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Abstract:
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Nella progettazione di grandi strutture in acciaio, gli algoritmi
evolutivi stanno ottenendo un sempre maggiore interesse, in parte
per la loro enorme facilità d’impiego in problemi non derivabili
e vincolati ed in parte per la loro capacità di ricercare le soluzioni
in spazi dove la tecnica e l’esperienza non vi avrebbero neppure
provato ad insinuarsi. Inoltre, il progettista analizzando strutture
complesse individua diverse criticità (problemi e dunque obiettivi da
dover risolvere), le quali possono essere agevolmente studiate attraverso
l’impiego di codici che supportano la ricerca dell’ottimo mediante due
o più obiettivi tra loro non correlati; un approccio di questo tipo
(multiobiettivo) è stato oggetto d’interesse negli ultimi anni da parte
di molti ricercatori ed il suo impiego è in costante crescita nel campo
professionale, soprattutto meccanico.
Lo studio da noi condotto, avvalendosi di tali strumenti attraverso
il codice commerciale
modeFrontier congiuntamente al codice ad elementi
finiti
Straus7,
analizza e verifica le coperture resistenti per forma,
nella fattispecie le coperture cilindriche, proponendo uno strumento di
progettazione autonoma ed automatica di tali sistemi costruttivi sfruttando
un approccio progettuale basato sulla ricerca dell’ottimo.
La metodologia adottata per condurre la progettazione è basata su due
fasi fondamentali:
- La parametrizzazione della struttura, ossia la ricerca
del minor numero di parametri che meglio descrivono il modello in tutte le
sue caratteristiche;
- L’ottimizzazione, ossia la ricerca del fronte di Pareto
e la successiva analisi dello stesso al fine di determinare la struttura che
meglio corrisponde ai requisiti della committenza.
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Fig. 3: Vista esterna della copertura del
sito archeologico di Badenwiler (D)
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La struttura impiegata come esempio numerico è la copertura in vetro-acciaio
del sito archeologico di Badenwiller (Germania)
Fig.3, studio condotto con la
collaborazione di Permasteelisa SpA. Il modello strutturale è una volta
parabolica irrigidita a doppio guscio: l’esterno è costituito dall’orditura
dei profili pieni in acciaio sui quali poggia l’invetriatura; mentre l’interno
è rappresentato dalla maglia di trefoli pretesi. Oggetto di particolare
interesse è stato l’arco d’irrigidimento definito da un profilo cavo superiore
e da un arco inferiore di funi pretese.
Il mezzo con il quale siamo giunti alla progettazione della struttura
sopra descritta è composto da un applicativo (UCS, Unit Controller System
Fig.1
Fig.2)
di nostra elaborazione, il quale in modo autonomo ed automatico esegue:
- La ricompilazione della struttura a partire da pochi parametri individuati
durante la prima fase della progettazione (la parametrizzazione
Fig.4);
- La definizione delle coordinate di nodo dei componenti strutturali e la
conseguente ricostruzione in Straus7
(Fig.5);
- La ricerca dello Stato 0 delle funi pretese mediante procedimento
iterativo con l'impiego dell'algoritmo di Picard;
- La determinazione dei carichi agenti sulla struttura secondo i
coefficienti imposti dall’Eurocodice 1 per la particolare zona in cui si trova
il manufatto e la loro conseguente applicazione al modello digitale nel codice
di calcolo (Carico da neve simmetrico
, da neve non simmetrico
e da vento);
- La definizione delle sollecitazioni per ogni elemento sia allo stato
limite di servizio che allo stato limite ultimo;
- La verifica dei componenti secondo Eurocodice 3 per quanto riguarda
le componenti in acciaio e secondo
la prEN13474 per l’invetriatura;
- La definizione degli obiettivi attraverso il calcolo di parametri
quali il peso strutturale, l’area bagnata dei profili, lo spessore
dell’invetriatura e lo sfrido derivante dal taglio delle lastre di
vetro jumbo.
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Fig. 5: Modello 3D in Straus7 della struttura.
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UCS ha sfruttato l’enorme potenzialità procedurale fornita dalle
API (Application Programming Interface) di Straus7
nei passi 2,3,4 del procedimento piu' sopra descritto. Utilizzando le API e' stato possibile:
- Semplificare l’acceso al motore di calcolo;
- Definire in modo iterativo il modello numerico
(ad ogni ciclo viene rigenerato completamente il modello);
- Alleggerire i tempi di processing (non deve essere caricata di
volta in volta la GUI di Straus7);
- Ottimizzare il solver proprietario di Straus7 ampliandolo
con funzioni create ad hoc per la progettazione.
L’ottimizzazione con modeFrontier si è sviluppata in tre fasi:
- Pre-processing statistico dei dati;
- Processing strutturale;
- Post-processing delle strutture individuate
sul fronte di Pareto alfine di determinare la migliore
in termini di costo al mq di struttura.
A completamento dell’ottimizzazione, dopo 3500 strutture processate e solo 12h
di calcolo, si è determinata una struttura ottimizzata la quale confrontata
con l’originale ha portato ad una riduzione dei costi del 16.33%.
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