Structural Design Optimization of Lightweight Offshore Helidecks Using a Genetic Algorithm and AISC Standard Sections

A helideck is one of the essential structures in offshore platforms for the transportation of goods and operating personnel between land and offshore sites. As such, it should be carefully designed and installed for the safety of the offshore platform. In this study, a structural design optimization method for a lightweight offshore helideck is developed based on a genetic algorithm and an attainable design set concept. A helideck consists of several types of structural members such as plates, girders, stiffeners, trusses, and support elements, and the dimensions of these members are typically pre-defined by manufacturers. Therefore, design sets are defined by collecting the standard section data for these members from the American Institute of Steel Construction (AISC), and integer section labels are assigned as design variables in the genetic algorithm. The objective is to minimize the total weight of the offshore helideck while satisfying the maximum allowable stress criterion under various loading conditions including self-weight, wind direction, landing position, and landing condition. In addition, the unity check process is also utilized for additional verification of structural safety against buckling failure of the helideck.

유전 알고리듬 및 AISC 표준 단면을 사용한 경량화 헬리데크 구조 최적설계

본 논문에서는 AISC 표준 단면을 설계 변수로 하는 캔틸레버 타입 헬리데크 모델의 유전 알고리즘 최적설계를 소개한다. AISC 표준 단면을 단면 형상별로 분류하고 단면적 순으로 정렬한 후 정수 단면 번호를 부여하여 설계 변수로 최적설계를 수행하였다. 이 과정을 통하여 이산화된 설계 변수를 가지는 최적설계 문제를 해결하기 위해 유전 알고리즘을 적용하였다. 또한, 제약조건으로 허용응력 및 허용응력비 검사 조건을 모두 고려하여 구조물의 구조 안정성을 고려한 설계를 수행하였다. 최적설계 과정중 매 반복계산 마다 수행되는 구조 해석 시간을 단축시키기 위해 선형 중첩법을 사용하였고, 이를 통해 구조해석 시간을 약 75% 감소시킬 수 있었다. 또한 헬리데크 최적설계의 경량 효과를 높이기 위해 부재 그룹 세분화를 하였고, 그 결과를 선행 연구 모델, 기존의 부재 그룹 모델과 비교하였다. 그 결과 선행연구 대비 약 30톤의 부재를 절감할 수 있었으며, 구조적으로도 보다 안전한 헬리데크 설계를 얻을 수 있었다.