This study presents conceptual information of newly optimized shapes and connectivity of the so-called outrigger truss system for modern tall buildings that resists lateral loads induced by wind and earthquake forces. In practice, the outrigger truss consists of triangular or Vierendeel types to stiffen tall buildings, and the decision of outrigger design has been qualitatively achieved by only engineers' experience and intuition, including information of structural behaviors, although outrigger shapes and the member's connectivity absolutely affect building stiffness, the input of material, construction ability and so on. Therefore the design of outrigger trusses needs to be measured and determined according to scientific proofs like reliable optimal design tools. In this study, at first the shape and connectivity of an outrigger truss system are visually evaluated by using a conceptual design tool of the classical topology optimization method, and then are quantitatively investigated with respect to a structural safety as stiffness, an economical aspect as material quantity, and construction characteristics as the number of member connection. Numerical applications are studied to verify the effectiveness of the proposed design process to generate a new shape and connectivity of the outrigger for both static and dynamic responses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.2
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pp.268-275
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2003
Generally, structural optimization is carried out based on external static loads. All forces have dynamic characteristics in the real world. Mathematical optimization with dynamic loads is extremely difficult in a large-scale problem due to the behaviors in the time domain. The dynamic loads are often transformed into static loads by dynamic factors, design codes, and etc. Therefore, the optimization results can give inaccurate solutions. Recently, a systematic transformation has been proposed as an engineering algorithm. Equivalent static loads are made to generate the same displacement field as the one from dynamic loads at each time step of dynamic analysis. Thus, many load cases are used as the multiple leading conditions which are not costly to include in modern structural optimization. In this research, it is mathematically proved that the solution of the algorithm satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition. At first, the solution of the new algorithm is mathematically obtained. Using the termination criteria, it is proved that the solution satisfies the Karush-Kuhn-Tucker necessary condition of the original dynamic response optimization problem. The application of the algorithm is discussed.
Topology optimization of structures seeking the best distribution of mass in a design space to improve the structural performance and reduce the weight of a structure is one of the most comprehensive issues in the field of structural optimization. In addition to structures stiffness as the most common objective function, frequency optimization is of great importance in variety of applications too. In this paper, an efficient multi-objective Bi-directional Evolutionary Structural Optimization (BESO) method is developed for topology optimization of frequency and stiffness in continuum structures simultaneously. A software package including a Matlab code and Abaqus FE solver has been created for the numerical implementation of multi-objective BESO utilizing the weighted function method. At the same time, by considering the weaknesses of the optimized structure in single-objective optimizations for stiffness or frequency problems, slight modifications have been done on the numerical algorithm of developed multi-objective BESO in order to overcome challenges due to artificial localized modes, checker boarding and geometrical symmetry constraint during the progressive iterations of optimization. Numerical results show that the proposed Multiobjective BESO method is efficient and optimal solutions can be obtained for continuum structures based on an existent finite element model of the structures.
Shallan, Osman;Maaly, Hassan M.;Sagiroglu, Merve;Hamdy, Osman
Structural Engineering and Mechanics
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v.70
no.2
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pp.221-231
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2019
This paper performs for the first time a simultaneous optimization for members sections along with semi-rigid beam-to-column connections for space steel frames with fixed, semi-rigid, and hinged bases using a biogeography-based optimization algorithm (BBO) and a genetic algorithm (GA). Furthermore, a member's sections optimization for a fully fixed space frame is carried out. A real and accurate simulation of semi-rigid connection behavior is considered in this study, where the semi-rigid base connections are simulated using Kanvinde and Grilli (2012) nonlinear model, which considers deformations in different base connection components under the applied loads, while beam-to-column connections are modeled using the familiar Frye and Morris (1975) nonlinear polynomial model. Moreover, the $P-{\Delta}$ effect and geometric nonlinearity are considered. AISC-LRFD (2016) specification constraints of the stress and displacement are considered as well as section size fitting constraints. The optimization is applied to two benchmark space frame examples to inspect the effect of semi-rigidity on frame weight and drift using BBO and GA algorithms.
Peak response is a more suitable index than mean response in the light of structural safety. In this study, a controller optimization method is proposed to restrict peak responses of building structures subject to earthquake excitations, which are modeled as partially stationary stochastic process. The constraints are given with specified failure probabilities of peak responses. LQR is chosen to assure stability in numerical process of optimization. Optimization problem is formulated with weightings on controlled outputs as design variables and gradients of objective and constraint functions are derived. Full state feedback controllers designed by the proposed method satisfy various design objectives and output feedback controllers using LQG also yield similar results without significant performance deterioration.
Thermal Exchange Optimization (TEO) is a newly developed algorithm which mimics the thermal exchange between a solid object and its surrounding fluid. In this paper, an improved version of the TEO is developed to fix the shortcomings of the standard version. To demonstrate the viability of the new algorithm, the CEC 2016's single objective problems are considered along with the discrete size optimization of benchmark skeletal structures. Problem specific constraints are handled using a fly-back mechanism. The results show the validity of the improved TEO method compared to its standard version and a number of well-known algorithms.
Journal of Korean Association for Spatial Structures
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v.23
no.1
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pp.15-23
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2023
In this work, we deal with the feasibility of structural topology optimization for beam designs using retrofits that optimally allocates the reinforcement to the web under the condition that designers set bolt regions for H-beams of different dimensions. Mean compliance or minimal strain energy is considered for the optimization. Volume fraction is given to the design space to assign appropriate steel material quantities. The purpose of this study is to evaluate optimal shapes of stiffeners with the maximum rigidity that improves the axial and shear performance of the H-beam and to satisfy a given safety design standard of H-beam and stiffeners in case arbitrary load effect and resistances. Finally, the effectiveness of stiffness-based topology optimization on stiffeners is verified with several practical applicable examples.
The purpose of this paper is to perform the structural design of the small scale vertical-axis wind turbine (VAWT) blade using a response surface method(RSM). First, the four design factors that have a strong influence on the structural response of blade were selected. Analysis conditions were calculated by using the central composite design(CCD), which is a typical design of experiment for the response surface method(RSM). Also, the significance of the central composite design(CCD) was verified using analysis of variance(ANOVA). The finite element analysis was performed for the selected analytical conditions for the application of response surface method(RSM). Finally, a optimization problem was solved with a objective function of blade weight and a constraint of allowable stress to achieve a optimal structural design of blade.
Kim, Hyun-Seok;Kim, Hyun-Sung;Park, Byoungjae;Lee, Kangsu
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.34
no.5
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pp.263-270
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2021
In this study, a reliability-based design optimization of a 130-m class fixed-type offshore platform, to be installed in the North Sea, was carried out, while considering environmental, material, and manufacturing uncertainties to enhance its structural safety and economic aspects. For the reliability analysis, and reliability-based design optimization of the structural integrity, unity check values (defined as the ratio between working and allowable stress, for axial, bending, and shear stresses), of the members of the offshore platform were considered as constraints. Weight of the supporting jacket structure was minimized to reduce the manufacturing cost of the offshore platform. Statistical characteristics of uncertainties were defined based on observed and measured data references. Reliability analysis and reliability-based design optimization of a jacket-type offshore structure were computationally burdensome due to the large number of members; therefore, we suggested a method for variable screening, based on the importance of their output responses, to reduce the dimension of the problem. Furthermore, a deterministic design optimization was carried out prior to the reliability-based design optimization, to improve overall computational efficiency. Finally, the optimal design obtained was compared with the conventional rule-based offshore platform design in terms of safety and cost.
Korean Journal of Computational Design and Engineering
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v.11
no.2
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pp.128-137
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2006
In this paper, a CAD/CAE integrated optimal design system is developed, in which design and analysis process is automated using CAD/CAE softwares for a complex model in which the modeling by parametric feature is not easy to apply. Unigraphics is used for CAD modeling, in which the process is automated by using UG/Knowledge Fusion for modeling itself and UG/Open API function for the other functions respectively. Structural analyses are also carried out automatically by ANSYS using the imported parasolid model. The developed system is applied for the PLS(Plasma Lighting System) consisting of more than 20 components, which is a next generation illumination system that is used to illuminate stadium or outdoor advertizing panel. The analyses include responses by static, wind and impact loads. As a result of analyses, tilt assembly, which is a link between upper and lower body, is found to be the most critical component bearing higher stresses. Experiment is conducted using MTS to validate the analysis result. Optimization is carried out using the software Visual DOC for the tilt assembly to minimize material volume while maintaining allowable stress level. As a result of optimization, the maximum stress is reduced by 57% from the existing design, though the material volume has increased by 21%.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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