[論文レビュー] Biogeography-Based Optimization of RC structures including static soil-structure interaction

Iván Negrin, Dirk Roose+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2021

Innovations in Concrete and Construction Materials参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、SAP2000を構造解析エンジンとして用い、静的土-構造相互作用（SSSI）を考慮した鉄筋 concrete（RC）構造物のコスト最小化を目的としたバイオジオグラフィーに基づく最適化（BBO）フレームワークを提示する。従来の設計と比較して、直接建設コストを21％削減した。コスト削減の妥当性とSSSI効果の感度分析が検証された。

ABSTRACT

A method to minimize the cost of the structural design of reinforced concrete structures using Biogeography-Based Optimization, an evolutionary algorithm, is presented. SAP2000 is used as computational engine, taking into account modelling aspects such as static soil-structure interaction (SSSI). The optimization problem is formulated to properly reflect an actual design problem, limiting e.g. the size of reinforcement bars to commercially available sections. Strategies to reduce the computational cost of the optimization procedure are proposed and an extensive parameter tuning was performed. The resulting tuned optimization algorithm allows to reduce the direct cost of the construction of a particular structure project with 21% compared to a design based on traditional criteria. We also evaluate the effect on the cost of the superstructure when SSSI is takeninto account.

研究の動機と目的

• 現実的な設計制約とSSSI効果を組み込んだRC構造物のコスト最小化フレームワークの開発を目的とする。
• アルゴリズムのパラメータチューニングと効率的な探索戦略の導入により、進化的最適化における計算コストを低減することを目的とする。
• 静的土-構造相互作用（SSSI）が上部構造のコストと設計効率に与える影響を評価することを目的とする。
• 商業的に入手可能な断面に制限された鉄筋のバー径を用いることで、設計の実現可能性を保証することを目的とする。
• 実際の構造プロジェクトを用いて、従来の設計手法と比較して最適化フレームワークの妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• RC部材および鉄筋の設計パラメータ空間を探索するために、進化的アルゴリズムであるバイオジオグラフィーに基づく最適化（BBO）を採用した。
• 非線形静的プッシュオーバー解析にSSSI効果を組み込むために、SAP2000を構造解析エンジンとして統合した。
• バー径および断面寸法のコード適合制約を尊重しつつ、直接建設コストを最小化する最適化問題を定式化した。
• 適応的移動率と集団制御を含む、パラメータチューニングと計算効率戦略を適用し、実行時間を短縮した。
• SAP2000において基礎の柔軟性と土層の剛性をモデル化することで、静的土-構造相互作用（SSSI）を組み込んだ。
• BBOと局所探索ヒューリスティクスを組み合わせたハイブリッド手法を採用し、収束速度の向上と解の品質の改善を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SSSIを含めた場合に、バイオジオグラフィーに基づく最適化がRC構造物の直接コストをどの程度削減できるか。
• RQ2 静的土-構造相互作用（SSSI）の導入が、RC上部構造の最適設計とコストにどのように影響を与えるか。
• RQ3 計算効率戦略が、構造最適化におけるBBOアルゴリズムの収束性と実行時間に与える影響は何か。
• RQ4 商業的に入手可能な鉄筋バー径が、最適設計の結果とコスト削減に与える影響は何か。
• RQ5 提案されたBBOフレームワークは、コストと構造的実現可能性の観点から、従来の設計手法を一貫して上回ることができるか。

主な発見

• 提案されたBBOに基づく最適化により、対象RC構造物の直接建設コストが従来の設計手法と比較して21％削減された。
• 静的土-構造相互作用（SSSI）を組み込むことで、断面寸法および鉄筋配置の最適設計に顕著な影響が生じた。
• チューニング済みのBBOアルゴリズムは、実行可能な計算時間内で収束を達成し、パラメータチューニングと効率戦略の有効性が裏付けられた。
• 最適化結果は実際の設計に実現可能であり、すべての鉄筋バー径が標準的で商業的に入手可能な断面から選択された。
• 感度分析により、SSSIがコストおよび構造挙動に測定可能な影響を与えることが確認され、最適化モデルへの組み込みが正当化された。
• SAP2000とBBOの統合により、SSSI効果の正確なモデル化と最適化過程における信頼性の高い構造挙動評価が可能になった。