Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte I - Bontempi
•
0 j'aime•1,664 vues
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
Recommandé
Recommandé
Contenu connexe
Tendances
Tendances (20)
En vedette
En vedette (14)
Similaire à Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte I - Bontempi
Similaire à Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte I - Bontempi (9)
Plus de Franco Bontempi
Plus de Franco Bontempi (20)
Dernier
Dernier (9)
Appunti del corso di dottorato: Ottimizzazione Strutturale / Structural Optimization - parte I - Bontempi
- 1. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 1 Introduzione alla OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE Franco Bontempi Ordinario di Tecnca delle Costruzioni Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Sapienza Universita’ di Roma
- 4. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 4 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.
- 9. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 9 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)
- 11. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 11 Bio • Born 1° April 1963. • 1982 -1988, Laurea (5-year degree, equivalent with MEng + MSc) Politecnico di Milano. • 1989 -1993, PhD in Structural Engineering Politecnico di Milano • 1992-1998, Assistant Professor of Structural Analysis and Design Ricercatore nelle discipline Scienza e Tecnica delle Costruzioni”) Politecnico di Milano. • 1998-2000, Associate Professor of Structural Analysis and Design (Professore Associato di Tecnica delle Costruzioni) University of Rome La Sapienza, School of Engineering. • 2000-today, Professor of Structural Analysis and Design (Professore Ordinario di Tecnica delle Costruzioni) University of Rome La Sapienza, School of Civil and Industrial Engineering.
- 15. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 15 1BASIC ASPECTS OF STRUCTURAL ENGINEERING
- 16. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 16 WHAT IS A STRUCTURE Basic
- 17. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 17FB nov 05 17 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.
- 18. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 18FB nov 05 18 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.
- 19. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 19 Structure 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)
- 20. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 20 Trave di De Saint Venant L D d H x
- 21. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 21 Esempi semplici di sezioni di trave D d H H b B d t
- 23. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 2323 Allungamento geometrico H H H L = 10 • H L = 5 • H L = 3 • H H B B B regione diffusiva (a) (b) (c)
- 24. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 24 A B Principio di Saint Venant • I sistemi A e B di carichi applicati sul corpo sono staticamente equivalenti, ovvero hanno le stesse risultanti globali
- 25. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 25 Principio di Saint Venant: trave a sezione compatta A B C b F F C = F• b F F 2 • F x x x
- 26. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 2626 B-/D- Regions (1) A B C D E F G H 1 2 3 4 5 6 7 8
- 27. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 27 B-/D- Regions (2) A B C D E F G H
- 39. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 3939 Effetti locali: ruolo delle costolature
- 43. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 43 Integrazione / Specializzazione
- 45. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 45 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 33 34 35 36 37 41 42 43 44 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 X Z L h
- 52. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 52 F F F F/5 F/5 F/5 F/5 F/5 Reactions
- 63. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 63 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
- 64. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 64 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
- 67. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 67 Direct / Inverse Problems
- 68. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.itTES 68 INPUT Geometrical and mechanical characteristics Actions OUTPUT Structural response Model Updating Damage states
- 69. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.itTES 69 INPUT Geometrical and mechanical characteristics Actions OUTPUT Structural response Model Updating Damage states
- 72. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 72 REQUIREMENTS FOR A STRUCTURE Basic
- 73. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 73 Requisiti strutturali • Condizioni di esercizio: – Rigidezza • Condizioni ultime: – Resistenza – Stabilita’ – Duttilita’ – Durabilita’ • Condizioni estreme: – Robustezza – Resilienza • Configurazione nominale della struttura • Configurazione danneggiata della struttura
- 74. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 74 SERVICEABILITY SAFETY DISPLACEMENT (risposta strutturale) LOAD PARAMETER (carico) 2 1 3 4 EQUILIBRIUM PATH (percorso di equilibrio)
- 75. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 75 Percorso di equilibrio di una struttura 1 2 A O B C D Comportamento Lineare < > Non lineare Comportamento Pre-critico < > Post-critico E Pmax Peff Py Δy Δmax Δult Parametro di spostamento Δ ParametrodicaricoP Δe
- 76. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 76 Instabilità e sensibilità alle imperfezioni A O B Pmax Py Δy Δmax Parametro di spostamento Δ ParametrodicaricoP H F Pcr Preal Pmax Pcr Preal I G primario secondario secondario
- 77. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 77 Formati di verifica A O B Pmax Py Δy Δmax Parametro di spostamento Δ ParametrodicaricoP Pmax H Pcr Preal S.L.E / T.A S.L.U / A.L.
- 78. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 78 Levels of Structural Crisis UsualULS&SLS VerificationFormat Structural Robustness Assessment 1st level: Material Point 2nd level: Element Section 3rd level: Structural Element 4th level: Structural System
- 79. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 79 Structural Robustness QUALITY DAMAGE or ERROR REQUIRED PERFORMANCE NOMINAL PERFORMANCE NOMINAL SITUATION
- 80. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 80 Bad vs Good Collapse STRUCTURE & LOADS Collapse Mechanism NO SWAY “IMPLOSION” OF THE STRUCTURE “EXPLOSION” OF THE STRUCTURE is a process in which objects are destroyed by collapsing on themselves is a process NOT CONFINED SWAY
- 88. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.itTES 88 Confederation Bridge (Canada)12.910 m. H2 H1 Rottura per taglio Collasso progressivo H2
- 90. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 90 Definizione di robustezza strutturale Entità del Danno o dell’Errore E = causa CapacitàstruuturaleR Configurazione Nominale ∆E = causa ∆R= effetto Configurazione Alterata
- 91. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 91 Definizione di robustezza strutturale Entità del Danno o dell’Errore E = causa CapacitàstruuturaleR Configurazione Nominale ∆E = causa ∆R= effetto Configurazione Alterata
- 92. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.itTES 92 Durability of Performance QUALITY TIME MEASURE / USE MEASURE FAILURE REQUIRED PERFORMANCE REQUIRED LIFE TIME
- 93. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 93 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
- 94. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 94 VALUES FOR DESIGN A STRUCTURE
- 95. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 95 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.
- 96. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 96 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.
- 97. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 97 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.
- 98. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 98 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.
- 99. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 99 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.
- 101. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 101 OPTIMIZATION ZERO Plain introduction
- 104. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 104 Optimization Levels • Micro-level: local - sectional optimization / sizing • Meso-level: as above + morphology changes • Macro-level: as above + topologic changes
- 111. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 111 Smoothing / Streamlining
- 113. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 113 Ingegnerizzazione • Spessori minimi / massimi • Lunghezze minime / massime • Simmetrie • Elementi industrializzati • Procedure di realizzazione (forgiatura, piegatura, saldabilita’, …) • Costruibilita’
- 131. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 131http://www.youtube.com/watch?v=QXbWCrzWJo4
- 139. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 139 OTTIMIZZAZIONE A LIVELLO SEZIONALE Microlivello
- 140. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 140 Geometry Parameter Based Optimization
- 154. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 154 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)
- 156. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 156 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
- 157. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 157 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
- 158. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 158 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
- 159. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 159 Soluzione che soddisfa tutto i i Design max4,...1
- 160. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 160 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.
- 161. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 161 Taglio / Instabilita’
- 175. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 175 OTTIMIZZAZIONE MORFOLOGICA mesolivello
- 198. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 198 Fundamental steps of the BG evolutionary process
- 203. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 203 OTTIMIZAZIONE TOPOLOGICA Macrolivello
- 267. Ottimizzazione Strutturale franco.bontempi@uniroma1.it 267 Scala naturae OPTIMIZATION Optimality Criteria Script