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Authors
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Abstract(s)
The current design of steel connections does not meet the possibilities offered for its fabrication by novel Additive Manufacturing (AM) techniques, both due to calculation methods insufficiency and standards limitations. This leads to building structures that are heavier, less economical, and less sustainable than our industrial capacity allows.
While AM has been employed for rapid prototyping mostly in automotive, materials design, medical devices and aerospace industries through the past twenty years and Topology Optimization (TO) has gained momentum since the 1990s, the fact is that the lack of a comprehensive set of boundaries and methodology has limited its use to product development, rather than widespread, scalable, safe and standardised use in construction.
Currently, while we already have good software for TO, which can assist in developing structural solutions whose added value justifies its production with AM enterprises, there is not a strong link between optimisation, mass fabrication and safety checking. We design to optimise weight, strength, and stiffness, not fully facilitate fabrication, comply with codes or use the best options given by AM.
The lack of methodologies and guidelines prevents civil and structural engineering from embracing TO and AM.
To address the meagre use of TO in the civil engineering industry, this research programme allowed to develop a methodology which accounts for i) the TO capabilities and software, ii) AM fabrication practical requirements and problems, iii) code requirements, iv) structural safety and performance goals to enable and foster the TO and AM to structural steel joints.
Specifically, this was focused on bolted joints with cover plates in steel beams, designed to the current European standards, as joints are essential in steel structures, contributing up to 25% of the global weight and concentrating the complexity in design and, therefore, the industry’s added value. The novel code-compliant methodology was proposed, validated with non-linear Finite Element Analyses (NLFEA) and applied to several parts of a typical bolted joint. Through the research programme, successive methodology developments were made to account for different loading and buckling phenomena. For the cover flange plate under tension, it has been found that a 50% volume reduction is possible by employing linear elastic TO and establishing the non-exceedance of the steel ultimate stress as a criterion. NLFEA showed that if the original joint capacity is to be maintained, the maximum optimisation threshold reduces only 45% of the initial volume. For the cover-plate under compression, the initial volume can be decreased by up to 40% while maintaining the connection’s original capacity and that a 30% volume decrease may be achieved while maintaining the original plate capacity. In both cases, the plate’s ultimate deformation capacity was enhanced. Furthermore, for web plates subjected to shear forces, results show that reducing up to 87.5% of the plate’s initial volume is possible while keeping the connection’s original capacity. Also, it has been found that the initial volume can be reduced up to 20% without affecting the original plate capacity and up to 60% while ensuring that the ultimate plastic displacement is larger than that of the original plate.
Further developments allowed employing state-of-the-art optimisation techniques, namely the Non-penalisation Smooth-Edged Material Distribution for Optimising Topology (np-SEMDOT) algorithm and assess both the added value and practicality of using it in the proposed code-compliant methodology, instead of broad-use software packages.
Ultimately, laboratory testing was endeavoured to evaluate the numerical investigation results, allowing the validation of the former.
Two critical conclusions that emerged from this work are that linear elastic TO could not meet the safety needs and that the introduced validation stage with NLFEA is an essential step, highlighting the novelty and significance of the proposed method.
Topologically optimised solutions showed a significant volume and cost reduction, meaningfully contributing to the steel construction decarbonisation goals and leading to joints with more ductile behaviour.
Actualmente, o dimensionamento de ligações em estruturas metálicas não explora as possibilidades oferecidas para o seu fabrico pelas técnicas emergentes de Manufactura Aditiva (MA). Tal deve-se não apenas à insuficiência dos métodos de cálculo, mas também às limitações plasmadas nos regulamentos vigentes. Destas circunstâncias decorre a construção de estruturas mais pesadas, menos económicas e menos sustentáveis do que nossa capacidade industrial permite. Enquanto a MA tem sido empregue na prototipagem rápida, principalmente na indústria automóvel, no fabrico de materiais, em dispositivos médicos e na indústria aeroespacial nos últimos vinte anos e a Optimização Topológica (OT) entrou numa fase emergente na década de 90 do século passado, é notório que a falta de um enquadramento regulamentar para a verificação da segurança e de uma metodologia de cálculo limitou o seu uso ao desenvolvimento de produtos, ao invés do uso difundido, escalável, seguro e padronizado na construção. Actualmente, embora já tenhamos bons programas de cálculo para a OT, que podem auxiliar no desenvolvimento de soluções estruturais cujo valor acrescentado justifique sua produção com MA, não existe uma forte ligação entre optimização, fabrico em massa e verificação da segurança. O uso da OT centra-se ainda na optimização do peso, resistência e rigidez, mas não para facilitar o fabrico, cumprir os códigos ou usar as melhores opções fornecidas pela MA. A falta de metodologias e directrizes impede a engenharia civil e estrutural de abranger a OT e a MA. Motivado por essas circunstâncias, o presente Programa de Tese de Doutoramento tem como objectivo desenvolver uma metodologia que leve em conta i) os recursos e programas de cálculo disponíveis para a OT, ii) os requisitos e problemas práticos de fabrico no contexto da MA, iii) os requisitos impostos pelos regulamentos estruturais vigentes, iv) a segurança estrutural e objectivos de desempenho, para promover o emprego da OT e da MA no projecto e fabrico de ligações em estruturas metálicas. Especificamente, a investigação centrou-se nas juntas aparafusadas com chapas cobre-juntas em vigas metálicas, dimensionadas de acordo com as actuais normas europeias, pela circunstância de estas ligações serem essenciais nas estruturas de aço, contribuindo até 25% do peso global e concentrando a complexidade do projecto e, por conseguinte, o valor acrescentado da indústria. Foi proposta uma nova metodologia em conformidade com os Eurocódigos Estruturais, validada com análises não lineares de elementos finitos (ANLEF) e aplicada a várias partes de uma junta aparafusada típica. Ao longo do programa de investigação, foram feitos desenvolvimentos sucessivos da metodologia para ter em conta diferentes tipologias de carga e de encurvadura. Para a chapa cobre-juntas sob tracção, verificou-se que é possível reduzir o volume em 50%, utilizando a OT elástica linear e estabelecendo como critério a não excedência da tensão última do aço. A ANLEF mostrou que, se a capacidade original da junta for mantida, o limite máximo de optimização reduz apenas 45% do volume inicial. Para a chapa cobre-juntas sob compressão, o volume inicial pode ser reduzido até 40%, mantendo a capacidade original da ligação, e pode ser conseguida uma redução de 30% do volume, mantendo a capacidade original da chapa. Em ambos os casos, a capacidade de deformação final da placa foi aumentada. Para além disso, no caso de chapas de alma sujeitas a forças de corte, os resultados mostram que é possível reduzir até 87,5% do volume inicial da chapa, mantendo a capacidade original da ligação. Além disso, verificou-se que o volume inicial pode ser reduzido até 20% sem afectar a capacidade original da chapa e até 60%, assegurando que o deslocamento plástico final é maior do que o da chapa original. Outros desenvolvimentos permitiram empregar técnicas de optimização de última geração, nomeadamente o algoritmo Non-penalisation Smooth-Edged Material Distribution for Optimising Topology (np-SEMDOT) e avaliar o valor acrescentado e a praticabilidade da sua utilização na metodologia proposta em conformidade com os Eurocódigos Estruturais, em vez de software de utilização generalizada. Por fim, foram efectuados ensaios laboratoriais para avaliar os resultados da investigação numérica, permitindo a validação dos primeiros. Duas conclusões críticas que emergiram deste trabalho são o facto de a OT elástica linear não poder satisfazer as necessidades de segurança e de a fase de validação introduzida com a ANLEF ser um passo essencial, realçando a novidade e a importância do método proposto. As soluções topologicamente optimizadas mostraram uma redução significativa do volume e dos custos, contribuindo significativamente para os objectivos de descarbonização da construção metálica e conduzindo a ligações com um comportamento mais dúctil.
Actualmente, o dimensionamento de ligações em estruturas metálicas não explora as possibilidades oferecidas para o seu fabrico pelas técnicas emergentes de Manufactura Aditiva (MA). Tal deve-se não apenas à insuficiência dos métodos de cálculo, mas também às limitações plasmadas nos regulamentos vigentes. Destas circunstâncias decorre a construção de estruturas mais pesadas, menos económicas e menos sustentáveis do que nossa capacidade industrial permite. Enquanto a MA tem sido empregue na prototipagem rápida, principalmente na indústria automóvel, no fabrico de materiais, em dispositivos médicos e na indústria aeroespacial nos últimos vinte anos e a Optimização Topológica (OT) entrou numa fase emergente na década de 90 do século passado, é notório que a falta de um enquadramento regulamentar para a verificação da segurança e de uma metodologia de cálculo limitou o seu uso ao desenvolvimento de produtos, ao invés do uso difundido, escalável, seguro e padronizado na construção. Actualmente, embora já tenhamos bons programas de cálculo para a OT, que podem auxiliar no desenvolvimento de soluções estruturais cujo valor acrescentado justifique sua produção com MA, não existe uma forte ligação entre optimização, fabrico em massa e verificação da segurança. O uso da OT centra-se ainda na optimização do peso, resistência e rigidez, mas não para facilitar o fabrico, cumprir os códigos ou usar as melhores opções fornecidas pela MA. A falta de metodologias e directrizes impede a engenharia civil e estrutural de abranger a OT e a MA. Motivado por essas circunstâncias, o presente Programa de Tese de Doutoramento tem como objectivo desenvolver uma metodologia que leve em conta i) os recursos e programas de cálculo disponíveis para a OT, ii) os requisitos e problemas práticos de fabrico no contexto da MA, iii) os requisitos impostos pelos regulamentos estruturais vigentes, iv) a segurança estrutural e objectivos de desempenho, para promover o emprego da OT e da MA no projecto e fabrico de ligações em estruturas metálicas. Especificamente, a investigação centrou-se nas juntas aparafusadas com chapas cobre-juntas em vigas metálicas, dimensionadas de acordo com as actuais normas europeias, pela circunstância de estas ligações serem essenciais nas estruturas de aço, contribuindo até 25% do peso global e concentrando a complexidade do projecto e, por conseguinte, o valor acrescentado da indústria. Foi proposta uma nova metodologia em conformidade com os Eurocódigos Estruturais, validada com análises não lineares de elementos finitos (ANLEF) e aplicada a várias partes de uma junta aparafusada típica. Ao longo do programa de investigação, foram feitos desenvolvimentos sucessivos da metodologia para ter em conta diferentes tipologias de carga e de encurvadura. Para a chapa cobre-juntas sob tracção, verificou-se que é possível reduzir o volume em 50%, utilizando a OT elástica linear e estabelecendo como critério a não excedência da tensão última do aço. A ANLEF mostrou que, se a capacidade original da junta for mantida, o limite máximo de optimização reduz apenas 45% do volume inicial. Para a chapa cobre-juntas sob compressão, o volume inicial pode ser reduzido até 40%, mantendo a capacidade original da ligação, e pode ser conseguida uma redução de 30% do volume, mantendo a capacidade original da chapa. Em ambos os casos, a capacidade de deformação final da placa foi aumentada. Para além disso, no caso de chapas de alma sujeitas a forças de corte, os resultados mostram que é possível reduzir até 87,5% do volume inicial da chapa, mantendo a capacidade original da ligação. Além disso, verificou-se que o volume inicial pode ser reduzido até 20% sem afectar a capacidade original da chapa e até 60%, assegurando que o deslocamento plástico final é maior do que o da chapa original. Outros desenvolvimentos permitiram empregar técnicas de optimização de última geração, nomeadamente o algoritmo Non-penalisation Smooth-Edged Material Distribution for Optimising Topology (np-SEMDOT) e avaliar o valor acrescentado e a praticabilidade da sua utilização na metodologia proposta em conformidade com os Eurocódigos Estruturais, em vez de software de utilização generalizada. Por fim, foram efectuados ensaios laboratoriais para avaliar os resultados da investigação numérica, permitindo a validação dos primeiros. Duas conclusões críticas que emergiram deste trabalho são o facto de a OT elástica linear não poder satisfazer as necessidades de segurança e de a fase de validação introduzida com a ANLEF ser um passo essencial, realçando a novidade e a importância do método proposto. As soluções topologicamente optimizadas mostraram uma redução significativa do volume e dos custos, contribuindo significativamente para os objectivos de descarbonização da construção metálica e conduzindo a ligações com um comportamento mais dúctil.
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Keywords
Optimização Topológica Metodologia Projecto para Manufactura Aditiva Optimização do Dimensionamento Métodos de Dimensionamento Estruturas de aço Estruturas Metálicas Eurocódigos Capacidade Última Encurvadura Ligações Juntas Ligação Resistente ao Momento Flector Ligações com cobre-juntas