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Ottimizzazione Strutturale [email protected] 1 Franco Bontempi Ordinario di Tecnca delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Sapienza Universita’ di Roma Introduzione alla OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE (parte II)

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Appunti del corso di dottorato: INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE IIa parte Lezione del 28 maggio 2014 Lecture of the Ph.D. Course on STRUCTURAL OPTIMIZATION May, 28, 2014

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Ottimizzazione Strutturale

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1

Franco Bontempi

Ordinario di Tecnca delle Costruzioni

Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Universita’ di Roma

Introduzione alla

OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE (parte II)

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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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General Scheduling

• 1st Day:

Basic definitions of structure, requirements,

values, optimization, …;

• 2nd Day:

Advanced specific case of structural optimization

(service / ultimate / extreme scenarios);

• 3rd Day:

Advanced concepts (structural systems,

advanced criteria, tools of design)

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5TECHNIQUES

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FEW OBSERVATIONS

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The function: y(x1,x2)

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The sensibility of the function

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STRATEGY #1: SENSITIVITY

governance of priorities

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The boundings of the function

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STRATEGY #2: BOUNDING

behavior governance

p

(p)

p

(p)

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Design of Experiments (DOE)

• In general usage, design of experiments (DOE) or

experimental design is the design of any information-

gathering exercises where variation is present, whether under

the full control of the experimenter or not. However, in

statistics, these terms are usually used for controlled

experiments.

• Formal planned experimentation is often used in evaluating

physical objects, chemical formulations, structures,

components, and materials. Other types of study, and their

design, are discussed in the articles on computer

experiments, opinion polls and statistical surveys (which are

types of observational study), natural experiments and quasi-

experiments (for example, quasi-experimental design).

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Sampling Points (1)

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Sampling Points (2)

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Simulation & Approximation

of the response (≈ surrogate)

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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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Example (1)

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Example (2)

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Bounded Rationality

Bounded rationality is the idea that in decision-making, rationality

of individuals is limited by the information they have, the

cognitive limitations of their minds, and the finite amount of time

they have to make a decision. It was proposed by Herbert A.

Simon as an alternative basis for the mathematical modeling of

decision making, as used in economics, political science and

related disciplines; it complements rationality as optimization,

which views decision-making as a fully rational process of finding

an optimal choice given the information available. Another way to

look at bounded rationality is that, because decision-makers lack

the ability and resources to arrive at the optimal solution, they

instead apply their rationality only after having greatly simplified

the choices available. Thus the decision-maker is a satisfier, one

seeking a satisfactory solution rather than the optimal one. Ottimizzazione Strutturale

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Model Extensions

• Ariel Rubinstein proposed to model bounded rationality by

explicitly specifying decision-making procedures..

• Gerd Gigerenzer opines that decision theorists have not really

adhered to Simon's original ideas and proposes and shows

that simple heuristics often lead to better decisions than

theoretically optimal procedures.

• Huw Dixon later argues that it may not be necessary to

analyze in detail the process of reasoning underlying bounded

rationality. If we believe that agents will choose an action that

gets them "close" to the optimum, then we can use the notion

of epsilon-optimization, that means you choose your actions

so that the payoff is within epsilon of the optimum. The notion

of strict rationality is then a special case (ε=0).

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OPTIMIZATION METHODS

Heuristics

Nelder – Mead

Genetic Algorithm

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εὑρίσκω

• Heuristic (/hjʉˈrɪstɨk/; Greek:

"Εὑρίσκω", "find" or "discover") refers

to experience-based techniques for

problem solving, learning, and

discovery that give a solution which is

not guaranteed to be optimal. Where

the exhaustive search is impractical,

heuristic methods are used to speed

up the process of finding a satisfactory

solution via mental shortcuts to ease

the cognitive load of making a

decision. Examples of this method

include using a rule of thumb, an

educated guess, an intuitive judgment,

stereotyping, or common sense.

• In more precise terms, heuristics are

strategies using readily accessible,

though loosely applicable, information

to control problem solving in human

beings and machines.

• L'euristica (dalla lingua greca εὑρίσκω,

letteralmente "scopro" o "trovo") è una

parte dell'epistemologia e del metodo

scientifico.

• Si definisce procedimento euristico, un

metodo di approccio alla soluzione dei

problemi che non segue un chiaro

percorso, ma che si affida all'intuito e

allo stato temporaneo delle

circostanze, al fine di generare nuova

conoscenza. È opposto al

procedimento algoritmico. In

particolare, l'euristica di una teoria

dovrebbe indicare le strade e le

possibilità da approfondire nel

tentativo di rendere una teoria

progressiva.

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Simulated Annealing (Metropolis)

• Simulated annealing (SA) is a generic probabilistic heuristic for the

global optimization problem of locating a good approximation to the

global optimum of a given function in a large search space.

• The name and inspiration come from annealing in metallurgy, a

technique involving heating and controlled cooling of a material to

increase the size of its crystals and reduce their defects.

• This notion of slow cooling is implemented in the Simulated

Annealing algorithm as a slow decrease in the probability of

accepting worse solutions as it explores the solution space.

Accepting worse solutions is a fundamental property of heuristics

because it allows for a more extensive search for the optimum.

• The method is an adaptation of the Metropolis-Hastings algorithm, a

Monte Carlo method to generate sample states of a thermodynamic

system, invented by M.N. Rosenbluth and published in a paper by

N. Metropolis et al. in 1953.

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Basic version (1)

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Basic version (2)

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Points for SA

• Diameter of the search graph

• Transition probabilities

• Acceptance probabilities

• Efficient candidate generation

• Barrier avoidance

• Cooling schedule

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Nelder-Mead Method (Amoeba)

• The Nelder–Mead method or downhill simplex

method or amoeba method is a commonly used

nonlinear optimization technique, which is a

well-defined numerical method for problems for

which derivatives may not be known.

• The Nelder–Mead technique is a heuristic

search method that was proposed by John

Nelder & Roger Mead (1965) for minimizing an

objective function in a many-dimensional space.

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Remarks

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;-)

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Genetic Algorithm (GA)

• The original motivation for the GA approach was a biological

analogy. In the selective breeding of plants or animals, for example,

offspring are sought that have certain desirable characteristics,

characteristics that are determined at the genetic level by the way

the parents’ chromosomes combine. In the case of GAs, a

population of strings is used, i.e. chromosomes.

• The recombination of strings is carried out using analogies of

genetic crossover and mutation, and the search is guided by the

results of evaluating the objective function f for each string in the

population.

• Based on this evaluation, strings that have higher fitness (i.e.,

represent better solutions) can be identified, and these are given

more opportunity to breed.

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Coding

• One of the distinctive features of the GA approach is to

allow the separation of the representation of the problem

from the actual variables in which it was originally

formulated. In line with biological usage of the terms, it

has become customary to distinguish the ‘genotype’—

the encoded representation of the variables, from the

‘phenotype’—the set of variables themselves.

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Genotype space = {0,1}L

(mappa)

Phenotype space

(territorio)

Encoding

(representation)

Decoding

(inverse representation)

01101001

01001001

10010010

10010001

Translation

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Costruzione della

popolazione iniziale

Valutazione della

funzione di fitness

di tutti gli individui

Selezione

Riproduzione

Crossover

Mutazione

M/2 cicli

Cic

lo su

lle g

en

era

zio

ni

Operatori

genetici

Cic

lo su

lle p

op

ola

zio

ne

Nuova

popolazione

Fine? No

Si

Probabilità di crossover: 80%

Probabilità di mutazione: 1%

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Mating, Mutation, Selection

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EXCEL

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6USES

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OPTIMIZATION OF HCS

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Precast hollow core slabs (HCS)

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Tensile crack phenomena in HCS

(splitting, bursting, spalling).

• splitting cracks: caused by stresses resulting from

the development of prestressing in the anchorage

zone, that may generate traction stresses in the

concrete.

• bursting cracks: a local effect, generated by the

strand slippage into the slab end while the former

widens slightly on being cut.

• spalling cracks: occurring above the axis of the

strands in the HCS end zone, caused also by the

development of prestressing in the concrete at the

slab ends where only the lower part holding the

strands begins to be prestressed.Ottimizzazione Strutturale

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Tensile crack phenomena in HCS

(splitting, bursting, spalling).

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Cross-section of the reference HCS

and numerical model

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Tensile deformations in the vertical

directions for the spalling effect

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The binary coding of the geometry

characteristics of the section

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• The fitness function F includes terms to represent the weight of the slab.

• First, functions gi(x), represents the geometry constraints, implicitly satisfied during the definition of the variable space.

• Functions hi(x) represent the structural safety constraints. In this study, two checks are carried out:1. the first one on the bending stress, carried out after the

initial structural analyses on the meso-scale model. 2. the second one, on the spalling stress, carried out on the

micro-scale model.

• If both checks are positive, the individual is fitting the constrain conditions, otherwise, it is discarded and a different element is introduced in the population.

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Original values values obtained

after the optimization process

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OPTIMIZATION OF S&T

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1° Step

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2° Step

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OPTIMIZATION AS A TOOL

FOR EXPLORATION

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aOttimizzazione Strutturale

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Limit States

Service Limit States Ultimate Limit States

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Prestressed Continuous Beam

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Elements of nonlinear formulation

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Equilibrium Equations

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Nominal behavior

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Level of uncertainty

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Uncertainty

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α - level

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Random / Optimized Sampling

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Cujaba River Bridge

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Cujaba River Bridge

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Ultimate Limit States (ULS)

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bOttimizzazione Strutturale

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Uses of genetic algorithm

• To perform the stochastic exploration of the load space;

• To handle the uncertainties related to the definition of the loads;

• To investigate the global behavior of the structure by means of the definition of the envelope diagram of the performances;

• To define the worst load combination;

• To scrutinize the exact value of a specific performance.

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Ottimizzazione Strutturale

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Dissipation devices

Soil behaviorMaterial

Soil-Structure interface Contact

Support system

Pylon

Cable system

Geometrical

Soil-Structure

Response

Vehicle-StructureWind-Structure

Nonlinearities

Interactions

Action

Uncertainties

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

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Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

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Dependability attributes threats,

means and their interactions.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

127

Page 128: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Performance in relation to the

return periods of the actions.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

128

Page 129: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

S N

Geometry of the long-span

suspension bridge considered.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

129

Page 130: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

The design variables and

the performance levels

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

130

Page 131: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

A genetic algorithm approach for

performance assessment• The performance of a long-span suspension bridge is

investigated by means of a GA approach. • Focus is given to three aspects of the structural behavior of

the bridge:1) maximum vertical displacement;2) maximum longitudinal and transversal slope;3) maximum tension in main cable and in the tower legs.

• The load scenarios that lead to the most severe performance metrics are explored in the space of the load variables by an optimization process based on GA’s.

• The implementation of a GA based optimization is essential since the traditional optimization techniques are rather ineffective, due to the high number of dimensions of the load variables space and the presence of numerous local optimum points.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

131

Page 132: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Loading systems considered in the

genetic algorithm analysis.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

132

Page 133: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Remarks on loading system

• Traffic and train loads are directed vertically but the possibility to have a longitudinal component due to the acceleration (A) or the deceleration (D) is also taken into account.

• In addition, a torque is present if the traffic loads are not positioned on the axis of the respective box girder section.

• The wind action, assumed always present and flowing transversally to the longitudinal axis of the bridge, produces lift, drag and torque.

• In order to represent analytically the entire loading system, 16 variables are needed.

• Since each of the girders is formed by 123 finite elements, the position of the loads will be defined by integer variables, ranging, in general, from 0 to 123.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

133

Page 134: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Variables considered for the

definition of the loading system.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

134

Page 135: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Description of loading system

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

135

Page 136: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Binary coding

• The position variables are implemented in binary

code with a dimension of eight bits (the minimum

dimension able to represent the position of the

loads on the bridge deck):

• In this row vector, x1 defines the position of the

train on the bridge deck, in binary code: for

example, if the train load starts from the fifteenth

element on the deck, the variable x1 is:

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

136

Page 137: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Population

• The GA starts by considering an initial population of N

row vector x created assigning random values to the

unknown variables; each row of the matrix X represents

the chromosome of one solution:

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

137

Page 138: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Target functions

• In order to evaluate the performance of the bridge, the

following six target functions are considered:

1. the vertical displacement (negative) for the bridge deck;

2. the horizontal displacement (positive) for the bridge

deck;

3. the longitudinal slope for the bridge deck;

4. the transversal slope for the bridge deck;

5. the axial tension for the main cables;

6. the stress state induced by the axial action and the two

bending moments for the bridge tower legs.

• Each performance is measured by the peak value over

all nodes of the bridge deck. Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

138

Page 139: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Evolution of population

• For each target function, the genetic algorithm creates new populations of N row vector x in order to find the worse configurations of the considered loads.

• The genetic algorithm works by evaluating the target function in correspondence with each assumed vector x.

• If the population contains a N number of x vectors, the best N/2 vectors are saved in a new population while the other vectors are erased.

• To complete the new population, additional N/2 vectors are formed from the saved vectors using the genetic operator of mutation and crossover.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

139

Page 140: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Mutation

• The mutation on the generic vector i of the population n changes a single bit of a randomly selected chromosome; for example provides the change from 1 to 0:

• As a result a new vector k is obtained for the population n+1.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

140

Page 141: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Crossover

• The crossover on the generic vectors i and j of

population n is provided in this example:

• where a group of cells of chromosomes i and j is

selected and the respective states changed.

• As a result there are two new vectors k and l for the

population n+1. Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

141

Page 142: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Remarks

• When N/2 new vectors are created, the genetic algorithm restarts with the evaluation of the target function for each vector xn+1.

• It should be observed that a genetic algorithm is a stochastic evolutionary procedure because the operators of mutation and crossover are not deterministic but there is a probability of occurrence for each operator.

• Usually the probability of occurrence of the mutation operator is low (0 – 5%) while the probability of occurrence of the crossover operator is high (70 – 90%).

• What makes this procedure attractive is the fact that usually there is a large interdependence between the quality of results and of the choice of these parameters.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

142

Page 143: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

143

Page 144: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

• The FE model consists of 1614 elements (beams, no compression cable elements and gaps) and 1140 nodes.

• For each of the six previously chosen performance metrics (target functions), GA analysis is performed with an initial randomly chosen population of 100 chromosomes. For each chromosome the structural analysis, accounting for geometrical and material nonlinearities, is developed using ADINA, starting each time from the reference configurations under permanent loads and adding the traffic and wind loads.

• The custom software reads the output evaluation and performs the genetic recombination of the chromosomes to get a new generation of chromosomes: 100 cycles of regeneration are considered for a total of 10000 different load scenarios, each of them leading to a nonlinear structural analysis.

• The probability of occurrence of the crossover operator is of 80% while the probability of occurrence of the mutation operator is of 2%.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

144

Page 145: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

145

Page 146: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Remarks

• It is clear that the convergence of the variables that

define the train position (A) is better than the one that

defines the position of the light traffic load (B).

• From a design point of view, it means that the influence

of the railway load in defining the vertical displacement is

much higher than the traffic load.

• In addition, it can be observed that the railway loads

converge towards two different edges (North and South).

This is due to the fact that the geometry of the bridge is

almost symmetrical.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

146

Page 147: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Vertical displacement envelope

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

147

Page 148: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Transversal slope envelope

Ottimizzazione Strutturale

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Page 149: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Longitudinal slope envelope

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

149

Page 150: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

150

Page 151: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Comparative importance

of the loads.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

151

Page 152: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

7THEORETICAL ASPECTS OF DESIGN

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

152

Page 153: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

INDEX

• Knowledge

• People

• Design process as a decision process

• Limits

• Scale effects

• Ergonomy

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

153

Page 154: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

154

KNOWLEDGE

Page 155: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

CONOSCENZA

RICHIESTA

DA UN PROGETTO

EVOLUTIVO

CONOSCENZA

RICHESTA

DA UN PROGETTO

INNOVATIVO

BASE DI

CONOSCENZA

ATTUALE

La crescita di conoscenze

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

155

Page 156: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Evolutive vs Innovative Design

156Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

Page 157: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Knowledge Growth Process

KNOWLEDGE

REQUIRED

BY AN EVOLUTIVE

DESIGN

NEW KNOWLEDGE

REQUIRED BY

AN INNOVATIVE

DESIGN

ACTUAL

KNOWLEDGE BASIS

157Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

Page 158: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

158

Page 159: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

159

Page 160: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

160

Page 161: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

161

ST

RU

TT

UR

E C

ON

CO

MP

OR

TA

ME

NT

O P

ER

FO

RM

A

Page 162: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

162

ST

RU

TT

UR

E C

ON

CO

MP

OR

TA

ME

NT

O V

ET

TO

RIA

LE

Page 163: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

163

ST

RU

TT

UR

E C

ON

CO

MP

OR

TA

ME

NT

O S

EZ

ION

ALE

Page 164: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

164

ST

RU

TT

UR

E C

ON

CO

MP

OR

TA

ME

NT

O D

I S

UP

ER

FIC

IE

Page 165: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Evolutive Jump

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

165

Page 166: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

166

Page 167: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 167

Page 168: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Horizons

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

168

Page 169: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Failure due to errors

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

169

Page 170: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Failure due to errors

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

170

Page 171: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ships

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

171

Page 172: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Failure due to unexpected facts

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

172

Page 173: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

NASA System Complexity

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

173

Page 174: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Causes of system failure

100%

Time

% o

f fa

ilure

Unknown phenomena

Known phenomena

Research

level

Design code

level

past present future

A

BB B

C

Hu

man

err

ors

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

174

Page 175: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

HPLC vs LPHC EVENTS

HPLCHIGH PROBABILITY

LOW CONSEQUENCES

LPHCLOW PROBABILITY

HIGH CONSEQUENCES

COMPLEXITY:Nonlinear Behavior andStructural Organization

PROBLEMFRAMEWORK

Deterministic

Stochastic

QUALITATIVE /DETERMINISTIC

ANALYSIS

QUANTITATIVEPROBABILISTIC

ANALYSIS

PRAGMATICSCENARIOS

ANALYSIS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

175

Page 176: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

8 e 9 luglio 2010

EXPLOSIONS - ESPLOSIONIhttp://www.francobontempi.org/handling.php

13 e 14 novembre 2008

FIRE - INCENDIOhttp://www.francobontempi.org/handling_08.php

176

Page 177: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

177

PEOPLE

Page 178: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

VALUES

178Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

Page 179: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

179

Page 180: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Nonaka-Takeuchi Concept

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

180

Page 181: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Nonaka & Takeuchi:

conoscenza esplicite e implicite

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

181

Page 182: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

182

Page 183: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

The spiral of Knowledge

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

183

Page 184: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

184

Page 185: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

185

Page 186: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

186

Page 187: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

187

Page 188: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

188

Page 189: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

189

Page 190: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

190

Page 191: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

191

Page 192: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

192

Page 193: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

193

DESIGN PROCESS AS

DECISION PROCESS

Page 194: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

194

Page 195: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

195

Page 196: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

196

LIMITS

Page 197: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

197

Page 198: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

LIMITS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

198

Page 199: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

LIMITS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

199

Page 200: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

LIMITS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

200

Page 201: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

LIMITS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

201

Page 202: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

202

Page 203: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

203

Page 204: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Reaching limits

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

204

Page 205: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

S Curve

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

205

Page 206: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 206

Page 207: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 207

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

SPAN

SPAN 1100 1298 1385 1410 1624 1991 3300

BISA

N-

VER

RAZZ

JIAN

GYN

HUM

BER

GRE

AT

AKA

SHI

MES

SINA

Page 208: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 208

Page 209: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 209

Page 210: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Lorenz

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

210

Page 211: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Mental Heritage

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

211

Page 212: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Bias

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

212

Page 213: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Hybrid Solution

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

213

Page 214: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

214

Page 215: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

215

Page 216: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

216

Page 217: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

217

SCALE EFFECTS

Page 218: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

218

Page 219: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

SC

AL

E E

FF

EC

TS

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

219

Page 220: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Quebec Bridge

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

220

Page 221: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Quebec Bridge Failure

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

221

Page 222: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Chord Members

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

222

Page 223: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

2nd Quebec Bridge

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

223

Page 224: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Dalian, June 2008 224

GLOBAL LEVEL

3300 mLocal level

200 m

Example: Size Effect

Page 225: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

225

ERGONOMY

Page 226: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

226

Page 227: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

227

Page 228: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

228

Page 229: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Interactions

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

229

Page 230: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

230

Page 231: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

231

Page 232: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

232

Page 233: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Cic

lo d

i vita

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

233

Page 234: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

8OPERATIVE ASPECTS OF DESIGN

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

234

Page 235: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

INDEX

• The structure of design

• The organization of the design process

• Complexity

• System decomposition

• Analysis models vs. design models

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

235

Page 236: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

236

THE STRUCTURE

OF DESIGN

Page 237: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

237

Page 238: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

238

Page 239: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

239

Page 240: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Meccanica Strutturale

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

240

Page 241: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ingegneria Strutturale

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

241

Page 242: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

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

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

242

Page 243: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

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

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

243

Page 244: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

244

Page 245: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

245

Page 246: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

246

Page 247: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

247

Page 248: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

248

Page 249: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

249

Page 250: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

250

Page 251: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Sviluppo top-down

copertura omogenea

approfondimento

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

251

Page 252: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Sviluppo bottom-up

copertura omogenea

sviluppo di

un filone

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

252

Page 253: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Sviluppo mixed

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

253

Page 254: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Direct and Inverse problems in

Structural Engineering

Page 255: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

• A direct problem is an analysis problem: it consists in the evaluation of the response of a structure immersed in its design environment, i.e. under assigned external actions and other boundary conditions as constrains, in agreement with the fulfilment of all the design constrains, by using a suitable model.

• Inverse problems are, on the other hand, those for which the structural response constitutes available known data. the inverse problems can be so classified:

1. Synthesis problems: given the actions and the constraints, the structure is designed to obtain a specific structural response;

2. Control problems: given a description for the structure and the mandatory structural response, an appropriate action to generate that response is searched;

3. Identification problems: given both the actions and the structural response, the model is looked for.

Page 256: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Data related to different

structural problems

Page 257: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Top-Down and Bottom-Up

approach for problem solving

Page 258: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

aESEMPIO DI PROGETTO DI STRUTTURE

PRECOMPRESSE

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

258

Page 259: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Strutture precompresse

Problema diretto (analisi)

• Dato il tiro del cavo di

precompressione

• date le eccentricità

del cavo

trovare

• il diagramma del

momento dovuto alla

precompressione.

Problema inverso

(progetto)

• Dato il diagramma

del momento (dovuto

ai carichi esterni)

trovare

• il tiro del cavo di

precompressione

• e le eccentricità del

cavo nelle varie

sezioni.

Page 260: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

ANALISI:dato il tiro del cavoe le sue eccentricità

si ricava il diagramma del momento

Page 261: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

PROGETTO:dato il diagramma del momento (esterno)

trovare il tiro del cavoe le sue eccentricità

in modo da annullarlo momento

Page 262: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Reti neurali (1)

Page 263: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Reti neurali (2)

DIAGRAMMA DEL MOMENTO

TIRO DEL CAVOECCENTRICITA’

Page 264: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Discretizzazione

Page 265: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi
Page 266: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi
Page 267: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

bESEMPIO DI IDENTIFICAZIONE STRUTTURALE

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

267

Page 268: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Tiro cavi all'ancoraggio

115000

120000

125000

130000

135000

140000

600 1100 1600 2100 2600 3100

Tempo (s)

Tir

o (

To

n)

Sponda siciliana, lato nord Sponda calabrese, lato nord

Sponda siciliana, lato sud Sponda calabrese, lato sud

AXIAL FORCE IN THE MAIN CABLES (1)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

FB 268

Page 269: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Tiro cavi all'ancoraggio

115000

120000

125000

130000

135000

140000

600 1100 1600 2100 2600 3100

Tempo (s)

Tir

o (

To

n)

Sponda siciliana, lato nord Sponda calabrese, lato nord

Sponda siciliana, lato sud Sponda calabrese, lato sud

AXIAL FORCE IN THE MAIN CABLES (2)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

Vento = f(s,t)

FB 269

Page 270: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Hierarchical damage identification strategy

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 20 40 60 80

Damage detection

Identification of the

portion of the deck

Identification of the

element

STEP 1:

DAMAGE DETECTION

IDENTIFICATION OF

THE AREA

STEP 2:

IDENTIFICATION OF

THE ELEMENT

QUANTIFICATION OF

THE DAMAGE

Page 271: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Step 1a: approximation of the response

time-history using neural networks

Initial architecture

of the network

4 inputs + 4 hidden units

Measure of network

performance

N

wEERMS

*2

Response time

history in sensor

#m

ktf 2tf tf1tf 1tf

Structural system

Ambient excitation

...

...

Page 272: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

600 1100 1600 2100 2600time

Uz

Training Test A Test B Test C

Step 1a: example – vertical displacement

Page 273: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

testA

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 25 50 75 100time

Uz

testA

NN

testB

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 25 50 75 100time

Uz

testB

NN

testC

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 25 50 75 100time

Uz

testC

NN

0

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0 100 200 300 400time

err

Training TestA TestB TestC

LE

AR

NE

D B

EH

AV

IOR

Page 274: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

testD

0,4

0,6

0,8

1

0 25 50 75 100time

Uz

testD

NN

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0 100 200 300 400 500time

err

Training TestA TestB TestC TestD

AN

OM

ALO

US

BE

HA

VIO

R

Page 275: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 20 40 60 80

Damaged section

Error in function approximation in the undamaged sections

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

DETAIL

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

Training Undamaged

0,0

0,5

1,0

1,5

0 20 40 60 80

Step 1b: damage detection - identification of the area

Damage is intended as reduction

of stiffness in hangers, cables,

transverse beams.

- hangers: reduction from 5% to 80%

- cable: reduction from 1% to 10%

- transverse: reduction from 5% to 30%

Page 276: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

...

...

Response time history

in sensor #n

iMDp

1dtf 3tf 1tf2tf tf kntf 1ntf2ntf ntf

ntnt fye e 0

e > 0

undamaged

Anomalies in section #n

M i optimal model

Network model M i

i = i +1

Network model M i+1

yes no ?1 ii MDpMDp

1iMDp

stop

Damage in section #n

Structural

system

Ambient excitation

e > 0 in all

sections? Restart training from f(t+dt)

yes

Go to

phase 2training test

no

Anomaly in section

#m

Damage in section

#m

Go to

Phas

e 2

Continu

e in time

Response time history

in sensor #m

BA

SIC

BA

YE

S

Page 277: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Damage in the transverse (wind excitation)

0,00

0,02

0,04

0,06

30% 10% 5%

Damage in the transverse (train excitation)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,3 0,1 0,05

Damage in the cable (train excitation)

0,0

0,3

0,6

0,9

30% 1% 0,50%

Damage in the cable (wind excitation)

0,0

0,3

0,6

0,9

10% 1% 0,50%

Damage in the hanger (wind excitation)

0,00

0,02

0,04

80% 50% 10% 5%

Damage in the hanger (train excitation)

0,00

0,02

0,04

50% 20% 10% 5%

Damage detection

using wind actions and traffic loads

hangers cables transverse

Mean values of the increment of the error with respect to the undamaged situation

Page 278: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

1° finestra temporale

Vertical displacement

-0.006

-0.004

-0.002

0.000

0.002

0.004

0.006

400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900

t(s)

x(m

)

Step 2: identification of the damaged element &

quantification of the damage

Response for train excitation

A

B

C

1

2

3

4

5

err A

err B

err C

D1

D2

D3

D4

D5

Error in function

approximation Location and

level of the

damage

400 examples are created for the training set considering

different scenarios

Page 279: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

In order to give a global and intuitive representation of the results, two quantities have

been defined as follows:

Location: it gives a measure of the error in the positioning of the damage

yt

ytiloc

)(

where t is the vector of the target values and y is the vector coming from the network

model. If this quantity is equal to one the damage is well localized.

Intensity: it gives a measure of the error in quantifying the level of damage

y

ti )int(

If it is equal to one, the level of damage is correctly estimated.

Step 2: measures of identification of the element &

quantification of the damage

Page 280: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Intensity (optimized model)

0

1

2

3

0 10 20 30

Intensity (model 20 units)

0

1

2

3

0 10 20 30

Location (optimized model)

0,0

0,4

0,8

1,2

0 10 20 30

Location (model 20 units)

0,0

0,4

0,8

1,2

0 10 20 30

Test: comparison of location and intensity

70% 90%

50% 68%

LOCATION 20 UNITS

INTENSITY 11 UNITS

LOCATION 11 UNITS

INTENSITY 20 UNITS

Page 281: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

POSTERIOR FOR ,

TRAINING: OPTIMIZATION

w = wMAP?

? DMEVDMEV ii 1

INFERENCE OF NEW DATA

CHOOSE MODEL Mi-1

?

POSTERIOR FOR Mi

, = MP, MP

DATA PRE- PROCESSING

OUTPUT

NETWORK MODEL Mi

N HIDDEN = i

N INPUT = k

POSTERIOR FOR w

yes

DATA POST PROCESSING

PROBABILISTIC MODEL

no

INPUT

CHOOSE INITIAL ,

INITIALIZE WEIGHTS w

RE-ESTIMATION OF ,

yes

n

oWγ

yes

no

i= i+1

is 1,…,k

‘very large’?

k= k-1

yes

no

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

0 20 40 60 80

Damage detection

Identification of the

portion of the deck

Identification of the

element

Page 282: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

282

THE ORGANIZATION

OF DESIGN PROCESS

Page 283: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Sicurezza in caso d’incendio

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Strategie per

la gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestione

dell'evento

3

Gestione

dell'incendio

4Gestione delle

persone e

dei beni

15

Difesa sul posto

16

Spostamento

17

Disposibilità

delle vie

di fuga

18

Far avvenire

il deflusso

19

Controllo

della quantità

di

combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso il

progetto

13

Automatica

11

Manuale

12

Controllo dei

materiali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento

9

Ventilazione

8

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Strategie per

la gestione

dell'incendio

1

Prevenzione

2

Gestione

dell'evento

3

Gestione

dell'incendio

4Gestione delle

persone e

dei beni

15

Difesa sul posto

16

Spostamento

17

Disposibilità

delle vie

di fuga

18

Far avvenire

il deflusso

19

Controllo

della quantità

di

combustibile

5

Soppressione

dell'incendio

10Controllo

dell'incendio

attraverso il

progetto

13

Automatica

11

Manuale

12

Controllo dei

materiali

presenti

6Controllo

del movimento

dell'incendio

7Resistenza e

stabilità

strutturale

14

Contenimento

9

Ventilazione

8Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

283

Page 284: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Stile della rappresentazione

grafica dei processi

AVANTI

AV

AN

TI

PADRE

FIGLIO FIGLIO

LINEE

ENTRANTI

LINEE

USCENTI“NO”

“SI’”

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

284

Page 285: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

285

Page 286: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

286

Page 287: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

287

Page 288: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

288

Page 289: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

289

Page 290: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

290

Page 291: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

291

Page 292: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

292

Page 293: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

293

Page 294: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

294

Page 295: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

295

Page 296: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

296

Page 297: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

297

Page 298: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Forward vs. Reverse

Engineering

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

298

Page 299: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

299

Page 300: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Qualita’ documenti (1)

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

300

Page 301: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Qualita’ documenti (2)

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

301

Page 302: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Simboli base

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

302

Page 303: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Altri simboli

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

303

Page 304: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Decisioni e connessioni

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

304

Page 305: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

305

Page 306: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

306

Page 307: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

307

Page 308: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

308

Page 309: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

309

COMPLEXITY

Page 310: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

310

Page 311: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

311

Page 312: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

312

Page 313: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

313

Page 314: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

314

Page 315: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

315

Page 316: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Geometric Complexity

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

316

Page 317: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

317

Page 318: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

318

Page 319: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

319

COMPLEXITY DEFINITION

linear interactions nonlinear

loose

c

ou

pli

ng

stight

mechanical behavior

str

uctu

ral o

rgan

izati

on

319

Page 320: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

320

FACTORS INFLUENCING

STRUCTURAL COMPLEXITY

NON LINEAR

BEHAVIOR

LINEAR

Page 321: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

321

3300183 183777 627

960 3300 m 810

+77.00 m

+383.00 +383.00

+54.00+118.00

+52.00 +63.00

3300183 183777 627

960 3300 m 810

+77.00 m

+383.00 +383.00

+54.00+118.00

+52.00 +63.00

Dispositivi di Dissipazione

Comportamento del SuoloNon Linearità di Materiale

Interfaccia Suolo-Struttura Non Linearità di Contatto

Pendini

Torri

Cavi Principali

Non Linearità Geometrica

NON LINEARITA’

Page 322: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

322

FACTORS INFLUENCING

STRUCTURAL COMPLEXITY

LOW

AMBIGUITY UNCERTAINTY

HIGH

NON LINEAR

BEHAVIOR

LINEAR

Page 323: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

323

3300183 183777 627

960 3300 m 810

+77.00 m

+383.00 +383.00

+54.00+118.00

+52.00 +63.00

3300183 183777 627

960 3300 m 810

+77.00 m

+383.00 +383.00

+54.00+118.00

+52.00 +63.00

Incertezze legate al modello strutturale

Incertezze legate alla modellazione dei carichi

Incertezze legate alla geometria ed ai materiali

INCERTEZZE

Page 324: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

324

FACTORS INFLUENCING

STRUCTURAL COMPLEXITY

LOW

AMBIGUITY UNCERTAINTY

HIGH

TIGHT

COUPLING INTERACTIONS CONNECTIONS

LOOSE

NON LINEAR

BEHAVIOR

LINEAR

Page 325: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

325

Interazione Struttura - Traffico

Interazione Struttura - Vento

Interazione Struttura - Terreno

INTERAZIONI

Page 326: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

326

LIVELLO GLOBALE

3300 mlivello locale

200 m

N.B. 1 - EFFETTO SCALA

Page 327: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

327

HUMANWARESOFTWARE

HARDWARE

PROGETTO

COSTRUZIONE

(MATERIALI – COMPONENTI)

CO

MP

OR

TA

ME

NT

O

UM

AN

ON.B. 2

Page 328: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Fire, Heat Transfer, Structural and

Human Behavior Models.

328

Page 329: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

329

SYSTEM DECOMPOSITION

Page 330: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

330FB nov 05 330

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.

Page 331: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Str

uctu

ral S

yste

ms

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

331

Page 332: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

332

Page 333: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

333

Page 334: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

System Definitions

• ANSI/EIA-632-1999: "An aggregation of end products and enabling products to achieve a given purpose."

• IEEE Std 1220-1998: "A set or arrangement of elements and processes that are related and whose behavior satisfies customer/operational needs and provides for life cycle sustainment of the products."

• ISO/IEC 15288:2008: "A combination of interacting elements organized to achieve one or more stated purposes."

• NASA Systems Engineering Handbook: "(1) The combination of elements that function together to produce the capability to meet a need. The elements include all hardware, software, equipment, facilities, personnel, processes, and procedures needed for this purpose. (2) The end product (which performs operational functions) and enabling products (which provide life-cycle support services to the operational end products) that make up a system."

• INCOSE Systems Engineering Handbook: “Homogeneous entity that exhibits predefined behavior in the real world and is composed of heterogeneous parts that do not individually exhibit that behavior and an integrated configuration of components and/or subsystems."

• INCOSE: "A system is a construct or collection of different elements that together produce results not obtainable by the elements alone. The elements, or parts, can include people, hardware, software, facilities, policies, and documents; that is, all things required to produce systems-level results. The results include system level qualities, properties, characteristics, functions, behavior and performance. The value added by the system as a whole, beyond that contributed independently by the parts, is primarily created by the relationship among the parts; that is, how they are interconnected."

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

334

Page 335: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Structure vs. Structural System

• This requires evolving from a simplistic

idealization of the structure as

“device for channeling loads”

to the idea of the structural system,

intended as

“a set of interrelated components working

together toward a common purpose”.

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

335

Page 336: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

336

Page 337: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

337

MIC

RO

LIV

EL

LO

variabili

MA

CR

OL

IVE

LL

OM

ES

OL

IVE

LL

O

ELEMENTO

COMPONENTE

SOTTO

STRUTTURA

STRUTTURA

SISTEMA

STRUTTURALE

PONTE

Il MACROLIVELLO, che comprende il Ponte nella

sua globalità e i sistemi strutturali;

Il MESOLIVELLO, che include le diverse strutture

e sottostrutture che compongono il sistema

strutturale;

Il MICROLIVELLO, nel quale vengono descritti i

componenti delle sottostrutture e i rispettivi

elementi costituenti.

Per ciascun livello devono essere poi identificate e

definite le variabili di progetto.

Il complesso sistema strutturale deve essere scomposto,

ovvero sottostrutturato, in livelli crescenti di dettaglio:

Scomposizione Strutturale

Page 338: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

338

SISTEMA

STRUTTURALE

PRINCIPALE

ZONE SPECIALI DI

IMPALCATO

SISTEMA DI

RITEGNO/SOSTEGNO

SISTEMA

STRUTTURALE

SECONDARIO

SISTEMA DI

SOSPENSIONE

IMPALCATO

CORRENTE

FONDAZIONI DELLE TORRI

ANCORAGGI

TORRI

SELLE

CAVI PRINCIPALI

PENDINI

CASSONI STRADALI

CASSONE FERROVIARIO

TRAVERSO

INTERNE

TERMINALI

SISTEMA STRUTTURALE

AUSILIARIO

STRADALE

FERROVIARIO

FUNZIONAMENTO

MANUTENZIONE

EMERGENZA

PONTE

MACROLIVELLO

MESOLIVELLO

Page 339: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

339

Individuazione delle

VARIABILI di progetto

per ciascun elemento

Individuazione degli

ELEMENTI

per ciascun componente

Individuazione dei

COMPONENTI

di ciascuna sottostruttura

SOTTOSTRUTTURAZIONE

del sistema globale

per lo studio di dettaglio

delle singole prestazioni

SISTEMA DI

RITEGNO/SOSTEGNO

FONDAZIONI DELLE TORRI

ANCORAGGI

TORRI

Page 340: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

340

Rappresentazione ipertestuale:

modellazione ad oggetti e rappresentazione

ad albero del problema strutturale

Page 341: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

341

Page 342: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

342

MAIN

STRUCTURAL

SYSTEM

AUXILIARY

STRUCTURAL

SYSTEM

SECONDARY

STRUCTURAL

SYSTEM

SPECIAL

DECK ZONES

BRIDGE

DECK

HIGHWAY SYSTEM

RAILWAY SYSTEM

OPERATION

MAINTENANCE

EMERGENCY

FOUNDATION OF TOWERS

TOWERS

ANCHORAGESSUPPORTING

CONDITION

HIGHWAY BOX-GIRDER

CROSS BOX-GIRDER

RAILWAY BOX-GIRDER

INNER

OUTER

BRIDGE

SUPERSTRUCTURE

MACRO-LEVELS

MESO-LEVELS

MAIN CABLES

HANGERS

SUSPENSION

SYSTEM

SADDLES

Page 343: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

FRANCO BONTEMPI 343

Page 344: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

344

Criterio meccanico: B-D regions

(c)

Page 345: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

345

Page 346: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

346

Page 347: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

347

Page 348: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

348

Page 349: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

349

Page 350: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

350

Page 351: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

351

Page 352: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

352

Page 353: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

353

Page 354: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

354

Page 355: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

355

PERFORMANCE

Page 356: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

• STRUTTURA – situazione puntuale:

definita nello spazio e nel tempo.

• SISTEMA STRUTTURALE – estensione:

– spaziale:

ambiente / contesto

sostenibilita’ / compatibilita’

– temporale:

ciclo di vita (life-cycle) - robustezza

Struttura / Sistema Strutturale

356

Page 357: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Structural System

357October 2012 www.francobontempi.org

Page 358: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

• SISTEMA STRUTTURALE:

1. complessita’ del quadro prestazionale

(affidabilita’, sicurezza /security,

dependability)

2. CONCEZIONE STRUTTURALE

3. ANALISI STRUTTURALE:

motore del processo decisionale

strumenti generali e efficaci

Structural Analysis and Design

358

Page 359: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Macro-level Meso-level Micro-level

ma

gn

itu

de

of a

ctio

ns

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

359

Page 360: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

RESILIENCE

Page 361: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

DEPENDABILITY

ATTRIBUTES

THREATS

MEANS

RELIABILITY

FAILURE

ERROR

FAULT

FAULT TOLERANT

DESIGN

FAULT DETECTION

FAULT DIAGNOSIS

FAULT MANAGING

DEPENDABILITY

of

STRUCTURAL

SYSTEMS

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

permanent interruption of a system ability

to perform a required function

under specified operating conditions

the system is in an incorrect state:

it may or may not cause failure

it is a defect and represents a

potential cause of error, active or dormant

INTEGRITY

ways to increase

the dependability of a system

An understanding of the things

that can affect the dependability

of a system

A way to assess

the dependability of a system

the trustworthiness

of a system which allows

reliance to be justifiably placed

on the service it delivers

SECURITY

High level / active

performance

Low level / passive

performance

ATTRIBUTES

THREATS

MEANSMEANS

RELIABILITYRELIABILITY

FAILURE

ERROR

FAULT

FAULT TOLERANT

DESIGN

FAULT TOLERANT

DESIGN

FAULT DETECTIONFAULT DETECTION

FAULT DIAGNOSISFAULT DIAGNOSIS

FAULT MANAGINGFAULT MANAGING

DEPENDABILITY

of

STRUCTURAL

SYSTEMS

AVAILABILITY

SAFETY

MAINTAINABILITY

permanent interruption of a system ability

to perform a required function

under specified operating conditions

the system is in an incorrect state:

it may or may not cause failure

it is a defect and represents a

potential cause of error, active or dormant

INTEGRITY

ways to increase

the dependability of a system

An understanding of the things

that can affect the dependability

of a system

A way to assess

the dependability of a system

the trustworthiness

of a system which allows

reliance to be justifiably placed

on the service it delivers

SECURITY

High level / active

performance

Low level / passive

performance

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

361

Page 362: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

362

HAZARD

IN-D

EPTH

DEFE

NCE

HOLES DUE TO

ACTIVE ERRORS

HOLES DUE TO

HIDDEN ERRORS

362

Failure Path

Page 363: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Structural Design

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

363

WIND & TEMPERATURE

SOIL & EARTHQUAKE

AN

TH

RO

PIC

US

E

(hig

hw

ay

& r

ail

wa

y)

ST

RU

CT

UR

AL

BE

HA

VIO

R

&

EX

PE

CT

ED

PE

RF

OR

MA

NC

E

JUDGEMENT

&

DECISIONS

NEGOTIATION &

REFRAMINGNo

STRUCTURAL

MODELING

Page 364: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Traditional design procedure

• The traditional design procedure that lead

to the “as built” construction are:

1) Formulation of the problem;

2) Synthesis of the solution;

3) Analysis of the proposed solution;

4) Evaluation of the solution performances;

5) Construction.

Page 365: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Traditional design procedure

Page 366: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

• Difficulties associated with this kind of approach are evident. The “As Built” structure could be different from the “As Designed” one, due to different factors like fabrication mistakes or unexpected conditions during the construction phase, or also due to non appropriate design assumptions. These last could create doubts about the accuracy of the analysis results leading to a predicted behavior which does not correspond to the real one.

• One then can add:6) Monitoring of the real construction;7) Comparison between results from monitoring

and expected behaviour results;8) Increase in the accuracy of expectation of the

future structural behaviour.

Page 367: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Further steps added considering

a monitoring system

Page 368: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Performance-Based Design

Page 369: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

9) Reformulation: development of advanced methods for

a more accurate description of the required behavior

and of the required performance;

10) Weak Evaluation: this methodology assumes that the

analysis is exact and that all the actions are known

exactly, from the probabilistic viewpoint;

11) Model improvement: the necessity connected with

the models improvement comes from experiences

based on monitoring, where expected and measured

behaviors on “as built” structures are compared;

12) Strong Evaluation: a third kind of evaluation becomes

possible when the improvement aims at assigning

more accurate values to the used parameters and to

define more accurate modelling hypothesis.

Page 370: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

370

Functional Analysis/

Resources Allocation- Decomposition to lower-level function

- Allocate performance

- Define functional interfaces

- Define functional architecture

Requirement

loop

Design loop

PROCESS

INPUT

Historic Analyses

Evolutive / Innovative

Design

Risk Management

PROCESS

OUTPUT

Synthesis- Transform architecture

- Define alternative product concepts

- Define physical interfaces

- Define alternative product

and process solutions

Requirements Analysis- Analyze missions and enviroments

- Identify functional requirements

- Define performance and design

constraint requirement

System

Modeling

And

Analysis

Page 371: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

371

ANALYSIS MODELS vs.

DESIGN MODELS

Page 372: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

372

STRATEGY #0:

DECOMPOSITION

Page 373: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

373

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] 373

Page 374: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

374

Page 375: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

375

STRATEGY #1: SENSITIVITY

Page 376: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

376

STRATEGY #2: BOUNDING

Page 377: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

377

Super

ControlloreProblema Risultato

Solutore #1

Solutore #2

Voting System

STRATEGY #3: REDUNDANCY

Page 378: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

378

STRUCTURAL

MODELING

CODE

Global Frame Models Local Models

Frame

Work

Substruct-

ured Models

STRUCTURAL

MODELING

CODE

Global Frame Models Local Models

Frame

Work

Substruct-

ured Models

structural configurations

specificity of the modelingcommercial

codes

Page 379: Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte II - Bontempi

Ottimizzazione Strutturale

[email protected]

379

Stro N

GERwww.stronger2012.com