PROJECT OPTARCH - Optimization Driven Architectural Design of Structures
Il progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea nell'ambito della convenzione Marie Skłodowska-Curie n. 689983
RISULTATI

Sviluppo di strutture più economiche, più efficienti, più sicure ed ecocompatibili

Collaborazione e scambio di conoscenze tra i partner

Sfruttare le tecniche di ottimizzazione della topologia nella progettazione architettonica assistita dal computer

OBIETTIVi

Soluzione

definizione e collaudo di tecniche matematiche nelle diverse fasi della progettazione di strutture civili

RISULTATI

Obiettivi
 

Lo scopo principale del progetto OptArch è quello di creare e testare metodologie per l'applicazione di tecniche di ottimizzazione in diverse fasi inerenti la progettazione di strutture civili, grazie alle forti sinergie tra un gruppo multidisciplinare di esperti accademici provenienti da Grecia, Francia, Cipro, Italia, Canada, Turchia, Egitto e Giordania e PMI dalla Francia, dalla Grecia e dall’Italia.

I compiti di OptArch integrano ed estendono la precedente ricerca del Consorzio nei campi dell'ottimizzazione strutturale, dell'analisi numerica, dei

nuovi approcci di ingegneria strutturale, del soft computing e della tecnologia informatica. Tale approccio multidisciplinare è ritenuto necessario per affrontare le sfide associate al raggiungimento dell'obiettivo del progetto.

Il progetto OptArch si fonda su:

  • collaborazione e scambio di conoscenze tra i partner;

  • specializzazione delle competenze relative alle PMI partecipanti;

  • sviluppo di strutture più economiche, più efficienti, più sicure ed ecocompatibili;

  • creare e testare metodologie per applicare l'ottimizzazione in diverse fasi di progettazione delle strutture;

  • sfruttare le tecniche di ottimizzazione della topologia nella progettazione architettonica assistita dal computer;

  • scambiare idee e proporre formulazioni per applicazioni di vita reale;

  • sviluppo di soluzioni per progetti architettonici multidisciplinari ottimizzati;

  • combinare i criteri derivanti dalla meccanica strutturale, dall'eco design, dal design bioclimatico e dalle prestazioni acustiche.

 
soluzione

La metodologia classica per affrontare i problemi di ottimizzazione in architettura rimane il tradizionale approccio "prova ad errore", che spesso richiede uno sforzo e risorse umane significativi e che, con ogni probabilità, porta a scelte non ottimali.

Gli architetti di solito definiscono "design ottimale" la scelta tra una serie molto limitata di alternative progettuali, dettate dalla loro esperienza e intuizione. Tuttavia, la progettazione moderna delle strutture richiede di tener conto di un gran numero di criteri derivanti da più discipline, spesso di natura conflittuale.

OptArch mira a proporre un approccio radicalmente diverso alla progettazione di strutture civili, in cui il problema dell'ottimizzazione è formulato sotto la forte sinergia di persone di diverse discipline e risolto con metodi automatizzati. Pertanto, il progetto di ricerca e innovazione proposto è di natura multidisciplinare.

I diversi aspetti del nuovo processo di design proposto da OptArch saranno, dunque, integrati in piattaforme automatizzate, per il cui design, architetti, matematici applicati, sviluppatori di software e ingegneri di vari settori (ingegneria civile, ingegneria meccanica, ingegneria dei materiali, ecc.) potranno unire i loro sforzi e competenze.

Il vasto numero di scelte alternative aumenta la possibilità di arrivare a un livello ottimale con l'integrazione di strumenti intelligenti e automatici nel processo di progettazione, guidando ulteriormente l'intuizione del designer.

 
risultati
 
PUBBLICAZIONI, ARTICOLI E PREMI

Charles Dapogny, Alexis Faure, Georgios Michailidis, Grégoire Allaire, Agnes Couvelas, Rafael Estevez, "Geometric constraints for shape and topology optimization in architectural design" - Computational Mechanics, 59, no. 6, 933-965 (2017).

February 12, 2017

This work proposes a shape and topology optimization framework oriented towards conceptual architectural design. A particular emphasis is put on the possibility for the user to interfere on the optimization process by supplying information about his personal taste. More precisely, we formulate three novel constraints on the geometry of shapes; while the first two are mainly related to aesthetics, the third one may also be used to handle several fabrication issues that are of special interest in the device of civil structures. The common mathematical ingredient to all three models is the signed distance function to a domain, and its sensitivity analysis with respect to perturbations of this domain; in the present work, this material is extended to the case where the ambient space is equipped with an anisotropic metric tensor. Numerical examples are discussed in two and three space dimensions.

Yar M, Korkmaz K, Kiper G, Maden F, Akgün Y, Aktaş E - "A novel planar scissor structure transforming between concave and convex configurations " - Int J Comput Methods Exp Meas, 5(4):442-450 (2017)

June 30, 2017

In this paper, a novel two-dimensional scissor structure that transforms between concave and convex configurations is presented. The structure is designed by a method of assembling kite or anti-kite loops in the flat configuration. Angulated units are generated from the assembled loops. Finally, a new angulated scissor unit is introduced in order to design the novel scissor structure. Keywords: angulated units, anti-kite loops, kite loops, scissor structure

N.Ath. Kallioras, N.D. Lagaros, D.N. Avtzis - "Pity Beetle Algorithm - A new metaheuristic inspired by the behaviour of bark beetles" - Advances in Engineering Software - 2017

April 30, 2017

In the past years a great variety of nature-inspired algorithms have proven their ability to efficiently handle combinatorial optimization problems ranging from design and form finding problems to mainstream economic theory and medical diagnosis. In this study, a new metaheuristic algorithm called Pity Beetle Algorithm (PBA) is presented and its efficiency against state-of-the-art algorithms is assessed. The proposed algorithm was inspired by the aggregation behavior, searching for nest and food, of the beetle named Pityogenes chalcographus, also known as six-toothed spruce bark beetle. This beetle has the ability to locate and harvest on the bark of weakened trees into a forest, while when its population exceeds a specific threshold it can infest healthy and robust trees as well. As it was proved in this study, PBA can be applied to NP-hard optimization problems regardless of the scale, since PBA has the ability to search for possible solutions into large spaces and to find the global optimum solution overcoming local optima. In this work, PBA was applied to well-known benchmark uni-modal and multi-modal, separable and non-separable unconstrained test functions while it was also compared to other well established metaheuristic algorithms implementing also the CEC 2014 benchmark and complexity evaluation tests.

Stavros Chatzieleftheriou, Nikos D. Lagaros - "Smoothed reduction of fracture mechanics solutions to 1D cracked models" - European Journal of Mechanics / A Solids, 2017.

May 01, 2017

In the framework of fracture mechanics 2 or 3 dimensional modelling approaches are mostly employed in order to simulate cracks. However, in many applications 1D models that represent cracked structural members can be proved to be very useful. A crack contributes to abrupt stiffness reduction, causing “jump” in the displacement field close to the crack, in the present work the observation that the presence of cracks causes also stress and strain redistribution at some distance from the crack tips as resulted from fracture mechanics solutions is underlined. An appropriate “smoothed” stiffness reduction is introduced as a function from the distance from the crack consistent energetically with the Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) solutions. These smoothed 1D solutions capture the strain variations in some distance from the crack(s) achieving very good accuracy. Some modelling examples in static and dynamic (eigenfrequencies, mode shapes) cases are examined and compared to existing 1D models, 3D FEM simulation and experimental data.

J. Desai, A. Faure, G. Michailidis, G. Parry, R. Estevez -"Topology optimization in acoustics and elasto-acoustics via a level-set method" - Journal of Sound and Vibration, 2017

April 02, 2017

Optimizing the shape and topology (S&T) of structures to improve their acoustic performance is quite challenging. The exact position of the structural boundary is usually of critical importance, which dictates the use of geometric methods for topology optimization instead of standard density approaches. The goal of the present work is to investigate different possibilities for handling topology optimization problems in acoustics and elasto-acoustics via a level-set method. From a theoretical point of view, we detail two equivalent ways to perform the derivation of surface-dependent terms and propose a smoothing technique for treating problems of boundary conditions optimization. In the numerical part, we examine the importance of the surface-dependent term in the shape derivative, neglected in previous studies found in the literature, on the optimal designs. Moreover, we test different mesh adaptation choices, as well as technical details related to the implicit surface definition in the level-set approach. We present results in two and three-space dimensions.

Phocas, M.C., Pamboris, G. - "Multi-Storey Structures with Seismic Isolation at Storey-Levels" - Computational Methods in Earthquake Engineering – Vol. 3, Springer, pp. 261-284, 2017, Papadrakakis, M., Plevris, V., Lagaros, N., (eds.)

May 15, 2017

Through increasing international research and application activities in the last years, seismic isolation has proven to be an innovative passive control technique in the area of performance-based design of buildings. Seismic isolation is principally based on the incorporation of flexible isolators at the base of low-rise buildings in order to shift the fundamental period outside of the dangerous for resonance, range of periods. In extending the concept of base isolation, the present contribution refers to the control of multi-storey structures under earthquake actions by means of introducing seismic isolation at different elevations of the structure. Thus, the structural response is influenced decisively by the vertically distributed seismic isolation, which at the respective storey-levels is alone capable of controlling the partial and overall stiffness, the force transmission and the energy dissipation process of the respective dynamic adaptable system. During strong earthquakes the effectiveness of the system in further enlarging the period of the building, compared to the classical method of seismic isolation at a unique level, is achieved, most often with decreased inter-storey deflections, and without introducing extensive displacements at the building base, which are often limited by practical constraints. The effectiveness of the proposed control system is investigated in parametric studies, in the time-history range, for a 6-storey building under ten selected earthquakes of the Greek-Mediterranean region, scaled to a maximum ground acceleration of 0.25 g. Most effective vertical distribution of seismic isolation at various storey-levels is proposed, based on the earthquake, structural and isolation characteristics used in the numerical study.

Nikos Ath. Kallioras and Nikos D. Lagaros - "A Real-Time Emergency Inspection Scheduling Tool Following a Seismic Event" - M. Papadrakakis, V. Plevris, N.D. Lagaros, (Eds.)Computational Methods in Earthquake Engineering Vol. 3, M. Papadrakakis, V. Plevris, N.D. Lagaros, (Eds.), Springer, pages 405-418, 2016

April 30, 2016

Emergency infrastructure inspections are of the essence after a seismic event as a carefully planned inspection in the first and most critical hours can reduce the effects of such an event. Metaheuristics and more specifically nature inspired algorithms have been used in many hard combinatorial engineering problems with significant success. The success of such algorithms has attracted the interest of many researchers leading to an increased interest regarding metaheuristics. In the present literature many new and sophisticated algorithms have been proposed with interesting performance characteristics. On the other hand, up to date developments in the field of computer hardware have also had a significant influence on algorithm design. The increased computational abilities that are available to researchers through parallel programming have opened new horizons in architecture of algorithms. In this work, a methodology for real-time planning of emergency inspections of urban areas is presented. This methodology is based on two nature inspired algorithms, Harmony Search Algorithm (HS) and Ant Colony Optimization (ACO). HS is used for dividing the area into smaller blocks while ACO is used for defining optimal routes inside each created block. The proposed approach is evaluated in an actual city in Greece, Thessaloniki.

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stakeholders & Credits

Giuseppe Leonardo Cascella, PhD

MANAGER

Idea75

laurea con lode e PhD in Ing. Elettrica @Politecnico di Bari (IT)

EU Marie Curie Fellow @Nottingham University (UK)

40+ pubblicazioni internazionali

30+ progetti industriali e R&D

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National technical University of Athens

L'Università tecnica nazionale di Atene è la più antica e prestigiosa istituzione della Grecia nel campo della formazione alla tecnologia e ha costantemente contribuito allo sviluppo scientifico, tecnico ed economico del Paese fin dalla sua fondazione avvenuta nel 1836.

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École polytechnique

École Polytechnique unisce ricerca, istruzione e innovazione ai massimi livelli scientifici e tecnologici. Promuove una cultura di eccellenza con una forte enfasi sulla scienza, combinata con le tradizioni umanistiche.

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Institut Polytechnique de Grenoble

Grenoble INP è una delle università tecnologiche leader in Europa. È un sistema universitario tecnologico francese composto da sei scuole di ingegneria.

 
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University of Cyprus

Gli obiettivi principali dell'Università di Cipro sono due: la promozione dell'istruzione attraverso l'insegnamento e la ricerca e il miglioramento dello sviluppo culturale, sociale ed economico di Cipro.

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Ace Hellas

ACE-Hellas è una società greca attiva nel marketing e nella produzione di soluzioni  nel settore IT e in particolare nella fornitura di soluzioni e servizi di calcolo ad alta tecnologia.

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Shape

I campi di competenza del team di ricerca di SHAPE sono: Architettura ed efficienza energetica.

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 İzmir Institute of Technology 

L'Istituto di tecnologia di Izmir è un'università pubblica di ricerca in Turchia. İYTE mantiene una forte enfasi sulle scienze naturali e sull'ingegneria ed è l'unico istituto nel suo genere in Turchia con una particolare attenzione alla ricerca scientifica.

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La Yaşar University è un'università turca. Essa aderisce anche a una politica di internazionalizzazione: un processo di connessione di un mondo globalizzato con la comunità locale attraverso una varietà di progetti con responsabilità sociale.

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Eupraxia

Eupraxia è una software house altamente innovativa, un integratore di sistemi e un fornitore di tecnologia, creata per offrire soluzioni tecniche intelligenti di punta e servizi di consulenza a imprese, organizzazioni e governi.

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Politecnico di Bari

Il Politecnico di Bari è una università pubblica che ha quale finalità il progresso culturale, scientifico e tecnologico mediante l’organizzazione della ricerca in campo scientifico e tecnologico negli ambiti dell’Architettura e dell’Ingegneria.

 
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Optimization

Architecture

Smart buildings

Energy Efficiency

Multidisciplinar Design

Acustic performance

Structure

Bioclimatic design

Smart cities

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