This study investigates optimum designs of steel space truss towers under seismic loading by using Jaya optimization algorithm. Turkish Earthquake Code (2007) specifications are applied on optimum designs of steel space truss towers under the seismic loading for different local site classes depending on different soil groups. The proposed novel algorithm does not have any algorithm-specific control parameters and depends only a simple revision equation. Therefore, it provides a practical solution for structural optimization problems. Optimum solutions of the different steel truss examples are carried out by selecting suitable W sections taken from American Institute of Steel Construction (AISC). In order to obtain optimum solutions, a computer program is coded in MATLAB in corporated with SAP2000-OAPI (Open Application Programming Interface). The stress and displacement constraints are applied on the design problems according to AISC-ASD (Allowable Stress Design) specifications. Firstly, a benchmark truss problem is examined to see the efficiency of Jaya optimization algorithm. Then, two different multi-element truss towers previously solved with other methods without seismic loading in literature are designed by the proposed algorithm. The first space tower is a 582-member space truss with the height of 80 m and the second space tower is a 942-member space truss of about 95 m height. The minimum optimum designs obtained with this novel algorithm for the case without seismic loading are lighter than the ones previously attained in the literature studies. The results obtained in the study show that Jaya algorithm is a practical and robust optimization method for structural optimization problems. Moreover, incorporation of the seismic loading causes significant increase in the minimum design weight.
The purpose of this study was to evaluate structural safety and economic efficiency of prestressed hybrid beam using T-shape steel member which was developed to build large span educational facilities. Hybrid beam specimens were manufactured with 16.0m long and load was uniformly distributed by 12.0kN steel hexahedrons. In this study, honeycomb beam design process was introduced to T-shape section steel beam design. Vibration condition of specimens were analyzed by Korea Building Code 2009 and AISC Steel Design Guide Series-11. As a result, the prestressed hybrid beam with T-shape steel member has about 10.4% of cost reduction effect.
철골구조물의 기둥이음 형식은 볼트연결이나 용접을 이용한다. 이러한 연결방법에서 부재의 축응력은 덧판의 볼트체결이나, 용접부위 를 통하여 그 응력이 전달되는 것으로 간주하여 설계, 시공되고 있다. 우리나라의 강구조 한계상태 설계기준에 따르면, 기둥 이음부의 고력볼트 및 용접이음은 이음부의 응력을 충분히 전달하여야 하고 이들 항복내력은 피접합재 항복내력의 1/2이상이 되도록 하여야 한다. 다만, 이음부에서 단면 에 인장응력이 없는 경우, 이음면이 절삭 마감으로 밀착되면 소요압축력 및 소요휨모멘트 각각의 1/4은 접촉면에 의해 직접 전달시킬 수 있다고 되 어있다. 반면에, 미국 철강협회설계기준(AISC Specifications and Codes)에서는 기둥이음에서 지압력에 따라 응력이 전달되도록 접촉면이 마무리 되어 있는 경우, 그 위치를 확보하는데 충분하도록 이음되어야 한다고만 되어있어, 설계자의 판단에 따라 압축력은 이음면의 직접접촉(Metal Touch)으로 상부에서 하부로 모두 전달할 수 있도록 되어있고, 또한 압축력과 휨모멘트를 받는 기둥에서는 직접접촉을 통해 최소 25%에서 최대 50%까지의 하중전달이 가능하다. 따라서 기둥이음에서 압축력에 대한 직접접촉의 활용도의 차이가 크고 또한 압축력과 모멘트가 작용할 때의 직접 접촉에 대한 활용도도 그 차이가 최대 25%이므로, 직접 접촉된 이음부의 응력전달 거동에 대한 연구가 필요하다. 본 연구는 축력과 휨모멘트가 작 용하는 기둥에 대해서 이루어지며 실험체의 수는 총 22개이다. 국내의 메탈터치의 평활도인 관리 허용치 1.5D/1000와 한계허용치 2.5D/1000및 AISC에서 제시하는 압축력을 받는 기둥에서의 보강 없는 틈의 한계인 1.6mm에 대해, 본 실험결과와 기존의 허용치를 비교하였다. 그 결과, 상하 부재 간의 직접 접촉을 통하여, 즉 메탈터치를 이용하여 응력을 전달시키면 부재 이음에서 경제성과 효율성이 개선될 수 있다고 판단된다.
The concrete-filled steel tube (CFT) columns have several benefits of high load-bearing capacity, inherent ductility and toughness because of the confinement effect of the steel tube on concrete and the restraining effect of the concrete on local buckling of steel tube. However, the experimental research into the behavior of square CFT columns consisting of high-strength steel and high-strength concrete is limited. Six full scale CFT specimens were tested under flexural moment. The CFT columns consisted of high-strength steel tubes ($f_y$ = 325 MPa, 555 MPa, 900 MPa) and high-strength concrete ($f_{ck}$ = 80 MPa and 120 MPa). The ultimate capacity of high strength square CFT columns was compared with AISC-LRFD design code. Also, this study was focused on investigating the effect of high-strength materials on the structural behavior and the mathematical models of the steel tube and concrete. Nonlinear fiber element analyses were conducted based on the material model considering the cyclic bending behavior of high-strength CFT members. The results obtained from the numerical analyses were compared with the experimental results. It was found that the numerical analysis results agree well with the experimental results.
Metaheuristic algorithms in general make use of uniform random numbers in their search for optimum designs. Levy Flight (LF) is a random walk consisting of a series of consecutive random steps. The use of LF instead of uniform random numbers improves the performance of metaheuristic algorithms. In this study, three discrete optimum design algorithms are developed for steel skeletal structures each of which is based on one of the recent metaheuristic algorithms. These are biogeography-based optimization (BBO), brain storm optimization (BSO), and artificial bee colony optimization (ABC) algorithms. The optimum design problem of steel skeletal structures is formulated considering LRFD-AISC code provisions and W-sections for frames members and pipe sections for truss members are selected from available section lists. The minimum weight of steel structures is taken as the objective function. The number of steel skeletal structures is designed by using the algorithms developed and effect of LF is investigated. It is noticed that use of LF results in up to 14% lighter optimum structures.
Steel-concrete-steel sandwich composite wall is composed of two external steel plates and infilled concrete core. Internal mechanical connectors are used to enhance the composite action between the two materials. In this paper, the compressive behavior of a novel sandwich composite wall was studied. The steel trusses were applied to connect the steel plates to the concrete core. Three short specimens with different truss spacings were tested under compressive loading. The boundary columns were not included. It was found that the failure of walls started from the buckling of steel plates and followed by the crushing of concrete. Global instability was not observed. It was also observed that the truss spacing has great influence on ultimate strength, buckling stress, ductility, strength index, lateral deflection, and strain distribution. Three modern codes were introduced to calculate the capacity of walls. The comparisons between test results and code predictions show that AISC 360 provides significant underestimations while Eurocode 4 and CECS 159 offer overestimated predictions.
The aim of this experimental research is to investigate the conformity of the four-bolt unstiffened moment end-plate connections consisting of European steel sections which do not meet the limitations specified for beam flange width and overall beam depth in ANSI/AISC 358-10 to the requirements of seismic application. However, the connections are satisfactory with the limitations required by Turkish Earthquake Code. For this purpose, four test specimens were designed and cyclic load was applied to three specimens while one was tested under monotonic loading to provide data for the calibration of the analytical models. The moment-rotation hysteresis loops and the failure modes for all test specimens are presented. A full three-dimensional finite element model is also developed for each test specimen for use to predict their behavior and to provide a tool for generating subsequent extensive parametric studies. The test results show that all specimens performed well in terms of rotation capacity and strength. Finite element models are found to be capable of approximating the cyclic behavior of the extended end-plate connection specimens.
The safety level of a structural system designed per code specifications can not be inferred directly from the reliability of members due to the load redistribution and nonlinear inelastic structural behavior. Comparison of the system and member reliability, which is scarce in the literature, is likely to indicate any possible inconsistency of design codes in providing safe and economical designs. Such a comparative study is presented in this study for moment resisting two-dimensional steel frames designed per AISC LRFD Specifications. The member reliability is evaluated using the resistance of the beam-column element and the elastic load effects that indirectly accounts for the second-order effects. The system reliability analysis is evaluated based on the collapse load factor obtained from a second-order inelastic analysis. Comparison of the system and member reliability is presented for several steel frames. Results suggest that the failure probability of the system is about one order of magnitude lower than that of the most critically loaded structural member, and that the difference between the system and member reliability depends on the structural configuration, degree of redundancy, and dead to live load ratio. Results also suggest that the system reliability is less sensitive to initial imperfections of the structure than the member reliability. Therefore, the system aspect should be incorporated in future design codes in order to achieve more reliability consistent designs.
Many studies on the application of stainless steels as structural materials in buildings and infra-structures have been performed thanks to superior characteristics of corrosion resistance, fire resistance and aesthetic appeal. Experimental investigation to estimate the ultimate strength and fracture mode of the fillet-welded connections of cold-formed austenitic stainless steel (STS304L) with better intergranular corrosion resistance than that of austenitic stainless steel, STS304 commonly used has carried out by authors. Specimens were fabricated to fail by base metal fracture not weld metal fracture with main variables of weld lengths according to loading direction. All specimens showed a block shear fracture mode. In this paper, finite element analysis model was developed to predict the ultimate behaviors of welded connection and its validity was verified through the comparison with test results. Since the block shear behavior of welded connection due to stress triaxiality and shear-lag effects is different from that of bolted connection, stress and strain distributions in the critical path of tensile and shear fracture section were investigated. Test and analysis strengths were compared with those by current design specifications such as AISC, EC3 and existing researcher's proposed equations. In addition, through parametric analysis with extended variables, the conditions of end distance and longitudinal weld length for block shear fracture and tensile fracture were suggested.
Ipek, Suleyman;Erdogan, Aysegul;Guneyisi, Esra Mete
Steel and Composite Structures
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제44권1호
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pp.119-139
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2022
This paper aims to use the artificial intelligence approach to develop a new model for predicting the ultimate axial strength of the circular concrete-filled steel tubular (CFST) stub columns. For this, the results of 314 experimentally tested circular CFST stub columns were employed in the generation of the design model. Since the influence of the column diameter, steel tube thickness, concrete compressive strength, steel tube yield strength, and column length on the ultimate axial strengths of columns were investigated in these experimental studies, here, in the development of the design model, these variables were taken into account as input parameters. The model was developed using the backpropagation algorithm named Bayesian Regularization. The accuracy, reliability, and consistency of the developed model were evaluated statistically, and also the design formulae given in the codes (EC4, ACI, AS, AIJ, and AISC) and the previous empirical formulations proposed by other researchers were used for the validation and comparison purposes. Based on this evaluation, it can be expressed that the developed design model has a strong and reliable prediction performance with a considerably high coefficient of determination (R-squared) value of 0.9994 and a low average percent error of 4.61. Besides, the sensitivity of the developed model was also monitored in terms of dimensional properties of columns and mechanical characteristics of materials. As a consequence, it can be stated that for the design of the ultimate axial capacity of the circular CFST stub columns, a novel artificial intelligence-based design model with a good and robust prediction performance was proposed herein.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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