Comparison of Flower Pollination Algorithm and Particle Swarm Optimization for Structural Weight Minimization of RC Beams with Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)

Yıl 2025, Cilt: 25 Sayı: 2, 381 - 387

Melda Yücel

Öz

In order to generate the best namely most appropriate design, different methodologies can be preferred. In nowadays, especially, metaheuristic algorithms, which have been proposed by inspiring various metaphors such as genetic, abilities of animals or natural behaviors of plants etc., can be useful, suitable and effective to provide the target results for any optimization problem. For this reason, in the current study, to design the most appropriate structural model intended for reinforced concrete (RC) beam structures supported with carbon fiber reinforced polymer (CFRP), two different population-based metaheuristic methodologies as flower pollination algorithm (FPA), and a classical one as particle swarm optimization (PSO) were operated. By this respect, several independent optimization cases were applied to compare the success and efficiency of algorithms in terms of minimization of total weight besides optimization of design parameters as number and width of CFRP plates. According to results, it can be said that FPA is the most powerful algorithm for determining the best parameters of structural models with the aim of providing minimum weight by considering the error metrics of objective function, and the lowness of weight values.

Anahtar Kelimeler

Optimization, Metaheuristic algorithms, Structural engineering, Fiber reinforced polymers, Cost minimization

Karbon Fiber Polimer Takviyeli Betonarme Kirişlerin Yapısal Ağırlık Minimizasyonu İçin Popülasyon Tabanlı Metasezgisel Algoritmaların Karşılaştırılması

Öz

En iyi diğer bir deyişle en uygun tasarımı oluşturmak için farklı metodolojiler tercih edilebilmektedir. Günümüzde ise özellikle genetik, canlıların yetenekleri veya bitkilerin doğal yaşamdaki davranışları gibi çeşitli metaforlardan ilham alınarak geliştirilmiş olan metasezgisel algoritmalar herhangi bir optimizasyon problemi için hedef sonuçları sağlamak açısından kullanışlı, uygun ve etkili olabilmektedir. Bu nedenle mevcut çalışmada karbon fiber polimer takviye ile desteklenen betonarme kiriş yapıları için en uygun yapısal modelin tasarlanmasında çiçek tozlaşma algoritması ve klasik bir metod olan parçacık sürüsü optimizasyonu olarak iki farklı popülasyon tabanlı metasezgisel algoritma kullanılmıştır. Bu bağlamda CFRP plakaların genişliği ve sayısı olarak tanımlanan tasarım parametrelerinin optimizsyonunun yanısıra algoritmaların başarısı ve etkinliğini toplam ağırlığın minimize edilmesi açısından kıyaslamak için çeşitli bağımsız optimizasyon senaryoları uygulanmıştır. Sonuçlara göre ağırlık değerlerinin düşüklüğü ve amaç fonksiyonu için hata metrikleri dikkate alınarak minimum ağırlığın sağlanması doğrultusunda yapısal modellerin en iyi parametrelerini belirlemek için FPA’ nın en güçlü algoritma olduğu söylenebilir

Anahtar Kelimeler

Optimizasyon, Metasezgisel algoritmalar, Yapı mühendisliği, Fiber takviyeli polimerler, Maliyet minimizasyonu

Kaynakça

• Manahiloh, K.N., Nejad, MM, and Momeni, MS., 2015. Optimization of design parameters and cost of geosynthetic-reinforced earth walls using harmony search algorithm. International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering, 1(2), 1-12. https://doi.org/10.1007/s40891-015-0017-3.
• Barakat, S.A., AlHamaydeh, M.H., and Nassif, O.M., 2015. Optimization of seismic isolation systems with viscous fluid dampers using genetic algorithms. The 5th International conference on computational methods in structural dynamics and earthquake engineering (COMPDYN2015). Crete Island, Greece, 4086-4095.
• Ulusoy, S., Kayabekir, A.E., Bekdaş, G., and Nigdeli, S.M., 2018. Optimum design of reinforced concrete multi-story multi-span frame structures under static loads. International Journal of Engineering and Technology, 10(5), 403-407. https://doi.org/10.7763/IJET.2018.V10.1092.
• Lu, Z, Li, K, Ouyang, Y, Shan, J., 2018. Performance-based optimal design of tuned impact damper for seismically excited nonlinear building. Engineering Structures, 160, 314-327. https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2018.01.042.
• Yücel, M., Bekdaş, G., and Ni̇gdeli̇, S.M., 2020. Minimizing the weight of cantilever beam via metaheuristic methods by using different population-iteration combinations. WSEAS Transactions in Computers, 19, 69-77. https://doi.org/10.37394/23205.2020.19.10.
• Nguyen-Van, S., Nguyen, T.T.N, Nguyen-Dinh, N., and Lieu, Q.X., 2020. Truss optimization under frequency constraints by using a combined differential evolution and jaya algorithm. International Conference on Engineering Research and Application (ICERA 2020). Thai Nguyen, Vietnam, 861-873. https://doi.org/10.1007/978-3-030-64719-3_95.
• Negrin, I.A., and Chagoyén, E.L., 2022. Economic and environmental design optimisation of reinforced concrete frame buildings: A comparative study. Structures, 38, 64-75. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.01.090.
• Yücel, M., Nigdeli, S.M., and Bekdaş, G., 2022. Generation of sustainable models with multi-objective optimum design of reinforced concrete (RC) structures. Structures, 40, 223-236. https://doi.org/10.1016/j.istruc.2022.04.020.
• SeyedOskouei, S.L., Sojoudizadeh, R., Milanchian, R., and Azizian, H., 2024. Shape and size optimization of truss structure by means of improved artificial rabbits optimization algorithm. Engineering Optimization, 1-30. http://dx.doi.org/10.1016/j.eswa.2012.02.113.
• Luévanos-Rojas, A., Santiago-Hurtado, G., Moreno-Landeros, V.M., Olguin-Coca, F.J., López-León, L.D., and Diaz-Gurrola, E.R., 2024. Mathematical modeling of the optimal cost for the design of strap combined footings. Mathematics, 12(2), 294. https://doi.org/10.3390/math12020294.
• Yang, X.S., 2012. Flower pollination algorithm for global optimization. International conference on unconventional computing and natural computation. Springer, Berlin, Heidelberg, 240-249. https://doi.org/10.1007/978-3-642-32894-7_27.
• Kennedy, J., and Eberhart, R., 1995. Particle swarm optimization. Proceedings of ICNN'95-international conference on neural networks. Perth, Australia, 1942-1948. https://doi.org/10.1109/ICNN.1995.488968.