17755

17755

طراحي بهينه ي قاب فولادي با اتصالات نيمه صلب با استفاده از الگوريتم هاي فراكاوشي

كارشناسي ارشد

سازه

خرداد 1396

دكتر علي كاوه - دكتر محمد علي برخورداري

عمران

طراحي بهينه ي سازه ها از جمله موضوعات مورد علاقه ي طراحان سازه به علت منافع اقتصادي آن است. اگرچه هزينه ي تمام شده ي يك سازه ي فولادي تحت تأثير عوامل زيادي از جمله مصالح، ساخت، نصب و حمل و نقل مي‌باشد، اما هزينه ي فولاد به كار رفته در سازه بخش زيادي از اين هزينه را شامل مي شود. لذا در طراحي بهينه ي سازه ها تمركز اصلي بر روي كمينه كردن وزن سازه ميباشد. يكي از عوامل تأثيرگذار بر روي وزن سازه، و همچنين برروي هزينه ي سازه(كه مي توان به صورت يك معادل وزني آن را لحاظ كرد) اتصالات آن مي باشد. در تحليل هاي معمول سازه ها رفتار اتصالات يا به صورت مفصلي و يا به صورت كاملأ صلب فرض مي شود. پس از پايان تحليل از طريق استخراج خروجي هاي لازم در محل اتصالات، اين اتصالات طراحي مي گردند. در بعضي از موارد تغيير شكل اعضاي اتصال بر روي مقاومت سازه در برابر بارهاي اعمالي تأثير گذار مي باشد. از طرفي طراحي اتصالات به صورت كاملأ گيردار بسيار هزينه بر بوده و احتياج به نظارت دقيق در زمان اجراي آن دارد. لذا ميتوان به منظور كاهش هزينه هاي سازه و لحاظ كردن اثر شكل پذيري اتصالات، آن ها را به صورت نيمه گيردار(Partially Restrained) طراحي نمود. فرض وجود اتصالات نيمه گيردار ايجاب مي كند كه رفتار اتصال در فرآيند تحليل وارد شود. مطالعات متعددي نشان داده است كه رفتار اتصالات (كه معمولأ منحني لنگر-دوران مشخصه ي اصلي آن است) به صورت غيرخطي مي باشد، و روش هاي مختلفي نيز براي مدلسازي اينگونه اتصالات در اين تحقيقات ارائه شده است. در اين تحقيق تلاش بر اين بوده تا با به كارگيري الگوريتم هاي فراكاوشي بهينه سازي برخورد اجسام (CBO) ، روش توسعه يافته ي بهينه سازي برخورد اجسام (ECBO) و سيستم ذرات مرتعش(VPS) و نيز با در نظر گرفتن رفتار نيمه صلب اتصالات تير به ستون، با انتخاب مدل مناسب از ميان مدل هاي پيشنهادي براي مدلسازي رفتار غير خطي آن ها، به يك طرح بهينه دست يافت. به اين منظور دو مثال سازه اي با استفاده از يك تابع هدف مناسب كه هزينه ي اتصالات را در بر مي گيرد بررسي شده است. در هر دو مثال مشاهده شد كه هزينه ي كلي سازه نسبت به حالتي كه از اتصالات صلب استفاده شود كاهش داشته است. همچنين عمكرد قابل قبول هر سه الگوريتم مشاهده شد. در بخش دوم اين تحقيق هدف بررسي اثر اتصالات نيمه صلب بر روي وزن سازه ها و هزينه ي كلي آن ها با احتساب هزينه ي اتصالات بوده است. بدين منظور قاب هاي مختلفي با تعداد دهانه ي يكسان و برابر با 4 و بارگذاري مشابه، اما طبقات مختلف بررسي شدند. نتيجه كلي اينكه در سازه هاي كوتاه مورد بحث در اين تحقيق به علت توزيع يكنواخت تر لنگر خمشي در اثر استفاده از اتصالات نيمه صلب، حداكثر لنگر در اكثر اعضاي سازه كاهش يافته كه منجر به سبكتر شدن قاب گرديده است. علاوه بر آن هزينه ي كلي سازه نسبت به حالتي كه از اتصالات صلب استفاده شد در همه ي قاب ها كاهش چشمگيري داشت. درمورد سازه هاي بلندتر مورد بحث در اين مطالعه اختلاف هزينه ي سازه بين دو حالت صلب و نيمه صلب كمتر شد و علت آن افزايش جابجايي هاي سازه در اثر استفاده از اتصالات نيمه صلب و سوق الگوريتم به سمت استفاده از اتصالات نزديك به صلب تشخيص داده شد. با توجه به اينكه استفاده از اتصالات نيمه¬صلب هزينه ي محاسبات را به مقدار قابل توجهي افزايش مي دهد، در مورد سازه هاي بلند پيش بيني مي شود افزايش بيشتر جابجايي ها و در نتيجه كاهش اختلاف هزينه سازه بين دو حالت مذكور، طراح را از استفاده از اتصالات نيمه صلب منصرف كند.

1396/06/12

3/21/2018 12:00:00 AM

Optimal design of structures has been the subject of considerable research over the past few decades, resulting in cost-effective designs. The main part of the cost of a structure is contributed by quite a few factors, among which the amount of steel material used is of profound importance. The primary objective of designers, therefore, is to minimize the weight of the structures. The beam-to-column connections have a great effect on the weight of the frame and, considering an equivalent weight for the connections, on its total cost. Simple and fully restrained (FR) connections are often idealized as pinned or fixed, respectively, for the purposes of structural analysis. Once the analysis has been completed, the deformations or forces computed at the joints may be used to proportion the connection elements. In certain cases, the deformation of the connection elements affects the way the structure resists load and hence the connection must be included in the analysis of the structural system. These connections are referred to as partially restrained (PR) moment connections. For structures with PR connections, non-linear behavior of them, as shown in numerous studies, should be considered. The most important behavioral characteristic of the connection can be modeled by a moment-rotation curve. Examples of procedures to model connection behavior are given in this study. In this research, an attempt has been made to obtain an optimal design for the frames, utilizing the colliding bodies optimization algorithm (CBO), enhanced colliding bodies optimization algorithm (ECBO), and vibrating particle system (VPS), and also considering the nonlinear behavior of connections. In this regard, two numerical examples, a nine-story single bay and a ten-story four-bay frame, were investigated. In both cases, the overall cost of the structure was observed to be less than that of the structure with fully restrained connections. Furthermore, all of the three algorithms showed an acceptable performance. The secondary objective of this study was to eva​luate the influence of partially restrained connections on the weight of the structures and their overall cost. In this regard, a series of 4-bay frames with different number of stories but under the same loading conditions were considered. Based on the results, in the case of shorter frames, utilizing the partially restrained connections led to a more uniform distribution of moment, and hence reduction of the maximum moment for most of the elements, reducing the weight of the frames. Moreover, considering the connections as partially restrained resulted in a noticeable reduction in overall cost of the structures. On the other hand, for frames with greater number of stories, the algorithm mostly considered the connections as fully restrained. This matter was due to the increase in displacement of the structures, reducing the difference between the cost of the structures with fully restrained and partially restrained connections. From the results, therefore, it may conclude that for multi-story structures it is preferred to use fully restrained connections instead of partially restrained ones.