In this paper, an optimization process using Genetic Algorithm (GA) that mimics biological processes is presented for optimum design of planar frames with semi-rigid connections by selecting suitable standard sections from a specified list taken from American Institute of Steel Construction (AISC). The stress constraints as indicated in AISC-LRFD (American Institute of Steel Construction - Load and Resistance Factor Design), maximum lateral displacement constraints and geometric constraints are considered for optimum design. Two different planar frames with semi-rigid connections taken from the literature are carried out first without considering concrete slab effects in finite element analyses and the results are compared with the ones available in literature. The same optimization procedures are then repeated for full and semi rigid planar frames with composite (steel and concrete) beams. A program is developed in MATLAB for all optimization procedures. Results obtained from this study proved that consideration of the contribution of the concrete on the behavior of the floor beams provides lighter planar frames.
In this study, optimum structural designs of braced (non-swaying) planar steel frames are investigated by using one of the recent meta-heuristic search techniques, teaching-learning based optimization. Optimum design problems are performed according to American Institute of Steel Construction- Allowable Stress Design (AISC-ASD) specifications. A computer program is developed in MATLAB interacting with SAP2000 OAPI (Open Application Programming Interface) to conduct optimization procedures. Optimum cross sections are selected from a specified list of 128W profiles taken from AISC. Two different braced planar frames taken from literature are carried out for stress, geometric size, displacement and inter-storey drift constraints. It is concluded that teaching-learning based optimization presents robust and applicable optimum solutions in multi-element structural problems.
Now that problems with force-based seismic design have been clearly identified, design is inclined toward displacement-based methods. One such widely used method is Direct-Displacement-Based Design (DDBD). Yet, one of the shortcomings of DDBD is considering higher-mode amplification of story shear, moments, and displacements using equations obtained from limited parametric studies of regular planar frames. In this paper, a different approach to account for higher-mode effects is proposed. This approach determines the lateral secant stiffness of the building frames that fulfill the allowable inter-story drift without exceeding the desired story displacements. Using the stiffness, an elastic response spectrum analysis is carried out to determine elastic higher-mode force effects. These force effects are then combined with DDBD-obtained first-mode force effects using the appropriate modal superposition method so that design can be performed. The proposed design procedure is verified using Nonlinear Time History Analysis (NTHA) of twelve planar frames in four categories accounting for mass and stiffness irregularity along the height. In general, the NTHA response outputs compared well with the allowable limits of the performance objective. Thus, it fulfills the aim of minimizing the use of NTHA for planar frame buildings, thereby saving computational resources and effort.
유한요소법(有限要素法)에 의한 철근(鐵筋)콘크리트 평면(平面)뼈대구조물(構造物)의 비선형수치해석법(非線型數値解析法)을 제시(提示)하였다. 콘크리트의 구열(龜裂), 철근(鐵筋)의 강복등(降伏等) 재료상(材料上)의 비선형성(非線型性)을 고려(考慮)하였다. 이 방법(方法)에 의하면 휨에 의해 파괴(破壞)되는 철근(鐵筋)콘크리트 평면(平面)뼈대구조물(構造物)의 사용하중(使用荷重) 및 극한하중(極限荷重) 영역(領域)을 통(通)한 응답(應答)에 대한 정확(正確)한 수치해(數値解)를 얻을 수 있다. 이 방법(方法)의 정확성(正確性)과 유용성(有用性)을 입증(立證)하기 위해 수치해석예(數値解析例)를 제시(提示)하고 이를 실험결과(實驗結果)와 다른 연구(硏究)에 의한 해석결과(解析結果)와 비교(比較)하였다.
This paper presents a displacement-based finite element procedure for second-order distributed plasticity analysis of planar steel frames with semi-rigid beam-to-column connections under static loadings. A partially strain-hardening elastic-plastic beam-column element, which directly takes into account geometric nonlinearity, gradual yielding of material, and flexibility of semi-rigid connections, is proposed. The second-order effects and distributed plasticity are considered by dividing the member into several sub-elements and meshing the cross-section into several fibers. A new nonlinear solution procedure based on the combination of the Newton-Raphson equilibrium iterative algorithm and the constant work method for adjusting the incremental load factor is proposed for solving nonlinear equilibrium equations. The nonlinear inelastic behavior predicted by the proposed program compares well with previous studies. Coupling effects of three primary sources of nonlinearity, geometric imperfections, and residual stress are investigated and discussed in this paper.
This paper presents a method of elastic-plastic analysis for planar steel frames that provides the accuracy of distributed plasticity methods with the computational efficiency that is greater than that of distributed plasticity methods but less than that of plastic-hinge based methods. This method accounts for the effect of spread of plasticity accurately without discretization through the cross-section of a beam-column element, which is achieved by the following procedures. First, nonlinear equations describing the relationships between generalized stresses and strains of the cross-section are derived analytically. Next, nonlinear force-deformation relationships for the beam-column element are obtained through lengthwise integration of the generalized strains. Elastic-plastic flexibility coefficients are then calculated by differentiating the above element force-deformation relationships. Finally, an elastic-plastic stiffness matrix is obtained by making use of the flexibility-stiffness transformation. Adding the conventional geometric stiffness matrix to the elastic-plastic stiffness matrix results in the tangent stiffness matrix, which can readily be used to evaluate the load carrying capacity of steel frames following standard nonlinear analysis procedures. The accuracy of the proposed method is verified by several examples that are sensitive to the effect of spread of plasticity.
Beam-to-column connections behaviour plays an important role in the analysis and design of steel and precast concrete structures. The paper presents a computer-based method for geometrically nonlinear frames with semi-rigid beam-to-column connections. The analytical procedure employs modified stability functions to model the effect of axial force on the stiffness of members. The member modified stiffness matrix, and the modified fixed end forces for various loads were found. The linear and nonlinear analyses were applied for two planar steel structures. The method is readily implemented on a computer using matrix structural analysis techniques and is applicable for the efficient nonlinear analysis of frameworks.
단조증가하중을 받는 평면골조의 비탄성해석을 위하여 개발된 기존의 직접해석법을 확장하여 반복하중에 적용하였다. 직접해석법을 위한 골조요소로서 비탄성 트러스와 비탄성 보요소의 두 가지 요소가 개발되었다. 제안된 방법의 정확성과 신뢰성을 기존의 Step-by-step 해석과 비교하여 검증하였다. 기존의 Step-by-step 해석은 하중증분의 크기에 따른 해의 불안정성, 단계별 오차의 누적, 하중증분의 세분에 따른 과다한 계산 등의 문제를 가지는데 비하여 직접해석법은 하중증분의 크기에 무관하게 해의 신뢰성이 보장되고 증분평형식을 사용하지 않으므로 단계별 오차의 누적이 없고 하중증분을 세분하지 않아도 되므로 해석비용이 적게 드는 이점이 있다.
The resonant planar transformer, which had power capacity of 300 W, input voltage of 220 V, output voltage of 15 V, and switching frequency of 500 kHz, was designed and manufactured by using the planar core with large effective area and the flat copper lead frames for miniaturization and high efficiency of the switching mode power supply (SMPS). As well as, a resonant converter equipped with the above mentioned planar transformer was manufactured and electromagnetic characteristics were investigated. The numerical value of turns for 1st and 2nd winding were 12 and 2 respectively. The self inductance of 1st winding was 33.2 ${\mu}H$, very low leakage inductance of 1.27 ${\mu}H$, and the coupling factor of 0.98 were obtained at switching frequency of 300 kHz. The high efficiency of 88.21 % for the SMPS equipped with planar transformer was obtained at power capacity of 300 W.
A method for the inelastic response analysis of Planar frame based on Direct Method is presented. Two elements ( inelastic truss and inelastic beam ) are developed. The accuracy and reliability of the preposed method is verified by comparing the results of example analysis with BRAIN-2D developed by Powell.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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