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Título : Diseño óptimo de estructuras de pared delgada compuestas
Autor(es) : Reguera, Florencia
Director(es) : Cortínez, Víctor Hugo
Co-director(es) : Piovan, Marcelo Tulio
Palabras clave : Ingeniería; Ingeniería estructural; Análisis estructural; Diseño de estructuras; Vigas; Materiales de construcción; Materiales compuestos
Resumen : La implementación de técnicas de optimización es de fundamental importancia en el diseño de estructuras construidas con materiales compuestos. Esto se debe a que dicho diseño involucra una gran cantidad de variables que generan problemas de optimización multimodales sujetos a restricciones de diversa índole. Además, hay situaciones de diseño en las que, por distintas razones, es necesario abordar la minimización de distintos objetivos en forma conjunta. Esto conduce a la aplicación de formulaciones multiobjetivo. Asimismo, existen situaciones en las cuales los datos iniciales del problema de diseño no son totalmente precisos, o bien, es de interés conocer el comportamiento de la estructura ante pequeños cambios en dichos datos. Esta incertidumbre en las condiciones iniciales del problema puede ser considerada en el esquema de diseño mediante la aplicación de modelos específicos desarrollados a tal efecto. Desde el punto de vista estructural, la esbeltez que en muchos casos posee este tipo de estructuras genera la necesidad de conocer su comportamiento en lo que respecta a la estabilidad global y local de las mismas. En esta tesis se presentan distintos esquemas destinados al diseño óptimo multiobjetivo de vigas de pared delgada de eje recto o curvo, construidas con materiales del tipo Plástico Reforzado con Fibras (FRP, por sus siglas en inglés). El análisis estructural se realiza mediante la aplicación de un modelo teórico de tipo viga que considera flexibilidad por corte debida a flexión y alabeo. En base a esta teoría y con el interés de formular un problema de diseño analítico, se obtienen soluciones explícitas aproximadas para evaluar distintos parámetros estructurales, tales como cargas críticas de pandeo global, desplazamientos máximos y tensiones. Por otra parte, se aplica una estrategia para el análisis del pandeo local en base a la teoría de placas para verificar la estabilidad local de vigas rectas y curvas construidas con materiales isótropos o compuestos de configuración ortótropa. Para obtener diseños que contemplen la posibilidad de alcanzar diferentes objetivos, se implementan distintos métodos que consideran conjuntamente aspectos de estabilidad, desplazamiento y peso propio de la estructura como objetivos principales. Se analiza el efecto producido por variaciones en las cargas aplicadas a la estructura mediante un modelo matemático de incertidumbre. Este modelo se basa en el análisis del peor escenario posible, aplicándose el método de anti-optimización. Se consideran restricciones estructurales, geométricas y operativas que contemplan condiciones de resistencia, inestabilidad local y geometría de la sección, entre otras. Los esquemas de diseño óptimo propuestos se resuelven mediante la aplicación de distintos métodos heurísticos que permiten obtener soluciones óptimas de carácter global. Se utilizan las técnicas Simulated Annealing, Simulated Annealing Caótico y Algoritmo Genético.
The implementation of optimization techniques is of fundamental importance in the design of structures built with composite materials. This is because the design involves a lot of variables that generate multimodal optimization problems, subject to constraints of diverse nature. In addition, there are design situations in which for various reasons, it is necessary to address different minimization objectives jointly. This leads to the application of multiobjective formulations. There are also situations in which the initial data of the design problem is not entirely accurate, or is of interest to know the behavior of the structure against small changes in data. This uncertainty of the initial conditions can be considered in the design scheme by applying specific models developed for such purpose. From a structural standpoint, the slenderness that in many cases these structures have generates the need to understand their behavior with respect to global and local stability. This thesis presents different schemes for multiobjective optimal design of thin-walled beams, with straight or curved axis, built with materials of the type Fiber Reinforced Plastics (FRP). The structural analysis is performed by applying a theoretical beam model allowing shear flexibility due to bending and warping. Based on this theory, and with the interest to develop an analytical design problem, approximate explicit solutions are obtained in order to evaluate various structural parameters such as global critical buckling loads, maximum displacements and stresses. On the other hand, a strategy based on the plate theory is applied to analyze local buckling in order to verify the local stability of straight and curved beams made with isotropic materials or composites with orthotropic configuration. In order to obtain designs which consider the possibility of achieving various targets, different methods are implemented to jointly regard issues of stability, displacement and weight of the structure as main targets. The effect of variations in the loads applied to the structure is analyzed by applying a mathematical model of uncertainty. This model is based on the analysis of the worst feasible scenario, applying the anti-optimization method. Structural, geometric and operational constraints are considered which contemplate conditions of strength, local instability and sectional geometry, among others. The proposed optimal design schemes are solved by the application of different heuristic methods that allow obtaining global optimal solutions. The techniques employed are Simulated Annealing, Chaotic Simulated Annealing and Genetic Algorithm.
URI : http://repositoriodigital.uns.edu.ar/handle/123456789/582
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