Optimization of tied lateral systems for tall buildings design

Lateral resisting systems are a very important issue in tall buildings design and they should be tackled in the very beginning of the design, in the conceptual design phase. The following work focuses on the combination of both a stiff and a localized ductile behavior in the same structural system, thereby creating a tied lateral system where structural efficiency and architectural beauty can coexist, producing an extremely valuable structure. A tied lateral system encloses inside of its definitions the stiffness feature of an optimized lateral resisting frame, with the addition of the ductile behavior coming from an eccentrically braced frame system (EBF) configuration. Main concepts and design criteria of topology optimization for high-rise buildings design and of EBF systems have been recalled in order to motivate a suitable frame layout. A sensitivity analysis is carried out on a simplified model representative of the case study subsequently analyzed. Sizing optimization is implemented in order to get the optimal area distribution in each structural element to satisfy stiffness criteria under lateral loads, expressed as target lateral displacement. After that, a plastic design is performed with the aim of creating localized plastic hinges in the link beams. A methodology is thus identified to modify each structural element category to obtain a ductile behavior as uniform as possible, along the whole height of the structure, while preserving the optimality of area distribution and a stiff structural behavior. A case study of a high-rise building is then studied, in which the methodology described in the simple model has been applied. Two different loading conditions are implemented, one for the elastic sizing and the other, featuring larger loads, for the activation of the ductile mechanism. The braced system is sized through an in-house software and a plastic analysis is performed on the link beams. As a conclusion, the good and uniform ductile behavior exhibited by the real structure, combined with the high rigidity that the lateral optimized frame provides the entire structure with, prove the validity of the conceived methodology workflow. Its general validity extends its applicability to the world of tall buildings design.

I sistemi di controvento rappresentano un aspetto molto importante nella progettazione di edifici alti e necessitano di essere presi in considerazione fin dalle prime fasi della progettazione, a partire dal conceptual design. Il lavoro proposto si propone di combinare, all’interno della stessa struttura, un comportamento sufficientemente rigido in condizioni di servizio e un comportamento duttile localizzato sotto azioni sismiche elevate, creando quindi un tied lateral system dove efficienza strutturale e valenza architettonica contribuiscono a creare una struttura di grande valore. Un tied lateral system coniuga le proprietà di rigidezza di un sistema controventato ottimizzato con quelle duttili di un sistema di controventamento eccentrico tradizionale. I principali aspetti e le caratteristiche dell’ottimizzazione topologica, applicata ad edifici alti, sono stati richiamati, assieme ai concetti base dei sistemi di controvento eccentrici. Un’analisi qualitativa è stata effettuata su un modello esemplificativo del caso studio successivamente analizzato: una sizing optimization è implementata, ottenendo la distribuzione di aree ottimali nel rispetto di uno spostamento laterale imposto, seguita poi da un’analisi plastica localizzata, realizzata attraverso la creazione di cerniere plastiche nei link. Infine sono stati ricavati dei criteri per modificare le rigidezze relative dei vari elementi, al fine di ottenere un comportamento duttile il più uniforme possibile. Successivamente viene trattato un caso studio di edificio alto, applicando la metodologia appena ricavata. È stata utilizzata una condizione di carico da vento per il sizing degli elementi principali del sistema laterale, che viene effettuato attraverso un programma in-house, ed è invece poi stato definito un carico sismico fittizio per la definizione e il controllo del meccanismo plastico attivatosi nei link. Concludendo, il comportamento duttile uniforme manifestatosi nella struttura sotto carico sismico, assieme alla rigidezza espressa sotto carico da vento, hanno validato la metodologia proposta, estendendone l’applicabilità al più generale mondo dei palazzi alti.