ФГБОУ ВО «БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Грант РФФИ

Грант РФФИ 16-38-00041

Грант РФФИ 16-38-00041 Эволюционная оптимизация стальных несущих конструкций зданий и сооружений нормального и повышенного уровней ответственности


Руководитель:
к. т. н., доцент кафедры «Проектирование зданий и сооружений» НИУ МГСУ
Алексейцев А.В.

Исполнители:
к. т. н., доцент кафедры «Строительное производство» БГИТУ
Курченко Н.С.,
старший преподаватель кафедры «Строительное производство» БГИТУ
Викторов Д.А.

На основе эволюционного поиска разработаны методы структурно-параметрической и параметрической оптимизации нормально эксплуатируемых рамных конструкций зданий и сооружений нормального и повышенного уровней ответственности, которые позволяют выполнять эффективное формообразование объектов и решать задачи большой вычислительной емкости с учетом активных ограничений по устойчивости, прочности и жесткости.

Предложены методологические основы идентификации параметров запроектных нагрузок на рамные стальные конструкции с использованием информации о поврежденном объекте, что может использоваться при экспертном анализе аварийных ситуаций в строительстве.

Разработана методика экспериментально-теоретического исследования конструкций сооружений нормального и повышенного уровней ответственности при ненормируемых аварийных ситуациях.

Основные результаты за 2016 год

 1. Разработан метод параметрической оптимизации деформируемых объектов, осуществляемый с учетом активных ограничений по прочности, жесткости и устойчивости на дискретных множествах параметров, определяемых номенклатурой изделий, изготавливаемых в строительной отрасли. Проверка устойчивости в эволюционном процессе оптимального проектирования выполняется по деформированной схеме путем организации внутренней итерационной процедуры. В ходе поиска решения используется комбинированный учет ограничений, основанный на совместном применении неординарной стратегии формирования популяций и введения штрафных функций, корректирующих значение функции цели для вариантов конструкций с незначительным нарушением одного или нескольких ограничений. Если внутренний итерационный процесс анализа устойчивости варианта конструкции не сходится, то такой вариант конструкции исключается из рассмотрения. Рассмотренные примеры расчета и оптимизации конструкций показали достоверность и высокую точность предлагаемого подхода

2.Разработаны методы структурной оптимизации стержневых стальных конструкций на основе совместного использования методов эволюционного моделирования,триангуляции и тетраэдризации с ограничениями, которые позволяют эффективно выполнять формообразование таких объектов. Оптимальное формообразование структуры (топологии) плоских конструкций выполняется с использованием алгоритма простой итеративной триангуляции с ограничениями Делоне. При этом конструкция представляется в виде неориентированного графа, вершины которого отождествляются с узлами, а ребра со стержнями деформируемого объекта. Треугольники строятся на множестве вводимых узлов с неварьируемыми положениями (опоры, точки приложения нагрузки и т.п.) и узлахс варьируемыми координатами. При образовании треугольников используется критерий минимальной длины стержней для нескольких вариантов триангуляции. Для перестроения триангуляций используется известный прием «флипа». Оптимальное формообразование пространственных стержневых систем основано на применении тетраэдризации с ограничениями Делоне, суть которой в разбивке пространства, ограниченного плоскостями, определяющими габаритные размеры конструкции, на тетраэдры. Аналогично вводятся множества узлов с неварьируемыми и варьируемыми координатами. После тетраэдризации выполняется варьирование координатами узлов конструкции. Критерием оптимальности получаемой формы является также минимальная длина ребер тетраэдров, отождествляемых со стержневыми элементами. Разработанные алгоритмы показали свою эффективность на примерах синтеза топологий плоских ферм и структурных плит.

3. Повышена производительность эволюционных алгоритмов путем разработки регулируемых генетических операторов мутации, кроссинговера, инверсии, что позволило решать задачи оптимизации большой вычислительной емкости. Суть регулируемых генетических операторов в том, что их управляющие параметры связываются с числом пройденных в процессе поиска решения итераций. На первых итерациях применение операторов приводит к большому количеству изменений при генерации варианта конструкции. Оператор мутации может иметь несколько меняющихся параметров, оператор кроссинговера несколько точек разрезки. По мере приближения к оптимуму число значений параметров варианта конструкции, подвергаемых изменениям, становится минимальным. Оператор кроссинговера может при необходимости отключаться. Такая стратегия управления параметрами эволюционных операторов является инновационной как для зарубежных, так и для отечественных исследований.

4. Разработаны методологические основы идентификации параметров запроектных нагрузок на рамные стальные конструкции с использованием информации о поврежденном объекте. Идентификация выполняется на основе оценки величины обобщенной невязки между теоретическими и экспериментальными данными. Поиск теоретических данных, связанных с параметрами, идентифицирующими запроектное воздействие, выполняется на основе алгоритма деформируемого многогранника Нелдера-Мида и процедуры Хука-Дживса. В качестве теоретических и экспериментальных данных используются величины остаточных перемещений. В качестве параметров, идентифицирующих запроектное воздействие, рассматриваются интенсивность нагрузки, ее направления и точки ее приложения. Примеры идентификации реальных воздействий на экспериментальные образцы пространственных стальных рам показали работоспособность и эффективность идентификации нагрузок, вызывающих локальные повреждения.

Основные результаты за 2017 год

1.    Разработана методология поиска рациональных решений для конструктивных систем зданий и сооружений нормального и повышенного уровней ответственности по параметрам и структурам на основе комбинированной метаэвристической стратегии. Данная стратегия в общем случае содержит три этапа и базируется на совместном использовании методов структурного синтеза (плоской триангуляции и избыточной структуры), эволюционного моделирования, процедур анализа в статической и динамической постановках напряженно-деформированного состояния объектов методом конечных элементов. При этом для моделирования запроектных воздействий используется следующий подход. Первоначально выполняются расчеты поврежденной системы в динамической постановке с учетом нелинейного поведения объекта. Затем после статического расчета этой конструкции вычисляются динамические коэффициенты. Полученные динамические коэффициенты используются при проверке работоспособности вариантов конструкций в процессе эволюционного поиска. При реализации данной методологии в процессе поиска предусматривается возможность учета стоимости сварных узловых соединений и упрощенной схемы взаимодействия конструктивной системы с основанием.

2.    Предложена методика экспериментально-теоретических исследований стрежневых строительных конструкций на ненормированные запроектные воздействия. Методика отработана на испытаниях стропильной фермы в составе каркаса промышленного здания на комбинированные ударные воздействия. Рассматриваются динамическая разгрузка нижнего пояса фермы и комбинация воздействий из разгрузки и неупругого удара. Установлено, что для рассматриваемого запроектного воздействия на ферму максимальные значения перемещений и деформаций наблюдаются в первой четверти периода основной формы колебаний, что может использоваться при оценке живучести таких конструктивных систем.

3.    По результатам апробации методики экспериментально-теоретических исследований стрежневых строительных конструкций на ненормированные запроектные воздействия решена прикладная задача определения максимальной массы воздухоохладительного прибора, отрыв которого оказывает динамическое воздействие на конструкцию фермы. Установлено, что уровень динамического догружения в стержнях при значениях этой массы, не превышающей 0,5 т, не оказывает существенного влияния на напряженно-деформированное состояние несущей системы.

4.    Разработана стратегия параметрической оптимизации строительных конструкций, в которой путем вариации уровня надежности и параметров несущей системы минимизируется стоимость объекта системы с учетом затрат на строительство, а также социальных и экономических потерь при возможных повреждениях в условиях нормальной эксплуатации. Предложен алгоритм выполнения оптимизации такого типа для стальных рамных конструкций с использованием эволюционной вычислительной схемы. В результате поиска проектного решения представляется возможным оценить уровень затрат, необходимых для осуществления строительства при условии прогнозируемой вероятности отказа несущих элементов.

По результатам выполнения исследований за первый год достигнуты следующие показатели по поставленным в заявке целям:

1). Общая концепция решения оптимизационных задач для стальных конструктивных систем с учетом нормативных и запроектных воздействий: 60%.

2). Итерационная схема оптимизации основе новой эволюционной стратегии: 90%

3). Процедуры учета типов узловых соединений в процессе оптимизации, упрощенные схемы моделирования взаимодействия основания и сооружения: 0%.

4).Методы и алгоритмы комплексной структурно-параметрической оптимизации стержневых конструкций с использованием триангуляции Делоне и метода избыточных структур: 100%

5) Методика расчета повреждаемых стальных конструкций с анализом живучести объекта при различных сценариях возникновения аварийных локальных повреждений: 0%.

6). Комплексная оценка эффективности предлагаемых методов и сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными 50%.

Общий процент достижения всех целей проекта за первый год 50%.

По результатам выполнения исследований за первый и второй годы достигнуты следующие показатели по поставленным в заявке целям:

1). Общая концепция решения оптимизационных задач для стальных конструктивных систем с учетом нормативных и запроектных воздействий: 100%.

2). Итерационная схема оптимизации основе новой эволюционной стратегии: 100 %

3). Процедуры учета типов узловых соединений в процессе оптимизации, упрощенные схемы моделирования взаимодействия основания и сооружения: 100%.

4). Методы и алгоритмы комплексной структурно-параметрической оптимизации стержневых конструкций с использованием триангуляции Делоне и метода избыточных структур: 100%

5) Методика расчета повреждаемых стальных конструкций с анализом живучести объекта при различных сценариях возникновения аварийных локальных повреждений: 100 %.

6). Комплексная оценка эффективности предлагаемых методов и сопоставление результатов численного моделирования с экспериментальными данными 100 %.

Все цели исследований, которые ставились в двухлетний период работы, достигнуты на 100%.

Обязательства по проекту выполнены в полном объеме.

Список научных трудов по проекту

1. Serpik I.N., Alekseytsev A.V., Balabin P., Kurchenko N.S. Overall stability verification in optimization of flat rod systems // Magazine of Civil Engineering, 2018 (на рецензии)

2. Serpik I.N., Alekseytsev A.V. Optimization of steel frame building systems in terms of parameters and reliability requirements // XXI International Scientific Conference on Advanced in Civil Engineering, 2018 (на рецензии)

3. Алексейцев А.В., Курченко Н.С. Трехэтапное эволюционное проектирование стальных конструктивных систем сооружений нормального и повышенного уровней ответственности // Научное обозрение. 2017. № 15. С. 44-54.

4. Курченко Н.С., Алексейцев А.В. Эволюционная модель поиска рационального распределения ресурсов при ограничении продолжительности строительства Наука и бизнес: пути развития. 2017. № 4. С. 19-23.

5. Alekseytsev A.V., Kurchenko N.S. Deformations of steel roof trusses under shock emergency action // Magazine of Civil Engineering. 2017. № 5 (73). С. 3-13.

6. Алексейцев А.В., Курченко Н.С. Идентификация запроектных нагрузок на стальные рамы / Инвестиции, строительство, недвижимость как материальный базис модернизации и инновационного развития экономики: материалы VI Международной научно-практической конференции, 1–3 марта 2016 г.: в 2 ч.Ч.1 // Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2016. – С. 368-373.

7. Курченко Н.С., Алексейцев А.В., Галкин С.С. Методика определения продолжительности строительства на основе эволюционного моделирования с учетом случайных организационных ожиданий // Вестник МГСУ. №10. –2016. – С.119-130.