Radial basis function surrogate model-based optimization of road restraint systems: Three case studies - Özcanan, Sedat (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019)
Karayolu güvenliği; hem yolu kullananların can güvenliğinin, hem de yolun geçtiği çevrenin önem derecesine göre korunmasını amaçlamaktadır. Bu kapsamda varolan karayolu geometrik standartlarının yükseltilmesi, katılım denetimi ve hız kısıtı gibi önlemlerin yanında, yoldaki önem derecesi yüksek bölgelere yolkenar koruyucu yapıları yapılmaktadır. Otokorkuluk, çarpma yastığı, uç terminalleri ve benzeri yolkenar koruyucu yapıları (YKY), yol platformuna paralel olarak refüjde veya yolkenarında inşa edilen, araçların yoldan çıkmaları durumunda çarpma ihtimalleri bulunan suni engellerdir. YKY araçların yolkenarlarında bulunan doğal veya insan yapısı engellere çarpması, köprüden düşmesi, şarampole yuvarlanması gibi tehlikeli durumları önlemek ve dolayısıyla araç içerisindeki yolcuları korumak için kullanılır. Arasıra da olsa yayaları, bisikletlileri veya yol kenarında çalışan görevlileri araç trafiğine karşı koruma amaçlı da kullanılabilirler. YKY içerisinde en yaygın olarak kullanılanı otokorkuluklardır. Otokorkuluklar karayollarında kullanılan pasif güvenlik tertibatlarından biridir ve kendisine araç darbesi olana kadar yol güvenliğine herhangi bir katkıda bulunmazlar. Otokorkuluklar genel olarak çarpan araçları karayolu içerisinde, mümkünse güvenlik şeridinde tutmak, araçların hareket enerjisini yutmak ve onları yavaşlatarak durdurmak üzere tasarlanırlar. Tasarımı amaçlanan mühendislik yapılarının tam boyutlu gerçek testleri hem pahalı hemde zaman almaktadır. Nümerik (sonlu elemanlar) modellemelerin ve sayısal algoritmaların gelişmesiyle beraber, mühendislik yapılarının tam ölçekli modellerinin, Ls-Dyna ve benzeri ticari sonlu elemanlar programları kullanılarak modellenmesi yaygınlaşmaktadır. Nümerik benzetimler kullanılarak yapılan tasarımlar zaman ve verim açısından avantaj sağlamaktadır. Özellikle nümerik yöntemler analitik (matematik) yöntemlerle birleştirilerek yapılan benzetim tabanlı tasarım eniyileme çalışmalarıyla eniyi tasarımlar elde edilebilmektedir. Benzetim tabanlı tasarım eniyilemesi yönteminde genel anlamda izlenen yol; öncelikle farklı kombinasyonlarda ve çeşitli benzetimler yapılarak sistemin davranışları belirlenir. Daha sonra elde edilen benzetim verilerine, uygun eniyileme yöntemi uygulanarak ideal tasarım elde edilir. Fakat çok sayıda benzetim yapmak yüksek maliyet ve zaman gerektirmektedir. Bundan dolayı genellikle sezgisel model/metamodel (surrogate model) tercih edilmektedir. Metamodel; uygulanan modelin, kendisinin çeşitli bileşenleri arasındaki ilişkilerin açıklanması ve tanımı için hizmet veren modelin modelidir. Esas modeli taklit eden model olarakta açıklanmaktadır. Metamodel çok sayıda benzetim yapmak yerine, benzetimi yapılacak modelleri taklit ederek, maliyet ve zamandan avantaj sağlayabilmektedir. Otokorkuluklar genel olarak yatay doğrultuda ray ve dikey doğrultuda dikmelerden oluşur. Araç çarpması durumunda ray esneyerek darbe yüklerini dikmelere aktarır ve dikmeler de yükü mesnetlendiği zemine iletir. Tasarımın istendiği gibi çalışabilmesinde dikmelerin zemine gömülme derinlikleri en önemli detaylardan birisidir. Bilindiği gibi karayollarında otokorkulukların çakıldığı zeminler genellikle büyük değişiklikler göstermesine rağmen otokorkuluk çakılma derinlikleri zeminlerin özelliklerine göre belirlenmemektedir. Uygulamada dikme gömülme derinliğinin her tip zeminde aynı olması mühendislik açısından kabul edilebilir bir durum değildir. Ayrıca otokorkulukları oluşturan ray ve dikme gibi ana parçaların kesit ve geometrik ölçüleri sistemin güvenlik performansını ve ekonomik tasarımı etkilemektedir. Tüm bunlarla beraber güvenlik, sağlamlık, malzeme ömrü ve montaj/demontaj avantajları otokorkuluk sistemlerinin tercih edilmesinde etkili faktörlerdir. Yukarıdaki açıklamaların ışığında, karayolu güvenliği sistemlerini etkileyen faktörler göz önüne alındığında, üç vaka ele alınmış ve bu tezde eniyilemeleri amaçlanmıştır. Ele alınan bu vakalar/durumlar, C, H ve S tipi dikmelerin eniyi gömülme derinliklerinin belirlenmesi, S235JR, S275JR ve S355JR kalite çelik malzemelerden üretilen H1W4 ve H2W4 korkuluk sistemlerinin kesitsel eniyilemesi ve sağladığı avantajlar nedeniyle tercih edilen otokorkuluk sistemi olarak New Jersey (NJ) tipi beton bariyerin eniyi/en emniyetli tasarımının elde edilmesidir. Yapılan çalışmalar aşağıda özetlenmiştir. Durum 1: İlk durumda, üç farklı korkuluk dikmesinin değişenken yoğunlukta toprağa gömülü eniyi/faydalı derinliklerini bulmayı amaçladı. Dikmeler, sahada dinamik darbe yükleri ile test edilerek, dikme-toprak etkileşimi araştırılmış ve daha sonra detaylı sonlu elemanlar modelleri yapılmıştır. Deneysel testlerin ve benzetimlerin pahalı ve zaman alıcı olduğu iyi bilinmektedir. Bu nedenle, eniyileme hesaplama maliyetini düşürmek için, deneysel ve pahalı üç boyutlu sonlu eleman modellerini taklit edecek taşıyıcı/vekil modelleri oluşturmak için radyal temelli fonksiyon tabanlı metamodelleme metodolojisi kullanılmıştır. Radyal temelli fonksiyon modelini oluşturmak için, tam faktöryel tasarımı yardımıyla örneklemler türetilmiştir. Daha sonra, türetilmiş veriler sonlu elemanlar analizleri kullanılarak amaç fonksiyonları oluşturuldu. Türetilen değişkenler ve amaç/kısıt fonksiyonları yardımıyla radyal temelli fonksiyon tabanlı metamodeller üretildi. Metamodellerin doğruluğu "k-kat çapraz doğrulama" ile sınandı, daha sonra çok amaçlı genetik algoritma kullanılarak eniyileme yapıldı. Eniyi gömülme derinlikleri elde edildikten sonra, sonuçların sonlu eleman benzetimleri, tam ölçekli çarpışma testi sonuçlarıyla karşılaştırıldı. Eniyi gömülme derinlikleri gerçek gömülme derinlikleriyle karşılaştırıldığında, güvenlik ve çarpma dayanıklılığından ödün vermeden önemli ekonomik avantajlar sağlamıştır. Yapılan karşılaştırmadan, C, S ve H tipi dikmeler için sırasıyla % 17.89, % 36.75 ve % 43.09 gibi bir ekonomik avantaj sağlandığı sonucuna varılmıştır. Durum 2: İkinci durumda, S235JR, S275JR ve S355JR kalite çelik malzemelerden üretilen H1W4 ve H2W4 performans seviyesindeki korkulukların güvenlik ve ekonomik açısından optimize edilmesi amaçlanmaktadır. Bu amaçla, taşıyıcı/vekil model tabanlı eniyileme kullanılmıştır. Bu bağlamda, tasarım değişkenleri dikme genişliği (x1) ve rayın kesit kalınlığı (x2), objektif fonksiyonlar çalışma genişliği (w) ve araç çıkış açısı () olarak seçilmiştir. Tasarım değişkenleri (x1, x2), tam faktöryel tasarım (FFD) yöntemi ile türetilmiş, amaç ve kısıt fonksiyonlarını elde etmek için türetilen verilerin sonlu elemanlar benzetimleri kullanılmıştır. Sonuç olarak, radyal temelli fonksiyon (RBF) bazlı metamodeller, elde edilen veriler yardımıyla oluşturulmuş ve daha sonra modellerin doğruluğu sınanmıştır. Son olarak, RBF metamodelleri çok amaçlı genetik algoritma (MOGA) kullanılarak eniyilemesi yapılmıştır. Benzetime dayalı tasarım eniyilemesi (SBDO) sonucunda, farklı çelik malzemesi sınıfları için H1W4 ve H2W4 korkuluk sistemlerinin eniyi tasarımları elde edilmiştir. Eniyi otokorkuluk tasarımlarının EN1317 standartı güvenlik kriterlerini sağlamasının yanında, mevcut otokorkuluk tasarımlarına kıyasla % 23'e varan bir ekonomik avantaj sağladığı sonucuna varılmıştır. Durum 3: Son durumda, malzemenin sağladığı avantajlar ve montaj/sökme kolaylığı ile birlikte, bir çarpışmadan sonra en az hasarla sağlanan onarım kolaylığı ve sürdürülebilirliği, yol kenarı güvenliği için beton bariyerlerin tercihini arttırmaktadır. Bununla birlikte, rijit sistemler olarak beton bariyerler çarpışma durumunda oldukça risklidir. Bu sistemlerin uygulama amacının en büyük önceliği güvenlik olduğu için, ilgili standartlarda gerekli güvenlik kriterlerini sağlayan ve çevre açısından, özellikle sürücüler için oldukça güvenli olan tasarımlara sahip olmak istenmektedir. Bu çalışmada, New Jersey (NJ) beton bariyerinin, hızlanma şiddeti endeksine (ASI) bağlı yaralanma seviyesini azaltan ve EN1317/2 standardındaki güvenlik kriterlerini karşılayan eniyi/en emniyetli tasarımı, benzetim tabanlı tasarım eniyilemesi ( SBDO) hedeflenmiştir. Bu amaçla, New Jersey tipi bariyerin kritik tasarım noktaları belirlenmiştir. Ardından kritik tasarım noktaları değişken olarak alınmış ve EN1317'deki güvenlik kriterleri çok amaçlı eniyileme (MOO) için amaç fonksiyonu olarak alınmıştır. Değişkenler ve objektif fonksiyonlar belirlendikten sonra, veriler sonlu elemanlar (FE) ile modellenerek taşıyıcı/vekil model, radyal baz fonksiyonunun eniyi ağırlıklı noktasal birliği (OWPE-RBF) şeklinde kurulmuştur. Daha sonra, MOO problemini çözmek için çok amaçlı genetik algoritma (MOGA/NSGA-II) kullanılmıştır. Elde edilen eniyi güvenlikli tasarım, doğrulanmış orijinal tasarımla, sonlu elemanlar (FE) ortamında tam boyutlu modelleme yapılarak kıyaslanmıştır. Sonuç olarak, NJ tipi bariyerlerin kritik tasarım noktaları ve OWPE-RBF modeliyle ilgili önemli tespitler elde edildi. Her şeyden önce, önerilen analitik model ve izlenen yol ile % 22-23 daha güvenli olan ASI-yaralanma seviyesine sahip bir tasarım elde edildi.

The purpose of using roadside safety equipment is to protect vehicle occupants during an accident by reducing the severity of impact. Using poorly designed safety equipment can have serious consequences. While roadside safety elements are designed primarily for safety, cost-effectiveness cannot be overlooked. For guardrail designers it is essential to achieve a crashworthy and optimal system design. Therefore, one of the most critical parameters for an optimal road restraint system is the post embedment depth or the post-to-soil interaction. In addition, cross-sectional thickness of the system part also play an important role in guardrail safety and economic design. With all this, for roadside safety equipments, advantages provided by the material and ease of assembly/disassembly, the ease of repair provided by minimum deformation after a collision and sustainability are preferred reasons by authorities and practitioners. In the light of the above explanations, considering the factors affecting road safety systems, three cases were handled and their optimization is purposed in this thesis. The cases are determination of optimum embedment depths of C, H and S post types, cross-sectional optimization of H1W4 and H2W4 guardrail systems manufactured from S235JR, S275JR and S355JR grade steel materials, and achieve optimum safety design of the New Jersey (NJ) concrete barrier which is preferred system because of its advantages. The case studies are summarized as Case 1: This case aimed to assess the optimum post embedment depths of three different guardrail posts embedded in soil with varying density. Posts were subjected to dynamic impact loads in the field while a detailed finite element study was performed to construct accurate models for the post-soil interaction. It is well-known that experimental tests and simulations are costly and time consuming. Therefore, to reduce the computational cost of optimization, radial basis function-based metamodeling methodology was employed to create surrogate models that were used to replace the expensive three-dimensional finite element models. In order to establish the radial basis function model, samples were derived using the full factorial design. Afterwards, radial basis function-based metamodels were generated from the derived data and objective functions performed using finite element analysis. The accuracy of the metamodels were validated by "k-fold cross-validation", then optimized using multi-objective genetic algorithm. After optimum embedment depths were obtained, finite element simulations of the results were compared with full scale crash test results. In comparison with the actual post embedment depths, optimal post embedment depths provided significant economic advantages without compromising safety and crashworthiness. It is concluded that the optimum post embedment depths provide an economic advantage of up to 17.89%, 36.75% and 43.09% for C, S, and H types of post, respectively, when compared to actual post embedment depths. Case 2: In the case two, it is aimed to optimize H1W4 and H2W4 performance level guardrails manufactured from S235JR, S275JR and S355JR grade steel materials in terms of safety and economy. For this purpose, surrogate model based optimization is utilized. In this context, the design variables are selected as post width (x1) and cross-sectional thickness of rail (x2), while objective functions are selected as working width (w) and vehicle exit angle (). The design variables (x1, x2) are derived by full factorial design (FFD) method and crash test simulations are utilized to construct objective and constraint functions. Consequently, Radial Basis Function (RBF)-based metamodels are created with the help of the obtained data and later the accuracy of the models is validated. Finally, the RBF metamodels are optimized using the multi-objective genetic algorithm (MOGA). As a result of the simulation-based design optimization (SBDO), the optimum designs of H1W4 and H2W4 guardrail systems for different steel material grades are achieved. It is concluded that the final/optimal guardrail designs meet the EN1317 safety criteria as well as provide an economic advantage of up to 23% compared to existing guardrail designs. Case 3: In final case, along with the advantages provided by the material and ease of assembly/disassembly, the ease of repair provided by minimum deformation after a collision and its sustainability highlight the preference of concrete barriers for roadside safety. However, concrete barriers, as rigid systems, are highly risky in case of a collision. Because the top priority of the application purpose is safety, it is desirable to have designs which provide the necessary safety criteria in the relevant standards and which are highly safe in terms of environment, especially for drivers. In this case, the optimum safety design of the New Jersey (NJ) concrete barrier which reduces injury levels up to the acceleration severity index (ASI) and meets safety criteria for the EN1317/2 standard, is achieved by simulation-based design optimization (SBDO). For this purpose, the critical design points of the New Jersey type barrier have been determined. Then the critical design points were taken as variables and the safety criteria in EN1317 were taken as the objective function for multi-objective optimization (MOO). Once the variables and objective functions were determined, data was prepared with finite elements (FE) and the surrogate model was constructed using an optimal weighted pointwise of radial basis function (OWPE-RBF). Afterward, the multi-objective genetic algorithm (MOGA/NSGA-II) was employed to solve the MOO problem. The optimum safety design that was obtained was compared with the validated original design, i.e. full-size modeling in the finite element (FE) environment. As a result, both the critical design points of NJ type barriers and important determinations regarding the OWPE-RBF model were obtained. Above all, a design has been achieved with an ASI/injury level which is 22-23% safer by way of the proposed analytical model and the monitored path.
Yol güvenlik elemanlarının radyal temelli fonksiyon tabanlı vekil model ile eniyilemesi: Üç vaka çalışması
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019
Thesis (Ph.D.) -- Istanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2019
Keywords: En iyileme modeli; Optimizasyon; Optimizasyon problemi; Optimizasyon teknikleri; Optimization model; Optimization; Optimization problem; Optimization techniques