2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B

1Ottimizzazione Strutturale

franco.bontempi@uniroma1.it

Introduzione alla

OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE (parte B)

Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Universita’ di Roma

Ottimizzazione Strutturale

Object of the course

• Introduction of basic and advanced ideas

and aspects of structural design without to

much stress on the analytical apparatus

but with some insigth on the computational

techniques.

Objects (slang)

• STRUCTURES

• DESIGN

• ANALYSIS

• ENGINEERING

• RESEARCHOttimizzazione Strutturale

Processo di analisi

e processo di sintesi (1)

CALCOLO

RISULTATI

MODIFICA

CALCOLO

RISULTATI

TESTSI’ NO

Pre-processing

Post-processing

Processo di analisi

e processo di sintesi (2)

MODIFICA

CALCOLO

RISULTATI

TESTSI’ NO

Analisi / Sintesi

STRUCTURAL

QUALITY

- design life

- railway

runability

- highway

runability

- free channel

- robustness

- durability

- management

GLOBAL

GEOMETRY

TOPOLOGY

- suspension system

- towers

- towers foundation

- anchor system

- main deck

- deck landing

GLOBAL GEOMETRY

- main span

- sx span

- dx span

SECTIONAL GEOMETRY

- continuous girder sections

- transverse section

- main cables

- hangers

- towers

- secondary elements

MATERIALS

CHARACTERISTICS

- girders

- cables

SYNTHESIS OF

STRUCTURAL

SOLUTION

DOCUMENTATION

BOUNDARY

CONDITIONS

CONSTRAINTS:

rigid and elastic

constraints,

imposed

displacements

NATURAL

ACTIONS

- temperature

- wind

- earthquake

ANTROPIC

ACTIONS

a) permanent

loading

system

b) variable

- railway

- highway

c) accidental

BASIC STRUCTURAL

CONFIGURATION

PARAMETERS

- individuation

- definition

- uncertainty

- description

- bounding

GLOBAL

MODELING

MODELING WITH

DYNAMIC INTERACTION

ALTERNATIVE STRUCTURAL

CONFIGURATIONS

GLOBAL

OPTIMIZATION

- topology

- morphology

- parametric

OPTIMIZATION

- girders section

- transverse

section

- restraint zone

EXPERT AND

FIXED CHOICES

MEASURES

a) qualitative

b) materials volumes

c) serviceability

- modal characteristics

- deflections

- deformations

- reversibility

d) collapse scenarios

- collapse characteristics

- robustness

e) accidental scenarios

- configurations

- risks

DETAILED

MODELING

EXTENDED

MODELING

Numerical Modeling for the

Structural Analysis and Design of

MESSINA STRAIT BRIDGE:

subdivision and development of activities.

FB - june 6, 2005 / franco.bontempi@uniroma1.it Ottimizzazione Strutturale

REQUIREMENTS

FOR A STRUCTURE

Requisiti strutturali

• Condizioni di esercizio:

– Rigidezza

• Condizioni ultime:

– Resistenza

– Stabilita’

– Duttilita’

– Durabilita’

• Condizioni estreme:

– Robustezza

– Resilienza

• Configurazione nominale

della struttura

• Configurazione

danneggiata della

struttura

Robustezza strutturale e durabilita’ nel tempo.

Misura di danno o di errore

Capacità

prestazionale

Situazione

nominale

Degrado

prestazionale

Capacità

prestazionale

Situazione

nominale

Degrado

prestazionale

Misura del tempo o dell’uso

Robustness / Durability

RESILIENCE

3BASIC OPTIMZATION

VALUES FOR DESIGN

A STRUCTURE

Semplicità

• Il criterio più generale di progetto riguarda la

semplicità: per l’Ingegneria questo è un valore

fondamentale, perché pone i fondamenti per la

certezza di comportamento.

• Questo vale diventa, quindi, una strategia

globale per non introdurre ulteriori complessità

in un ambiente già di per se altamente incerto.

Regolarità geometrica e

simmetria• La regolarità geometrica riguarda la disposizione in

pianta ed in elevazione della struttura; è consigliata

l’adozione di una configurazione geometrica chiara,

lineare, con limitate eccentricità e variazioni brusche di

masse o rigidezze, con possibili simmetrie e ripetizioni.

• Questo e’ un criterio che riguarda tutte le scale

strutturali, dai componenti all’intera struttura: si pensi alle

connessioni delle aste nelle strutture reticolari al fine di

evitare sollecitazioni parassite o alla disposizione di un

intero edificio.

Iperstaticità e ridondanza

• La ridondanza strutturale consiste nel prevedere la

duplicazione dei percorsi e dei meccanismi resistenti,

ponendoli in parallelo, in modo da assicurare la

sicurezza globale dell’opera anche in caso di crisi da

parte di un sistema resistente, per mezzo della

ridistribuzione dei percorsi di carico. A questa si accosta

il concetto di iperstaticità, che consiste nel progettare

strutture con vincoli ed interconnessioni sovrabbondanti

rispetto alla quantità strettamente necessaria.

• Entrambi i criteri assumono un importante ruolo nel

governo del comportamento strutturale, indirizzando

nelle dovute forme le modalità di collasso.

Prevedibilità nel tempo

• Riguarda la necessità di utilizzare materiali,

componenti o soluzioni il cui comportamento sia

il più possibile prevedibile.

• Anche in questo caso, alterazioni brusche ed

imprevedibili dei comportamenti meccanici di

materiali e componenti, che si ripercuotano sulla

risposta strutturale complessiva, non possono

essere accettabili.

Principio di precauzione

• Il criterio si rivolge alla scelta dei materiali e prodotti

strutturali da usare nelle opere affinché si possa

garantire il rispetto dei requisiti precedentemente

indicati. Nel caso si scelgano materiali e prodotti non

esplicitamente citati nelle norme si richiede che tali

materiali possano essere impiegati solo se il produttore

ne garantisce prestazioni in linea con quanto richiesto

dalla norma stessa.

• Per poter essere utilizzato ai fini strutturali, un materiale

o un componente devono avere caratteristiche

geometriche, chimiche, fisiche e meccaniche, certe. In

termini più generali, si fa riferimento all’attenzione che si

deve rivolgere all’ambiente.

BASIC STRUCTURAL

DESIGN RULES

STRUCTURAL SYSTEM

Criteria for traction

Connections

Simplicity

Criteria for compression

Deformability

In vs. Out of plane

Criteria for flexion

Flexion basic

One location

Two location

The nature of optimum (1)

The nature of optimum (2)

A sub-optimal solution

to a problem is one

that is less than perfect.

Slack situation: loose and not pulled tight.

Shear lag

Shear type

Couplings

Shear lag

Material distribution

Toward mega

AUGMENTATION

Device

Meso-Device

Globl Device

TAIPEI 101

Citycorp

OPTIMIZATION ZERO

Plain introduction

106106

ELEMENTI E COMPONENTI

STRUTTURALI

ORGANIZZAZIONE

Le relazioni stabili di funzione, funzionalità

e topologia che danno significato agli

elementi indipendentemente dalla loro specificità.

STRUTTURA

Elementi specifici che tramite le relazioni

strutturali formano una configurazione persistente nel

SISTEMA

Struttura durevole di elementi organizzati, che

viene osservata come unità che presenta

caratteristiche emergenti.

LOAD PATH

Integrazione / Specializzazione

MAIN CHARACTERISTICS

• Micro-level:

local size of the sections, i.e. thickness, area, inertia, … (Detailed Geometry)

• Meso-level:

form of the structural element or structural part (substructure), i.e. main longitudinal axis, curvature, profile, … (Global Geometry)

• Macro-level:

connections of the different structural parts (Load Path)

Optimization Levels

• Micro-level:

local - sectional optimization / sizing

• Meso-level:

as above + morphology changes

• Macro-level:

as above + topologic changes

http://carat.st.bv.tum.de/caratuserswiki/index.php/Users:Structural_Optimization/General_Formulation

Dimensione topologica

Smoothing / Streamlining

Engineering Design Phases

Ingegnerizzazione

• Spessori minimi / massimi

• Lunghezze minime / massime

• Simmetrie

• Elementi industrializzati

• Procedure di realizzazione (forgiatura,

piegatura, saldabilita’, …)

• Costruibilita’

Topological Optimization

Sequence

Practice

OPTIMIZATION

TECHNIQUES

http://www.youtube.com/watch?v=QXbWCrzWJo4

Optimality Criteria

4LEVELS AND TECHNIQUES

OTTIMIZZAZIONE

A LIVELLO SEZIONALE

Microlivello

Geometry Parameter Based

Optimization

Non-Parametric

Optimization

Fully Stressed Design (FSD)

FSD in action

Hybrid optimization

Industrial α - sections

A / W for HEB for α = h

A = 9E-13x6 - 3E-09x5 + 5E-06x4 - 0,0036x3 + 1,2509x2 - 139x + 7185,3

W = 1E-11x6 - 9E-08x5 + 0,0002x4 - 0,2162x3 + 113,67x2 - 17128x + 881393

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

0 200 400 600 800 1000 1200

Poly. (A)

Poly. (W)

IPE / HEB

Tensioni superiori / inferiori

• Nell’ ipotesi di sollecitazione di presso-flessione,

possiamo scrivere, per la sezione più sollecitata,

le tensioni al lembo superiore, σtop ed al lembo

inferiore, σbot in funzione del parametro α:

Limiti tensionali

• Le tensioni così ricavate devono sottostare

ad una limitazione dettata dal criterio di

resistenza scelto per il materiale:

Espressioni con sollecitazioni

WAMANW

Soluzione che soddisfa tutto

Design max4,...1

• Con tale tecnica, si ottiene un dimensionamento che sfrutta a pieno la capacità portante della sezione.

• Il progetto è basato quindi sul raggiungimento del requisito di resistenza: un elemento strutturale e la struttura nel complesso devono pero’ soddisfare a differenti altri requisiti.

• È possibile considerare indirettamente questi altri aspetti anche con il FSD: basta agire sui valori dei limiti tensionali o sui valori dei moltiplicatori αmax ed αmin per dimensionare l’elemento con riferimento ad altri aspetti che non siano la sola resistenza.

Taglio / Instabilita’

OTTIMIZZAZIONE

MORFOLOGICA

mesolivello

no morfologica

Fundamental steps of the BG

evolutionary process

OTTIMIZAZIONE

TOPOLOGICA

Macrolivello

Design Graph

Vincoli funzionali

http://www.dezeen.com/2013/08/22/qatar-national-convention-centre-by-arata-

isozaki/

271http://www.new-territories.com/blog/architecturedeshumeurs/?p=98

bamboo

Michell

OTTIMIZAZIONE

GENERATIVA

Script

Scala naturae OPTIMIZATION

Optimality Criteria

Script

Stro N

GERwww.stronger2012.com

2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B

Engineering

Transcript of 2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B

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