Аннотації
25.12.2022
У статті розглядається задача параметричної оптимізації розмірів поперечних перерізів для стержневих елементів конструкцій із С-подібних холодногнутих профілів, які підлягають дії поздовжнього стиску. Задача оптимізації сформульована як задача пошуку оптимальних розмірів перерізів стержневих елементів конструкцій з врахуванням їх закритичної роботи (втрати місцевої стійкості стінки та полиць та/або втрати стійкості форми перерізу), а також конструктивних вимог за умов, що периметр профілю (ширина штрипси), товщина профілю, розрахункові довжини стержневого елемента конструкції та механічні характеристики сталі приймались постійними та наперед заданими. Як критерій оптимальності розглядалася максимізація несучої здатності елемента конструкції на втрату загальної стійкості. Сформульована задача оптимізації розв’язана за допомогою методу вичерпного пошуку з використанням програмного забезпечення, розробленого мовою Python. Як результат були отримані холодногнуті С-подібні профілі з оптимальними розмірами поперечного перерізу залежно від товщини профілю та розрахункових довжин стержневого елемента конструкції. З метою отримання оптимальних розмірів поперечних перерізів С-подібних холодногнутих профілів, що не залежатимуть від розрахункових довжин і товщини профіля, здійснено пошук компромісного розв’язку. Отримані холодногнуті С-подібні профілі з оптимальними розмірами поперечних перерізів характеризуються вищою несучою здатністю на втрату загальної стійкості при осьовому стисканні при тій самій витраті сталі (ширини штрипси) порівняно з С-подібними холодногнутими профілями, що пропонуються виробником профілів. Для усіх оптимальних розв’язків характерним є явище втрати місцевої стійкості стінки профіля.
A parametric optimization problem of cross-sectional sizes for cold-formed steel lipped channel structural members subjected to axial compression has been considered by the paper. An optimization problem is formulated as to define optimum cross-sectional sizes of cold-formed structural member taking into account post-buckling behavior (web and flange local and distortional buckling) of the member as well as structural requirements when the profile perimeter (strip width), profile thickness, design lengths of the structural member as well as material properties are constant and specified in advance. Maximization of the load-carrying capacity of the cold-formed structural member has been assumed as purpose function. The formulated parametric optimization problem has been solved by exhaustive search method using the software written in Python. As optimization results the cold-formed steel lipped channels with optimum cross-sectional dimensions have been obtained depending on the profile thickness and design lengths of the structural member. In order to obtain optimum solutions for cross-sectional dimensions of the CFS lipped channel structural members which are independent from the design flexural lengths and profile thickness, searching for a compromise solution has been performed by exhaustive search method. The obtained cold-formed steel lipped channel structural members with optimum cross-sectional sizes have higher design buckling resistance under the axial compression at the same material consumption (stripe width) comparing with the cold-formed steel lipped channels proposed by the manufacturer. Web local buckling phenomenon has been occurred in all obtained CFS lipped channel cross-sections with optimum sizes.
1. Bilyk, S. I., Yurchenko, V. V. Size optimization of single edge folds for cold-formed structural members //Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – 2020. – Iss. 105. – Pp. 73-86. doi: http://doi.org/10.32347/2410-2547.2020.105.73-86.2. Yurchenko, V. Algorithm for shear flows in arbitrary cross-sections of thin-walled bars // Magazine of Civil Engineering. – 2019. – 192(8). – Pp. 3-26.DOI: http://doi.org/10.18720/MCE.92.13. Mojtabaei, S. M., Becque, J., Hajirasouliha, I. Structural size optimization of single and built-up cold-formed steel beam-column members // Journal of Structural Engineering. – 2021. – 147 (4). –No. 04021030. doi: http://doi.org/10.1061/(asce)st.1943-541x.0002987.4. Leng, J. Optimization Techniques for Structural Design of Cold-Formed Steel Structures // In Recent Trends in Cold-Formed Steel Construction.– Woodhead Publishing, Sawston, UK, 2016. – Pp. 129–151.5. Liang, H., Roy, K., Fang, Z., Lim, J. B. P. A Critical Review on Optimization of Cold-Formed Steel Members for Better Structural and Thermal Performances // Buildings. – 2022.– 12, 34. doi: http://doi.org/10.3390/buildings12010034.6. Becque, J. Optimization of cold-formed steel products: Achievements, challenges and opportunities // CE/PAPERS. – 2019.–3. – Pp. 211–218. doi: http://doi.org/10.1002/cepa.1048.7. Ammash, H. K. Shape optimization of innovation cold-formed steel columns under uniaxial compressive loading // Jordan Journal of Civil Engineering. – 2017. – 11. – 3.8. Leng, J., Guest, J. K., Schafer, B. W. Shape optimization of cold-formed steel columns // Thin-Walled Structures. – 2011. – 49. –Pp. 1492–1503. doi: http://doi.org/10.1016/j.tws.2011.07.009.9. Ye, J., Mojtabaei, S. M., Hajirasouliha, I. Local-flexural interactive buckling of standard and optimised cold-formed steel columns // Journal of Constructional Steel Research. – 2018. – 144. – Pp. 106–118. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.01.012.10. Leng, J., Li, Z., Guest, J. K., Schafer, B. W. Shape optimization of cold-formed steel columns with fabrication and geometric enduse constraints // Thin-Walled Structures. – 2014. – 85. –Pp. 271–290. doi: http://doi.org/10.1016/j.tws.2014.08.014.11. Wang, B., Gilbert, B. P., Guan, H., Teh, L. H. Shape optimisation of manufacturable and usable cold-formed steel singly-symmetric and open columns // Thin-Walled Structures. – 2016.– 109. –Pp. 271–284. doi: http://doi.org/10.1016/j.tws.2016.10.00412. Ye, J., Hajirasouliha, I., Becque, J., Pilakoutas, K. Development of more efficient cold-formed steel channel sections in bending // Thin-Walled Structures. – 2016. – 101. – Pp. 1–13. doi: http://doi.org/10.1016/j.tws.2015.12.021.13. Gatheeshgar, P., Poologanathan, K., Gunalan, S., Shyha, I., Tsavdaridis, K. D., Corradi, M. Optimal design of cold-formed steel lipped channel beams: Combined bending, shear, and web crippling // Structures. – 2020. – 28. –Pp. 825–836. doi: http://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.09.027.14. Lee, J., Kim, S. M., Park, H. S., Woo, B. H. Optimum design of cold-formed steel channel beams using micro Genetic Algorithm // Engineering Structures. – 2005. – 27. –Pp. 17–24. doi: http://doi.org/10.1016/j.engstruct.2004.08.008.15. Mojtabaei, S. M., Ye, J., Hajirasouliha, I. Development of optimum cold-formed steel beams for serviceability and ultimate limit states using Big Bang-Big Crunch optimization // Engineering Structures. – 2019. – 195. –Pp. 172–181. doi: http://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.05.089.16. Gatheeshgar, P., Poologanathan, K., Gunalan, S., Tsavdaridis, K. D., Nagaratnam, B., Iacovidou, E. Optimised cold-formed steel beams in modular building applications // Journal of Building Engineering. – 2020. – 32. –No. 101607. doi: http://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101607.17. Ma, W., Becque, J., Hajirasouliha, I., Ye, J. Cross-sectional optimization of cold-formed steel channels to Eurocode 3 // Engineering Structures. – 2015. – 101. – Pp. 641–651. doi: http://doi.org/10.1016/j.engstruct.2015.07.051.18. Parastesh, H., Hajirasouliha, I., Taji, H., Bagheri Sabbagh, A. Shape optimization of cold-formed steel beam-columns with practical and manufacturing constraints // Journal of Constructional Steel Research. – 2019. – 155. –Pp. 249–259. doi: http://doi.org/10.1016/j.jcsr.2018.12.031.19. Wang, B., Bosco, G. L., Gilbert, B. P., Guan, H., Teh, L. H. Unconstrained shape optimisation of singly-symmetric and open cold-formed steel beams and beam-columns // Thin-Walled Structures. – 2016. – 104. –Pp. 54–61. doi: http://doi.org/10.1016/j.tws.2016.03.007.20. Parastesh, H., M. Mojtabaei, S., Taji, H., Hajirasouliha, I., B. Sabbagh, A. Constrained optimization of anti-symmetric cold-formed steel beam-column sections // Engineering Structures. – 2021. – 228. –No. 111452. doi: http://doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111452.21. Peleshko, I. D., Yurchenko, V. V. Parametric Optimization of Metallic Rod Constructions with using the Modified Method of Gradient Projection // International Applied Mechanics. – 2021. –Vol. 57. –No. 4. –Pp. 78–95. doi: http://doi.org/10.1007/s10778-021-01096-0.22. Yurchenko, V., Peleshko, I. Methodology for solving parametric optimization problems of steel structures // Magazine of Civil Engineering. – 2021. – 107(7). – Article No. 10705. doi: http://doi.org/10.34910/MCE.107.523. Moharrami, M., Louhghalam, A., Tootkaboni, M. Optimal folding of cold formed steel cross sections under compression // Thin-Walled Structures. – 2014. – 76. –Pp. 145–156.24. Permyakov, V. O., Yurchenko, V. V., Peleshko, I. D. An optimum structural computer-aided design using hybrid genetic algorithm // Proceeding of the International Conference Progress in Steel, Composite and Aluminium Structures. –Taylor& Francis Group, London, 2006. – Pp. 819-826.25. EN 1993-1-3:2006: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.26. EN 1993-1-5:2006: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules – Plated structural elements.27. EN 1993-1-1:2005: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings.28. Perelmuter, A., Kriksunov, E., Gavrilenko, I., Yurchenko, V. Designing bolted end-plate connections in compliance with Eurocode and Ukrainian codes: consistency and contradictions // Selected papers of the 10th International Conference “Modern Building Materials, Structures and Techniques”. – 2010. – Vol. II. –Pp. 733-743.29. Karpilovsky, V. S., Kriksunov, E. Z., Perelmuter, A. V., Yurchenko, V. V. Analysis and design of steel structural joints and connection: software implementation // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2021. –Vol. 17. – Is. 2. –Pp. 58–66. doi: http://doi.org/10.22337/2587-9618-2021-17-2-58-66.30. Assortment ranges of the cold-formed profiles for light gauge steel structures of the Ukrainian manufacturers. UCSC-014-16, 2016. 32 p., (ukr).