۰۱مقالات
مقاله ژورنالی

Deformation mitigation and twisting moment control in space frames

راهکارهای کاهش تغییرشکل و کنترل لنگر پیچشی در سازه‌های فضاکار

تاریخ انتشار: ۱۲ بهمن ۱۴۰۲
DOI10.1016/j.istruc.2024.107227مشاهده در سایت ناشردانلود فایل پیوست
30f6d5df B111 416c Ab32 62a039671ca6

نویسندگان

Ahmed Manguri
Najmadeen Saeed
Robert Jankowski

چکیده

Over the last five decades, space frames have centered on the modernization of touristic zones in view of architectural attractions. Although attempts to control joint movement and minimize axial force and bending moment in such structures were made sufficiently, twisting moments in space frames have been underestimated so far. In space frames, external load or restoring the misshapen shape may cause twisting in members. We herein developed a robust computational algorithm to reduce the induced torsional moment through shape restoration within a desired limit by changing the length of active bars that are placed in space frames. Applying optimization algorithms like interior-point and Sequential quadratic programming (SQP), a direct correlation was pursued between bar length alteration and twisting in structural members. A numerical model of a single-layer space frame resembling an egg captures the twisting moment in all members, achieving a specified limit. The overall length change of the active members using an iterative process based on a heuristic that considers a threshold on the minimum length change of the active members.

چکیده فارسی

در طی پنج دهه گذشته، سازه‌های فضاکار عمدتاً در راستای نوسازی مناطق توریستی و به‌عنوان عناصر شاخص معماری مورد توجه قرار گرفته‌اند. اگرچه تلاش‌های قابل‌توجهی برای کنترل تغییرمکان گره‌ها و کاهش نیروهای محوری و لنگرهای خمشی در این سازه‌ها انجام شده است، اما لنگرهای پیچشی تاکنون کمتر مورد توجه قرار گرفته‌اند. در سازه‌های فضاکار، بارهای خارجی یا فرآیند بازگرداندن شکل تغییر‌یافته می‌تواند موجب ایجاد پیچش در اعضا شود. در این پژوهش، یک الگوریتم محاسباتی پایدار برای کاهش لنگرهای پیچشی ناشی از تغییر شکل، از طریق بازگردانی هندسه در محدوده مطلوب، با تغییر طول اعضای فعال در سازه‌های فضاکار توسعه داده شده است. با به‌کارگیری الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند نقطه درونی (Interior-Point) و برنامه‌ریزی درجه دوم متوالی (SQP)، ارتباط مستقیمی بین تغییر طول اعضا و میزان پیچش در اعضای سازه‌ای برقرار شده است. یک مدل عددی از یک سازه فضاکار تک‌لایه با شکل تخم‌مرغی، رفتار لنگر پیچشی را در تمامی اعضا شبیه‌سازی کرده و کنترل آن را در یک حد مشخص امکان‌پذیر ساخته است. تغییر طول کلی اعضای فعال با استفاده از یک فرآیند تکرارشونده مبتنی بر یک روش ابتکاری (heuristic) انجام شده که در آن یک آستانه برای حداقل تغییر طول اعضای فعال در نظر گرفته می‌شود.

کلیدواژه‌ها

Twisting moment, Shape control, Space frame, Optimization Actuator

متن مقاله

کنترل تغییرشکل و لنگر پیچشی در سازه‌های فضاکار

سازه‌های فضاکار به دلیل وزن کم، سختی مناسب، قابلیت پوشش دهانه‌های بزرگ و آزادی فرمی بالا، در پروژه‌هایی مانند سالن‌های نمایشگاهی، فرودگاه‌ها، استادیوم‌ها و پوشش‌های معماری خاص کاربرد گسترده‌ای دارند. با این حال، یکی از چالش‌های مهم در این نوع سازه‌ها، کنترل تغییرشکل و نیروهای داخلی اعضا تحت اثر بارهای خارجی است.

مقاله حاضر با عنوان Deformation mitigation and twisting moment control in space frames به بررسی یکی از موضوعات کمتر مورد توجه در تحلیل سازه‌های فضاکار می‌پردازد: لنگر پیچشی یا Twisting Moment در اعضای سازه. در بسیاری از مطالعات قبلی، تمرکز اصلی بر کاهش جابه‌جایی گره‌ها، کنترل نیروی محوری یا کاهش لنگر خمشی بوده است؛ اما اثر تغییر طول اعضا بر ایجاد یا افزایش لنگر پیچشی کمتر بررسی شده است.

در این پژوهش، یک مدل عددی از سازه فضاکار تک‌لایه با فرم تخم‌مرغی مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی، بازگرداندن شکل تغییر‌یافته سازه به محدوده مجاز و هم‌زمان کنترل لنگر پیچشی اعضا است. برای این منظور، از مفهوم اعضای فعال یا Actuator Members استفاده شده است؛ یعنی برخی اعضای سازه قابلیت تغییر طول کنترل‌شده دارند و با تغییر طول آن‌ها می‌توان فرم سازه و نیروهای داخلی را اصلاح کرد.

روش پیشنهادی مقاله بر پایه روش نیرو Force Method و الگوریتم‌های بهینه‌سازی مانند Interior-Point و SQP توسعه یافته است. در این روش، رابطه میان تغییر طول اعضای فعال، جابه‌جایی گره‌ها و مقدار لنگر پیچشی اعضا محاسبه می‌شود. سپس الگوریتم تلاش می‌کند با کمترین مقدار تغییر طول در اعضای فعال، جابه‌جایی گره‌ها و لنگر پیچشی را در محدوده مجاز نگه دارد.

نتایج مقاله نشان می‌دهد که اگر فقط تغییرشکل سازه کنترل شود، ممکن است لنگر پیچشی در برخی اعضا به‌طور قابل توجهی افزایش یابد. در نمونه عددی مقاله، کنترل صرف تغییرشکل باعث افزایش لنگر پیچشی بعضی اعضا از حدود 500 نیوتن‌میلی‌متر تا نزدیک 2000 نیوتن‌میلی‌متر شده است. این موضوع نشان می‌دهد که در طراحی و کنترل سازه‌های فضاکار، بررسی تغییرشکل به‌تنهایی کافی نیست و لنگر پیچشی نیز باید هم‌زمان کنترل شود.

در ادامه، پژوهشگران روشی ارائه کرده‌اند که به‌صورت هم‌زمان دو هدف را دنبال می‌کند:
کنترل جابه‌جایی گره‌ها در محدوده ±10 میلی‌متر و کنترل لنگر پیچشی اعضا در محدوده ±400 نیوتن‌میلی‌متر. نتایج نشان می‌دهد که با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی و تغییر طول محدود در اعضای فعال، می‌توان هر دو معیار را به‌طور هم‌زمان تأمین کرد.

یکی دیگر از بخش‌های مهم مقاله، بررسی اثر اضافه کردن اعضای تقویتی در سازه فضاکار است. در مدل مورد مطالعه، اضافه کردن هشت عضو افقی باعث کاهش جابه‌جایی بیشینه از حدود 13.41 میلی‌متر به 8.7 میلی‌متر شده است. با این حال، همین اصلاح سازه‌ای باعث افزایش لنگر پیچشی در برخی اعضا شده است. بنابراین، حتی اضافه کردن عضو تقویتی نیز باید همراه با تحلیل دقیق نیروهای داخلی، به‌ویژه پیچش، انجام شود.

اهمیت این مقاله برای طراحی سازه‌های فضاکار در این است که نشان می‌دهد رفتار واقعی این سازه‌ها فقط با کنترل خیز یا نیروی محوری قابل ارزیابی نیست. در فرم‌های آزاد، تک‌لایه، نامتقارن یا سازه‌هایی که تحت بارگذاری نامتقارن قرار دارند، لنگر پیچشی می‌تواند به یک پارامتر تعیین‌کننده در ایمنی و عملکرد سازه تبدیل شود.

از نگاه اجرایی، این تحقیق مسیر توسعه سازه‌های فضاکار هوشمند و قابل کنترل را نیز نشان می‌دهد. استفاده از اعضای فعال، سیستم‌های کنترل شکل و الگوریتم‌های بهینه‌سازی می‌تواند در آینده برای پروژه‌های خاص، سازه‌های دهانه‌بلند، پوشش‌های سبک، پوسته‌های فضاکار و فرم‌های معماری پیچیده کاربرد جدی داشته باشد.

جمع‌بندی

این مقاله تأکید می‌کند که در تحلیل و طراحی سازه‌های فضاکار، کنترل تغییرشکل باید هم‌زمان با کنترل لنگر پیچشی انجام شود. کاهش خیز بدون توجه به پیچش ممکن است باعث افزایش نیروهای داخلی و ایجاد شرایط نامطلوب در بعضی اعضا شود. بنابراین، برای طراحی دقیق سازه‌های فضاکار، به‌ویژه در فرم‌های آزاد و تک‌لایه، استفاده از تحلیل پیشرفته، مدل‌سازی عددی و بهینه‌سازی سازه‌ای ضروری است.

در پروژه‌های سازه فضاکار، توجه به این موضوع می‌تواند باعث افزایش ایمنی، کاهش تمرکز تنش، بهبود عملکرد سازه و ارتقای کیفیت طراحی شود.

منابع

  • [1] Yamaguchi H. Spatial structure of the front garden and site arrangement in the Honbou and Tacchu of Daitokuji and Myoshinji temples: study on spaces that connect the interior and exterior. Jpn Archit Rev 2022;5(4):445–57. https://doi. org/10.1002/2475-8876.12274.
  • [2] Chatti S. Production of profiles for lightweight structures. BoD–Books on Demand; 2006.
  • [3] E. Sysoeva Preconditions of emergence of large-span buildings in the world in MATEC Web of Conferences 2016 EDP Sciences, doi: 10.1051/matecconf/ 20168602004.
  • [4]Weeks CJ. Static shape determination and control of large space structures: I. The flexible beam. J Dyn Syst, Meas, Control 1984;106(4):261–6. https://doi.org/ 10.1115/1.3140683.
  • [5]Haftka RT, Adelman HM. An analytical investigation of shape control of large space structures by applied temperatures. AIAA J 1985;23(3):450–7. https://doi.org/ 10.2514/3.8934.
  • [6] Kwan A, Pellegrino S. Prestressing a space structure. AIAA J 1993;31(10):1961–3. https://doi.org/10.2514/3.11876.
  • [7] Reksowardojo AP, Senatore G. A proof of equivalence of two force methods for active structural control. Mech Res Commun 2020;103:103465. https://doi.org/ 10.1016/j.mechrescom.2019.103465.
  • [8]Wang Y, Senatore G. Extended integrated force method for the analysis of prestress- stable statically and kinematically indeterminate structures. Int J Solids Struct 2020;202:798–815. https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2020.05.029.
  • [9]Saeed NM, Kwan ASK. Simultaneous displacement and internal force prescription in shape control of pin-jointed assemblies. AIAA J 2016;54(8):2499–506. https:// doi.org/10.2514/1.J054811.
  • [10] Saeed NM, Manguri AAH, Adabar AM. Shape and force control of cable structures with minimal actuators and actuation. Int J Space Struct 2021;36(3):241–8. https://doi.org/10.1177/09560599211045851.
  • [11]Zhang H, Lu J, Gong P, Li N. Member control efficiency and shape control capability of a loaded cable dome. Structures 2023;58:105378. https://doi.org/ 10.1016/j.istruc.2023.105378.
  • [12]N. Saeed A. Manguri S. Abdulkarim A. Shekha Shape Restoration of Deformed Egg- Shaped Single Layer Space Frames 2019 International Conference on Advanced Science and Engineering (ICOASE) 2019 IEEE, Duhok, Kurdistan Region, Iraq doi: 10.1109/ICOASE.2019.8723714.
  • [13]Reksowardojo Arka, P, Senatore G, Bischoff M, Blandini L. Design and control benchmark of rib-stiffened concrete slabs equipped with an adaptive tensioning system. J Struct Eng 2024;150(1):04023200. https://doi.org/10.1061/JSENDH. STENG-12320.
  • [14] Reksowardojo AP, Senatore G, Bischoff M, Blandini L. Design and control of high- speed railway bridges equipped with an under-deck adaptive tensioning system. J Sound Vib 2024;579:118362. https://doi.org/10.1016/j.jsv.2024.118362.
  • [15]Manguri A, Saeed N, Kazemi F, Szczepanski M, Jankowski R. Optimum number of actuators to minimize the cross-sectional area of prestressable cable and truss structures. Structures 2023;47:2501–14. https://doi.org/10.1016/j. istruc.2022.12.031.
  • [16]Senatore G, Wang Y. Topology optimization of adaptive structures: new limits of material economy. Comput Methods Appl Mech Eng 2024;422:116710. https:// doi.org/10.1016/j.cma.2023.116710.
  • [17]Lan TT. Space frame structures. Struct Eng Handb 1999;13(4)).
  • [18]Ramaswamy G, Eekhout M, Suresh G. Analysis, design and construction of steel space frames. Thomas Telford,; 2002.
  • [19] Galishnikova V, Gebre T, Tupikova E, Niazmand M. The design guide for space frames with or without warping restraint at nodes. in AIP Conference Proceedings. AIP Publishing,; 2022. https://doi.org/10.1063/5.0099013.

مقالات مرتبط

گزارش فنی
Comparative Study of Space Frame Structures and Conventional Plate-Girder Sheds
مقاله ژورنالی
The Ultimate Strength of Hexa-node for Double-Layer Lattice Cooling Towers
مقاله ژورنالی
An Efficient Network-Based QoE Assessment Framework for Multimedia Networks Using a Machine Learning Approach
بازگشت به فهرست مقالات