Development of an optimised set of welded steel I-sections
Date
2017-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: This thesis reports on the search for an optimal set of standard welded I-sections to replace the
currently used set of hot-rolled and welded I-sections, listed in the Southern African Institute
of Steel Constructions Red Book (SAISC, 2013).
Practical considerations rule out many sections. The set of I-sections should not be too large or
too small. The problem is fairly unique amongst optimisation problems in that the search is not
for a single section or group of sections that can meet the strength and stiffness requirements
of a particular design problem at minimum cost. It is rather to find the set that will cover the
whole design space, in particular the regions of the design space that are popular in the South
African steel construction industry, most economically. The design space is defined by the spans,
loads, conditions of lateral support, etc. that are encountered in real structures.
An optimisation methodology was developed for the purpose of obtaining an optimal set of
welded I-sections to be used as simply supported unstiffened beams and girders. This optimal
set was obtained from an initial set of sections (created according to available plate dimensions)
by accounting for the practicality, capacity and popularity considerations of welded I-sections.
Some key parameters were varied to obtain the most optimal set of welded I-sections, with
each change in the parameter, providing a different optimal set. These different optimal sets
were compared with a comparison methodology to obtain the best optimal set amongst all the
optimal sets of welded I-sections that were developed.
This research project produced an optimal set of standardised welded I-sections for beams and
girders, as intended. It is also demonstrated that it is economically viable to replace the currently
used hot-rolled I-sections in South Africa with welded I-sections, and that the welded set can
yield a weight saving of approximately 20 %. The research project also provides the basis for
further research in the development of optimal sets of standardised sections, in order to include
columns and the production cost of welded I-sections.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis is ’n verslag van ’n soektog na ’n optimale stel standaard gesweiste I-profiele, wat bestaande warmgewalse en gesweiste I-profiele kan vervang, soos gelys in die Suider-Afrikaanse Instituut van Staalkonstruksie se Rooi Boek (SAISC, 2013). Praktiese oorwegings skakel baie van die I-profiele uit. Die stel I-profiele moet nie te groot of te klein wees nie. Die probleem is redelik uniek onder optimeringsprobleme in die opsig dat die soektog is nie na ’n enkele I-profiel of ’n groep van I-profiele wat kan voldoen aan die sterkte en styfheid vereistes van ’n spesifieke ontwerp probleem teen die laagste koste nie, maar wel vir ’n stel wat die hele ontwerpruimte kan dek, en veral oor die populêre gebied van die ontwerpruimte, en dit so ekonomies moontlik doen. Die ontwerpruimte word gedefinieer deur die span, las, laterale ondersteuning, ens. wat voorkom in werklike strukture. ’n Optimiseringsmetode was ontwikkel met die doel om ’n optimale stel gesweiste I-profiele te identifiseer wat gebruik kan word as eenvoudig opgelegde balke. Hierdie optimale stel is verkry van af ’n aanvanklike stel I-profiele (geskep volgens beskikbare plaatafmetings) deur ’n proses wat verseker het dat die uiteindelike stel bestaan uit praktiese profiele met die vereiste kapasiteit en dat die populariteit van verskillende profiele in ag geneem word. Sommige van die parameters is gevarieer om die mees optimale stel gesweiste I-profiele te verkry. Vir elke stel parameters is ’n ander optimale stel verkry. Hierdie verskillende optimale stelle is dan met mekaar vergelyk deur ’n vergelykingsmetode toe te pas om die beste optimale stel van gesweiste I-profiele te verkry. Hierdie tesis het ’n optimale stel standaard gesweiste I-profiele opgelewer vir gebruik as eenvoudig opgelegde balke, soos oorspronklik bedoel. Daar word ook getoon dat dit ekonomies lewensvatbaar is om die warmgewalsde I-profiele wat tans in Suid-Afrika gebruik word te vervang met gesweiste I-profiele, omdat die beste optimale stel ’n massaverlaging van ongeveer 20 % lewer. Hierdie tesis verskaf ook die basis vir verdere navorsing in die ontwikkeling van ’n optimale stel gestandaardiseerde profiele, met insluiting van kolomme en ’n ekonomiese evaluasie van die produksie van gesweiste profiele.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis is ’n verslag van ’n soektog na ’n optimale stel standaard gesweiste I-profiele, wat bestaande warmgewalse en gesweiste I-profiele kan vervang, soos gelys in die Suider-Afrikaanse Instituut van Staalkonstruksie se Rooi Boek (SAISC, 2013). Praktiese oorwegings skakel baie van die I-profiele uit. Die stel I-profiele moet nie te groot of te klein wees nie. Die probleem is redelik uniek onder optimeringsprobleme in die opsig dat die soektog is nie na ’n enkele I-profiel of ’n groep van I-profiele wat kan voldoen aan die sterkte en styfheid vereistes van ’n spesifieke ontwerp probleem teen die laagste koste nie, maar wel vir ’n stel wat die hele ontwerpruimte kan dek, en veral oor die populêre gebied van die ontwerpruimte, en dit so ekonomies moontlik doen. Die ontwerpruimte word gedefinieer deur die span, las, laterale ondersteuning, ens. wat voorkom in werklike strukture. ’n Optimiseringsmetode was ontwikkel met die doel om ’n optimale stel gesweiste I-profiele te identifiseer wat gebruik kan word as eenvoudig opgelegde balke. Hierdie optimale stel is verkry van af ’n aanvanklike stel I-profiele (geskep volgens beskikbare plaatafmetings) deur ’n proses wat verseker het dat die uiteindelike stel bestaan uit praktiese profiele met die vereiste kapasiteit en dat die populariteit van verskillende profiele in ag geneem word. Sommige van die parameters is gevarieer om die mees optimale stel gesweiste I-profiele te verkry. Vir elke stel parameters is ’n ander optimale stel verkry. Hierdie verskillende optimale stelle is dan met mekaar vergelyk deur ’n vergelykingsmetode toe te pas om die beste optimale stel van gesweiste I-profiele te verkry. Hierdie tesis het ’n optimale stel standaard gesweiste I-profiele opgelewer vir gebruik as eenvoudig opgelegde balke, soos oorspronklik bedoel. Daar word ook getoon dat dit ekonomies lewensvatbaar is om die warmgewalsde I-profiele wat tans in Suid-Afrika gebruik word te vervang met gesweiste I-profiele, omdat die beste optimale stel ’n massaverlaging van ongeveer 20 % lewer. Hierdie tesis verskaf ook die basis vir verdere navorsing in die ontwikkeling van ’n optimale stel gestandaardiseerde profiele, met insluiting van kolomme en ’n ekonomiese evaluasie van die produksie van gesweiste profiele.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2017.
Keywords
Optimisation . . ., Welded steel structures, Steel I-beams, UCTD