The purpose of this paper is to present a new and efficient optimization algorithm called Jaya for optimum design of steel grillage structure. Constrained size optimization of this type of structure based on the LRFD-AISC is carried out with integer design variables by using cross-sectional area of W-shapes. The objective function of the problem is to find minimum weight of the grillage structure. The maximum stress ratio and the maximum displacement in the inner point of steel grillage structure are taken as the constraint for this optimization problem. To calculate the moment and shear force of the each member and calculate the joint displacement, the finite elements analysis is used. The developed computer program for the analysis and design of grillage structure and the optimization algorithm for Jaya are coded in MATLAB. The results obtained from this study are compared with the previous works for grillage structure. The results show that the Jaya algorithm presented in this study can be effectively used in the optimal design of grillage structures.
In this paper, an improved version of particle swarm optimization based optimum design algorithm (IPSO) is presented for the steel grillage systems. The optimum design problem is formulated considering the provisions of American Institute of Steel Construction concerning Load and Resistance Factor Design. The optimum design algorithm selects the appropriate W-sections for the beams of the grillage system such that the design constraints are satisfied and the grillage weight is the minimum. When an improved version of the technique is extended to be implemented, the related results and convergence performance prove to be better than the simple particle swarm optimization algorithm and some other metaheuristic optimization techniques. The efficiency of different inertia weight parameters of the proposed algorithm is also numerically investigated considering a number of numerical grillage system examples.
A plastic analysis method is commonly used in ship and offshore structural system to utilize the ultimate strength. In this paper, the basic principle of plastic analysis method is applied to ship grillages such as transverse oil-tight bulkheads. The main emphasis is placed on the optimum arrangement of grillage system to give minimum weight. Additional parametric study is carried out to find the effect of various arrangement of grillage system. The above methods are applied to oil-tight bulkhead design, and results are compared with the existing one.
Many PE (pre-erection) blocks are supported by wooden, concrete, or steel supports when they are stocked in the outdoor areas of a shipyard. Their positions and numbers are planned on the basis of the workers' experience. Recently, many shipyards have been making PE blocks with various shapes and weight distributions because of the variety of ships and building technologies. Therefore, it is now necessary to deal with blocks that they have no experience with. We propose a method to conveniently and quickly evaluate the structural safety of PE block supports, without the need for special knowledge and technology related to structural analysis. This method can reduce the large number of man hours (MH) normally needed for the analysis. The three-dimensional grillage analysis is performed for a simplified grillage model of a PE block. For efficiency, the grillage model of the PE block is automatically built from its three-dimensional CAD model, and its weight is also automatically distributed on the grillage model. The integrated system has been comprehensively implemented to perform the grillage analysis for the reaction forces on block supports. This paper describes how to make a grillage model of a PE block and estimate the weight distribution of the block on this grillage model. These steps are verified by comparing the supports reaction forces to those of the 3D finite element analysis for the PE blocks that are provided by a shipyard.
The optimum grillage design belongs to nonlinear constrained optimization problem. The determination of beam scantlings for the grillage structure is a very crucial matter out of whole structural design process. The performance of optimization methods, based on penalty functions, is highly problem-dependent and many methods require additional tuning of some variables. This additional tuning is the influences of penalty coefficient, which depend strongly on the degree of constraint violation. Moreover, Binary-coded Genetic Algorithm (BGA) meets certain difficulties when dealing with continuous and/or discrete search spaces with large dimensions. With the above reasons, Real-coded Micro-Genetic Algorithm ($R{\mu}GA$) is proposed to find the optimum beam scantlings of the grillage structure without handling any of penalty functions. $R{\mu}GA$ can help in avoiding the premature convergence and search for global solution-spaces, because of its wide spread applicability, global perspective and inherent parallelism. Direct stiffness method is used as a numerical tool for the grillage analysis. In optimization study to find minimum weight, sensitivity study is carried out with varying beam configurations. From the simulation results, it has been concluded that the proposed $R{\mu}GA$ is an effective optimization tool for solving continuous and/or discrete nonlinear real-world optimization problems.
From the engineering point of view, a synthesis as well as an analysis technique is explored to search for the improved design of grillage which is common in ship structure. As an approximate analysis method for the grillage, an interaction reaction method is developed and compared with the finite element method. It is found that the discrepancy between these two methods is so negligible that the percent method could be used effectively for the grillage analysis. As an optimization technique, a feasible direction method could be used is combined with the intersection reaction method in order to design a minimum weight optimal grillage. The feasible direction method shows a good numerical performance although it requires more calculation times compared with the direct search method. Finally, the application of multiple objective optimization method to grillage is investigated in order to resolve conflicts existed between the multiple objectives which is a common characteristic of structure design problem. Goal programming method is extended to handle a nonlinear property of constraints and objective functions. It seems that the nonlinear goal programming could help not only to establish a relative importance of each objective, but also enable the designer to choose the best combination of design variables.
Kim, Sung Chan;Ryu, Cheolho;Lee, Jang Hyun;Lee, Kyung Seok
Journal of Advanced Research in Ocean Engineering
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제2권3호
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pp.150-157
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2016
When blocks are supported on a dock, huge reaction forces concentrated at the supports cause structural damage owing to local stress concentrations. Thus, the supports should be arranged to avoid local failure from the reaction forces by redistributing those forces. Docking analyses to determine the proper blocks and their support arrangements are introduced so that the local stresses are minimized to warrant the safety of the docking supports. Local stresses enforced by the support arrangement should be evaluated by finite element analysis (FEA). However, it is difficult to consider an accurate 3D geometry of the blocks in the finite element model because the structural design information is too complicated to determine within several days using the FEA model. This paper presents a simplified FE model to evaluate the safety of the arrangement of supports using a simplified grillage element. The grillage element can be efficiently used to obrain the reaction forces in docking analysis becasuse the reaction forces at the supports are enough to assess the safety of block. Since a simplified grillage model of the entire ship cannot accurately calculate the local stresses, an optimized modeling method based on the grillage element was introduced. The local reaction forces obtained by the proposed approach and three-dimensional FEA were discussed for typical types of ships. It is shown that the reaction forces obtained by the present grillage model are in reasonably good agreement with the FEA model.
A ship is composed of many grillage structures especially the deck which is consists of primary girders, transverse and longitudinal members. Several holes are arranged on these primary members for pipes, vents, etc. which cause stress concentration due to the discontinuity of the member. It is not easy to get the stress values around all these holes because of the huge amount of time necessary for computations. In this paper, a simple method to compute for the stress around the holes is suggested. This method is composed of two steps which are grillage analysis for primary members and detailed stress analysis using the results of the grillage analysis. This method is made for the design of the primary members with openings supporting the deck structure.
The purpose of this study is to examine the accuracy of the code provisions on lateral load distribution factors of prestressed concrete girder bridges. Most designers in Korea use the lever method or lateral load distribution formula in the existing design codes. However, the methods do not account for the effect of bridge skew or direction of diaphragm. Therefore, this study analysed the prestressed concrete girder bridge with grillage model for various girder spacings, directions of diaphragms, span lengths, and skews, and compared the results with those of existing design code. It has been found that lateral load distribution factors were proportional to the girder spacing while they were not significantly affected by the change of span length, direction of diaphragm, and skew. For bending moments, lateral load distribution factors from the grillage analysis were 60%~68% of those from Korean bridge design code. Therefore, the code provisions result in very conservative design. For support reactions, however, lateral load distribution factors from the grillage analysis were slightly greater than those from Korean bridge design code. Therefore, the capacity of bearings of the bridge with a large skew should be determined by grillage analysis.
The docking analysis of a global ship structure is requested to evaluate its structural safety against the reaction forces at supports during docking works inside a dry dock. That problem becomes more important recently as the size of ships is getting larger and larger. The docking supports are appropriately arranged in a dock to avoid their excessive reaction forces which primarily cause the structural damages in docking a ship and, up to now, the structural safety has been assessed against the support arrangement by the finite element analysis (FEA) of a global ship structure. However, it is complicated to establish the finite element model of the ship in the current structural design environment of a shipyard and it takes over a month to finish the work. This paper investigates a simple and fast approach to carry out a ship docking analysis by a simplified grillage model and to assign the docking supports position on the model. The grillage analysis was considered from the motivation that only the reaction forces at supports are sufficient to assess their arrangement. Since the simplified grillage model of the ship cannot guarantee its accuracy quantitatively, modeling strategies are proposed to improve the accuracy. In this paper, comparisons between the proposed approach and three-dimensional FEA for typical types of ships show that the results from the present grillage model have reasonably good agreement with the FEA model. Finally, an integrated program developed for docking supports planning and its evaluation by the proposed approach is briefly described.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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