An algorithm for minimizing material consumption in steel frames considering local failures of their individual elements

К содержанию выпуска

PDF статьи

DOI 10.25628/UNIIP.2025.65.2.014

Abdullah Hussein
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin (UrFU), Yekaterinburg, Russian Federation

Alekhin Vladimir N.
Ural Federal University named after the first President of Russia B. N. Yeltsin (UrFU), Yekaterinburg, Russian Federation

An algorithm for minimizing material consumption in steel frames considering local failures of their individual elements

Для цитирования
Abdullah H., Alekhin V. N. An algorithm for minimizing material consumption in steel frames considering local failures of their individual elements // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2025. − № 2 (65). − P. 95−100. DOI 10.25628/UNIIP.2025.65.2.014

Статья поступила в редакцию 12.08.2024.
Опубликована 30.06.2025.

Annotation. This article introduces an innovative algorithm designed for optimizing steel frames by incorporating considerations of local failures in their elements. The primary objective of the proposed algorithm is to enhance both structural reliability and economic efficiency. It achieves this by calculating the minimum weight of structural components while ensuring that its reliability remains intact. This approach is particularly significant as it accounts for various conditions throughout the lifecycle of the structure, including normal operating conditions and potentially hazardous situations arising from structure elements failures. By systematically evaluating these factors, the algorithm aims to provide engineers with a robust tool for designing safer and more efficient steel frame structures, contributing to improved performance and durability in the face of unforeseen challenges.

Keywords: elements failures, steel frames, structure optimisation, reliability, innovative algorithm.

Абдуллах Х., Уральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Российская Федерация

Алехин В. Н., Уральский федеральный университет (УрФУ) им. первого Президента России Б. Н. Ельцина, Екатеринбург, Российская Федерация

Алгоритм минимизации расхода материала в стальных каркасах с учетом локальных разрушений их отдельных элементов

Аннотация. Данная статья представляет инновационный алгоритм, разработанный для оптимизации стальных рам с учетом локальных отказов их элементов. Основная цель предлагаемого алгоритма — повысить надежность конструкции и экономическую эффективность. Это достигается путем вычисления минимальной массы элементов при сохранении их надежности. Такой подход особенно важен, поскольку учитывает различные условия эксплуатации конструкции, включая нормальные рабочие состояния и потенциально опасные ситуации, связанные с отказом элементов. Алгоритм предоставляет инженерам инструмент для проектирования более безопасных и эффективных стальных рам, повышая их долговечность и устойчивость к непредвиденным ситуациям.

Ключевые слова: разрушение элементов, стальные рамы, оптимизация конструкции, надежность, инновационный алгоритм.

References

  1. Abdullah H., Alekhin V. N., Pletnev M. V. Progressiruyushchee obrushenie: fakty, vozmozhnye prichiny, ocenka metodov analiza po raskhodu materialov // Academia. Arhitektura i stroitel‘stvo. — 2023. — № 4. — S. 153–158: [sajt] — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/progressiruyuschee-obrushenie-­fakty-­vozmozhnye-­prichiny-­otsenka-­metodov-­analiza-­po-­rashodu-­materialov/viewer (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  2. Alekhin V. N. Optimal‘noe proektirovanie stal‘nyh mnogoetazhnyh ram s uchetom razvitiya plasticheskih deformacij v uzlah: dis. … kand. tekhn. nauk: 05.23.01. — Sverdlovsk, 1981. — 212 s.
  3. Vedyakov I. I., Solov‘ev D. V., Kovalenko A. I. Veroyatnostnyj podhod k ocenke riska progressiruyushchego obrusheniya // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel‘stvo. — 2021. — № 10. — S. 36–43: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/357265882_Veroatnostnyj_podhod_k_ocenke_riska_progressiruusego_obrusenia (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  4. Zvezdov A. I., Vedyakov I. I., Solov‘ev D. V. Razvitie normativnyh podhodov po analizu riska progressiruyushchego obrusheniya // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel‘stvo. — 2023. — № 10. — S. 34–40.
  5. Serpik I. N., Aleksejcev A. V. Optimizaciya prostranstvennyh stal‘nyh ram povyshennogo urovnya otvetstvennosti // Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel‘stvo. — 2015. — № 10. — S. 8–14: [sajt] — URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=24370315 (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  6. Serpik I. N., Aleksejcev A. V. Optimizaciya sistemy stal‘noj ploskoj ramy i stolbchatyh fundamentov // Magazine of Civil Engineering. — 2016. — № 1 (61). — P. 14–24: [sajt] — URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25817488 (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  7. Serpik I. N., Aleksejcev A. V. Optimizaciya ramnyh konstrukcij s uchetom vozmozhnosti zaproektnyh vozdejstvij // Magazine of Civil Engineering. — 2013. — № 44 (9). — P. 23–29: [sajt] — URL: https://engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2013/9(44)/03.pdf (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  8. Alekhin V. N., Galieva A. B., Antipin A. A., Boswell L. F. Optimization of multistory steel frame members using genetic algorithm // Russian Journal of Construction Science and Technology. — 2015. — № 1. — P. 28–30: [sajt] — URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/47163/1/rjcst-2015‑1‑05.pdf (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  9. Cicconi P., Germani M., Bondi S. et al. A design methodology to support the optimization of steel structures // Procedia CIRP. — 2016. — № 50. — P. 58–64: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/306021421_A_Design_­Methodology_­to_Support_the_Optimization_of_Steel_Structures (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  10. Feng G., Xuancen L., Aiyan X. et al. Risk−Based Cost−Benefit Optimization Design for Steel Frame Structures to Resist Progressive Collapse // Buildings. — 2024. — № 14 (12). — P. 1–22: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net publication/386403327_Risk-Based_Cost-Benefit_Optimization_Design_for_Steel_Frame_Structures_to_Resist_Progressive_Collapse (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  11. GSA «Alternate path analysis & design guidelines for progressive collapse resistance». — October. — 2016.
  12. Nirvan M., Andri S., Manuel B., Jose M. A. Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation // Nature. — 2024. — № 629. — P. 592–596: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/380602178_Arresting_­failure_­propagation_­in_buildings_­through_­collapse_­isolation (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  13. UFC 4‑023‑03 (Including Change 3, 2016) Unified facilities criteria. Design of buildings to resist progressive collapse.

Список использованной литературы

  1. Абдуллах Х., Алехин В. Н., Плетнев М. В. Прогрессирующее обрушение: факты, возможные причины, оценка методов анализа по расходу материалов // Academia. Архитектура и строительство. — 2023. — № 4. — С. 153–158: [сайт] — URL: https://cyberleninka.ru/article/n/progressiruyuschee-obrushenie-­fakty-­vozmozhnye-­prichiny-­otsenka-­metodov-­analiza-­po-­rashodu-­materialov/viewer (дата обращения: 05.03.2025).
  2. Алехин В. Н. Оптимальное проектирование стальных многоэтажных рам с учетом развития пластических деформаций в узлах: дис. … канд. техн. наук: 05.23.01. — Свердловск, 1981. — 212 с.
  3. Ведяков И. И., Соловьев Д. В., Коваленко А. И. Вероятностный подход к оценке риска прогрессирующего обрушения // Промышленное и гражданское строительство. — 2021. — № 10. — С. 36–43: [сайт] — URL: https://www.researchgate.net/publication/357265882_Veroatnostnyj_podhod_k_ocenke_riska_progressiruusego_obrusenia (дата обращения: 05.03.2025).
  4. Звездов А. И., Ведяков И. И., Соловьев Д. В. Развитие нормативных подходов по анализу риска прогрессирующего обрушения // Промышленное и гражданское строительство. — 2023. — № 10. — С. 34–40.
  5. Серпик И. Н., Алексейцев А. В. Оптимизация пространственных стальных рам повышенного уровня ответственности // Промышленное и гражданское строительство. — 2015. — № 10. — С. 8–14: [сайт] — URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=24370315 (дата обращения: 05.03.2025).
  6. Серпик И. Н., Алексейцев А. В. Оптимизация системы стальной плоской рамы и столбчатых фундаментов // Magazine of Civil Engineering. — 2016. — № 1 (61). — P. 14–24: [сайт] — URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25817488 (дата обращения: 05.03.2025).
  7. Серпик И. Н., Алексейцев А. В. Оптимизация рамных конструкций с учетом возможности запроектных воздействий // Magazine of Civil Engineering. — 2013. — № 44 (9). — P. 23–29: [сайт] — URL: https://engstroy.spbstu.ru/userfiles/files/2013/9(44)/03.pdf (дата обращения: 05.03.2025).
  8. Alekhin V. N., Galieva A. B., Antipin A. A., Boswell L. F. Optimization of multistory steel frame members using genetic algorithm // Russian Journal of Construction Science and Technology. — 2015. — № 1. — P. 28–30: [sajt] — URL: https://elar.urfu.ru/bitstream/10995/47163/1/rjcst-2015‑1‑05.pdf (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  9. Cicconi P., Germani M., Bondi S. et al. A design methodology to support the optimization of steel structures // Procedia CIRP. — 2016. — № 50. — P. 58–64: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/306021421_A_Design_­Methodology_­to_Support_the_Optimization_of_Steel_Structures (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  10. Feng G., Xuancen L., Aiyan X. et al. Risk−Based Cost−Benefit Optimization Design for Steel Frame Structures to Resist Progressive Collapse // Buildings. — 2024. — № 14 (12). — P. 1–22: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net publication/386403327_Risk-Based_Cost-Benefit_Optimization_Design_for_Steel_Frame_Structures_to_Resist_Progressive_Collapse (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  11. GSA «Alternate path analysis & design guidelines for progressive collapse resistance». — October. — 2016.
  12. Nirvan M., Andri S., Manuel B., Jose M. A. Arresting failure propagation in buildings through collapse isolation // Nature. — 2024. — № 629. — P. 592–596: [sajt] — URL: https://www.researchgate.net/publication/380602178_Arresting_­failure_­propagation_­in_buildings_­through_­collapse_­isolation (data obrashcheniya: 05.03.2025).
  13. UFC 4‑023‑03 (Including Change 3, 2016) Unified facilities criteria. Design of buildings to resist progressive collapse.