán di truyền (GA) để thiết kế tối ưu cho ô sàn với mục tiêu là giảm tối thiểu chi phí của các cấu kiện.
Một hệ thống sàn liên hợp có kích thước W x L được xem xét và tính toán trong luận văn này được thể hiện ở hình 1. Dữ liệu đầu vào bao gồm: chiều rộng W và chiều dài L của ô sàn, hoạt tải LL, tĩnh tải DL và hoạt tải dùng để tính toán 4 Luan van dao động LLv. Thuật toán di truyền sẽ cung cấp cho người dùng các cá thể có sự thích nghi tốt nhất bao gồm: Kích thước dầm phụ - Kích thước dầm chính - Số lượng chốt liên kết trên dầm chính - Số lượng chốt liên kết trên dầm phụ - Chiều cao sóng tole - Loại bê tông - Độ dày bê tông - Số lượng dầm phụ Hình 1.1:Hệ thống sàn liên hợp sử dụng hệ dầm Combeam và dữ liệu đầu vào, đầu ra. Thuật toán di truyền được viết dưới sự hỗ trợ của phần mềm Matlab.
(GA) có khả năng lựa chọn kích thước dầm chính, dầm phụ, sàn thép, đặc điểm bê tông, liên kết chịu cắt và số lượng dầm phụ dựa trên dữ liệu đầu vào do người sử dụng lựa chọn. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong đề tài này là sử dụng lý thuyết thiết kế kết cấu liên hợp kết hợp với thuật toán di truyền dưới sự hỗ trợ của phần mềm Matlam để xác định chi phí tối thiểu cho ô sàn liên hợp 1 nhịp. Để xác định được chi phí tối thiểu cho ô sàn liên hợp cần định nghĩa các biến số thiết kế, hằng số thiết kế, hàm mục tiêu cũng như các điều kiện ràng buộc khi thiết kế. 6 Luan van Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA THUẬT TOÁN DI TRUYỀN TRONG VIỆC THIẾT KẾ TỐI ƯU SÀN LIÊN HỢP 2.
Định nghĩa thuật toán di truyền Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm_GA) là kỹ thuật chung giúp giải quyết vấn đề bài toán bằng cách mô phỏng sự tiến hóa của con người hay của sinh vật nói chung (dựa trên thuyết tiến hóa muôn loài của Darwin) trong điều kiện qui định sẵn của môi trường. GA là một thuật toán và mục tiêu của GA là từ tập lời giải ban đầu, thông qua nhiều bước tiến hóa, hình thành tập lời giải mới phù hợp hơn và cuối cùng tìm ra lời giải tối ưu nhất. GA thuộc lớp các giải thuật xác suất nhưng lại rất khác các giải thuật ngẫu nhiên vì chúng kết hợp các phần tử tìm kiếm trực tiếp và ngẫu nhiên.