2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B
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Parte B delle lezioni del Corso di Dottorato sull'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Prof. Ing. Franco Bontempi Aprile - Maggio 2015, Facolta' di Ingegneria Civile e Industriale Universita' degli Studi di Roma La Sapienza
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2015 corso dottorato OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE franco bontempi - parte B
- 1. 1Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 1 Introduzione alla OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE (parte B) Franco Bontempi Ordinario di Tecnica delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Sapienza Universita’ di Roma
- 3. 3Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 3 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.
- 4. 4Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 4 Objects (slang) • STRUCTURES • DESIGN • ANALYSIS • ENGINEERING • RESEARCH Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 6. 6Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 6 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 TEST SI’ NO Pre-processing Post-processing Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 7. 7Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 7 Processo di analisi e processo di sintesi (2) START END MODIFICA K=K+1 K=0 DATI K CALCOLO RISULTATI K TEST SI’ NO ANALISI SINTESI
- 9. 9 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 Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 10. 10Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 10 REQUIREMENTS FOR A STRUCTURE Basic
- 11. 11Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 11 Requisiti strutturali • Condizioni di esercizio: – Rigidezza • Condizioni ultime: – Resistenza – Stabilita’ – Duttilita’ – Durabilita’ • Condizioni estreme: – Robustezza – Resilienza • Configurazione nominale della struttura • Configurazione danneggiata della struttura
- 12. 12Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 12 Robustezza strutturale e durabilita’ nel tempo. Misura di danno o di errore Capacità prestazionale Situazione nominale Degrado prestazionale Capacità prestazionale Situazione nominale Degrado prestazionale Misura del tempo o dell’uso Robustness / Durability
- 15. 15Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 15 VALUES FOR DESIGN A STRUCTURE
- 16. 16Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 16 Semplicità • Il criterio più generale di progetto riguarda la semplicità: per l’Ingegneria questo è un valore fondamentale, perché pone i fondamenti per la certezza di comportamento. • Questo vale diventa, quindi, una strategia globale per non introdurre ulteriori complessità in un ambiente già di per se altamente incerto.
- 17. 17Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 17 Regolarità geometrica e simmetria • La regolarità geometrica riguarda la disposizione in pianta ed in elevazione della struttura; è consigliata l’adozione di una configurazione geometrica chiara, lineare, con limitate eccentricità e variazioni brusche di masse o rigidezze, con possibili simmetrie e ripetizioni. • Questo e’ un criterio che riguarda tutte le scale strutturali, dai componenti all’intera struttura: si pensi alle connessioni delle aste nelle strutture reticolari al fine di evitare sollecitazioni parassite o alla disposizione di un intero edificio.
- 18. 18Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 18 Iperstaticità e ridondanza • La ridondanza strutturale consiste nel prevedere la duplicazione dei percorsi e dei meccanismi resistenti, ponendoli in parallelo, in modo da assicurare la sicurezza globale dell’opera anche in caso di crisi da parte di un sistema resistente, per mezzo della ridistribuzione dei percorsi di carico. A questa si accosta il concetto di iperstaticità, che consiste nel progettare strutture con vincoli ed interconnessioni sovrabbondanti rispetto alla quantità strettamente necessaria. • Entrambi i criteri assumono un importante ruolo nel governo del comportamento strutturale, indirizzando nelle dovute forme le modalità di collasso.
- 19. 19Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 19 Prevedibilità nel tempo • Riguarda la necessità di utilizzare materiali, componenti o soluzioni il cui comportamento sia il più possibile prevedibile. • Anche in questo caso, alterazioni brusche ed imprevedibili dei comportamenti meccanici di materiali e componenti, che si ripercuotano sulla risposta strutturale complessiva, non possono essere accettabili.
- 20. 20Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 20 Principio di precauzione • Il criterio si rivolge alla scelta dei materiali e prodotti strutturali da usare nelle opere affinché si possa garantire il rispetto dei requisiti precedentemente indicati. Nel caso si scelgano materiali e prodotti non esplicitamente citati nelle norme si richiede che tali materiali possano essere impiegati solo se il produttore ne garantisce prestazioni in linea con quanto richiesto dalla norma stessa. • Per poter essere utilizzato ai fini strutturali, un materiale o un componente devono avere caratteristiche geometriche, chimiche, fisiche e meccaniche, certe. In termini più generali, si fa riferimento all’attenzione che si deve rivolgere all’ambiente.
- 23. 23 Criteria for traction Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 26. 26 Criteria for compression Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 36. 36 In vs. Out of plane Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it
- 49. The nature of optimum (1) Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 49Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 49
- 50. The nature of optimum (2) Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 50 A sub-optimal solution to a problem is one that is less than perfect. Slack situation: loose and not pulled tight. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 50
- 105. 105Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 105 OPTIMIZATION ZERO Plain introduction
- 106. 106Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 106106 ELEMENTI E COMPONENTI STRUTTURALI ORGANIZZAZIONE Le relazioni stabili di funzione, funzionalità e topologia che danno significato agli elementi indipendentemente dalla loro specificità. STRUTTURA Elementi specifici che tramite le relazioni strutturali formano una configurazione persistente nel tempo SISTEMA Struttura durevole di elementi organizzati, che viene osservata come unità che presenta caratteristiche emergenti.
- 108. 108Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 108 Integrazione / Specializzazione
- 111. 111Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 111 MAIN CHARACTERISTICS • Micro-level: local size of the sections, i.e. thickness, area, inertia, … (Detailed Geometry) • Meso-level: form of the structural element or structural part (substructure), i.e. main longitudinal axis, curvature, profile, … (Global Geometry) • Macro-level: connections of the different structural parts (Load Path)
- 112. 112Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 112 Optimization Levels • Micro-level: local - sectional optimization / sizing • Meso-level: as above + morphology changes • Macro-level: as above + topologic changes
- 123. 123Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 123 Ingegnerizzazione • Spessori minimi / massimi • Lunghezze minime / massime • Simmetrie • Elementi industrializzati • Procedure di realizzazione (forgiatura, piegatura, saldabilita’, …) • Costruibilita’
- 124. 124Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 124 Topological Optimization Sequence
- 154. 154 4LEVELS AND TECHNIQUES Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 154
- 155. 155Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 155 OTTIMIZZAZIONE A LIVELLO SEZIONALE Microlivello
- 156. 156Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 156 Geometry Parameter Based Optimization
- 170. 170Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 170 A / W for HEB for α = h A = 9E-13x6 - 3E-09x5 + 5E-06x4 - 0,0036x3 + 1,2509x2 - 139x + 7185,3 W = 1E-11x6 - 9E-08x5 + 0,0002x4 - 0,2162x3 + 113,67x2 - 17128x + 881393 0 2000000 4000000 6000000 8000000 10000000 12000000 14000000 0 200 400 600 800 1000 1200 A W Poly. (A) Poly. (W)
- 172. 172Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 172 Tensioni superiori / inferiori • Nell’ ipotesi di sollecitazione di presso-flessione, possiamo scrivere, per la sezione più sollecitata, le tensioni al lembo superiore, σtop ed al lembo inferiore, σbot in funzione del parametro α: W M A N W M A N bot top
- 173. 173Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 173 Limiti tensionali • Le tensioni così ricavate devono sottostare ad una limitazione dettata dal criterio di resistenza scelto per il materiale: bot top 0 0 0 0 bot bot top top
- 174. 174Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 174 Espressioni con sollecitazioni 4 3 2 1 0 0 0 0 WAMANW WAMANW WAMANW WAMANW W M A N W M A N bot top 0 0 0 0 bot bot top top
- 175. 175Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 175 Soluzione che soddisfa tutto i i Design max4,...1
- 176. 176Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 176 Nota • Con tale tecnica, si ottiene un dimensionamento che sfrutta a pieno la capacità portante della sezione. • Il progetto è basato quindi sul raggiungimento del requisito di resistenza: un elemento strutturale e la struttura nel complesso devono pero’ soddisfare a differenti altri requisiti. • È possibile considerare indirettamente questi altri aspetti anche con il FSD: basta agire sui valori dei limiti tensionali o sui valori dei moltiplicatori αmax ed αmin per dimensionare l’elemento con riferimento ad altri aspetti che non siano la sola resistenza.
- 177. 177Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 177 Taglio / Instabilita’
- 191. 191Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 191 OTTIMIZZAZIONE MORFOLOGICA mesolivello
- 214. 214Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 214 Fundamental steps of the BG evolutionary process
- 219. 219Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 219 OTTIMIZAZIONE TOPOLOGICA Macrolivello
- 297. 297Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 297 Scala naturae OPTIMIZATION Optimality Criteria Script