Automatic Design of Large-Scale Trusses: A Comparison Between Derivative-Free Algorithms

Fecha

2020-11-11

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Editor

Universidad EAFIT

Resumen

The design of steel trusses is a frequent problem in civil engineering, which requires the experience of the design engineer to achieve a structural solution with good performance and that can satisfy the established needs. In recent years, the design of these systems has been supported by the application of various methods of optimization, which allow optimal solutions, meeting the proposed design objectives, automatically and in a shorter time. This research presents the application of a series of multiobjective metaheuristic algorithms for the automatic design of large-scale trusses. The NSGA-II, MOPSO and AMOSA algorithms were applied and the structures reported in the literature were considered to be made up of a high number of elements. The performance of the algorithms was evaluated based on the computational cost, the hypervolume criterion and the behavior that the algorithms have when increasing the amount of iterations per optimization cycle. The search space used in the optimization was discrete, restricted by the W steel profiles available in the Colombian market. The results obtained show that, for the proposed problems, the MOPSO algorithm is the most efficient, followed by the AMOSA and the NSGA-II which showed a higher computational cost. Finally, it is worth mentioning that the calculation times were less than one hour, for trusses close to a thousand elements.
El diseño de estructuras metálicas tipo cercha es un problema frecuente enla ingeniería civil, que requiere de la experiencia del ingeniero diseñadorpara lograr una solución estructural con buen desempeño y que puedasatisfacer las necesidades establecidas. En los últimos años, el diseñode estos sistemas ha sido soportado mediante la aplicación de diversosmétodos de optimización, que permiten obtener soluciones óptimas,dando cumplimiento a los objetivos de diseño propuestos, de formaautomática y en un menor tiempo de trabajo. Esta investigación presentala aplicación de una serie de algoritmos metaheurísticos multiobjetivopara el diseño automático de cerchas de gran escala. Se aplicaron losalgoritmos NSGA-II, MOPSO y AMOSA, y se consideraron estructuras reportadas en la literatura conformadas por un número elevado deelementos. El desempeño de los algoritmos se evaluó con base en el costocomputacional, el criterio del hipervolumen y el comportamiento quetienen los algoritmos al aumentar la cantidad de iteraciones por ciclode optimización. El espacio de búsqueda usado en la optimización fuediscreto, restringido por los perfiles de acero W disponibles en el mercadocolombiano. Los resultados obtenidos demuestran que, para los problemaspropuestos, el algoritmo MOPSO es el más eficiente, seguido del AMOSAy del NSGA-II que mostró un costo computacional mayor. Finalmente,vale la pena mencionar que los tiempos de cálculo fueron menores a unahora, para cerchas cercanas a los mil elementos.

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