Key Note Lecture at
The Eighth International Conference
on the Application of Artificial Intelligence to
Civil, Structural and Environmental Engineering
Rome, Italy
30 August - 2 September 2005
1. Rome, August 2005
FRAMEWORKS
FOR
STRUCTURAL ANALYSIS
FRANCO BONTEMPI
Professor of Structural Analysis and Design
School of Engineering
University of Rome โLa Sapienzaโ
franco.bontempi@uniroma1.it
franco.bontempi@francobontempi.org
3. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 3
TABLE OF CONTENTS
๏ PART I: THE STRUCTURE
๏ PART II: THE ENVIRONMENT
๏ PART III: THE PEOPLE
๏ CONCLUSION
4. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 4
A very personal view
A frame is a scheme of interpretations in which the
particulars of the events and activities to which we
attend are organized and made sensible.
9. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 9
Concessionaria per la progettazione, realizzazione e gestione del collegamento stabile tra la Sicilia e il Continente
Organismo di Diritto Pubblico
(Legge nยฐ 1158 del 17 dicembre 1971, modificata dal D.Lgs nยฐ 114 del 24 aprile 2003)
PONTE SULLO STRETTO DI MESSINA
Documento principale: INGEGNERIA โ PROGETTAZIONE
DEFINITIVA ED ESECUTIVA
Titolo documento: Fondamenti Progettuali e Prestazioni Attese
per lโOpera dโAttraversamento
Codice documento: GCG.F.04.01
Data Emissione: 14 Gennaio 2005
BASISOFTHEDESIGN
&
EXPECTEDPERMORMANCES
10. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 10
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
CONVENTIONALMODELING:
QUASISTATICREPRESENTATION
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
1
2 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 / franco.bontempi@uniroma1.it
12. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 12
DESCRIPTION OF THE
STRUCTURE
๏ the first point regards the peculiar
intrinsic characteristics of the structure:
morphology, geometry (both global and
local), topology of the resistant
mechanisms;
๏ one is referring here to the domain of the
structural problem.
13. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 13
Knowledge Models
๏ A thorough understanding of different knowledge
representations is a vital part, since the ease of solving a
problem is almost completely determined by the way the
problem is conceptualized and represented. Models are:
๏ Ladders: hierarchical (tree-like) diagrams (as concept ladder,
composition ladder, decision ladder and attribute ladder)
๏ Network Diagrams: they show nodes connected by arrows;
the nodes might represent any type of concept, attribute, value
or task, and the arrows between the nodes any type of
relationship (as concept maps, process maps and state
transition networks)
๏ Tables and Grids: representations that make use of tables or
grids (as forms, frames, timelines and matrices/grids)
16. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 16
Strategies
๏ From general to specific
๏ From prominent to concealed
๏ From qualitative to quantitative
๏ From extensive to narrow
๏ From global to local
๏ From coarse to fine
๏ From explicit to implicit
18. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 18
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
LUCE 1100 1298 1385 1410 1624 1991 3300
BISA
N-
VER
RAZZ
JIAN
GYN
HUM
BER
GRE
AT
AKA
SHI
MES
SINA
24. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 24
EVOLUTION vs INNOVATION
DESIGN
PERFORMANCES
25. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 25
KNOWLEDGE
REQUIRED
BY AN EVOLUTIVE
DESIGN
NEW KNOWLEDGE
REQUIRED BY
AN INNOVATIVE
DESIGN
ACTUAL
KNOWLEDGE BASIS
KNOWLEDGE
GROWTH PROCESS
33. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 33
Enactmentofthemodel
LOCAL
KNOWLEDGE
GLOBAL
KNOWLEDGE
34. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 34
x
x
x
x
Fault
Fault
Fault
Fault
Overall plant
1st level
Plant item
2nd level
Control loop
3rd level
Element/Component
4th level
๏ System
๏ Structural organism
๏ Multilevel analysis
๏ Sub structuring
๏ B- & D-regions
DESCRIPTION:
anatomy
35. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 35
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
36. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 36
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
46. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 46
DEFINITION OF
PRINCIPAL
FUNCTIONS AND
THEIR RELATIONS
DEFINITION OF
DETAILED OPERATIONS
IN A STEP BY STEP WAY
FUNCTION:
physiology
49. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 49
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
ANCHORAGES
SUPPORTING
CONDITION
HIGHWAY BOX-GIRDER
CROSS BOX-GIRDER
RAILWAY BOX-GIRDER
INNER
OUTER
BRIDGE
SUPERSTRUCTURE
MACRO-LEVELS
MESO-LEVELS
MAIN CABLES
HANGERS
SUSPENSION
SYSTEM
SADDLES
STRUCTURAL DECOMPOSITION
65. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 65
Foundations
Towers
Main cables
Hangers
Bridge deck
Seismic load transfer mechanism
66. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 66
FACTORS INFLUENCING
STRUCTURAL COMPLEXITY
NON LINEAR
BEHAVIOR
LINEAR
67. 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
CONTROL DEVICES
SOIL BEHAVIOR
MATERIAL NONLINEARITY
SOIL/STRUCTURE INTERFACE CONTACT
HANGERS
TOWERS
MAIN CABLES
GEOMETRIC NONLINEARITY
NONLINEARITY
68. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 68
FACTORS INFLUENCING
STRUCTURAL COMPLEXITY
LOW
AMBIGUITY
UNCERTAINTY
HIGH
NON LINEAR
BEHAVIOR
LINEAR
69. 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
STRUCTURAL MODEL
LOADING SYSTEM
GEOMETRY AND MATERIAL
UNCERTAINTY
70. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 70
FACTORS INFLUENCING
STRUCTURAL COMPLEXITY
LOW
AMBIGUITY
UNCERTAINTY
HIGH
TIGHT
COUPLING
INTERACTIONS
CONNECTIONS
LOOSE
NON LINEAR
BEHAVIOR
LINEAR
78. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 78
DECISIONNEGOTIATION & REFRAMING
WIND & TEMPERATURE
EARTHQUAKE
ANTROPICACTIONS
(RAILWAY&HIGHWAY)
STRUCTURALBEHAVIOR&
PERFORMANCEASSESSMENT
MODEL
79. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 79
GLOBAL LEVEL
LOCAL LEVEL
Hierarchy and size of
actions / performances
80. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 80
Ambientali
Antropiche
Azioni
Interazione con il campo
gravitazionale terrestre
Interazione dinamica con
lโambiente meteorologico
Interazione terreno-struttura
Interazione quasi-statica con
lโambiente meteorlogico
Carichi permanenti strutturali
Carichi permanenti
non strutturali
Carichi permanenti
strutturali secondari
Vento
Tromba dโaria
Tempesta
Sisma
Cedimenti delle fondazioni
Rigetto di faglia
Variazione termica stagionale
Variazione termica diurna
Carichi da traffico
Intenzionali
Non intenzionali
Incendio
Stradale
Pedonale
Ferroviario
Carrelli per manutenzione
Esplosione
Scavalcamento barriere
Manomissione
Cassone ferroviario
Urto di aereomobile
Urto di natante
Impalcato ferroviario
Impalcato stradale
Ancoraggio
ยฝ Luce
ยผ Luce
Torre
Torre lato Sicilia
Ancoraggio lato Sicilia
Traslazionale X
Traslazionale Y
Traslazionale Y
Rotazionale X
Traslazionale Z
Rotazionale X
Pendini
Impalcato
Cavi
Torri
Uniforme
Differenziale interno-esterno
Uniforme
Differenziale interno-esterno
Stese di carico globali
Modello dinamico
Dislocata sui cassoni stradali
Modello dinamico
Modello dinamico
Stese di carico globali
Modello dinamico
Impronta locale
Esterna
Interna
Cassone
Torre
Stradale
Ferroviario
Ancoraggio
Torre
Pendino
Cavalletto
Torre
Cavo
Pendino
Impalcato
Ancoraggio
Impalcato
Rotazionale Y
Rotazionale Z
Traslazionale Z
Rotazionale Y
Sovrastruttura stradale
Armamento ferroviario
Impianti
Uniforme
Non uniforme 1
Non uniforme 2
Modello dinamico
Modello dinamico
Spostamento blocco torre
Globale
Globale
Carico locale sullโimpalcato
Modello dinamico
Uniforme
Non uniforme 1
Non uniforme 2
In assenza di traffico
In presenza di traffico
Uniforme
Uniforme
Ferroviario 1
Ferroviario 2
Ferroviario 3
Ferroviario 4
Ferroviario 5
Ferroviario 6
Ferroviario 7
Ferroviario 8
Ferroviario 9
Ferroviario 10
Stradale 1
Stradale 2
Stradale 3
Stradale 4
Stradale 5
Stradale 6
Stradale 7
Stradale 8
Stradale 9
Stradale 10
Stradale 11
Stradale 12
Azioni al contorno
del dominio strutturale
Azioni nel dominio strutturale
Azioni Funzionali
Azioni Incidentali
Azioni chimico-fisiche
Differenziale sulla sezione
Differenziale sulla sezione
Carichi funzionali accessori
Impronte locali del carico
Azione reale del traffico
Carico locale sul binario
Azione reale del traffico
Stese di carico globali
Azione reale del traffico Modello dinamico
Svio
Deragliamento
Urto sulle barriere di sicurezza
Trasverso
Torre
Cavo
Pendino
Impalcato
Ancoraggio
Corrosione
Ancoraggio lato Calabria
Torre lato Calabria
Traslazionale X
Traslazionale X
Traslazionale Y
Rotazionale X
Traslazionale Y
Traslazionale Z
Rotazionale X
Rotazionale Y
Traslazionale Z
Rotazionale Y
Rotazionale Z
Rotazionale Z
Rotazionale Z
Traslazionale X
Pendini
Impalcato
Cavi
Torri
Cassone ferroviario
Accessi ed arredi
gambe
trasversi
funi
Cassone stradale
Impianti
trasversi
Pendini
Impalcato
Cavi
Torri
Dispositivi per il controllo
strutturale e aerodinamico
funi
Dispositivi per il controllo
strutturale e aerodinamico
Distanziatori meccanici
Smorzatori
Selle
Impalcato
Torri
Cavi
Guaine protettive
Guaine protettive
Pendini
๏ ๏ ๏ ๏ ๏
Ambientali
Azioni
Interazione dinamica con
lโambiente meteorologico
Interazione terreno-struttura
Vento
Tromba dโaria
Tempesta
Sisma
Cedimenti delle fondazioni
Rigetto di faglia
ยฝ Luce
ยผ Luce
Torre
Torre lato Sicilia
Ancoraggio lato Sicilia
Traslazionale X
Traslazionale Y
Traslazionale Y
Rotazionale X
Traslazionale Z
Rotazionale X
Cavi
Differenziale interno-esterno
Stese di carico globali
Modello dinamico
Modello dinamico
Rotazionale Y
Rotazionale Z
Traslazionale Z
Rotazionale Y
Uniforme
Non uniforme 1
Non uniforme 2
Modello dinamico
Modello dinamico
Spostamento blocco torre
Modello dinamico
Uniforme
Non uniforme 1
Non uniforme 2
In assenza di traffico
In presenza di traffico
Uniforme
Stradale 1
Stradale 2
Stradale 3
Stradale 4
Stradale 5
Stradale 6
Stradale 7
Stradale 8
Stradale 9
Stradale 10
Stradale 11
Azioni al contorno
del dominio strutturale
Azioni chimico-fisiche
Torre
Cavo
Pendino
Impalcato
Ancoraggio
Corrosione
Ancoraggio lato Calabria
Torre lato Calabria
Traslazionale X
Traslazionale X
Traslazionale Y
Rotazionale X
Traslazionale Y
Traslazionale Z
Rotazionale X
Rotazionale Y
Traslazionale Z
Rotazionale Y
Rotazionale Z
Rotazionale Z
Rotazionale Z
Traslazionale X
Actions decomposition
81. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 81
Carichi da traffico
Stradale
Pedonale
Ferroviario
Carrelli per manutenzione
Scavalcamento barriere
Cassone ferroviario
Stese di carico globali
Modello dinamico
Dislocata sui cassoni stradali
Stese di carico globali
Modello dinamico
Impronta locale
Globale
Carico locale sullโimpalcato
Ferroviario 1
Ferroviario 2
Ferroviario 3
Ferroviario 4
Ferroviario 5
Ferroviario 6
Ferroviario 7
Ferroviario 8
Ferroviario 9
Ferroviario 10
Stradale 1
Stradale 2
Stradale 3
Stradale 4
Stradale 5
Stradale 6
Stradale 7
Stradale 8
Stradale 9
Stradale 10
Stradale 11
Stradale 12
Azioni Funzionali
Carichi funzionali accessori
Impronte locali del carico
Azione reale del traffico
Carico locale sul binario
Azione reale del traffico
Stese di carico globali
Azione reale del traffico Modello dinamico
Svio
Urto sulle barriere di sicurezza
85. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 85
FAILURE LOCAL BEHAVIORS
HIDDEN DEFECTS
EXCEPTIONAL CONDITIONS
IN-DEPTH SAFETY
PSYCHOLOGICAL
PRECURSORS
SAFETY
AFFECTING
ACTIONS
HIDDEN ERRORS AT HIGHER
MANAGEMENT LEVELS
86. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 86
HAZARD
IN-DEPTH
DEFENCE
HOLES DUE TO
ACTIVE ERRORS
HOLES DUE TO
HIDDEN ERRORS
SINCHRONICITY:
inconstant connection through
contingence, equivalence, or
meaning
92. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 92
REAL WORLD
ORGANIZATION OF THE
STRUCTURAL PROBLEM
ENACTMENT
OF ATTENTION:
FOR- & BACK-GROUND
SELECTION
OF CONCEPTUAL
FRAMEWORK
RETENTION
OF MODELLING
AND RESULTS
93. Rome August 2005
Franco Bontempi /
FRAMEWORKS 93
๏ Context dependence
๏ Contrast effect
๏ Recency effect
๏ Halo effect
๏ Plasticity
๏ Order effects
๏ Pseudo-opinions
๏ Vividness
๏ Wishful thinking
๏ Anchoring
๏ Social loafing
๏ Conformity
๏ The representativeness
heuristic
๏ Law of small numbers
๏ Hot hand
๏ Neglecting base rates
๏ Nonregressive prediction
๏ Synchronicity
๏ Causalation
๏ Salience
๏ Minority influence
๏ Groupthink
๏ Self-fulfilling prophecies