2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B

1Ottimizzazione Strutturale

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Introduzione alla

OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE (parte B)

Franco Bontempi

Ordinario di Tecnica delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Universita’ di Roma

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2015

Ottimizzazione Strutturale

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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.


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Objects (slang)

• STRUCTURES

• DESIGN

• ANALYSIS

• ENGINEERING

• RESEARCHOttimizzazione Strutturale

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Processo di analisi

e processo di sintesi (1)

DATI

CALCOLO

RISULTATI

START

END

START

END

MODIFICA

K=K+1

K=0

DATI

K

CALCOLO

RISULTATI

K

TESTSI’ NO

Pre-processing

Post-processing


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Processo di analisi

e processo di sintesi (2)

START

END

MODIFICA

K=K+1

K=0

DATI

K

CALCOLO

RISULTATI

K

TESTSI’ NO

AN

AL

ISI

SIN

TE

SI


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Analisi / Sintesi

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STRUCTURAL

QUALITY

- design life

- railway

runability

- highway

runability

- free channel

- robustness

- durability

- management

GLOBAL

GEOMETRY

AND

TOPOLOGY

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

AND

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

CO

NV

EN

TIO

NA

L M

OD

ELIN

G:

QU

AS

I ST

AT

IC R

EP

RE

SE

NT

AT

ION

BASIC STRUCTURAL

CONFIGURATION

PARAMETERS

- individuation

- definition

- uncertainty

- description

- bounding

GLOBAL

MODELING

- 2D

- 3D

MODELING WITH

DYNAMIC INTERACTION

ALTERNATIVE STRUCTURAL

CONFIGURATIONS

GLOBAL

OPTIMIZATION

- topology

- morphology

- parametric

LOCAL

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

12 3

4

5

6

7

Numerical Modeling for the

Structural Analysis and Design of

MESSINA STRAIT BRIDGE:

subdivision and development of activities.

FB - june 6, 2005 / [email protected] Ottimizzazione Strutturale

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REQUIREMENTS

FOR A STRUCTURE

Basic


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Requisiti strutturali

• Condizioni di esercizio:

– Rigidezza

• Condizioni ultime:

– Resistenza

– Stabilita’

– Duttilita’

– Durabilita’

• Condizioni estreme:

– Robustezza

– Resilienza

• Configurazione nominale

della struttura

• Configurazione

danneggiata della

struttura


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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

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RESILIENCE


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3BASIC OPTIMZATION


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VALUES FOR DESIGN

A STRUCTURE


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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.


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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.


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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.


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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.


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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.


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BASIC STRUCTURAL

DESIGN RULES

STRUCTURAL SYSTEM


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Criteria for traction


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Connections


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Simplicity


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Criteria for compression


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Deformability


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In vs. Out of plane


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Criteria for flexion


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Flexion basic


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Flexion basic


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htt

p:/

/en

.wik

ipe

dia

.org

/wik

i/M

ec

han

ical_

flo

or


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One location


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Two location


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The nature of optimum (1)


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The nature of optimum (2)


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A sub-optimal solution

to a problem is one

that is less than perfect.

Slack situation: loose and not pulled tight.


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Shear lag

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Shear type


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Couplings


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Shear lag


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Shear lag


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Tubes


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Material distribution


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Ribs


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Toward mega


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Th

e C

hin

a In

tern

ati

on

al T

rus

t a

nd

In

ve

stm

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t C

om

pa

ny (

CIT

IC)

Pla

za

, 1

99

7


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micro


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macro


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AUGMENTATION


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Device


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Meso-Device


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Globl Device


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TMD


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TAIPEI 101


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Citycorp


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OPTIMIZATION ZERO

Plain introduction


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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

tempo

SISTEMA

Struttura durevole di elementi organizzati, che

viene osservata come unità che presenta

caratteristiche emergenti.

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LOAD PATH


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Integrazione / Specializzazione


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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)


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Optimization Levels

• Micro-level:

local - sectional optimization / sizing

• Meso-level:

as above + morphology changes

• Macro-level:

as above + topologic changes


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

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Dimensione topologica


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Smoothing / Streamlining


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Engineering Design Phases


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Ingegnerizzazione

• Spessori minimi / massimi

• Lunghezze minime / massime

• Simmetrie

• Elementi industrializzati

• Procedure di realizzazione (forgiatura,

piegatura, saldabilita’, …)

• Costruibilita’


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Topological Optimization

Sequence


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Practice


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OPTIMIZATION

TECHNIQUES


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

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Optimality Criteria


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154

4LEVELS AND TECHNIQUES


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OTTIMIZZAZIONE

A LIVELLO SEZIONALE

Microlivello


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Geometry Parameter Based

Optimization


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Non-Parametric

Optimization


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Fully Stressed Design (FSD)


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FSD in action


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Hybrid optimization


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Industrial α - sections


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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

0

2000000

4000000

6000000

8000000

10000000

12000000

14000000

0 200 400 600 800 1000 1200

A

W

Poly. (A)

Poly. (W)


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IPE / HEB


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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:

W

M

A

N

W

M

A

N

bot

top


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Limiti tensionali

• Le tensioni così ricavate devono sottostare

ad una limitazione dettata dal criterio di

resistenza scelto per il materiale:

bot

top

0

0

0

0

bot

bot

top

top


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Espressioni con sollecitazioni

4

3

2

1

0

0

0

0

WAMANW

WAMANW

WAMANW

WAMANW

W

M

A

N

W

M

A

N

bot

top

0

0

0

0

bot

bot

top

top


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Soluzione che soddisfa tutto

ii

Design max4,...1


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Nota

• 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.


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Taglio / Instabilita’


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OTTIMIZZAZIONE

MORFOLOGICA

mesolivello


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no morfologica


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no morfologica


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Fundamental steps of the BG

evolutionary process


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219

OTTIMIZAZIONE

TOPOLOGICA

Macrolivello


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Design Graph


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3D


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Vincoli funzionali


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

isozaki/

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


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

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


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bamboo


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Michell


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OTTIMIZAZIONE

GENERATIVA


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Script


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Chaos


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Scala naturae OPTIMIZATION

Optimality Criteria

Script


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Stro N

GERwww.stronger2012.com

2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B

Engineering

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