Replacement beam methods in analysis of tall building structural systems

Global analysis of building structural systems can be exerted at two levels: complete model analysis and condensed model analysis. Despite static and dynamic analyses of the complete model of building structures can be nowadays easily afforded with the aid of commercial FE packages, the adoption of such an approach since an early stage of a design process may be time consuming and sometimes can lead to a constrained definition of the concept. On the opposite, using appropriate condensed models can help both researchers and designers to more properly deal with the analysis and design of structures. One of the most extensively used condensed systems is the continuum model, which idealizes a building system with an appropriate replacement beam. This simplified method can provide a tool for framing the first design phases and to check the outcomes of the computer-based analyses; moreover, it helps practitioners understand the complex behavior of large structures such as tall buildings. In this research, a literature survey on continuum-based methods for building analysis is carried out firstly. Then, a novel replacement beam model, which takes into account all the deformation modes of building systems, is proposed and characterized by appropriate stiffness relations. A one-dimensional FE formulation is developed for the numerical solution of the model and used in assessment of static responses, eigenanproperties, and forced dynamic responses of several building structures. Afterwards, two replacement beam models are developed to idealize coupled shear walls; meanwhile, they are employed to be further generalized for dynamic applications. The analytical solution of static responses and an appropriate FE formulation are then presented for the models. Using a discrete system of coupled shear walls, the distributed internal viscous damping (DIVD) of Kelvin-Voigt type with the bending and shearing mechanisms is introduced and theoretically established. Based on this discrete system with multi-damping effects, three continuum-based models are developed, whereas they are appropriately consisting of suitable kinematical fields and damping mechanisms. Using the FE technique, all the discrete and continuum models are formulated; moreover, a closed-form solution is developed for one of the continuum-based models consisting of a single displacement field. In this research, it is theoretically explained how passive dampers with various installation configurations can be modeled by a continuous damping mechanism through the replacement beams. The optimization problem of passive damping is then pursued, resulting in definition of a non-uniform equivalent shear damping. Further applications of continuous damping models acted upon by replacement beams are discussed. To this end, using a simple continuum-based model, some physical damping models are appropriately identified with wind and seismic applications. All the numerical and analytical models proposed in this research are properly implemented and verified consequently. As a general conclusion, the proposed continuum-based models can be potentially useful for the design and analysis of buildings, at the least in the preliminary stage of structural design.

L’analisi globale di sistemi strutturali può essere condotta a due differenti livelli: analisi mediante modello dell’intera struttura ed analisi mediante modello semplificato. Nonostante oggigiorno l’analisi statica e dinamica dell’intero modello strutturale possano essere facilmente affrontate tramite l’ausilio di codici di calcolo commerciali ad EF, l’adozione di un tale approccio, a partire da uno stadio iniziale della progettazione potrebbe richiedere molto tempo e talvolta portare ad una concezione vincolante della struttura. Al contrario utilizzare appropriati modelli semplificati può aiutare sia ricercatori che progettisti ad affrontare correttamente l’analisi e la progettazione di strutture. Uno dei più diffusi sistemi semplificati è il cosiddetto continuum-based model, che permette di schematizzare un edificio attraverso un’ apposita trave equivalente. Questo metodo semplificato può fornire uno strumento per inquadrare le prime fasi di progettazione e per verificare i risultati di analisi ottenute mediante l’ausilio del computer; inoltre aiuta i professionisti ad interpretare il comportamento spesso complesso di strutture di grandi dimensioni quali gli edifici alti. In questa ricerca, viene esposto dapprima lo stato dell’arte relativo ai cosiddetti metodi continuum-based per l’analisi di edifici. Successivamente viene proposto un nuovo modello di trave equivalente che prenda in considerazione tutti i modi deformativi degli edifici: esso viene definito attraverso appropriate relazioni di rigidezza. Una formulazione che prevede l’impiego di EF monodimensionali per la soluzione numerica del modello viene sviluppata ed utilizzata per la valutazione della risposta statica e delle risposte dinamiche libera e forzata di diversi edifici. Successivamente due modelli di trave equivalente sono sviluppati per trattare pareti di taglio accoppiate; con l’obiettivo di poterli ulteriormente generalizzare per applicazioni dinamiche. Per ciascuno modello vengono poi presentate la soluzione analitica della risposta statica ed un’appropriata formulazione a EF. Utilizzando un sistema discreto per schematizzare pareti di taglio accoppiate, viene introdotto e definito dal punto di vista teorico uno smorzamento viscoso interno distribuito di tipo Kelvin-Voigt con meccanismi a flessione e taglio. Basandosi su questo sistema discreto considerando molteplici effetti smorzanti, tre modelli continuum-based, consistenti con opportuni campi cinematici e meccanismi di smorzamento, vengono sviluppati. Tutti i modelli discreti e continui sono stati formulati attraverso il metodo degli elementi finiti; inoltre una soluzione in forma chiusa per uno dei modelli continuum-based caratterizzato da un singolo campo di spostamento è stata sviluppata. In questa ricerca inoltre si spiega da un punto di vista teorico come sistemi di smorzamento passivi installati secondo differenti configurazioni possano essere modellati attraverso travi equivalenti con un meccanismo di smorzamento continuo. Il problema di ottimizzazione dello smorzamento passivo viene poi affrontato attraverso la definizione di uno smorzamento a taglio equivalente non uniforme. Ulteriori applicazioni di modelli di smorzamento continuo su modelli di travi equivalenti vengono discussi. A questo punto, usando un semplice modello continuum-based , alcuni modelli fisici di smorzamento sono stati identificati correttamente nell’ambito di applicazioni sismiche ed in presenza di vento. Tutti i modelli numerici e analitici proposti in questa ricerca sono stati implementati in modo appropriato e verificati di conseguenza. In conclusione, i modelli continuum-based proposti in questo contesto possono essere utilizzati per la progettazione e l’analisi di edifici, almeno nella fase preliminare di progettazione strutturale.