OPTIMIZATION OF CROSS-SECTIONAL DIMENSIONS FOR COLD-FORMED STEEL LIPPED CHANNEL COLUMNS

Заголовок (англійською): 
OPTIMIZATION OF CROSS-SECTIONAL DIMENSIONS FOR COLD-FORMED STEEL LIPPED CHANNEL COLUMNS
Автор(и): 
A.V. Perelmuter
V. V. Yurchenko
I. D. Peleshko
Автор(и) (англ): 
A.V. Perelmuter
V. V. Yurchenko
I. D. Peleshko
Ключові слова (укр): 
холодногнутий профіль, несуча здатність, місцева втрата стійкості, втрата стійкості форми перерізу, параметрична оптимізація, градієнтний метод
Ключові слова (англ): 
cold-formed steel, load-carrying capacity, buckling resistance, local buckling, distortional buckling, parametric optimization, gradient-based methods
Анотація (укр): 
У статті розглянута задача параметричної оптимізації розмірів поперечного перерізу стержневого елементу конструкції з С-подібного холодногнутого профілю, що працює під дією поздовжньої сили стиску. Задача параметричної оптимізації формулюється як: при заданих ширині та товщині заготовки (штрипси) для виготовлення холодногнутого профілю, а також типі поперечного перерізу визначити його оптимальні розміри з врахуванням закритичної роботи та конструктивних вимог. Як критерій оптимальності приймався критерій максимізації несучої здатності профілю на втрату загальної стійкості при центральному стискові, який представлявся у формі лінійної згортки несучих здатностей, що враховують згинальне, крутильне та згинально-крутильне випучування стержневого елементу, обчислених відповідно до вимог EN 1993-1-3:2012 і EN 1993-1-5:2012. Пошук оптимальних розмірів реалізований з врахуванням можливої закритичної роботи тонкостінного холодногнутого профілю, яка характеризується втратою місцевої стійкості та втратою стійкості форми перерізу. Сформульована задача параметричної оптимізації розв'язана з використанням програми OptCAD, у якій реалізований метод проекції градієнту функції мети на поверхню активних обмежень при одночасній ліквідації нев'язок у порушених обмеженнях. Як результат оптимізаційного розрахунку отримані С-подібні холодногнуті профілі, які характеризуються більшою несучою здатністю на втрату стійкості при центральному стискові порівняно з холодногнутими профілями вітчизняних виробників при одній і тій самій ширині заготовки. При цьому, для всіх оптимальних рішень поперечних перерізів визначальною була несуча здатність С-подібного холодногнутого профілю на втрату стійкості за згинально-крутильною формою випучування.
Анотація (англ): 
A parametric optimization problem of cross-sectional sizes for cold-formed steel lipped channel structural members subjected to central compression has been considered by the paper. An optimization problem is formulated as follow: to define optimum cross-sectional sizes of cold-formed structural member taking into account post-buckling behavior and structural requirements when stripe width and profile thickness as well as type of the cold-formed profile are constant and defined by the designer. Maximization of load-carrying capacity of the cold-formed structural member has been assumed as purpose function. The latter has been presented in the form of linear convolution of the buckling resistance to the central compression taking into account flexural, torsional and torsional-flexural buckling of the thin-walled structural member determined according to the requirements EN 1993-1-3:2012 and EN 1993-1-5:2012. Searching for the optimum cross-sectional sizes of the cold-formed structural member has been performed taking into account the possibility of it post-critical buckling behavior based on the local buckling of the web and flanges and/or distortional buckling of the edge fold stiffeners. As optimization results cold-formed steel lipped channel have been obtained. With the same stripe width optimum profiles have higher load-carrying capacity level taking into account buckling resistance under the central compression comparing with the cold-formed steel lipped channel proposed by Ukrainian manufacturers. Besides, torsional-flexural buckling resistance of the cold-formed steel lipped channel is determinative for all optimum cross-sectional decisions.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Опір матеріалів і теорія споруд, 2022, номер 108
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Strength of Materials and Theory of Structures, 2022, number 108
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
12-108_perelmuter_a.v._yurchenko_v.v._peleshko_i.d.pdf
Дата публікації: 
05 Июль 2022
Номер збірника: 
108
Університет автора: 
SCAD Soft Ltd. Osvity str., 3A, of. 2, Kyiv, 03037, Kyiv National University of Construction and Architecture Povitroflotskyj av., 31, Kyiv, 03680, Lviv Polytechnic National University St. Bandery, 12, Lviv, 79013
References: 
  1. 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. – No. 147 (4). – No. 04021030. DOI: 10.1061/(asce)st.1943-541x.0002987.
  2. 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: 10.3390/buildings12010034.
  3. 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. – 101607. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101607.
  4. 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: 10.1016/j.engstruct.2015.07.051.
  5. 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: 10.1016/j.tws.2015.12.021.
  6. 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. – Kyiv: KNUBA. – 2020. – Issue 105. – Pp. 73-86. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.105.73-86.
  7. Moharrami, M., Louhghalam, A., Tootkaboni, M. Optimal folding of cold formed steel cross sections under compression // Thin-Walled Structures. – 2014. –  76. – Pp. 145-156.
  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. Yurchenko, V., Peleshko, I. Improved gradient projection method for parametric optimisation of bar structures // Magazine of Civil Engineering. – 2020. – 98(6). – 9812. DOI: 10.18720/MCE.98.12.  
  10. 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, Kyiv: KNUBA. – 2020. – Issue 104. – Pp. 265-288. DOI: 10.32347/2410-2547.2020.104.265-288.
  11. 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.
  12. Leng, J. Optimization Techniques for Structural Design of Cold-Formed Steel Structures // Recent Trends in Cold-Formed Steel Construction. – Woodhead Publishing: Sawston, UK, 2016. – Pp. 129-151.
  13. EN 1993-1-3:2006: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-3: General rules – Supplementary rules for cold-formed members and sheeting.
  14. EN 1993-1-5:2006: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-5: General rules – Plated structural elements.
  15. Yurchenko, V. Development of steel frames structural form made from cold-fromed profiles based on the optimization problem solution. The thesis is for taking the degree of Doctor of Technical Sciences in specialty 05.23.01 – civil engineering constructions, buildings and structures. – Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2019. (ukr)
  16. EN 1993-1-1:2005: EuroCode 3: Design of steel structures - Part 1-1: General rules and rules for buildings.
  17. 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: 10.1007/s10778-021-01096-0.
  18. Assortment ranges of the cold-formed profiles for light gauge steel structures of the Ukrainian manufacturers. UCSC-014-16, 2016. 32 p. (ukr)