Thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc

BỘGIÁO DUC V ̣ À ĐÀO TAỌ

TRƯỜNG ĐAỊ HOC Ṃ Ở THÀNH PHỐ HỒ CHÍMINH

-----------------------------------------------

LÊ QUANG HÒA

THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU DỰA TRÊN ĐỘ TIN

CẬY CHO KẾT CẤU MÓNG CỌC

LUÂN VĂN TH ̣ AC̣ SỸ

XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. Hồ ChíMinh, Năm 2017

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng luận văn này “Thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho

kết cấu móng cọc” là bài nghiên cứu của chính tôi.

Ngoài trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan

rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hoặc

được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.

Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này

mà không được trích dẫn theo đúng quy định.

Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại

học hoặc cơ sở đào tạo khác.

TP. Hồ Chí Minh, 2017.

Lê Quang Hòa

ii

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Nguyễn Thời

Trung, thầy là người đã truyền đạt kiến thức cho tôi về môn học “tối ưu hóa dựa trên

độ tin cậy” trong quá trình học cao học tại trường. Thầy cũng là người hướng dẫn,

gợi ý để tôi có hướng đi đúng trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn

này.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS. TS. Dương Hồng Thẩm, người

đã truyền đạt cho tôi những kiến thức về nền móng trong quá trình học cao học và

giúp tôi hình thành ý tưởng nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy trong

công tác nền móng. Đây là hướng nghiên cứu vẫn còn khá mới so với nước ta.

Tiếp đến, tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao

học tại trường Đại học Mở TP. Hồ Chí Minh. Thầy cô đã hướng dẫn, truyền đạt, bổ

sung những kiến thức rất quý giá cho tôi. Từ đó giúp tôi có thể hoàn thành luận văn

và làm nền tảng phát triển trên con đường nghiên cứu sau này.

Tôi cũng xin cảm ơn đến ThS. Võ Duy Trung là người đã giúp đỡ, hướng dẫn,

tận tình hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả anh

chị em đang làm việc tại viện khoa học tính toán (INCOS) – Trường Đại học Tôn

Đức Thắng, đã tạo điều kiện cho tôi có một môi trường làm việc và học tập thân thiện,

hỗ trợ tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè của tôi. Những người

đã chia sẻ, động viên và luôn giúp đỡ trong lúc khó khăn, để tôi hoàn thành tốt luận

văn này.

Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017

Học viên

Lê Quang Hòa

iii

TÓM TẮT

Đề tài được thực hiện nhằm thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho

kết cấu móng cọc. Bài toán tối ưu đa mục tiêu được thành lập với hai hàm mục tiêu

là thể tích và độ lún móng cọc. Biến thiết kế là chiều dài cọc và đường kính cọc. Hàm

ràng buộc là các ràng buộc về ứng xử kết cấu gồm khả năng chịu tải, độ lún của móng

cọc và giới hạn của biến thiết kế. Bài toán cũng xét đến sự ảnh hưởng của các yếu tố

ngẫu nhiên, bằng cách kể thêm ràng buộc về chỉ số độ tin cậy

*



hay ràng buộc xác

suất an toàn cho trước của kết cấu. Để giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa

trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc, phương pháp được sử dụng trong luận văn là

phương pháp kết hợp giữa hai giải thuật SLDM (Single Loop Deterministic Method)

và NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm – II). Trong phương pháp

này, giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM đầu tiên được sử dụng để chuyển

đổi ràng buộc xác suất thành ràng buộc tiền định. Sau đó, giải thuật phân loại di truyền

không bị trội NSGA – II được sử dụng để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ

tin cậy. Ngoài ra, phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM (First Order

Reliability Methods), cũng được sử dụng để đánh giá độ tin cậy tại các điểm thiết kế

của hai bài toán thiết kế tối ưu tiền định DO – NSGA – II và thiết kế tối ưu dựa trên

độ tin cậy RBDO – NSGA – II. Kết quả của luận văn được đánh giá và kiểm chứng

so với các kết quả đã được công bố trước đó.

Từ khóa: tối ưu hóa đa mục tiêu, tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy,

móng cọc, tối ưu hóa nền móng, NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic

Algorithm – II), SLDM (Single Loop Deterministic Method)

iv

ABSTRACT

The research aims to design multi-objective reliability-based optimization

problems for the pile foundation. The multi-objective optimization problems are

established with two objective functions: volume and settlement of the pile

foundation. The design variables are pile length and pile diameter. The constraint

functions are the behavior constraints of structures including the load-bearing

capacity, settlement of pile foundation and the limits of the design variables. The

research also considered the influence of random variables, by adding the reliability

index

*



constraint or safety probability of the structure constraint. To solve multi￾objective reliability-based design optimization problems for the pile foundation, the

method used in the thesis is the combination of two algorithms SLDM (Single Loop

Deterministic Method) and NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm

– II). In this method, a Single Loop Deterministic Method algorithm (SLDM) is first

applied to transform probabilistic constraint to deterministic constraint. Then, Non￾dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) is applied to solve the multi￾objective reliability-based design optimization problems. Besides, The First Order

Reliability Methods is also applied to evaluate the reliability level at design points of

two problems of Determined Optimization design (DO – NSGA – II) and Reliability

Based-Design Optimization design (RBDO – NSGA – II). The results of the thesis

are evaluated and compared with the results published previously.

Keywords: Multi-objective optimization, Multi-objective optimization based on

reliability, Pile Foundation, Foundation Optimization, NSGA-II (Non-dominated

Sorting Genetic Algorithm – II), SLDM (Single Loop Deterministic Method).

v

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................i

LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii

TÓM TẮT ...................................................................................................... iii

ABSTRACT .......................................................................................................iv

MỤC LỤC ........................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT........................................................................xii

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU.............................................................................................1

1.1 Giới thiệu chung ........................................................................................1

1.2 Tình hình nghiên cứu.................................................................................7

1.2.1 Thế giới......................................................................................................7

1.2.2 Trong nước.................................................................................................9

1.3 Các mục tiêu nghiên cứu .........................................................................11

1.4 Phạm vi nghiên cứu .................................................................................12

1.5 Cấu trúc luận văn .....................................................................................12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................14

2.1 Tính toán khả năng chịu tải cho móng cọc..............................................14

2.1.1 Khả năng chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu...................................14

2.1.2 Khả năng chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền ......................15

2.1.3 Chọn hệ số an toàn và tính sức chịu tải cho phép....................................16

2.1.4 Thông số đầu vào.....................................................................................16

2.1.5 Xác định sơ bộ kích thước đài cọc...........................................................17

2.1.6 Xác định số lượng cọc sơ bộ trong đài cọc..............................................17

2.1.7 Cấu tạo và tính toán đài cọc.....................................................................17

2.1.8 Kiểm tra lực tác dụng lên đầu cọc ...........................................................18

2.1.9 Kiểm tra điều kiện ổn định ......................................................................18

2.2 Tính toán độ lún của móng cọc ...............................................................19

vi

2.3 Tổng quan về bài toán tối ưu ...................................................................21

2.3.1 Bài toán tối ưu đa mục tiêu......................................................................21

2.3.2 Bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy ..........................................................23

2.4 Giải thuật tối ưu dựa trên độ tin cậy sử dụng phương pháp một vòng lặp

đơn xác định SLDM..............................................................................................24

2.4.1 Xác định điểm MPP - Most Probable Point ............................................27

2.4.2 Chuyển đổi miền thiết kế xác suất thành miền thiết kế tiền định............29

2.4.3 Thiết lập các ràng buộc tiền định cho bài toán RBDO............................30

2.5 Giải thuật di truyền phân loại không bị trội NSGA - II...........................33

2.5.1 Khái niệm đường Pareto..........................................................................33

2.5.2 Khái niệm về sự trội (Domination)..........................................................34

2.5.3 Quá trình tạo dân số ban đầu ...................................................................34

2.5.4 Đánh giá hàm mục tiêu............................................................................36

2.5.5 Xếp hạng cá thể trong quần thể ...............................................................37

2.5.6 Quá trình lựa chọn (Crowded Tournament Selection Operator).............38

2.5.7 Quá trình lai tạo .......................................................................................39

2.5.8 Quá trình đột biến ....................................................................................40

2.5.9 Xử lý ràng buộc .......................................................................................40

2.6 Giải thuật một vòng lặp đơn SLDM kết hợp giải thuật NSGA – II cho bài

toán RBDO (SLDM – NSGA – II).......................................................................41

2.7 Thành lập bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết

cấu móng cọc sử dụng phương pháp SLDM – NSGA – II...................................42

2.7.1 Bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu.........................................................42

2.7.2 Bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy..........................43

2.7.3 Cách xác định chỉ số độ tin cậy

*

 .........................................................43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ SỐ ..................................................................................46

3.1 Bài toán 1: các bài toán kiểm tra code lập trình matlab ..........................46

3.1.1 Ví dụ 1 .....................................................................................................46

3.1.2 Ví dụ 2 .....................................................................................................48

3.2 Bài toán 2: thiết kế khả năng chịu tải của móng cọc ...............................50

vii

3.2.1 Sơ lược công trình Dự án Reverside Thủ Đức ........................................50

3.2.2 Số liệu địa chất.........................................................................................51

3.2.3 Thông số tiết diện, tải trọng, vật liệu bê tông – cốt thép của cọc ............54

3.2.4 Xác định sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu .............................56

3.2.5 Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền..............................................57

3.2.6 Thiết kế mặt bằng bố trí cọc và đài cọc...................................................58

3.2.7 Kiểm tra các điều kiện về khả năng chịu tải và độ lún............................58

3.3 Bài toán 3: thiết kế tối ưu đa mục tiêu sử dụng giải thuật NSGA – II ....59

3.3.1 Khảo sát sự ảnh hưởng giữa số lượng cá thể và số thế hệ.......................60

3.3.2 Khảo sát biến thiết kế cho bài toán tối ưu đa mục tiêu............................63

3.3.2.1 Trường hợp một biến thiết kế

L

c  ..........................................................63

3.3.2.2 Trường hợp hai biến thiết kế

L D

c c

,  .....................................................66

3.4 Bài toán 4: thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy sử dụng giải

thuật SLDM – NSGA – II.....................................................................................67

3.4.1 Trường hợp một biến thiết kế

L

c  ..........................................................69

3.4.2 Trường hợp hai biến thiết kế

L D

c c

;  .....................................................74

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .....................................82

4.1 Kết luận....................................................................................................82

4.2 Hướng phát triển......................................................................................84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................86

PHỤ LỤC ......................................................................................................91

viii

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Hạ lồng thép cọc khoan nhồi tại Sông Đà Riverside. .................................2

Hình 1.2. Thi công đào móng cọc barrette tòa nhà 16B. ............................................2

Hình 1.3. Thi công cọc ép khu ....................................................................................2

Hình 1.4. Thi công cọc khoan nhồi tòa nhà LandMark. .............................................2

Hình 2.1. Mô tả nghiệm bài toán tối ưu tiền định.....................................................22

Hình 2.2. Mô tả nghiệm tối ưu có sự ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên............23

Hình 2.3. Mô tả nghiệm bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy. ....................................24

Hình 2.4. Sự khác biệt của nghiệm bài toán tối ưu khi chưa xét đến độ tin cậy và khi

xét đến độ tin cậy (Trung et al. 2014). ......................................................................25

Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật vòng lặp đôi DLM. .........................................................26

Hình 2.6. Sơ đồ giải thuật vòng lặp tuần tự DDLM. ................................................26

Hình 2.7. Sơ đồ giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM. ................................27

Hình 2.8. Mô tả điểm xác suất cao nhất MPP...........................................................29

Hình 2.9. Minh họa chuyển đổi miền thiết kế của bài toán: a.

*

0.5 i

r 

; b.

*

0.5 i

r  .

...................................................................................................................................29

Hình 2.10. Mô tả chuyển đổi miền thiết kế có độ tin cậy của bài toán: a. Li và cộng

sự (Li et al. 2012); b. Luận văn.................................................................................32

Hình 2.11. So sánh chuyển đổi miền thiết kế với độ tin cậy

*

 1, 2

và

3............33

Hình 2.12. Mô tả tập hợp nghiệm Pareto. .................................................................33

Hình 2.13. Sơ đồ giải thuật NSGA – II (Starkey et al. 2016). ..................................35

Hình 2.14. Sơ đồ phân loại cá thể của giải thuật NSGA – II (Kalyanmoy Deb 2001).

...................................................................................................................................36

Hình 2.15. Mô tả khoảng cách vùng an toàn (crowding distance)

i

d

của cá thể

i . .39

Hình 2.16. Sơ đồ giải thuật SLDM kết hợp NSGA – II............................................42

Hình 3.1. Sơ đồ chịu lực kết cấu dầm. ......................................................................46

Hình 3.2. Kết quả nghiệm Pareto tối ưu....................................................................47

ix

Hình 3.3. Nghiệm tối ưu dựa trên độ tin cậy: a. Kalyanmoy Deb (Deb et al. 2009); b.

Luận văn....................................................................................................................50

Hình 3.4. Vị trí công trình.........................................................................................51

Hình 3.5. Phối cảnh Dự án Riverside Thủ Đức. .......................................................51

Hình 3.6. Mặt cắt địa chất Dự án Riverside Thủ Đức – Sông Đà Group. ................52

Hình 3.7. Mặt cắt hố khoan HK1 Dự án Riverside Thủ Đức. ..................................53

Hình 3.8. Mặt bằng móng cọc điển hình (Block C)..................................................55

Hình 3.9. Sơ đồ khối tính toán kết quả số.................................................................56

Hình 3.10. Nghiệm tối ưu cho trường hợp 100/100 (cá thể/ thế hệ).........................61

Hình 3.11. Nghiệm tối ưu cho 4 trường hợp (cá thể/ thế hệ)....................................61

Hình 3.12. Nghiệm tối ưu cho trường hợp 100/1000 (cá thể/ thế hệ).......................62

Hình 3.13. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp

D

c

 0.6 m..............................63

Hình 3.14. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp

D

c

 0.8 m, 1.0 m

và

1.2 m ..65

Hình 3.15. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp 2 biến

L D

c c

; .........................66

Hình 3.16. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, trường hợp

D

c

1.0 m .......................70

Hình 3.17. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO ở các chỉ số độ tin cậy khác nhau. ........74

Hình 3.18. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO, sử dụng hai biến thiết kế

L D

c c

; . .......75

Hình 3.19. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, sử dụng hai biến thiết kế ở các chỉ số độ

tin cậy khác nhau.......................................................................................................77

Hình 3.20. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, sử dụng hai biến thiết kế ở các mức hệ số

tỷ lệ thay đổi khác nhau. ...........................................................................................80

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. Thông số bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy RBDO................................31

Bảng 2.2. So sánh kết quả kiểm chứng cho bài toán RBDO – SLDM .....................32

Bảng 2.3. Phân loại mức độ ảnh hưởng ....................................................................44

Bảng 2.4. Giá trị tối thiểu của chỉ số độ tin cậy

*



(trạng thái giới hạn).................44

Bảng 2.5. Mối liên hệ giữa

*



và

Pf

.......................................................................45

Bảng 2.6. Xác suất độ an toàn tương ứng với chỉ số độ tin cậy

*

 ..........................45

Bảng 3.1. Thông số đầu vào của bài toán .................................................................47

Bảng 3.2. So sánh kết quả nghiệm tối ưu của bài toán .............................................48

Bảng 3.3. Thông số đầu vào của bài toán .................................................................49

Bảng 3.4. Thông số dữ liệu địa chất..........................................................................54

Bảng 3.5. Đặc trưng cơ lý của các lớp đất ................................................................54

Bảng 3.6. Thông số tải trọng.....................................................................................54

Bảng 3.7. Thông số vật liệu bê tông – cốt thép của cọc............................................55

Bảng 3.8. Bảng tổng hợp kết quả sức chịu tải cọc theo cường độ vật liệu...............57

Bảng 3.9. Bảng tổng hợp kết quả sức chịu tải cọc theo đất nền ...............................57

Bảng 3.10. Bảng tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra đài móng cọc........................58

Bảng 3.11. Bảng lựa chọn thông số khảo sát ............................................................60

Bảng 3.12. Thông số lựa chọn ban đầu của phương pháp NSGA – II......................63

Bảng 3.13. So sánh kết quả tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu – điểm A ..............64

Bảng 3.14. So sánh kết quả tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu – điểm D, E, F .....66

Bảng 3.15. Tổng hợp nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp 2 biến

L D

c c

; .........67

Bảng 3.16. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,

ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi

V 10% ........................................................................69

Bảng 3.17. So sánh trọng lượng tối ưu của kết cấu dầm...........................................71

Bảng 3.18. Nghiệm tối ưu bài toán DO và RBDO, trường hợp

D

c

1.0 m ............72

Bảng 3.19. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO ở các chỉ số độ tin cậy khác nhau.........73

xi

Bảng 3.20. Nghiệm tối ưu bài toán DO và RBDO, sử dụng hai biến thiết kế

L D

c c

; 

...................................................................................................................................76

Bảng 3.21. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO, sử dụng hai biến thiết kế ở các chỉ số độ

tin cậy khác nhau.......................................................................................................77

Bảng 3.22. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,

ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi

V 15% ........................................................................78

Bảng 3.23. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,

ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi

V  20% .......................................................................79

Bảng 3.24. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO ở các mức hệ số tỷ lệ thay đổi khác nhau

...................................................................................................................................81