Оптимальна кількість зайвих в’язей для введення зусиль попереднього напруження металевих стержневих систем

Заголовок (російською): 
.Оптимальное количество лишних связей для введения усилий предварительного напряжения металлических стержневых систем
Заголовок (англійською): 
Optimal numbers of the redundant members for introducing initial pre-stressing forces into steel bar structures
Автор(и): 
Юрченко В. В.
Пелешко І. Д.
Автор(и) (англ): 
Yurchenko V. V.
Peleshko I. D.
Ключові слова (укр): 
параметрична оптимізація, зайва в’язь, зусилля попереднього напруження, оптимальне попереднє напруження, аналіз чутливості, метод проекції градієнта
Ключові слова (рус): 
параметрическая оптимизация, лишняя связь, усилие предварительного напряжения, оптимальное предварительное напряжение, анализ чувствительности, метод проекции градиента
Ключові слова (англ): 
parametric optimization, redundant member, initial prestressing force, optimal prestressing, sensitivity analysis, gradient projection method
Анотація (укр): 
У статті розглядається задача параметричної оптимізації металевих стержневих систем, представлена як задача нелінійного програмування зі змінними (невідомими) розмірами поперечних перерізів елементів конструкції, а також зусиллями попереднього напруження, що вводяться у визначені зайві в’язі стержневої системи. Система обмежень охоплює обмеження несучої здатності, що формулюються для усіх розрахункових перерізів несучих елементів конструкції, що підлягає дії усіх розрахункових комбінацій навантажень першої групи граничних станів, а також обмеження переміщень визначених вузлів стержневої системи, що підлягає дії усіх розрахункових комбінацій навантажень другої групи граничних станів. Для розв’язку задачі параметричної оптимізації використовувався метод проекції градієнта функції мети на поверхню активних обмежень з одночасною ліквідацією нев’язок в порушених обмеженнях. Для складних багато раз статично невизначених стержневих систем запропонована чисельна методика визначення оптимальної кількості зайвих в’язей для введення зусиль попереднього напруження.
Анотація (рус): 
В статье рассмотрена задача параметрической оптимизации металлических стержневих систем, представленная как задача нелинейного программирования с переменными (неизвестными) размерами поперечных сечений элементов конструкции, а также усилий предварительного напряжения, которые вводяться в определенные лишние связи стержневой системы. Система ограничений охватывает ограничения несущей способности, сформулированные для всех расчетных сечений несущих элементов конструкции, подлежащей действию всех расчетных комбинаций нагрузок первой группы предельных состояний, а также ограничения перемещений определенных узлов стержневой системы, подлежащей действию всех расчетных комбинаций нагрузок второй группы предельных состояний. Для решения задачи параметрической оптимизации использовался метод проекции градиента функции цели на поверхность активных ограничений при одновременной ликвидации нев’язок в нарушенных ограничениях. Для сложных много раз статически неопределенных стержневых систем предложена численная методика определения оптимального количества лишних свіязей для введения усилий предварительного напряжения.
Анотація (англ): 
The paper considers parametric optimization problems for the steel bar structures formulated as nonlinear programming ones with variable unknown cross-sectional sizes of the structural members, as well as initial prestressing forces introduced into the specified redundant members of the structure. The system of constraints covers load-bearing capacity constraints for all the design sections of the structural members subjected to all the design load combinations at ultimate limit state, as well as displacement constraints for the specified nodes of the bar system, subjected to all design load combinations at serviceability limit state. The method of the objective function gradient projection onto the active constraints surface with simultaneous correction of the constraints violations has been used to solve the parametric optimization problem. A numerical technique to determine the optimal number of the redundant members to introduce the initial prestressing forces has been offered for high-order statically indeterminate bar structures.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (рус): 
Сопротивление материалов и теория сооружений, 2021, номер 106
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2021, number 106
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
06-106_yurchenko_v._v._peleshko_i._d.pdf
Дата публікації: 
28 Май 2021
Номер збірника: 
106
Університет автора: 
Kyiv National University of Construction and Architecture Povitroflotskyj av., 31, Kyiv, 03680 ; Lviv Polytechnic National University St. Bandery, 12, Lviv, 79013
Литература: 
  1. Markandeya P. R. Computerized optimum dimensioning of prestressed homogenous steel I-beam / P. R. Markandeya, R. Vipparthy // Engineering Journal. – 2017. – №21(7). – P. 293–381. DOI:10.4186/ej.2017.21.7.293
  2. Magnel G. Prestressed steel structures / G. Magnel // The Structural Engineer. – 1950. – №28. – P. 285–295.
  3. Gasperi B. B. A. Behaviour of prestressed steel beams / B. B. A. Gasperi // Journal of Structural Engineering ASCE. – 2010. – №136(9). – P. 1131 – 1139.
  4. Ghafooripour A. Flooring systems with prestressed steel stringers for cost benefit / A. Ghafooripour, A. Nidhi, R. Barreto, A. Rivera // Journal of Steel Structures and Construction. – 2019. – №5(1). – Article 1000150.
  5. Saito D. Optimal prestressing and configuration of stayed columns / D. Saito, M. A. Wadee // Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings. – 2010. – №163. – P. 343–355.
  6. Wadee M. A. Design of prestressed stayed columns / M. A. Wadee, L. Gardner, A. I. Osofero // Journal of Constructional Steel Research. – 2013. – №80. P. 82–90.
  7. Han K. B. Parametric study of truss bridges by the post-tensioning method / K. B. Han, S. K. Park // Canadian Journal of Civil Engineering. – 2005. – №32. – P. 420–429.
  8. Aydın Z. Cost minimization of prestressed steel trusses considering shape and size variables / Z. Aydın, E. Cakir // Steel and Composite Structures. – 20415. – №19(1). P. 43–58.
  9. Schmidt L. C. Studies on post-tensioned and shaped space-truss domes / L. C. Schmidt, H. Li // Structural Engineering and Mechanics. – 1998. – №6. – P. 693–710.
  10. Clarke M. J. Simple design procedure for cold-formed tubular top chord of stressed-arch frames / M. J. Clarke, G. J. Hancock // Engineering Structures. – 1994. – №16(5). P. 377–385.
  11. Kyoungsoo L. Analysis of stabilizing process for stress-erection of starch frame / L. Kyoungsoo, H. Ziaul, H. SangEul // Engineering Structures. – 2014. №59. P. 49–67.
  12. Haug E. J. Applied optimal design: mechanical and structural systems / E. J. Haug, J. S. Arora. – John Wiley & Sons, 1979.
  13. Olkov Ya. I. Optimal`noe proektirovanie metallicheskikh predvaritel`no napryazhenny`kh ferm [Optimal design of pre-stressed metal trusses (in Russian)] / Ya. I. Olkov, I. S. Kholopov. – Moscow, Stroyizdat, 1985.
  14. Gkantou M. Optimisation of high strength steel prestressed trusses / M. Gkantou, M. Theofanous, C. Baniotopoulos // Proceedings of 8th GRACM International Congress on Computational Mechanics. – 2015. – P. 10.
  15. Yao L. Topology optimization design of pre-stressed plane entity steel structure with the constrains of stress and displacement / L. Yao, Y. X. Gao, H. J. Yang // Advanced Materials Research. – 2014. – №945–949. – P. 1216–1222.
  16. Zhou Z. A whole process optimal design method for prestressed steel structures considering the influence of different pretension schemes / Z. Zhou, S. Meng, J. Wu // Advances in Structural Engineering. – 2012. – №15(12). – P. 2205–2212.
  17. Serpik I. N. Searching for efficient parameters of pre-stressed long-span steel trusses with several ties / I. N. Serpik, N. V. Tarasova // Proceeding of the International theoretical and practical conference “Bryansk Innovations in Construction”. – 2017. – P. 285–290.
  18. Serpik I. N. Parametric optimization of pre-stressed steel arch-shaped trusses with ties / I. N. Serpik, N. V. Tarasova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – №451. – Article 012060. DOI:10.1088/1757-899X/451/1/012060
  19. Huebner K. H. The finite element method for engineers (4th ed.) / K. H. Huebner, D. L. Dewhirst, D. E. Smith, T. G. Byrom. – John Wiley & Sons, Inc. 2001. – 744 p.
  20. DBN V.2.6-198:2014. Stalevi konstruktsii. Normy proektuvannia [Steel structures. Design codes (in Ukrainian)] – Kyiv: Minregion of Ukraine, 2014. – 199 p.
  21. Guljaev V. I. Metody` optimizaczii v stroitel`noj mekhanike [Optimisation methods in structural mechanic (in Russian)] / V. I. Guljaev, V. A. Bazhenov, V. L. Koshkin. – Kyiv, 1988. – 192 p.
  22. Yurchenko V. Parametric optimization of steel truss with hollow structural members based on update gradient method / V. Yurchenko, I. Peleshko, N. Beliaev // Proceedings of International Conference “Design, Fabrication and Economy of Metal Structures”. – Springer Berlin Heidelberg, 2013. – P. 103–109. DOI 10.1007/978-3-642-36691-8_16
  23. Peleshko I. Parametric optimization of steel structures based on gradient projection method / I. Peleshko, V. Yurchenko // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – Kyiv: KNUBA, 2020. – Issue 105. – P. 192–220. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.105.192-220. 
  24. Yurchenko V. Improved gradient projection method for parametric optimisation of bar structures / V. Yurchenko, I. Peleshko // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – №98(6). – Article 9812. DOI: 10.18720/MCE.98.12.
  25. Peleshko I. An improved gradient-based method to solve parametric optimisation problems of the bar structures / I. Peleshko, V. Yurchenko // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – Kyiv: KNUBA, 2020. – Issue 104. – P. 265–288. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.104.265-288.
  26. Kuci E. Design sensitivity analysis for shape optimization based on the Lie derivative / E. Kuci, F. Henrotte, P. Duysinx, C. Geuzaine // Computer methods in applied mechanics and engineering. – 2017. – Vol. 317. – P. 702–722. DOI: 10.1016/j.cma.2016.12.036.
  27. Yurchenko V.V. Searching for optimal pre-stressing of steel bar structures based on sensitivity analysis / V. Yurchenko, I. Peleshko // Archives of Civil Engineering, Vol. 66, No. 3, 2020. – P. 525-540. DOI: 10.24425/ACE.2020.134411.
  
References: 
  1. Markandeya P. R. Computerized optimum dimensioning of prestressed homogenous steel I-beam / P. R. Markandeya, R. Vipparthy // Engineering Journal. – 2017. – №21(7). – P. 293–381. DOI:10.4186/ej.2017.21.7.293
  2. Magnel G. Prestressed steel structures / G. Magnel // The Structural Engineer. – 1950. – №28. – P. 285–295.
  3. Gasperi B. B. A. Behaviour of prestressed steel beams / B. B. A. Gasperi // Journal of Structural Engineering ASCE. – 2010. – №136(9). – P. 1131 – 1139.
  4. Ghafooripour A. Flooring systems with prestressed steel stringers for cost benefit / A. Ghafooripour, A. Nidhi, R. Barreto, A. Rivera // Journal of Steel Structures and Construction. – 2019. – №5(1). – Article 1000150.
  5. Saito D. Optimal prestressing and configuration of stayed columns / D. Saito, M. A. Wadee // Proceedings of the Institution of Civil Engineers-Structures and Buildings. – 2010. – №163. – P. 343–355.
  6. Wadee M. A. Design of prestressed stayed columns / M. A. Wadee, L. Gardner, A. I. Osofero // Journal of Constructional Steel Research. – 2013. – №80. P. 82–90.
  7. Han K. B. Parametric study of truss bridges by the post-tensioning method / K. B. Han, S. K. Park // Canadian Journal of Civil Engineering. – 2005. – №32. – P. 420–429.
  8. Aydın Z. Cost minimization of prestressed steel trusses considering shape and size variables / Z. Aydın, E. Cakir // Steel and Composite Structures. – 20415. – №19(1). P. 43–58.
  9. Schmidt L. C. Studies on post-tensioned and shaped space-truss domes / L. C. Schmidt, H. Li // Structural Engineering and Mechanics. – 1998. – №6. – P. 693–710.
  10. Clarke M. J. Simple design procedure for cold-formed tubular top chord of stressed-arch frames / M. J. Clarke, G. J. Hancock // Engineering Structures. – 1994. – №16(5). P. 377–385.
  11. Kyoungsoo L. Analysis of stabilizing process for stress-erection of starch frame / L. Kyoungsoo, H. Ziaul, H. SangEul // Engineering Structures. – 2014. №59. P. 49–67.
  12. Haug E. J. Applied optimal design: mechanical and structural systems / E. J. Haug, J. S. Arora. – John Wiley & Sons, 1979.
  13. Olkov Ya. I. Optimal`noe proektirovanie metallicheskikh predvaritel`no napryazhenny`kh ferm [Optimal design of pre-stressed metal trusses (in Russian)] / Ya. I. Olkov, I. S. Kholopov. – Moscow, Stroyizdat, 1985.
  14. Gkantou M. Optimisation of high strength steel prestressed trusses / M. Gkantou, M. Theofanous, C. Baniotopoulos // Proceedings of 8th GRACM International Congress on Computational Mechanics. – 2015. – P. 10.
  15. Yao L. Topology optimization design of pre-stressed plane entity steel structure with the constrains of stress and displacement / L. Yao, Y. X. Gao, H. J. Yang // Advanced Materials Research. – 2014. – №945–949. – P. 1216–1222.
  16. Zhou Z. A whole process optimal design method for prestressed steel structures considering the influence of different pretension schemes / Z. Zhou, S. Meng, J. Wu // Advances in Structural Engineering. – 2012. – №15(12). – P. 2205–2212.
  17. Serpik I. N. Searching for efficient parameters of pre-stressed long-span steel trusses with several ties / I. N. Serpik, N. V. Tarasova // Proceeding of the International theoretical and practical conference “Bryansk Innovations in Construction”. – 2017. – P. 285–290.
  18. Serpik I. N. Parametric optimization of pre-stressed steel arch-shaped trusses with ties / I. N. Serpik, N. V. Tarasova // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – №451. – Article 012060. DOI:10.1088/1757-899X/451/1/012060
  19. Huebner K. H. The finite element method for engineers (4th ed.) / K. H. Huebner, D. L. Dewhirst, D. E. Smith, T. G. Byrom. – John Wiley & Sons, Inc. 2001. – 744 p.
  20. DBN V.2.6-198:2014. Stalevi konstruktsii. Normy proektuvannia [Steel structures. Design codes (in Ukrainian)] – Kyiv: Minregion of Ukraine, 2014. – 199 p.
  21. Guljaev V. I. Metody` optimizaczii v stroitel`noj mekhanike [Optimisation methods in structural mechanic (in Russian)] / V. I. Guljaev, V. A. Bazhenov, V. L. Koshkin. – Kyiv, 1988. – 192 p.
  22. Yurchenko V. Parametric optimization of steel truss with hollow structural members based on update gradient method / V. Yurchenko, I. Peleshko, N. Beliaev // Proceedings of International Conference “Design, Fabrication and Economy of Metal Structures”. – Springer Berlin Heidelberg, 2013. – P. 103–109. DOI 10.1007/978-3-642-36691-8_16
  23. Peleshko I. Parametric optimization of steel structures based on gradient projection method / I. Peleshko, V. Yurchenko // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – Kyiv: KNUBA, 2020. – Issue 105. – P. 192–220. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.105.192-220. 
  24. Yurchenko V. Improved gradient projection method for parametric optimisation of bar structures / V. Yurchenko, I. Peleshko // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – №98(6). – Article 9812. DOI: 10.18720/MCE.98.12.
  25. Peleshko I. An improved gradient-based method to solve parametric optimisation problems of the bar structures / I. Peleshko, V. Yurchenko // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – Kyiv: KNUBA, 2020. – Issue 104. – P. 265–288. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.104.265-288.
  26. Kuci E. Design sensitivity analysis for shape optimization based on the Lie derivative / E. Kuci, F. Henrotte, P. Duysinx, C. Geuzaine // Computer methods in applied mechanics and engineering. – 2017. – Vol. 317. – P. 702–722. DOI: 10.1016/j.cma.2016.12.036.
  27. Yurchenko V.V. Searching for optimal pre-stressing of steel bar structures based on sensitivity analysis / V. Yurchenko, I. Peleshko // Archives of Civil Engineering, Vol. 66, No. 3, 2020. – P. 525-540. DOI: 10.24425/ACE.2020.134411.