Applicazione dal Corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale - Bontempi

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Appunti del corso di dottorato: …

Appunti del corso di dottorato:
INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE
Ia parte

Lezione del 13 maggio 2014

Lecture of the Ph.D. Course on STRUCTURAL OPTIMIZATION

May, 13. 2014

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  • 1. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 1 Introduzione alla OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE: esempio mensola TT Franco Bontempi Ordinario di Tecnca delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Sapienza Universita’ di Roma
  • 2. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 2
  • 3. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 3 CONFIGURATION www.francobontempi.org Str o N GER
  • 4. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 4 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 5. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 5 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 6. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 6 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGEFORCE SHEAR (SUPPORTREACTION) RIGHT END REACTION www.francobontempi.org Str o N GER
  • 7. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 7 PORTATA MENSOLA • La stragrande maggioranza dei tegoli (più dell’80% del mercato USA) necessitano di una mensola con capacità portante ULTIMA (UL) intorno ai 70 Kips. • Dalle analisi siamo convinti che sarà possibile ridurre, almeno in parte, il peso della mensola. In ogni caso il peso complessivo della mensola non potrà superare i 7 Kg. • Note: – 70 Kips ULS = 70 x 4.45 kN = 312 kN = 31.2 t – 70 / 2.5 = 28 Kips -> 312/2.5 = 125 kN = 12.5 t www.francobontempi.org Str o N GER
  • 8. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 8 CLASSE DI RESISTENZA DELL’ACCIAIO • Si e’ deciso di adottare per la forgiatura della mensola, acciaio tipo S460M (ASTM 913 Grade 65) il cui valore di snervamento è 460 N/mm2 ed è particolarmente tenace e resiliente anche a basse temperature. • Il forgiatore ha già confermato la disponibilità ad usare questo acciaio. www.francobontempi.org Str o N GER
  • 9. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 9 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 10. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 10 www.francobontempi.org Str o N GER 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGE FORCE SHEAR (SUPPORT REACTION) RIGHT END REACTION
  • 11. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 11 www.francobontempi.org Str o N GER 12/20/2012 11 Limit Stat e λ Shear (slice 1.9685 inch) Anchorage (slice 1.9685 inch) Right end (slice 1.9685 inch) Slice 0.3937 inch (model) Slice 3.1496 inch (suggested) kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips kN Kips SLS 1.0 120 26.98 190 42.71 72 16.19 24 5.40 192 43.16 ULS 1.5 180 40.47 285 64.07 108 24.28 36 8.09 288 64.74 SILS 1.9 230 51.71 365 82.06 139 31.25 45 10.12 365 82.06 1.0 1.6 0.6 ANCHORAGE FORCE SHEAR (SUPPORT REACTION) RIGHT END REACTION
  • 12. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 12 BASIC ANALYSIS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 13. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 13 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 14. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 14 Stringer Panel Method (SPM)
  • 15. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 15 Stringer Panel Method (SPM)
  • 16. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 16 Stringer Panel Method
  • 17. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 17 STRINGERS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 18. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 18 STRINGERS PROPERTIES www.francobontempi.org Str o N GER
  • 19. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 19 CONNECTION PROPERTIES www.francobontempi.org Str o N GER
  • 20. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 20 PANELS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 21. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 21 PANELS PROPERTIES www.francobontempi.org Str o N GER
  • 22. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 22 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 23. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 23 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 24. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 24 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 25. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 25 SWL elastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 26. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 26 SWL elastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 27. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 27 USL elastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 28. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 28 USL elastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 29. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 29 USL elasto-plastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 30. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 30 USL elasto-plastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 31. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 31 USL elasto-plastic behavior www.francobontempi.org Str o N GER
  • 32. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 32 ROUGH DESIGN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 33. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 33 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 34. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 34 correnti fori www.francobontempi.org Str o N GER ROUGH DESIGN
  • 35. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 35 Spessori (mm) 14 mm 6 mm Sezioni Correnti (mm) Rettangolare 40x18 Rettangolare 20x8 Rettangolare 30x10 Rettangolare 30x14 Tubolare www.francobontempi.org Str o N GER 35
  • 36. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 36 Dettaglio fori e lastra Dettaglio correnti www.francobontempi.org Str o N GER 36
  • 37. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 37 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 38. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 38 120 150.8 180 200 230 265 0 50 100 150 200 250 300 0.00 2.00 4.00 6.00 8.00 10.00 12.00 Force[KN] Vert_Displ [mm] SLE_richiesto SLE_valutato SLU_richiesto SLU_valutato Collasso_richiesto Collasso_valutato www.francobontempi.org Str o N GER www.francobontempi.org Str o N GER
  • 39. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 39 COMPARISON ANSYS - ABAQUS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 40. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 40 Ansys www.francobontempi.org Str o N GER
  • 41. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 41 Ansys Stato Limite di Esercizio Richiesto F = 120 KN Total mechanical strain intensity www.francobontempi.org Str o N GER
  • 42. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 42 Ansys Stato Limite Ultimo Richiesto F=180 KN Total mechanical strain intensity www.francobontempi.org Str o N GER
  • 43. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 43 Ansys Stato Limite di Collasso Richiesto F=230 KN Total mechanical strain intensity www.francobontempi.org Str o N GER
  • 44. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 44 Ansys Stato Limite di Collasso Effettivo F = 260 KN Total mechanical strain intensity www.francobontempi.org Str o N GER
  • 45. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 45 Abaqus www.francobontempi.org Str o N GER
  • 46. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 46 Abaqus Stato Limite di Esercizio Richiesto F = 120 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 47. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 47 Abaqus Stato Limite di Esercizio Effettivo F = 170 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 48. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 48 Abaqus Stato Limite Ultimo Richiesto F=180 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 49. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 49 Abaqus Stato Limite Ultimo Effettivo F = 195 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 50. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 50 Abaqus Stato Limite di Collasso Richiesto F=230 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 51. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 51 Abaqus Stato Limite di Collasso Effettivo F = 275 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 52. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 52 Ansys Vs Abaqus www.francobontempi.org Str o N GER
  • 53. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 53 Abaqus Stato Limite di Esercizio Richiesto F = 120 KN Ansys Stato Limite di Esercizio Richiesto F = 120 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 54. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 54 Abaqus Stato Limite Ultimo Richiesto F=180 KN Ansys Stato Limite Ultimo Richiesto F=180 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 55. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 55 Abaqus Stato Limite di Collasso Richiesto F=230 KN Ansys Stato Limite di Collasso Richiesto F=230 KN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 56. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 56 PUSHOVER 0 50 100 150 200 250 300 350 0 5 10 15 Force[KN] Vert_Displ [mm] Abaqus_ottimizzata (3D model) Ansys_Ottimizzata (2D model) www.francobontempi.org Str o N GER
  • 57. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 57 REFINED DESIGN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 58. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 58 REFINED DESIGN www.francobontempi.org Str o N GER
  • 59. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 59 Mesh www.francobontempi.org Str o N GER
  • 60. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 60 Mesh www.francobontempi.org Str o N GER
  • 61. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 61 λ=1.0www.francobontempi.org Str o N GER
  • 62. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 62 λ=1.5www.francobontempi.org Str o N GER
  • 63. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 63 λ=1.9www.francobontempi.org Str o N GER
  • 64. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 64 Mesh + Concrete Block www.francobontempi.org Str o N GER
  • 65. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 65 λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 66. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 66 λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 67. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 67 λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 68. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 68 Concrete Block - λ=1.0 68 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 69. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 69 Concrete Block - λ=1.5 69 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 70. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 70 Concrete Block - λ=1.9 70 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 71. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 71 FURTHER ANALYSIS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 72. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 72 λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 73. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 73 λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 74. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 74 λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 75. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 75 λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 76. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 76 λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 77. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 77 λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 78. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 78 Structural Response λ=1.9 – 230 kN – 52 Kips λ=1.5 – 180 kN – 40 Kips λ=1.0 – 120 kN – 28 Kips www.francobontempi.org Str o N GER
  • 79. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 79 Analisi sotto azione d’incendio (ISO Fire - Steel Temperature) 79 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 80. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 80 Steel mechanical properties degradation T <=100°C 200°C 400°C 600°C 800°C 500°C 2% ε 20%0.2% 15% σ fyk www.francobontempi.org Str o N GER
  • 81. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 81 Mechanical Analysis • The mechanical analysis shall be performed for the same duration as used in the temperature analysis. • Verification of fire resistance should be in: – in the strength domain: Rfi,d,t ≥ Efi,requ,t (resistance at time t ≥ load effects at time t); – in the time domain: tfi,d ≥ tfi,requ (design value of time fire resistance ≥ time required) – In the temperature domain: Td ≤ Tcr (design value of the material temperature ≤ critical material temperature); www.francobontempi.org Str o N GER
  • 82. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 82 Verification of fire resistance (3D) R = structural resistance T = temperature t = time T=T(t) R=R(t,T)=R(t,T(t))=R(t) www.francobontempi.org Str o N GER
  • 83. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 83 Verification of fire resistance (R-safe) R = structural resistance T = temperature t = time Rfi,d,t Efi,requ,t www.francobontempi.org Str o N GER
  • 84. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 84 Verification of fire resistance (R-fail) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! www.francobontempi.org Str o N GER
  • 85. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 85 Verification of fire resistance (t) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! tfi,d ≥ tfi,requ www.francobontempi.org Str o N GER
  • 86. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 86 Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr www.francobontempi.org Str o N GER
  • 87. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 87 Verification of fire resistance (T) R = structural resistance T = temperature t = time Efi,requ,t Rfi,d,t Failure ! Td ≤ Tcr www.francobontempi.org Str o N GER
  • 88. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 88 0 200 400 600 800 1000 0 10 20 30 40 50 60 ISO 834 θ steel www.francobontempi.org Str o N GER ISO Fire - Steel Temperature
  • 89. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 89 ANSYS ABAQUS www.francobontempi.org Str o N GER PANEL STRESS, t= 0 sec, T= 20 °C, Yield stress 450 N/mm2
  • 90. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 90 ANSYS ABAQUS PANEL STRESS, t= 565 sec, T= 576 °C, Yield stress 245 N/mm2 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 91. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 91 PANEL STRESS, t= 650 sec, T= 618 °C, Yield stress 192 N/mm2 ANSYS ABAQUS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 92. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 92 PANEL STRESS, t= 730 sec, T= 651 °C, Yield stress 156 N/mm2 ANSYS ABAQUS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 93. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 93 PANEL STRESS, t= 770 sec, T= 665 °C, Yield stress 141 N/mm2 ANSYS ABAQUS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 94. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 94 0 2 4 6 8 10 12 14 0 200 400 600 800 displ[mm] TEMP [°C] Ansys Abaqus Structural Response (1) www.francobontempi.org Str o N GER
  • 95. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 95 0 2 4 6 8 10 12 0 5 10 15 displ[mm] Time [min] Ansys Abaqus Structural Response (2) www.francobontempi.org Str o N GER
  • 96. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 96 0 200 400 600 800 1000 1200 0 20 40 60 80 100 120 ISO 834 Acciaio non protetto pittura intumescente schiuma PROMAFOAM d=7mm GessoTime [min] TEMP[°C] Protective Measures www.francobontempi.org Str o N GER
  • 97. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 97 EXPERIMENTAL RESULTS www.francobontempi.org Str o N GER
  • 98. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 98 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 99. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 99 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 100. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 100 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 101. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 101 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 102. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 102 Mensola ottimizzata peso ≈ 5.3 kg Roma, 03 dicembre 2012 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 103. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 103 www.francobontempi.org Str o N GER
  • 104. Maggio 2014 franco.bontempi@uniroma1.it 104 Str o N GER www.stronger2012.com