Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng phương pháp thuật giải di truyền (tóm tắt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
------------------------

NGUYỄN QUANG TRUNG

TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG
CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THUẬT GIẢI DI TRUYỀN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

HÀ NỘI - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
------------------------

NGUYỄN QUANG TRUNG
KHĨA: 2018 – 2020

TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG
CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THUẬT GIẢI DI TRUYỀN

Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. TRẦN THỊ THÚY VÂN

HÀ NỘI - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
------------------------

NGUYỄN QUANG TRUNG
KHĨA: 2018 – 2020

TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KHUNG THÉP PHẲNG
CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG PHƯƠNG PHÁP
THUẬT GIẢI DI TRUYỀN

Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. TRẦN THỊ THÚY VÂN

XÁC NHẬN
CỦA CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG CHÁM LUẬN VĂN

HÀ NỘI -2020


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Kiến trúc
Hà Nội, các thầy cô trong khoa Sau đại học cùng với các thầy giáo, cô giáo
các khoa, bộ môn đã giảng dạy và tạo mọi điều kiện để tơi hồn thành khóa
học 2018 - 2020.
Đặc biệt tôi cảm ơn cô TS. Trần Thị Thúy Vân, người trực tiếp hướng
dẫn khoa học luận văn đã tạo mọi điều kiện, dành nhiều thời gian, nhiệt tình
giúp đỡ cũng như giới thiệu đầy đủ các tài liệu để tơi hồn thành tốt luận văn
tốt nghiệp.
Cảm ơn các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Sức bền vật liệu – Cơ học
kết cấu trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, các thầy cô trong tiểu ban bảo vệ đề
cương, các thầy cô trong tiểu ban kiểm tra tiến độ luận văn, đã có những ý
kiến góp ý quý báu cho nội dung luận văn.
Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi những hạn
chế, thiếu sót. Tơi xin hứa sẽ đầu tư nghiên cứu thêm những vấn đề cịn hạn
chế, thiếu sót đó để hồn thiện thêm kiến thức của mình trong q trình làm
việc sau này.
Hà Nội, ngày ...... tháng ..... năm 2020

Học viên

Nguyễn Quang Trung

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan Luận văn Thạc sỹ này là cơng trình nghiên cứu khoa học
độc lập của tôi. Các số liệu khoa học, kết quả nghiên cứu của Luận văn là
trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.

Học viên

Nguyễn Quang Trung


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục bảng biểu
Danh mục hình vẽ
Danh mục chữ viết tắt
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
* Lý do chọn đề tài ......................................................................................................... 1
* Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 1
* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 2
* Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 2
* Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 2
* Cấu trúc luận văn ......................................................................................................... 2
NỘI DUNG..................................................................................................................... 4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÓ LIÊN KẾT
ĐÀN HỒI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG
KẾT CẤU ....................................................................................................................... 4

1.1. Các phương pháp tính tốn nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi ... 9
1.1.1. Các phương pháp giải tích [2] ............................................................................. 9
1.1.2. Phương pháp số ..................................................................................................21
1.2. Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng............................................................24
1.2.1. Bài tốn tối ưu hóa..............................................................................................24
1.2.2. Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng.........................................................27
1.3. So sánh đặc điểm của các phương pháp tính tối ưu trọng lượng .......................32
1.3.1. Phương pháp quy hoạch toán học .....................................................................32
1.3.2. Phương pháp tiêu chuẩn tối ưu ..........................................................................32


1.3.3. Phương pháp tối ưu tiến hóa ..............................................................................32
1.3.4. Phương pháp ứng dụng thuật giải di truyền......................................................32
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG QUY TRÌNH TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG
KHUNG THÉP PHẲNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN
........................................................................................................................................33
2.1. Cơ sở lý thuyết tính tối ưu bằng phương pháp thuật giải di truyền....................33
2.1.1. Các tính chất và đặc điểm của thuật giải di truyền ...........................................34
2.1.2. Các nguyên tắc và nguyên lý hoạt động của thuật giải di truyền ....................35
2.2. Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng phương
pháp thuật giải di truyền ...............................................................................................42
2.2.1. Phát biểu bài toán ...............................................................................................42
2.2.2. Thiết kế quy trình thuật giải di truyền ...............................................................43
2.3. Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng
phương pháp thuật giải di truyền .................................................................................44
2.3.1. Tính tốn nội lực khung có nút liên kết đàn hồi bằng phương pháp phần tử
hữu hạn ..........................................................................................................................44
2.3.2. Quy trình tính nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng phương
pháp phần tử hữu hạn ...................................................................................................51
2.3.3. Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi

bằng phương pháp thuật giải di truyền ........................................................................51
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TỐN ............................................................................56
3.1. Tính nội lực khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn....................................57
3.1.1. Chương trình chính ............................................................................................57
3.1.2. Chương trình phụ trợ..........................................................................................58
3.2. Tính tối ưu trong lượng khung thép bằng phương pháp thuật giải di truyền ....62
3.2.1. Hàm mục tiêu......................................................................................................62
3.2.2. Hàm phạt (penalty function) ..............................................................................63


3.2.3. Lựa chọn .............................................................................................................64
3.2.4. Lai ghép và đột biến ...........................................................................................66
3.2.5. Chương trình tính tối ưu hóa .............................................................................68
KẾT ḶN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................74
Kết luận .........................................................................................................................74
Kiến nghị .......................................................................................................................74
TÀI LIỆU THAM KHẢO


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Số hiệu hình
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3

Nội dung
Kết quả tính nội lực

Trang
62

Kết quả tính tốn tối ưu khi khơng kể tới độ đàn hồi
của liên kết
Kết quả tính toán tối ưu khi kể tới độ đàn hồi của liên
kết

72

73

DANH MỤC HÌNH VẼ
Số hiệu hình
Hình 1.1

Hình 1.2

Hình 1.3

Hình 1.4

Nội dung
Khung thép sử dụng trong xây dựng nhà dân dụng
nhiều tầng 1 nhịp
Khung thép sử dụng trong xây dựng nhà dân dụng
nhiều tầng nhiều nhịp
Khung thép sử dụng trong xây dựng nhà công nghiệp
1 tầng 1 nhịp
Khung thép sử dụng trong xây dựng nhà cơng nghiệp
nhiều tầng nhiều nhịp

Trang
5

5

6

6

Hình 1.5

Khung thép phẳng có liên kết đàn hồi

8

Hình 1.6

Khung thép phẳng 2 tầng 2 nhịp có liên kết đàn hồi

8

Hình 1.7

Nút khung thép phẳng có liên kết đàn hồi

8

Hình 1.8

Cấu tạo nút khung thép phẳng có liên kết đàn hồi

9

Hình 1.9

Ví dụ về hệ khung siêu tĩnh

10

Hình 1.10

Ví dụ về thiết lập hệ cơ bản trong hệ siêu tĩnh

11

Hình 1.11

Ví dụ về sơ đồ tính khung có liên kết đàn hồi

15


Hình 1.12

Hệ cơ bản của khung có liên kết đàn hồi

15

Hình 1.13

Ví dụ về hệ siêu động và hệ xác định động

18

Hình 1.14

Ví dụ về cách thiết lập HCB trong phương pháp
chuyển vị

18

Hình 1.15

Ví dụ về hệ khung có liên kết đàn hồi

20

Hình 1.16

Hệ cơ bản của ví dụ trong hình

21

Hình 2.1

Sơ đồ thực hiện thuật giải di truyền cơ bản

41

Hình 2.2

Phần tử dầm với các liên kết đàn hồi

44

Hình 2.3

Mơ hình 2-D Phần tử dầm

46

Hình 2.4

Mơ hình 2-D phần tử cột

49

Hình 2.5

Sơ đồ các bước tối ưu khung phẳng có liên kết đàn
hồi bằng phương pháp thuật giải di truyền

55

Hình 3.1

Sơ đồ khung thép phẳng 1 tầng 1 nhịp

56

Hình 3.2

Kết quả chương trình tính

72

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chứ viết tắt

Tên đầy đủ

GA

Thuật giải di truyền

HCB

Hệ cơ bản

PPTHHH

Phương pháp phần tử hữu hạn


1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Trong tính tốn và thiết kế kết cấu cơng trình thì vấn đề lựa chọn kích thước
cấu kiện phù hợp sao cho vẫn đủ khả năng chịu lực và vẫn đảm bảo được tính kinh

tế cho cơng trình là một vấn đề ngày càng được quan tâm và nghiên cứu. Đối với
kết cấu khung thép phẳng, trong một số tiêu chuẩn nước ngoài, nút liên kết giữa các
cấu kiện dầm-cột đã được tính tốn có kể đến độ đàn hồi của liên kết phụ thuộc vào
từng loại liên kết sử dụng trong nút khác nhau. Tuy nhiên, theo tiêu chuẩn kết cấu
thép áp dụng tại Việt nam hiện nay thì để đơn giản trong tính tốn, thường coi nút
khung là cứng hoặc khớp hồn tồn, chưa kể đến một cách cụ thể độ đàn hồi của
liên kết dầm – cột. Điều đó khơng phản ánh được sự làm việc thực tế của toàn hệ ,
dẫn tới việc nội lực phân bố chưa được chính xác do sơ đồ tính tốn chưa được hợp
lý. Vì vậy, tiêu chí tiết kiệm trong việc lựa chọn kích thước tiết diện chưa được
đảm bảo. Do đó, vấn đề phân tích nội lực trong khung thép phẳng có nút liên kết
đàn hồi có ý nghĩa thực tiễn.
Bên cạnh đó, việc giải quyết bài tốn tối ưu hóa trong kết cấu cơng trình nói
chung và kết cấu khung thép phẳng nói riêng giúp cho việc lựa chọn tiết diện của
các cấu kiện một cách hợp lý mà vẫn đảm bảo được các tiêu chí về độ bền, độ cứng
và độ ổn định cho cơng trình. Để giải quyết được vấn đề này có thể áp dụng nhiều
phương pháp khác nhau tùy thuộc vào tính phức tạp cũng như mục tiêu mà bài tốn
đặt ra. Trong khn khổ luận văn, tác giả lựa chọn đề tài nghiên cứu “Tính tối ưu
trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng phương pháp thuật giải
di truyền” để giải quyết bài toán lựa chọn kích thước tiết diện tối ưu cho kết cấu
khung thép.
Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu bài tốn tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết
đàn hồi bằng phương pháp thuật giải di truyền;


2

Khảo sát sự ảnh hưởng của nút có liên kết đàn hồi tới kết quả tính tốn bài
tốn tối ưu hóa để từ đó đưa ra một số khuyến nghị cần thiết;
Lập quy trình tính tối ưu hóa trọng lượng kết cấu cho khung thép phẳng

có nút liên kết đàn hồi bằng phương pháp thuật giải di truyền.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: kết cấu khung thép phẳng;
Phạm vi nghiên cứu: Kết cấu khung thép phẳng chịu tải trọng tĩnh, vật
liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Nghiên cứu các phương pháp tính
tốn để giải quyết vấn đề tối ưu trọng lượng kết cấu. Trên cơ sở đó lựa
phương pháp thuật giải di truyền để giải quyết bài toán tối ưu trọng lượng kết
cấu khung thép phẳng nút liên kết đàn hồi.
Sử dụng phần mềm lập trình Matlab để khảo sát số một số bài toán cụ
thể.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học:
Đưa ra những kết quả tính tốn tối ưu trọng lượng kết cấu khung thép
phẳng có nút liên kết đàn hồi;
Các kết quả nghiên cứu có thể áp dụng trong việc phân tích kết cấu
cơng trình.
Cấu trúc luận văn
Ngoài các phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, Tài liệu tham khảo và
Phụ lục, nội dung chính của Luận văn gồm ba chương:
- Chương 1: Tổng quan về kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn
hồi và các phương pháp tính tối ưu trọng lượng kết cấu.


3

- Chương 2: Quy trình tính tối ưu trọng lượng kết cấu khung phẳng
bằng phương pháp thuật giải di truyền.
- Chương 3: Các ví dụ tính tốn.

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU KHUNG PHẲNG CÓ LIÊN
KẾT ĐÀN HỒI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN TỐI ƯU
TRỌNG LƯỢNG KẾT CẤU
1.1. Các phương pháp tính tốn nội lực khung thép phẳng có nút liên kết đàn
hồi
1.2. Các phương pháp tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên
kết đàn hồi
1.3. So sánh đặc điểm của các phương pháp tính tối ưu trọng lượng
CHƯƠNG 2. QUY TRÌNH TÍNH TỐI ƯU TRỌNG LƯỢNG KẾT CẤU
KHUNG THÉP PHẲNG CÓ NÚT LIÊN KẾT ĐÀN HỒI BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THUẬT GIẢI DI TRUYỀN
2.1. Cơ sở lý thuyết giải bài tốn tối ưu hóa bằng phương pháp thuật giải di
truyền
2.2. Tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi bằng
phương pháp thuật giải di truyền
2.3. Quy trình tính tối ưu trọng lượng khung thép phẳng có nút liên kết đàn
hồi bằng phương pháp thuật giải di truyền
CHƯƠNG 3. VÍ DỤ TÍNH TỐN
3.1. Tính nội lực khung bằng phương pháp phần tử hữu hạn
3.2. Tính tối ưu trong lượng khung thép bằng phương pháp thuật giải di
truyền
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Kiến nghị


THƠNG BÁO
Để xem được phần chính văn của tài liệu này, vui
lịng liên hệ với Trung Tâm Thơng tin Thư viện
– Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội.

Địa chỉ: T.13 – Nhà H – Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
Đ/c: Km 10 – Nguyễn Trãi – Thanh Xuân Hà Nội.
Email:

TRUNG TÂM THÔNG TIN THƯ VIỆN


74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Trong luận văn đã trình bày được tổng quan các phương pháp giải bài toán tối
ưu kết cấu, tình hình nghiên cứu tối ưu hố kết cấu ở Việt Nam tổng quan về kết
cấu khung thép phẳng và khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi.
Tác giả đã nghiên cứu về phương pháp thuật giải di truyền và phân tích về khả
năng phù hợp trong việc ứng dụng của thuật giải di truyền để tính tốn tối ưu kết
cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi
Luận văn đã tìm hiểu được nội dung của thuật giải di truyền, nêu lên được
nguyên lý hoạt động và cơ chế thực hiện của thuật giải. Đưa ra sơ đồ khối tính tốn
tối ưu kết cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi.
Luận văn đã đưa ra quy trình tính tốn nội lực cho khung thép khi kể đến nút
có liên kết đàn hồi.
Trên cơ sở nghiên cứu về phương pháp thuật giải di truyền cho bài tốn tối ưu
hóa trọng lượng kế cấu khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi, tác giả đã thiết lập
được một chương trình tính sử dụng ngơn ngữ lập trình tính tốn MATLAB để tự
động hóa q trình tính tốn.
Qua đó rút ra một số kết luận quan trọng sau:
 GA rất hiệu quả trong việc xử lý các bài toán phức tạp như phải nhiều yếu
tố, nhiều biến khác nhau và người sử dụng có thể dễ dàng bổ sung các yêu
cầu mới không nhất thiết phải kiểm tra mối liên hệ với các yêu cầu cũ.

 GA rất hiệu quả với bài toán tối ưu mà biến có thể là rời rạc.
 Mặc dù linh hoạt về tính tốn nhưng GA có nhược điểm lớn là về thời gian
tính tốn đặc biệt khi số lượng biến lớn, cấn phân tích qua nhiều thế hệ để
thấy được sự hội tụ thì thời gian chạy khá lâu.
Kiến nghị
Tăng cường áp dụng công nghệ tin học để GA có thể tối ưu được kết cấu một
cách mạnh mẽ hơn như sử dụng các ngơng ngữ lập trình mạnh hơn, sử dụng máy


75

tính cấu hình cao, viết chương trình phân mảnh dữ liệu để chạy trên nhiều máy rồi
tổng hợp lại.
Thuật giải di truyền có thể áp dụng vào bài tốn tối ưu cấu trúc của kết cấu
khung thép phẳng có nút liên kết đàn hồi.
Để thực tế hơn nữa áp dụng bài tốn thuật giải di truyền ngồi hàm mục tiêu là
các ràng buộc về kết cấu thép quen thuộc là kết hợp với các điều kiện của môi
trường, độ tin cậy và tuổi thọ cơng trình vào tính kết cấu cơng trình.


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
1. Vũ Quốc Anh, Nguyễn Trâm (2002), Hiệu quả kinh tế khi thiết kế
khung thép có xét đến độ đàn hồi của liên kết, Tuyển tập cơng trình
khoa học, Hội nghị cơ học tồn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr
603-609.
2. Vũ Quốc Anh (2002), Phương pháp tính nội lực và chuyển vị khung
thép có xét đến độ đàn hồi của liên kết, Tuyển tập cơng trình khoa học,
Hội nghị cơ học tồn quốc lần thứ VII, Hà Nội 11/2002, tr 45-51.
3. Lê Xuân Huỳnh (2006), Tính tốn kết cấu theo lý thuyết tối ưu, Nhà

xuất bản Khoa học và kỹ thuật.
4. Hoàng Kiếm, Lê Hoài Bắc, Lê Hoàng Thái (2000), Mạng nơ ron và
thuật giải di truyền: Ứng dụng cho nhận dạng ký tự viết tay, Báo cáo
khoa học công nghệ thông tin, Trường Đại học khoa học tự nhiên –
ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, tháng 5, tr. 66 - 77.
5. Nguyễn Hồng Sơn (2007), Phân tích kết cấu khung thép phẳng có liên
kết nửa cứng phi tuyến, Luận văn Tiến sĩ kỹ thuật, Đại học Kiến trúc hà
Nội, Hà Nội.
6. Nguyễn Đình Thúc (2001), Lập Trình Tiến Hố, Nhà xuất bản Giáo dục.
7. Nguyễn Thời Trung, Nguyễn Xuân Hùng , Phương pháp phần tử hữu
hạn sử dụng Matlab.
Tiếng Anh
8. Aniko Csebfalvi, Optimal design of frame structures with semi-rigid
joints, Civil Engineering, Periodica Polytechnica, 2007.
9. Charles V. Camp, Shahram Pezeshk, and Hakan Hansson, Flexural
Design of Reinforced Concrete Frames Using A Genetic Algorithm,
Journal Of Structural Engineering / January 2003 / 115.


10.Chen Wai-fah, Norimitsu Kishi and Masato Komuro, Semi-rigid
connections handbook.
11.Gerard R. Monforton. Matrix analysis of frames with semi-rigid
connections, 1962.
12.Hegazy, T., and M. Kassab. 2003. Resource optimization using
combined simulation and genetic algorithms, Journal of Construction
Engineering and Management, 129(6), 698-705.
13.Kandil, A., and K. El-Rayes. 2006, Parallel genetic algorithms for
optimizing resource utilization in largescale construction projects,
Journal of Construction Engineering and Management. 132(5), 491-498.
14.Kim, J.-L., E. Noornejad, and A. Koofigar. 2010, Integrated genetic

algorithm application in construction research, Department of Civil
Engineering and Construction Engineering Management, California
State University, Long Beach, CA.
15.Kim, J.-L., and R. D. Ellis. 2008, Permutation based elitist genetic
algorithm for multiple resource constrained project scheduling problem,
Journal of Construction Engineering and Management, 134(11): 904913.
16.Liu, Y., S.-L. Zhao, X.-K. Du, and S.-Q. Li. 2005, Optimization of
resource allocation in construction using genetic algorithms, Proc.
2005 Int. Conf. on Machine Learning and Cybernetics. 6(18-21), 34283432.