A structural optimization process is presented for arches with varying cross-section. The optimality criteria method is used to develop a recursive relationship for the design variables considering displacement, stresses and minimum depth constraints. The depth at the crown and at the support are taken as design variables first. Then the approach is extended by taking the depth values of each joint as design variable. The curved beam element of constant cross section is used to model the parabolic and circular arches with varying cross section. A number of design examples are presented to demonstrate the application of the method.
Genetic algorithms(GA) are based on the principles of natural genetics and natural selection. The algorithm searches an optimum design point using information based on the fitness function evaluated for the population of many design points. An application of GA on optimal design of a truss structure is studied. The terminology and the operating procedures common in GA are formalized by establishing similarities between GA and genetics from biology. In using GA, (1) coding of the design variables, (2) formulation of the fitness function, (3) setting of the termination condition, and (4) establishment of the probabilities are essential. These four points are discussed in the paper.
A general formulation for shape design sensitivity analysis over a plane arch structure is developed based on a variational formulation of curved beam in linear elasticity. Sensitivity formula is derived using the material derivative concept and adjoint variable method for the stress defined at a local segment. Obtained sensitivity expression, which can be computed by simple algebraic manipulation of the solution variables, is well suited for numerical implementation since it does not involve numerical differentiation. Due to the complete description for the shape and its variation of the arch, the formulation can manage more complex design problems with ease and gives better optimum design than before. Several examples are taken to show the advantage of the method, in which the accuracy of the sensitivity is evaluated. Shape optimization is also conducted with two design problems to illustrate the excellent applicability.
Azadi, Mohammad;Ghasemi, S. Hooman;Mohammadi, Mohammadreza
Geomechanics and Engineering
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제22권5호
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pp.433-439
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2020
Tunnels are one of the most important constructions in civil engineering. The damage to these structures caused enormous costs. Therefore, the safe and economic design of these structures has long been considered. However, both applied loads on the tunnels as well as the resistance of the structural members are naturally uncertain parameters, hence, the design of these structures requires considering the probabilistic approaches. This study aims to determine the load and resistant factors of lining tunnels concerning the earthquake extreme events limit state function. For this purpose, tunnels that have been designed according to the previous design codes (AASHTO Tunnel LRFD 2017) and using reliability analysis, the optimum reliability of these structures for different loading scenarios is determined. In this paper, the tunnel is considered circular. Finally, the proper load and resistance factors are calculated corresponding to the obtained target reliability. Based on the performed calibration earthquake extreme events limit state function, the result of this study can be recommended to AASHTO Tunnel LRFD 2017.
This study was carried out by structural analysis using finite element method for designing high rigidity structure of multi - functional automatic lathe bed. As a result of comparison, it was confirmed that the weight was designed to be higher than the maximum deformation amount. The shape and dimensions of the main pillars and walls of the bed were changed to derive the most suitable design for the multifunction automatic lathe bed. A model of structural design was derived with the goal of minimizing the maximum deformation amount of $20{\mu}m$ or less and the weight of the bed. As a result of applying the derived design improvement proposal to the multifunctional automatic lathe bed, 57.4% weight reduction and maximum principal stress decreased by 45.0% than the initial design model. It is expected that the optimum design that meets these design conditions will reduce the weight of the structure as well as improve the safety of the structure and reduce the machining error in the operation of the machine tool.
One of the most destructive forces around greenhouses is wind. Wind loads can be obtained by multiplying velocity pressure by dimensionless wind force coefficient. Generally, wind force coefficients can be determined by wind tunnel experiments. The wind force coefficient distribution on a single - span arched greenhouse was estimated using experimental data and compared with reported values from various countries. The results obtained are as follows : 1. The coefficients obtained from this study agree with the values proposed by G. L. Nelson except about 0.5 of difference in the middle region of roof section. This discrepancy is mainly attributed to the dissimilarity of experimental conditions (or wind tunnel test such as Reynolds number, type of terrain, surface roughness of model, location of the lapping and measuring methods. 2. Considering that the wind force coefficients are varied along the height of a wall at wind direction perpendicular to wall, structural analysis using subdivided wind force coefficient distribution is more resonable for wall. 3. It is recommendable that wind force coefficient distribution on a roof should take more subdivision than the existing four equal divisions for more accurate structural design. 4. Structural design using wind forces close to real values is more advantageous in safety and expense.
A damage-based seismic design procedure for steel frame structures is formulated as an optimization problem, in which minimization of the initial construction cost is treated as the objective of the problem. The performance constraint of the design procedure is to achieve "repairable" damage state for earthquake demands that are less severe than the design ground motions. The Park-Ang damage index is selected as the seismic damage measure for the quantification of structural damage. The charged system search (CSS) algorithm is employed as the optimization algorithm to search the optimum solutions. To improve the time efficiency of the solution algorithm, two simplifying strategies are adopted: first, SDOF idealization of multi-story building structures capable of estimating the actual seismic response in a very short time; second, fitness approximation decreasing the number of fitness function evaluations. The results from a numerical application of the proposed framework for designing a twelve-story 3D steel frame structure demonstrate its efficiency in solving the present optimization problem.
The uncertainties involved in structural performances are of importance when the optimum number and property of seismic retrofit devices are determined. This paper proposes a seismic retrofit design framework for asymmetric soft-first-story buildings, considering uncertainties in the soil condition and seismic retrofit device. The effect of the uncertain parameters on the structural performance is used to find a robust and optimal seismic retrofit solution. The framework finds a robust and optimal seismic retrofit solution by finding the optimal locations and mechanical properties of the seismic retrofit device for different realizations of the uncertain parameters. The structural performance for each realization is computed to evaluate the effect of the uncertainty parameters on the seismic performance. The framework utilizes parallel processing to decrease the computationally intensive nonlinear dynamic analysis time. The framework returns a robust design solution that satisfies the given limit state for every realization of the uncertain parameters. The proposed framework is applied to the seismic retrofit design of a five-story asymmetric soft-first-story case study structure retrofitted with a viscoelastic damper. Robust optimal parameters for retrofitting a structure to satisfy the limit state for the different realizations of the uncertain parameter are found using the proposed framework. According to the performance evaluation results of the retrofitted structure, the developed framework is proved effective in the seismic retrofit of the asymmetric structure with inherent uncertainties.
In this paper, an efficient and robust analysis system for the flutter optimization of laminated composite wings has been developed using the coupled computational method based on the genetic algorithm. General three-dimensional doublet-lattice method is efficiently used to compute generalized aerodynamic forces of T-tail configuration in the frequency domain. Structural dynamic analyses of laminated composite T-tail models are conducted using finite clement method. The classical P-k flutter analysis technique is applied to effectively solve the aeroelastic governing equations in the frequency domain. Optimum design studies using genetic algorithm have been conducted in order to obtain maximum flutter stability of a composite T-tail configuration. The results show that flutter stability can be significantly increased using composite materials with proper optimum design concepts even for the same weight and shape condition. In the view point of engineering design, it is also importantly shown that the optimization of the vertical wing part is highly effective comparing to the optimization of horizontal wing part.
본 논문에서는 열 두가지의 가능한 지지조건을 갖는 연속 곡평면 2방향 슬래브 시스템에 대하여 실용적이고 간편한 수치해석과 최적 설계 방법을 제시하였다. 얇은 곡평판의 탄성이론에 의하여 유도된 설계모멘트 계수를 이용하여, 구조해석을 하는 수치해석 방법을 본 연구에서는 사용하였다. 최적화의 결과는 한계상태 설계법에 의해서 정의된 feasible 영역내에서 결정되도록 유도하였으며 슬래브의 주재료 경비함수를 변형시켜 유도한 목적함수는 한계상태 설계의 규정에 따라 역학적 거동의 문제와 사용성 제약조건을 모두 만족하연서 최적화에 이르도록 하였다. 형성된 최적화 문제는 고차의 비선형 문제로 유도 되었으며 이 비선형 최적화 문제를 연속 선형계획법을 이용하여 해석하므서 슬래브의 유효깊이와 중간대 및 주열대의 단위폭당 변형시킨 철근비들의 최적 설계변수들을 구하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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