PARAMETRIC OPTIMIZATION OF STEEL LATTICE PORTAL FRAME WITH CHS STRUCTURAL MEMBERS

Заголовок (англійською): 
PARAMETRIC OPTIMIZATION OF STEEL LATTICE PORTAL FRAME WITH CHS STRUCTURAL MEMBERS
Автор(и): 
V. V. Yurchenko
I. D. Peleshko
Автор(и) (англ): 
V. V. Yurchenko
I. D. Peleshko
Ключові слова (укр): 
оптимізація, сталева решітчаста рама, нелінійне програмування, міцність, стійкість, жорсткість, градієнтний метод, метод скінченних елементів, числовий алгоритм
Ключові слова (англ): 
optimization, steel lattice frame, nonlinear programming, strength, buckling, stiffness, gradient projection method, finite element method, numerical algorithm
Анотація (укр): 
У статті запропонована математична модель для задачі параметричної оптимізації сталевої решітчастої поперечної рами каркасу будівлі, несучі елементи якої виконані з круглих труб. Вектор змінних проектування містить геометричні параметри конструкції (координати вузлів), а також розміри поперечних перерізів несучих елементів конструкції. Система обмежень охоплює обмеження несучої здатності, сформульовані для усіх розрахункових перерізів елементів конструкції, що підлягає дії усіх комбінацій навантажень першої групи граничних станів. До системи обмежень також залучені обмеження переміщень вузлів, сформульовані для визначених вузлів конструкції, що підлягає дії усіх комбінацій навантажень другої групи граничних станів. Додаткові обмеження у формі обмежень на верхню та нижню межі варіювання змінних проектування, обмеження на допустиму мінімальну товщину перерізу, обмеження на допустиме максимальне відношення діаметру до товщини труби, а також умови конструювання безфасонкових вузлів решітчастої конструкції з елементами із круглих труб також були розглянуті у складі системи обмежень математичної моделі. Для розв’язку сформульованої задачі параметричної оптимізації використовувався метод проекції градієнту функції мети на поверхню активних обмежень за одночасної ліквідації нев’язок у порушених обмеженнях. Як результат отримані нові оптимальні проектні рішення сталевої решітчастої поперечної рами за критерієм мінімуму маси конструкції, а також за критерієм мінімуму кошторисної вартості її виготовлення та зведення.
Анотація (англ): 
The paper has proposed a mathematical model for parametric optimization problem of the steel lattice portal frame. The design variable vector includes geometrical parameters of the structure (node coordinates), as well as cross-sectional dimensions of the structural members. The system of constraints covers load-carrying capacities constraints formulated for all design sections of structural members of the steel structure subjected to all ultimate load case combinations. The displacements constraints formulated for the specified nodes of the steel structure subjected to all serviceability load case combinations have been also included into the system of constraints. Additional requirements in the form of constraints on lower and upper values of the design variables, constraints on permissible minimal thicknesses, constraints on permissible maximum diameter-to-thickness ratio for the structural members with circle hollow sections, as well as the conditions for designing gusset-less welded joints between structural members with circle hollow sections have been also considered in the scope of the mathematical model. 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 formulated parametric optimization problem. New optimal layouts of the steel lattice portal frame by the criterion of the minimum weight, as well as minimum costs on manufacturing and erection have been presented.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2021, номер 107
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2021, issue 107
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
04-107_yurchenko_peleshko.pdf
Дата публікації: 
27 Декабрь 2021
Номер збірника: 
107
Університет автора: 
1Kyiv National University of Construction and Architecture Povitroflotskyj av., 31, Kyiv, 03680 2Lviv Polytechnic National University St. Bandery str., 12, Lviv, 79013
Литература: 
  1. Alpatov, V. The task of multi-criteria optimization of metal frame structures // MATEC Web of Conferences. – 2017. – No. 117. – No. 00007. DOI: 10.1051/matecconf/201711700007
  2. Alpatov, V. Search for the Optimal Shape of Metal Spatial (space) Structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 753. – No. 022050. DOI:10.1088/1757-899X/753/2/022050
  3. Kibkalo, A., Lebedeva, M., Volkov, M. Methods of parametric optimization of thin-walled structures and parameters which influence on it // MATEC Web of Conferences. – 2016. –Vol. 53. – No. 01051. DOI: 10.1051/matecconf/20165301051
  4. Alekseytsev, A.V. Frame structures optimization based on evolutionary modeling in active overall stability constraints // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – No. 1425. – Article 012036. DOI:10.1088/1742-6596/1425/1/012036
  5. Serpik, I. N., Alekseytsev, A. V. Optimization of steel frame building systems in terms of parameters and reliability requirements // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 365. – No. 052003. DOI:10.1088/1757-899X/365/5/052003
  6. Serpik, I. N., Averin, A. S. Optimization of steel frames with the choice of materials’ grades with restrictions on general and local stability, strength and stiffness // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 913. – No. 022039. DOI:10.1088/1757-899X/913/2/022039.
  7. Sergeyev, O. A., Kiselev, V. G., Sergeyeva, S. A. Overall instability and optimization of bar structures with random defects in case of constraints on faultless operation probability // Magazine of Civil Engineering. – 2013. – No. 44(9). – Pp. 30–41. DOI: 10.5862/MCE.44.4.
  8. 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.
  9. Peleshko I., Yurchenko V. Parametric optimization of steel structures based on gradient projection method // 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.
  10. Yurchenko V.V., Peleshko I. D. Searching for optimal pre-stressing of steel bar structures based on sensitivity analysis // Archives of Civil Engineering. – 2020. – Vol. 66. – No. 3. Pp. 525-540. DOI: 10.24425/ACE.2020.134411
  11. Kuci, E., Henrotte, F., Duysinx, P., Geuzaine, C. Design sensitivity analysis for shape optimization based on the Lie derivative // Computer methods in applied mechanics and engineering. – 2017. – Vol. 317. – Pp. 702–722. DOI: 10.1016/j.cma.2016.12.036
  12. SP 16.13330.2017, Steel structures. Moscow: Minstroy, 2017. 140 p. (rus)
  13. Huebner, K. H., Dewhirst, D. L., Smith, D. E., Byrom, T. G. The finite element method for engineers. 4th ed. John Wiley & Sons, 2001. 744 p.
  14. Peleshko, I. D., Yurchenko, V. V. Improved gradient projection method for parametric optimization of bar structures // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – № 98(6). – Article No. 9812. DOI: 10.18720/MCE.98.12.
  15. Peleshko I., Yurchenko V. An improved gradient-based method to solve parametric optimisation problems of the bar structures // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – 2020. – Issue 104. – Pp. 265-288. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.104.265-288.
  16. Haug, E. J., Arora, J. S. Applied optimal design: mechanical and structural systems. – John Wiley & Sons, 1979. – 520 p.
  17. Reklaitis, G. V., Ravindran, A., Ragsdell, K. M. Engineering optimization. Methods and applications. – Wiley, 2006. – 688 p.
  18. Wilkinson J. H., Reinsch C. Handbook for Automatic Computation. Volume II: Linear Algebra. – Heidelberg New York Springer-Verlag Berlin. 1971. 441 p. DOI: 10.1137/1014116
  19. Peleshko I. D., Yurchenko V. V., Beliaev N. A. Computer-aided design and optimization of steel structural systems // Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej “Budownictwo i inżynieria środowiska”. – 2009. – Nr. 264. – z. 52. Pp. 145-154.
  20. Peleshko I. D., Yurchenko V. V., Beliaev N. A. Computer-aided design and optimization of steel structural systems // Proceedings of XII International Scientific Conference “Current issues of civil and environmental engineering” Rzeszów-Lviv-Kosice. – 2009. – P. 49.
 
References: 
  1. Alpatov, V. The task of multi-criteria optimization of metal frame structures // MATEC Web of Conferences. – 2017. – No. 117. – No. 00007. DOI: 10.1051/matecconf/201711700007
  2. Alpatov, V. Search for the Optimal Shape of Metal Spatial (space) Structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 753. – No. 022050. DOI:10.1088/1757-899X/753/2/022050
  3. Kibkalo, A., Lebedeva, M., Volkov, M. Methods of parametric optimization of thin-walled structures and parameters which influence on it // MATEC Web of Conferences. – 2016. –Vol. 53. – No. 01051. DOI: 10.1051/matecconf/20165301051
  4. Alekseytsev, A.V. Frame structures optimization based on evolutionary modeling in active overall stability constraints // IOP Conf. Series: Journal of Physics: Conference Series. – 2020. – No. 1425. – Article 012036. DOI:10.1088/1742-6596/1425/1/012036
  5. Serpik, I. N., Alekseytsev, A. V. Optimization of steel frame building systems in terms of parameters and reliability requirements // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2018. – Vol. 365. – No. 052003. DOI:10.1088/1757-899X/365/5/052003
  6. Serpik, I. N., Averin, A. S. Optimization of steel frames with the choice of materials’ grades with restrictions on general and local stability, strength and stiffness // IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering. – 2020. – Vol. 913. – No. 022039. DOI:10.1088/1757-899X/913/2/022039.
  7. Sergeyev, O. A., Kiselev, V. G., Sergeyeva, S. A. Overall instability and optimization of bar structures with random defects in case of constraints on faultless operation probability // Magazine of Civil Engineering. – 2013. – No. 44(9). – Pp. 30–41. DOI: 10.5862/MCE.44.4.
  8. 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.
  9. Peleshko I., Yurchenko V. Parametric optimization of steel structures based on gradient projection method // 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.
  10. Yurchenko V.V., Peleshko I. D. Searching for optimal pre-stressing of steel bar structures based on sensitivity analysis // Archives of Civil Engineering. – 2020. – Vol. 66. – No. 3. Pp. 525-540. DOI: 10.24425/ACE.2020.134411
  11. Kuci, E., Henrotte, F., Duysinx, P., Geuzaine, C. Design sensitivity analysis for shape optimization based on the Lie derivative // Computer methods in applied mechanics and engineering. – 2017. – Vol. 317. – Pp. 702–722. DOI: 10.1016/j.cma.2016.12.036
  12. SP 16.13330.2017, Steel structures. Moscow: Minstroy, 2017. 140 p. (rus)
  13. Huebner, K. H., Dewhirst, D. L., Smith, D. E., Byrom, T. G. The finite element method for engineers. 4th ed. John Wiley & Sons, 2001. 744 p.
  14. Peleshko, I. D., Yurchenko, V. V. Improved gradient projection method for parametric optimization of bar structures // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – № 98(6). – Article No. 9812. DOI: 10.18720/MCE.98.12.
  15. Peleshko I., Yurchenko V. An improved gradient-based method to solve parametric optimisation problems of the bar structures // Strength of Materials and Theory of Structures: Scientific-and-technical collected articles. – 2020. – Issue 104. – Pp. 265-288. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.104.265-288.
  16. Haug, E. J., Arora, J. S. Applied optimal design: mechanical and structural systems. – John Wiley & Sons, 1979. – 520 p.
  17. Reklaitis, G. V., Ravindran, A., Ragsdell, K. M. Engineering optimization. Methods and applications. – Wiley, 2006. – 688 p.
  18. Wilkinson J. H., Reinsch C. Handbook for Automatic Computation. Volume II: Linear Algebra. – Heidelberg New York Springer-Verlag Berlin. 1971. 441 p. DOI: 10.1137/1014116
  19. Peleshko I. D., Yurchenko V. V., Beliaev N. A. Computer-aided design and optimization of steel structural systems // Zeszyty naukowe Politechniki Rzeszowskiej “Budownictwo i inżynieria środowiska”. – 2009. – Nr. 264. – z. 52. Pp. 145-154.
  20. Peleshko I. D., Yurchenko V. V., Beliaev N. A. Computer-aided design and optimization of steel structural systems // Proceedings of XII International Scientific Conference “Current issues of civil and environmental engineering” Rzeszów-Lviv-Kosice. – 2009. – P. 49.