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系統識別號 U0002-1107201814430000
中文論文名稱 鋼建築結構最佳化設計之研究
英文論文名稱 Study On Optimum Design of Steel Building Structures
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 土木工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Civil Engineering
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 徐清芳
研究生英文姓名 Ching-Fang Hsu
學號 606380037
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-23
論文頁數 140頁
口試委員 指導教授-高金盛
委員-苟昌煥
委員-葉怡成
中文關鍵字 類神經網路  斷面尺寸  桿件  鋼建築結構  最佳化設計 
英文關鍵字 Artifician Neural Networks  Sectional Dimension  Member  Steel Building Structure  Optimized Design 
學科別分類 學科別應用科學土木工程及建築
中文摘要 鋼結構由於強度高、性能優越且具備品質均勻,耐震性佳以及施工較速的優點,且可回收再利用,因此於921集集大地震造成大量建築結構毀損倒塌之後,在一般樓層之建築結構方面,鋼結構有逐漸取代鋼筋混凝土結構之趨勢;在高樓層方面,由於強度的需求,更是必須採用鋼結構。
目前國人採用之鋼建築結構設計方式,大多經由假設、分析、校核、調整、再分析及再校核等步驟,在確定符合規範需求後即完成定案,設計者所完成之定案,大都不是最經濟方案。在地球資源逐步頻臨耗竭之際,為了有效運用材料資源,本研究特別探討建立可方便國內設計者使用,且執行時間較短之鋼建築結構最佳化設計模式,藉以使國內之建築結構的鋼材使用量可減至最經濟。
本文首先針對不同受力狀況之鋼桿件斷面,以搜尋法探討建立桿件斷面尺寸之最經濟設計模式;再以ETABS軟體分析,探討建立二維鋼構架之啟發式迭代最佳化分析模式,另外以CAFÉ軟體分析,探討建立二維鋼構架之最佳化設計模式,並比較兩者之差異;最後進一步探討建立三維鋼建築結構之啟發式迭代最佳化分析模式與CAFÉ軟體之最佳化設計模式。
研究結果顯示,利用本文所建立之鋼桿件斷面尺寸最經濟設計模式、啟發式迭代最佳化分析模式及CAFÉ軟體最佳化設計模式,皆可獲得材料數量最少化之最佳化設計。本文之研究成果可大幅提升國內鋼建築結構最佳化設計之實用性。
英文摘要 With the features of high strength, excellent quality, good uniformity, the advantages of seismic resistance capability, convenient for construction, and also reusable, steel structure is gradually replacing reinforced concrete structure in buildings after 921 earthquake, which caused a great amount of damages in building structures. In terms of high-level buildings, it’s even more necessary to use steel structure due to the high strength.
At present, people in Taiwan mostly go through the process of making hypothesis, doing analysis, checking, adjusting, re-analyzing, re-checking to finish the design of steel structure buildings. And the design will be confirmed after making sure if it follows all the regulations. Yet, a lot of time, it is not the most cost-effective way. In order to make the most of the resource of materials while we are running out of the resources we have on Earth, this study discusses the optimal designing solution of building steel structure facilities that requires less time, especially for the domestic designer. Eventually, it will decrease the use of material.
This study first uses searching method to investigate the most economical design model of the size of steel section based on different stress conditions on the section. Secondly, this study also discusses to establish the heuristic iterative optimization analysis model for 2-D steel building structures by using ETABS software to perform the analysis, in addition, discussing to establish the optimal design model for 2-D steel building structures by using CAFÉ software to analyze. Then compare the difference between those two. Lastly, this study further establishes the theistic iterative optimization analysis model for 3-D steel building structures and the optimal design model of using CAFÉ software.
The result shows that building the steel section with the most economical design model, the heuristic iterative optimization analysis model, as well as the optimal design model by using CAFÉ software, could make the usage of materials to the least. These results can greatly improve the practicability of the structural optimal design of steel building structures in Taiwan.
論文目次 目錄
目錄 I
圖目錄 V
表目錄 VIII
第一章 緒論 1
1-1 研究背景與動機 1
1-2 研究目的 2
1-3 研究流程 3
1-4 研究內容 5
第二章 文獻回顧 7
2-1 最佳化設計法 7
2-2 鋼結構之最佳化設計 9
2-3 類神經網路法之結構最佳化設計 10
第三章 基礎理論與方法 13
3-1 鋼結構設計 13
3-1-1 純受壓柱桿件設計 13
3-1-2 梁桿件設計 16
3-1-3 梁柱桿件設計 20
3-2 最佳化設計法 23
3-2-1 最佳化設計基本理論 23
3-2-2 最佳化設計步驟 26
3-2-3 鋼桿件斷面尺寸最佳化設計 29
3-2-4 滿載應力法 36
3-3 啟發式斷面迭代法 37
3-4 CAFÉ軟體分析理論 39
3-4-1 類神經網路法 39
3-4-2 類神經網路法演化之機制 39
3-4-3 倒傳遞類神經網路法之演算步驟 42
3-4-4 CAFÉ軟體 44
第四章 鋼桿件斷面尺寸之最佳化設計 46
4-1 前言 46
4-2 鋼桿件斷面尺寸最佳化之目標函數與約束條件 46
4-2-1 純受壓柱桿件斷面 46
4-2-2 梁桿件桿件斷面 47
4-2-3 梁柱桿件斷面 48
4-3 桿件斷面尺寸之最佳化設計流程 49
4-3-1 純受壓柱桿件斷面 49
4-3-2 梁桿件斷面 49
4-3-3 梁柱桿件斷面 50
4-4 斷面尺寸最佳化之搜尋法分析結果 51
4-4-1 純受壓柱桿件斷面 51
4-4-2 梁桿件斷面 57
4-4-3 梁柱桿件斷面 60
4-5 CAFÉ軟體分析結果 65
4-5-1 純受壓柱桿件斷面 65
4-5-2 梁桿件斷面 76
4-5-3 梁柱桿件斷面 81
4-6 小結 91
第五章 二維鋼構架之最佳化設計 92
5-1 前言 92
5-2 基本資料 92
5-2-1 初始方案 92
5-2-2 分析模式 96
5-2-3 分析結果 97
5-3 啟發式斷面迭代法進行最佳化設計 99
5-3-1 啟發式斷面迭代法最佳化之流程 99
5-3-2 啟發式斷面迭代法最佳化之設計結果 100
5-4 CAFÉ進行最佳化設計 105
5-4-1 CAFÉ最佳化之流程 105
5-4-2 CAFÉ最佳化之設計結果 106
5-5 二維鋼構架跨度變化探討 111
5-5-1 初始方案 111
5-5-2 分析結果 113
5-5-3 啟發式斷面迭代法最佳化之設計結果 117
5-6 小結 122
第六章 三維鋼結構建築之最佳化設計 124
6-1 前言 124
6-2 基本資料 124
6-2-1 初始案例 124
6-2-2 分析模式 125
6-2-3 分析結果 126
6-3 鋼建築梁柱結構之最佳化設計流程 128
6-3-1 啟發式斷面迭代法最佳化之流程 128
6-4 鋼建築結構之最佳化設計 128
6-4-1 啟發式斷面迭代法最佳化之設計結果 128
6-5 小結 134
第七章 結論與建議 135
7-1 結論 135
7-2 建議 135
參考文獻 136
圖目錄
圖3- 1最佳化設計流程圖 28
圖3- 2啟發式斷面迭代法流程圖 38
圖3- 3類神經網路流程圖 40
圖3- 4 CAFÉ軟體最佳化流程圖 45
圖4- 1 H型柱桿件輸入CAFÉ之數值 67
圖4- 2 交叉驗證法的誤差收斂曲線圖 68
圖4- 3 訓練測試法的誤差收斂曲線圖 68
圖4- 4 A帶狀主效果圖 69
圖4- 5 (Pu) ̅/Pu帶狀主效果圖 69
圖4- 6 λw帶狀主效果圖 69
圖4- 7 λf帶狀主效果圖 70
圖4- 8 b⁄h帶狀主效果圖 70
圖4- 9 A線性敏感性直條圖 70
圖4- 10 (Pu) ̅/Pu線性敏感性直條圖 71
圖4- 11 箱型柱桿件輸入CAFÉ之數值 72
圖4- 12 交叉驗證法的誤差收斂曲線圖 73
圖4- 13 訓練測試法的誤差收斂曲線圖 74
圖4- 14 A帶狀主效果圖 74
圖4- 15 (Pu) ̅/Pu帶狀主效果圖 74
圖4- 16 λ帶狀主效果圖 75
圖4- 17 A線性敏感性直條圖 75
圖4- 18 (Pu) ̅/Pu線性敏感性直條圖 75
圖4- 19 H型梁桿件輸入CAFÉ之數值 77
圖4- 20 交叉驗證法的誤差收斂曲線圖 78
圖4- 21 訓練測試法的誤差收斂曲線圖 79
圖4- 22 A帶狀主效果圖 79
圖4- 23 (Mu) ̅/Mu帶狀主效果圖 79
圖4- 24 λw帶狀主效果圖 80
圖4- 25 λf帶狀主效果圖 80
圖4- 26 b⁄h帶狀主效果圖 80
圖4- 27 A線性敏感性直條圖 81
圖4- 28 (Mu) ̅/Mu線性敏感性直條圖 81
圖4- 29 H型梁柱桿件輸入CAFÉ之數值 83
圖4- 30 交叉驗證法的誤差收斂曲線圖 84
圖4- 31 訓練測試法的誤差收斂曲線圖 84
圖4- 32 A帶狀主效果圖 85
圖4- 33 F帶狀主效果圖 85
圖4- 34 A線性敏感性直條圖 85
圖4- 35 F線性敏感性直條圖 86
圖4- 36 箱型梁柱桿件輸入CAFÉ之數值 87
圖4- 37 交叉驗證法的誤差收斂曲線圖 88
圖4- 38 訓練測試法的誤差收斂曲線圖 89
圖4- 39 A帶狀主效果圖 89
圖4- 40 F帶狀主效果圖 89
圖4- 41 λ帶狀主效果圖 90
圖4- 42 A線性敏感性直條圖 90
圖4- 43 F線性敏感性直條圖 90
圖5- 1 基本結構3D圖 93
圖5- 2 基本結構平面圖 94
圖5- 3 基本結構立面圖 94
圖5- 4 案例A之初始案例立面圖 112
圖5- 5 案例B之初始案例立面圖 113
表目錄
表4- 1 案例HC1至案例HC9比較表 52
表4- 2 以半結實斷面、結實斷面與塑性斷面設計之比較表 53
表4- 3 案例BOXC1至案例BOXC4比較表 55
表4- 4 以半結實斷面、結實斷面與塑性斷面設計之比較表 56
表4- 5 案例B1至案例B9的分析結果比較表 57
表4- 6 案例B10的分析結果表 58
表4- 7 以結實斷面與塑性斷面設計之比較表 58
表4- 8 案例HBC1至案例HBC9的分析結果比較表 61
表4- 9 以結實斷面與塑性斷面設計之比較表 61
表4- 10 案例BOXBC1至案例BOXBC4的分析結果比較表 64
表4- 11 以結實斷面與塑性斷面設計之比較表 64
表4- 12 H型柱桿件之輸入變數上下界 66
表4- 13 H型柱桿件輸入CAFÉ之數值 66
表4- 14 搜尋法結果與CAFÉ軟體結果比對表 71
表4- 15 箱型柱之輸入變數上下界 72
表4- 16 箱型柱桿件輸入CAFÉ之數值 72
表4- 17 搜尋法結果與CAFÉ軟體結果比對表 76
表4- 18 H型梁桿件之輸入變數上下界 76
表4- 19 H型梁桿件輸入CAFÉ之數值 77
表4- 20 CAFÉ軟體結果比對表 81
表4- 21 H型梁柱之輸入變數上下界 82
表4- 22 H型梁柱桿件輸入CAFÉ之數值 82
表4- 23 搜尋法結果與CAFÉ軟體結果比對表 86
表4- 24 箱型梁柱之輸入變數上下界 87
表4- 25 箱型柱桿件輸入CAFÉ之數值 87
表4- 26 搜尋法結果與CAFÉ軟體結果比對表 91
表5- 1 斷面尺寸與材料性質 95
表5- 2 樓層靜載重與活載重計算 95
表5- 3 內構架之各樓層靜載重與活載重設定 95
表5- 4 外構架之各樓層靜載重與活載重設定 95
表5- 5 地震力豎向分配結果 96
表5- 6 最大位移與層間位移轉角 97
表5- 7 梁、柱最大內力 98
表5-8 內構架之最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 100
表5-9 內構架之最大層間位移轉角 101
表5-10 內構架之梁、柱最大內力 102
表5- 11 外構架之最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 102
表5- 12 外構架之最大位移與層間位移轉角 103
表5- 13 外構架之梁、柱最大內力 104
表5- 14 初始案例與最佳化設計結果總體積相差表 105
表5-15 內構架20層樓同一尺寸之梁、柱斷面尺寸 106
表5-16 內構架20層樓同一尺寸之最大層間位移轉角 107
表5-17 內構架20層樓同一尺寸之梁、柱最大內力 108
表5- 18 內構架每5層樓同一尺寸之梁、柱斷面尺寸 108
表5- 19 內構架每5層樓同一尺寸之最大層間位移轉角 109
表5- 20 內構架每5層樓同一尺寸之梁、柱最大內力 110
表5- 21 初始案例與兩種方法的最佳化設計結果總體積比較表 111
表5- 22 案例A初始方案之最大位移與層間位移轉角 114
表5- 23 案例A初始方案之梁、柱最大內力 114
表5- 24 案例B初始方案之最大位移與層間位移轉角 115
表5- 25 案例B初始方案之梁、柱最大內力 116
表5-26 跨度改變之案例A最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 117
表5-27 跨度改變之案例A最大位移與層間位移轉角 118
表5-28 跨度改變之案例A梁、柱最大內力 119
表5-29 跨度改變之案例B最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 120
表5-30 跨度改變之案例B最大位移與層間位移轉角 121
表5-31 跨度改變之案例B梁、柱最大內力 121
表5- 32 初始案例與垮度改變之最佳化設計結果總體積相差表 122
表6- 1 斷面尺寸與材料性質 125
表6- 2 最大位移與層間位移轉角 126
表6- 3 梁、柱最大內力 127
表6- 4 案例A之最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 129
表6- 5 案例A之最大層間位移轉角 130
表6- 6 案例A之梁、柱最大內力 130
表6- 7 案例B之最佳化設計結果梁、柱斷面尺寸 131
表6- 8 案例B之最大層間位移轉角 133
表6- 9 案例B之梁、柱最大內力 133
表6- 10 初始案例與最佳化設計結果總體積相差表 134
參考文獻 參考文獻
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