طراحی بهینه عرشه پلهای بتنی پیش ‏تنیده جعبه‏ای بر اساس آیین‏ نامه بارگذاری پل ایران با استفاده از الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : علمی - پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در این مقاله، بهینه‏سازی عرشه پلهای بتنی پیش‏تنیده پس‏کشیده جعبه‏ای بر اساس آیین‏نامه بارگذاری پل ایران مورد بررسی قرار گرفته است. کاهش وزن عرشه پل علاوه بر این که باعث صرفه‏جویی در مصالح مصرفی و در نتیجه هزینه‏های روسازه و زیرسازه می‏شود، تأثیر بسزایی در کاهش نیروی زلزله وارد بر پل دارد. در این بهینه‏سازی، متغیرهای گوناگون از جمله ابعاد اجزای مختلف سطح مقطع عرشه، تعداد تاندونها، تعداد کابلهای هر تاندون، آرایش تاندونها، نسبت آرماتور کششی دال بالا و دال طره و میزان نیروی کشش جک در نظر گرفته شده است. قیود مشخصه بر روی این متغیرها بر اساس شرایط عملی ساخت و محدودیتهای آیین‏نامه‏ای است. قیود ضمنی برای طراحی نیز طبق ضوابط استاندارد AASHTO فرمول بندی می‏شود. به دلیل غیرخطی بودن بیشتر قیود، با یک مساله بهینه‏سازی غیرخطی روبرو هستیم که حداقل‏های موضعی مختلفی دارد؛ به همین دلیل نیاز به روشی است که قادر به شناسایی حداقل کلی تابع هدف باشد. در این مقاله از الگوریتم ژنتیک (GA) برای بهینه‏سازی استفاده شده است. این الگوریتم، توانایی قابل توجهی در حل مسائل بهینه‌سازی پیچیدهای دارد که روش‌های کلاسیک برای آنها یا قابل اعمال نبوده و یا در یافتن بهینه کلی قابل اطمینان نیستند. نتایج حاصل از این بهینه‏سازی نشان می‏دهد، با یک بار فرمول‏بندی مساله طراحی پل و با کمک الگوریتم ژنتیک می‏توان در مدت زمان کوتاهی به پاسخ بهینه دست پیدا کرد. الگوریتم ژنتیک به طور موفقیت آمیزی در این بهینه‏سازی بکار گرفته شد و طرح بهینه به طور دقیق محاسبه گردید. عرشه بهینه به دست آمده که دارای حداقل وزن ممکن بوده، تمام ضوابط آیین‏نامه‏ای تعریف شده و حداقل و حداکثرهای اجرایی موردنظر طراح را رعایت می‏کند.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Cost Optimum Design of Prestressed Concrete Bridge Decks Based on Bridge Loading Iranian Code using Genetic Algorithm

نویسندگان [English]

  • Hossein Naderpour
  • Ali A. Kheyroddin
  • Mashalah Arab Naeini
چکیده [English]

Among the concrete bridge deck sections, single-cell box girder is one of the most common sections. Single box arrangements are efficient for both longitudinal and transverse designs, and they produce an economic solution for most medium and long span bridges. Design of prestressed concrete bridges involves many variables which are related to each other. So it leads to a wide variety of acceptable designs. Since bridge designers conventionally use trial and error method along their experiences, optimality of the design depends significantly on designers' experiences. Thus these structures have significant potential of cost optimization. In this study, optimization of simply supported, post-tensioned prestressed concrete box girder bridges using Genetic Algorithm (GA) is presented. Genetic algorithm is an iterative procedure maintaining a population of structures that are candidate solutions to specific domain challenges.  During  each temporal increment (called a generation), the  structures  in the  current  population are rated for their effectiveness as  domain  solutions,  and on the basis of these evaluations, a new population  of  candidate  solutions is formed using specific genetic operators such as  reproduction, crossover, and mutation. They efficiently exploit historical information to speculate on new search points with expected improved performance. Iran bridge loading code is considered for loading the bridge and AASHTO standard specifications for highway bridges are used for designing the bridge. Various variables considered are cross-sectional dimensions of the girder, number of tendons, number of strands per tendon, tendons arrangement, reinforcements of slabs and prestressing force. Constant design parameters are bridge width, span length and material properties. It is concluded that optimization using new algorithms like GA is an appropriate alternative for traditional bridge design process which will result in saving in time, cost and human effort.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • optimization
  • Concrete Bridge
  • Box girder
  • Genetic algorithm
- سازمان مدیریت و برنامهریزی کشور(1379) « آیین‏نامه بارگذاری پلها»،  نشریه شماره 139، تجدید نظر اول، انتشارات سازمان مدیریت و برنامهریزی کشور.
- AASHTO (2002) “Standard specifications for highway bridges”, 17th Ed. Washington DC.

- Adeli, H. and Sarma, K. C. (2006) “Cost optimization of structures”, Wiley, Chichester, UK.

- Ahsan, R., Rana S. and Ghani, S. N. (2012) “Cost optimum design of posttensioned I-girder bridge using global optimization algorithm”, Journal of Structural Engineering, 138(2), pp.273–284.

- Ayvaz, Y. and Aydin, Z. (2009) “Optimum topology and shape design of prestressed concrete bridge girders using a genetic algorithm”, Journal of Structural and Multidisciplinary Optimization, 41(1), pp.151–162.

- Cohn, M. Z. and Lounis, Z. (1993) “Optimum limit design of continuous prestressed concrete beams. Journal of Structural Engineering, ASCE, 119(12), pp.3551–3570.

- Cohn, M. Z. and MacRae, A. J. (1984a) “Optimization of structural concrete beams”, Journal of Structural Engineering, ASCE, 110(7), pp.1573–1588.

- Fereig, S. M. (1996) “Economic preliminary design of bridges with prestressed I-girders”, Journal of Bridge Engineering, ASCE, 1(1), 18–25.

- Freyssinet Inc. (1999) “The C Range post-tensioning system”, excerpted from: www .freyssinet.com: (May 10, 2010).

- Goldberg, D. E. (1989) “Genetic algorithms in search, optimization and machine learning”, Addision-Wesley, Reading, Massachusetts.

- Hassanain, M. A. and Loov, R. E. (2003) “Cost optimization of concrete bridge infrastructure”, Canadian Journal of Civil Engineering, 30(5), pp.841–849.

- Hewson, N. R. (2003) “Prestressed Concrete Bridges: Design and Construction, Thomas Telford.

- Holland, J. H. (1975) “Adaptation in natural and artificial systems”, The University of Michigan Press, Ann Arbor, Michigan.

- Koumousis, V. K. and Arsenis, S. J. (1998) “Genetic algorithms in optimal detailed design of reinforced concrete members”, Journal of Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 13(1), pp.43–52.

- Rajeev, S. and Krishnamoorthy, C. S. (1998) “Genetic algorithm-based methodology for design optimization of reinforced concrete frames”, Journal of Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering, 13(1), pp.63–74.

- Sarma, K. C. and Adeli, H. (1998) “Cost optimization of concrete structures”, Journal of Structural Engineering, ASCE, 124(5), pp. 570–578.

- Sirca, G. F., and Adeli, H. (2005) “Cost optimization of prestressed concrete bridges”, Journal of Structural Engineering, 131(3), pp. 380–388.

-Soh, C. K. and Yang, J. (1998) “Optimal layout of bridge trusses by genetic algorithms”, Journal of Computer Aided Civil and Infrastructure Engineering, 13(4), pp. 247–254.

- Torres, G. G. B., Brotchie, J. F. and Cornell, C. A. (1966) “A program for the optimum design of prestressed concrete highway bridges”, PCI Journal, 11(3), pp. 63–71.

- Yeh, I. (1999) “Hybrid genetic algorithms for optimization of truss structures”, Journal of Computer Aided Civil and Infrastructure Engineering, 14(3), pp.199–206.

- Yu, C. H., Das Gupta, N. C. and Paul, H. (1986) “Optimization of prestressed concrete bridge girders” Journal of Engineering Optimization, 10(1), pp. 13–24.