Generation of structural systems based on topology optimization

Abstract

The scope of this research is to establish a holistic framework for the conceptual design phase of civil engineering structures in terms of Structural Topology Optimization (STO). In the literature, the application of STO in the field of Civil Engineering, is quite limited. Basic limitations existing works, are the difficulties on the representation of the optimized layouts and the fact that in most cases idealized structural conditions are considered. The confrontation of these two issues is the overarching aim of this PhD research. Manufacturing constraints are applied in continuum-based Topology Optimization (TO) in order to provide solutions for Civil Engineering applications. The proposed methodologies, guided the algorithm to create discrete structures, that consist of truss-like or predefined structural components. Highlight of these procedures is the automation of the optimized structures’ integration in a Computer-Aided Design (CAD) environment. For this purpose, image processing approaches and parametric design techniques are applied. Innovative structural systems for tall buildings and shell structures, that cannot be produced by conventional design techniques, are presented. Additionally, Frame Structural Topology Optimization (FSTO) is addressed and the performance of the structural systems is examined under static and dynamic loadings. The conventional formulation of the compliance’s minimization is applied in the commercial software SAP2000. The dual problem of the volume minimization is performed in an in-house software, developed within the remits of this research and standardized steel members are implemented through regression analysis. Constraints imposed by design code regulations are applied, resulting to optimized layouts that are very close to real-world structures. Some of the proposed structural systems are designed also by commercial software, pointing out the importance of FSTO in the construction industry. Furthermore, an extended survey of topology optimized structures under dynamic excitations and real-world earthquake conditions is conducted. The crucial procedure of the sensitivity analysis evaluation is described thoroughly and innovative structural systems for tall buildings are presented.

Σκοπός αυτής της έρευνας είναι η δημιουργία ενός ολιστικού πλαισίου για τη φάση εννοιολογικού σχεδιασμού των κατασκευών πολιτικού μηχανικού από την άποψη της Βελτιστοποίησης Τοπολογίας Κατασκευών (STO). Στη βιβλιογραφία, η εφαρμογή του STO στον τομέα των Πολιτικών Μηχανικών, είναι αρκετά περιορισμένη. Βασικοί περιορισμοί των υφιστάμενων εργασιών, είναι οι δυσκολίες στην αναπαράσταση των βελτιστοποιημένων διατάξεων και το γεγονός ότι στις περισσότερες περιπτώσεις λαμβάνονται υπόψη εξιδανικευμένες δομικές συνθήκες. Η αντιπαράθεση αυτών των δύο ζητημάτων είναι ο πρωταρχικός στόχος αυτής της διδακτορικής έρευνας. Οι κατασκευαστικοί περιορισμοί εφαρμόζονται στη Βελτιστοποίηση Τοπολογίας (TO) που βασίζεται σε συνεχές, προκειμένου να παρέχονται λύσεις για εφαρμογές Πολιτικού Μηχανικού. Οι προτεινόμενες μεθοδολογίες, καθοδήγησαν τον αλγόριθμο στη δημιουργία διακριτών δομών, που αποτελούνται από δοκούς ή προκαθορισμένα δομικά στοιχεία. Αποκορύφωμα αυτών των διαδικασιών είναι η αυτοματοποίηση της ενσωμάτωσης των βελτιστοποιημένων δομών σε περιβάλλον σχεδίασης με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD). Για το σκοπό αυτό εφαρμόζονται προσεγγίσεις επεξεργασίας εικόνας και τεχνικές παραμετρικού σχεδιασμού. Παρουσιάζονται καινοτόμα δομικά συστήματα για ψηλά κτίρια και κελύφη, που δεν μπορούν να παραχθούν με συμβατικές τεχνικές σχεδιασμού. Επιπλέον, εξετάζεται η βελτιστοποίηση δομικής τοπολογίας πλαισίου (FSTO) και εξετάζεται η απόδοση των δομικών συστημάτων υπό στατικές και δυναμικές φορτίσεις. Η συμβατική διατύπωση της ελαχιστοποίησης της συμμόρφωσης εφαρμόζεται στο εμπορικό λογισμικό SAP2000. Το διπλό πρόβλημα της ελαχιστοποίησης όγκου εκτελείται σε ένα εσωτερικό λογισμικό, που αναπτύχθηκε στα πλαίσια αυτής της έρευνας και τα τυποποιημένα χαλύβδινα μέλη υλοποιούνται μέσω ανάλυσης παλινδρόμησης. Οι περιορισμοί που επιβάλλονται από τους κανονισμούς του κώδικα σχεδιασμού εφαρμόζονται, με αποτέλεσμα βελτιστοποιημένες διατάξεις που είναι πολύ κοντά στις δομές του πραγματικού κόσμου. Ορισμένα από τα προτεινόμενα δομικά συστήματα σχεδιάζονται επίσης από εμπορικό λογισμικό, επισημαίνοντας τη σημασία του FSTO στον κατασκευαστικό κλάδο. Επιπλέον, διεξάγεται μια εκτεταμένη έρευνα βελτιστοποιημένων τοπολογικών κατασκευών υπό δυναμικές διεγέρσεις και πραγματικές συνθήκες σεισμού. Περιγράφεται διεξοδικά η κρίσιμη διαδικασία της αξιολόγησης της ανάλυσης ευαισθησίας και παρουσιάζονται καινοτόμα δομικά συστήματα για ψηλά κτίρια.