Optimal design of RC frames using a modified hybrid PSOGSA algorithm

The present study has been taken up to emphasize the role of the hybridization process for optimizing a given reinforced concrete (RC) frame. Although various primary techniques have been hybrid in the past with varying degree of success, the effect of hybridization of enhanced versions of standard optimization techniques has found little attention. The focus of the current study is to see if it is possible to maintain and carry the positive effects of enhanced versions of two different techniques while using their hybrid algorithms. For this purpose, enhanced versions of standard particle swarm optimization (PSO) and a standard gravitational search algorithm (GSA), were considered for optimizing an RC frame. The enhanced version of PSO involves its democratization by considering all good and bad experiences of the particles, whereas the enhanced version of the GSA is made self-adaptive by considering a specific range for certain parameters, like the gravitational constant and a set of agents with the best fitness values. The optimization process, being iterative in nature, has been coded in C++. The analysis and design procedure is based on the specifications of Indian codes. Two distinct advantages of enhanced versions of standard PSO and GSA, namely, better capability to escape from local optima and a faster convergence rate, have been tested for the hybrid algorithm. The entire formulation for optimal cost design of a frame includes the cost of beams and columns. The variables of each element of structural frame have been considered as continuous and rounded off appropriately to consider practical limitations. An example has also been considered to emphasize the validity of this optimum design procedure.

W niniejszym artykule przedstawiono bardziej realistyczny i optymalny projekt żlbetowych ram konstrukcyjnych (RC) poprzez hybrydyzację ulepszonych wersji standardowej optymalizacji roju cząsteczek (PSO) oraz standardowy algorytm wyszukiwania grawitacyjnego (GSA). Podejście proponowane w niniejszej pracy koncentruje się na hybrydyzacji ulepszonych wersji standardowej optymalizacji roju cząsteczek (PSO) oraz standardowym algorytmie wyszukiwania grawitacyjnego (GSA). PSO została zdemokratyzowana poprzez uwzględnienie wszystkich dobrych i złych doświadczeń w zakresie cząsteczek, podczas gdy GSA został zmieniony na samodostosowujący, uwzględniając określony zakres dla niektórych parametrów, takich jak np. stała grawitacyjna i zestaw czynników o najlepszych wartościach sprawności. Optymalny rozmiar i wzmocnienie elementów zostały określone dzięki zastosowaniu techniki w środowisku komputerowym, w którym cały proces analizy, projektowania i optymalizacji został zakodowany w C++. Procedura analizy i projektowania przebiega zgodnie ze specyfikacjami kodów indyjskich. Okazało się, że zastosowanie samodostosowującego algorytmu wyszukiwania grawitacyjnego wraz z demokratyczną techniką optymalizacji roju cząsteczek zapewnia dwie wyraźne przewagi nad standardową PSO i GSA, a mianowicie lepszą zdolność do ucieczki od lokalnej optymalności i szybszy współczynnik konwergencji. Całe sformułowanie dla optymalnego projektu kosztów ramy obejmuje zarówno koszt belek i słupów. W tym podejściu, zmienne każdego elementu ramy konstrukcyjnej zostały uznane za funkcje ciągłe i zaokrąglone odpowiednio do zastosowania praktycznego znaczenia niniejszego badania. Rozważono kilka przykładów, które podkreślają ważność optymalnej procedury projektowania, a wyniki porównano z wcześniejszymi badaniami, w celu sprawdzenia ich skuteczności i efektywności. Proponowany algorytm pokonuje ograniczenia dwóch indywidualnych algorytmów, biorąc pod uwagę ich hybrydę, a tym samym poprawia ogólną wydajność. Wprowadzono niezbędne zmiany, aby badanie było zgodne z wcześniejszymi badaniami. Porównanie z innymi wcześniej stosowanymi technikami hybrydowymi pokazuje, że czas potrzebny na przeprowadzenie procesu optymalizacji w niniejszym badaniu – z wykorzystaniem techniki MPSOGSA – został znacznie zmniejszony. Ponadto, podczas projektowania ram RC obniżono całkowity koszt za pomocą techniki MPSOGSA. Obniżenie kosztów w obszarze stali odgrywa większą rolę w optymalizacji, w porównaniu do redukcji kosztów w przekroju poprzecznym elementów ramy, co zostało szczegółowo przeanalizowane na przykładzie.