A novel formulation aiming to achieve optimal design of reinforced concrete (RC) structures is presented here. Optimal sizing and reinforcing for beam and column members in multi-bay and multistory RC structures incorporates optimal stiffness correlation among all structural members and results in cost savings over typical-practice design solutions. A Nonlinear Programming algorithm searches for a minimum cost solution that satisfies ACI 2005 code requirements for axial and flexural loads. Material and labor costs for forming and placing concrete and steel are incorporated as a function of member size using RS Means 2005 cost data. Successful implementation demonstrates the abilities and performance of MATLAB's (The Mathworks, Inc.) Sequential Quadratic Programming algorithm for the design optimization of RC structures. A number of examples are presented that demonstrate the ability of this formulation to achieve optimal designs.
Eskandari, Reyhaneh;Vafaei, Davoud;Vafaei, Javid;Shemshadian, Mohammad Ebrahim
Earthquakes and Structures
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v.12
no.2
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pp.191-200
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2017
In this paper, the seismic performance of reinforced concrete braced frames (RC-BF) under far- and near-fault motions was investigated. Four-, eight-, 12- and 16-story RC-BFs were designed on the basis of a code-design method for a high risk seismic zone. Nonlinear static and dynamic analyses of the frames have been performed using OpenSees software. To consider diverse characteristics of near-fault motions, records with forward-directivity and fling-step effects were employed. From the results obtained in the analytical study it is concluded that the used design method was reasonable and the mean maximum drift of the frames under all ground motion sets were in acceptable range. For intermediate- and high-rise buildings the near-fault motions imposed higher demands than far-faults.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2001.11a
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pp.341-348
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2001
In this study, nonlinear vibration analysis of the cylindrical orthotropic porous thin plate under V-shaped tension distribution with wire impact damping is considered. We make dynamic model of the plate under the tension using commercial FEM code and reduce the number of its degrees of freedom using dynamic condensation. The dynamic model of wire is obtained as lumped mass model from string equation. And then we analyze the nonlinear vibration of the plate including the impact phenomenon between the plate and the wire using the reduced mass and stiffness matrices of the plate and lumped model of the wire. The contact phenomenon between them can be described by impact contact elements composed of contact stiffness coefficients from Hertzian contact theory and contact damping coefficients from restitution coefficient between them. And we discussed the results of nonlinear vibration analysis for variations of their design parameters.
Static pushover analyses of typical existing reinforced concrete frames, designed according to the previous generations of design codes in Greece, have established these structures' inelastic characteristics, namely overstrength, global ductility capacity and available behaviour factor q, under planar response. These were compared with the corresponding demands at the collapse limit state target performance point. The building stock considered accounted for the typical variability, among different generations of constructed buildings in Greece, in the form, the seismic design code in effect and the material characteristics. These static pushover analyses are extended, in the present study, in the time history domain. Consequently, the static analysis predictions are compared with Incremental Dynamic Analysis results herein, using a large number of spectrum compatible recorded base excitations of recent destructive earthquakes in Greece and abroad, following, for comparison, similar conventional limiting failure criteria as before. It is shown that the buildings constructed in the 70s exhibit the least desirable behaviour, followed by the buildings constructed in the 60s. As the seismic codes evolved, there is a notable improvement for buildings of the 80s, when the seismic code introduced end member confinement and the requirement for a joint capacity criterion. Finally, buildings of the 90s, designed to modern codes exhibit an exceptionally good performance, as expected by the compliance of this code to currently enforced seismic provisions worldwide.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.24
no.2
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pp.77-86
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2020
Nonlinear static analysis and preliminary evaluation were performed in this study to evaluate the seismic performance of unreinforced masonry buildings subjected to various soil conditions based on the revised Korean Building Code. Preliminary evaluation scores and nonlinear static analyses indicated that all buildings were susceptible to collapse and did not reach their target performance. Therefore, retrofit of those building models was carried out through a systematic procedure to determine areas to be strengthened. It was possible to make most building models satisfy performance objectives through the reinforcement alone of damaged external shear walls. However, the application of a preliminary evaluation procedure to retrofit design was found to be too conservative because all the retrofitted building models verified with nonlinear static analysis failed to satisfy performance objectives. Therefore, it is possible to economically retrofit unreinforced masonry buildings through the fortification of external walls if a simple evaluation procedure that can efficiently specify vulnerable parts is developed.
In this paper, a Taguchi-based finite element method (FEM) has been proposed and implemented to assess optimal design parameters for minimum static deflection in laminated composite plate. An orthodox mathematical model (based on higher-order shear deformation plate theory and Green-Lagrange geometrical nonlinearity) has been used to compute the nonlinear central deflection values of laminated composite plates according to Taguchi design of experiment via a self-developed MATLAB computer code. The lay-up scheme, aspect ratio, thickness ratio and the support conditions of the laminated composite plate structure were designated as the governable design parameters. Analysis of variance (ANOVA) is used to investigate the effect of diverse control factors on the nonlinear static responses. Moreover, regression model is developed for predicting the desired responses. The ANOVA revealed that the lay-up scheme alongside the support condition plays vital role in minimizing the central deflection values of laminated composite plate under uniformly distributed load. The conformity test results of Taguchi analysis are also in good agreement with the numerical experimentation results.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.19
no.1
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pp.301-309
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1995
Shape optimal design of an excavator boom to minimize weight can be formulated as a nonlinear programming problem with an automesh refinement carried out by using the finite element method. The design variables are the radii and the coordinates of the circle to describe the excavator boundary shape. In addition to the displacement and stress constraints, geometric constraints are imposed such that the nodes cannot cross the certain range. The optimum design is obtained by using the PLBA nonlinear programming code. The sensitivity derivatives are calculated using the semi-analytical scheme. Numerical results of an excavator boom show potential for weight reduction of 4.4%(65.6 kgf) when considering the displacement, stress and geometric constraints.
This paper presents an algorithm for the evaluation of stresses in reinforced concrete sections under service loads. The algorithm is applicable to any section defined by polygonal contours and is based on an analytical integration of the stresses. The nonlinear behaviour of concrete is represented by the parabola-rectangle law used in the Eurocode-2 for the ultimate concrete design. An integrated definition of the strains in concrete and steel is possible by the use of Heaviside functions, similarly to what is done for ultimate section design in Barros et al. (2004). Other constitutive equations for the definition of the stresses in the concrete or steel can be easily incorporated into the code. The examples presented consist in the evaluation of resulting axial load and bending moment in an irregular section and in a section in L shape. The results, for service stresses, can also be plotted in terms of design abacus; a rectangular doubly reinforced section is presented as example.
In this study the progressive collapse potential of three- and nine-story special steel moment frames designed in accordance with current design code was evaluated by nonlinear static and dynamic analyses. It was observed that the model structures had high potential for progressive collapse when a first story column was suddenly removed. Then the size of beams required to satisfy the failure criteria for progressive collapse was obtained by the virtual work method; i.e., using the equilibrium of the external work done by gravity load due to loss of a column and the internal work done by plastic rotation of beams. According to the nonlinear dynamic analysis results, the model structures designed only for normal load turned out to have strong potential for progressive collapse whereas the structures designed by plastic design concept for progressive collapse satisfied the failure criterion recommended by the GSA guideline.
This paper proposes a Particle Swarm Optimization (PSO) algorithm, which is improved by making use of the Harmony Search (HS) approach and called HS-PSO algorithm. A computer code is developed for optimal sizing design of non-linear steel frames with various semi-rigid and rigid beam-to-column connections based on the HS-PSO algorithm. The developed code selects suitable sections for beams and columns, from a standard set of steel sections such as American Institute of Steel Construction (AISC) wide-flange W-shapes, such that the minimum total cost, which comprises total member plus connection costs, is obtained. Stress and displacement constraints of AISC-LRFD code together with the size constraints are imposed on the frame in the optimal design procedure. The nonlinear moment-rotation behavior of connections is modeled using the Frye-Morris polynomial model. Moreover, the P-${\Delta}$ effects of beam-column members are taken into account in the non-linear structural analysis. Three benchmark design examples with several types of connections are presented and the results are compared with those of standard PSO and of other researches as well. The comparison shows that the proposed HS-PSO algorithm performs better both than the PSO and the Big Bang-Big Crunch (BB-BC) methods.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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