Ottimizzazione topologica di gridshells progettate con elementi riusati

Il riutilizzo di componenti strutturali sta guadagnando sempre più attenzione tra ricercatori e professionisti, con l'obiettivo di ridurre l'impiego di materiali, di energia e la produzione di rifiuti nella realizzazione di nuove costruzioni. Infatti, l'utilizzo di elementi recuperati da costruzioni obsolete/demolite o di elementi in eccesso derivanti dalla costruzione di nuovi edifici, potrebbe dare una seconda vita agli elementi strutturali e, allo stesso tempo, ridurre l'impatto ambientale dovuto alla realizzazione di nuovi componenti strutturali ad hoc. In questo contesto, gli elementi in acciaio si adattano perfettamente a questa prospettiva, poiché l'acciaio è in grado di conservare le sue caratteristiche meccaniche nel tempo.
Il presente lavoro propone un approccio innovativo per la progettazione di strutture gridshell costituite da diverse percentuali di elementi riusati. In particolare, il processo di progettazione si basa su un'ottimizzazione topologica, trattata mediante algoritmi genetici, che varia la posizione dei nodi strutturali per alloggiare gli elementi riusati garantendo le prestazioni strutturali richieste, e, allo stesso tempo, riducendo il peso strutturale complessivo. L'approccio proposto viene applicato a casi di studio selezionati dalla letteratura allo scopo di validare l’efficacia dell’approccio proposto.

Il riutilizzo di elementi e connessioni di strutture dismesse offre un potenziale significativo per la riduzione dell'impatto ambientale

L'industria delle costruzioni sta affrontando una sfida importante: la riduzione dell’impatto ambientale dovuto all'alto consumo di risorse (materiali ed energia). Per affrontare questa sfida si sta esplorando l’impiego di soluzioni progettuali più efficienti e procedure di costruzione innovative che promuovano la sostenibilità, come ad esempio quelle basate sull’impiego di elementi ottenuti da strutture dismesse. In questo contesto, le strutture in acciaio sono particolarmente adatte a tale approccio, come dimostrato da recenti ricerche disponibili in letteratura.

Tra queste, Brütting et al. hanno esaminato varie strategie di progettazione di strutture con elementi e connessioni dedotte da strutture dismesse. Tra queste: una strategia di progettazione per strutture reticolari utilizzando uno stock limitato di elementi e giunti derivati dallo smontaggio di diverse tipologie di strutture (gridshell, portale, colonna); una procedura di progettazione basata su processi di ottimizzazione per una copertura a traliccio utilizzando elementi provenienti da piloni elettrici; la progettazione di una struttura a telaio utilizzando elementi derivanti da edifici smantellati. Per tutte le applicazioni, gli autori hanno enfatizzato in particolare i benefici raggiunti in termini di riduzione delle emissioni di gas serra.

Sebbene il riutilizzo abbia una lunga storia nell'ingegneria strutturale, la sua applicazione sistematica offre un potenziale significativo per la riduzione dell'impatto ambientale. Tuttavia, esiste un divario nelle competenze e negli strumenti di progettazione specificamente adattati al riutilizzo, che rallentano la sua adozione più ampia
In particolare, sebbene ricerche recenti abbiano esplorato approcci di progettazione innovativi per gridshell che combinano ottimizzazione dimensionale e topologica, manca ancora un con- tributo focalizzato sulle strategie di ottimizzazione specificamente sviluppate per progettare gridshell impiegando elementi riutilizzati.

Questo lavoro presenta un approccio innovativo per l'ottimizzazione delle gridshell in acciaio che integra nella struttura elementi recuperati da strutture dismesse. L'approccio combina efficacemente tecniche di ottimizzazione topologica e dimensionale attraverso un processo unico che utilizza algoritmi genetici, e la sua validità è dimostrata attraverso l'applicazione a uno caso studio derivante dalla letteratura e considerando diversi scenari di stock disponibili di elementi riutilizzabili. I risultati dimostrano chiaramente la capacità dell'approccio proposto di fornire soluzioni più leggere, che si traducono in bassi costi e un ridotto impatto ambientale. Questo è ottenuto grazie all’abilità di ottimizzare simultaneamente sia la configurazione della griglia sia il posiziona- mento dei membri riutilizzati.

L'approccio proposto è stato applicato a uno dei casi di gridshell descritto all'ambito del FreeGrid Benchmark: la volta a botte. In particolare, sono stati considerati diversi scenari in termini di stock di possibili elementi riutilizzabili per analizzare l'influenza delle caratteristiche degli elementi che compongono lo stock sul processo di ottimizzazione delle gridshell.

Approccio proposto

L'obiettivo dell'approccio proposto è implementare una procedura che integri l'ottimizzazione topologica e dimensionale per la progettazione ottimale delle strutture gridshell caratterizzate dalla presenza di elementi strutturali derivati da strutture dismesse (nel seguito denominati “elementi riusati”). Come evidenziato nel seguito, la quantità (cioè il numero N), la lunghezza e le dimensioni della sezione trasversale degli elementi riusati costituiscono nuovi dati di input da introdurre nel processo di ottimizzazione. Una rappresentazione schematica di questa procedura è riportata nella Figura 1.

Considerando una forma fissa della superficie che caratterizza la gridshell e un numero predefinito di elementi quadrangolari che compongono la mesh (e quindi un numero fisso di nodi della mesh), la procedura genera iterativamente soluzioni della griglia spostando i nodi lungo la superficie della gridshell. Per ogni soluzione, una subroutine personalizzata confronta le lunghezze degli elementi della griglia con le lunghezze degli elementi riusati.

Quindi, considerando gli elementi della griglia con lunghezza simile a quella degli elementi riusati, la subroutine varia strategicamente la posizione dei nodi corrispondenti per incorporare nella griglia gli elementi riusati. Successivamente, la soluzione che incorpora gli elementi riusati viene sottoposta ad analisi strutturale per progettare solo la sezione trasversale degli elementi nuovi. Viene quindi eseguito un processo di ottimizzazione con l'obiettivo di minimizzare il peso degli elementi nuovi progettati (P_{_nuovo}) rispettando le condizioni di vincolo imposte su: il massimo valore del tasso di lavoro (U_max, cioè il rapporto tra domanda e capacità), lo spostamento massimo (D_max) e il fattore di instabilità (BF, cioè il rapporto tra il carico di instabilità e il carico applicato), quest'ultimo ottenuto da un'analisi lineare di buckling.

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