Structural design optimisation of single piles

Piling is often necessary for supporting high-significance structures such as high-rise buildings, offshore platforms or bridges, and its cost is often expensive. Therefore it becomes of great interest reducing the cost of the pile through an optimisation problem. Conventional design approaches for single piles evaluate a first pre-designed pile performing checks for Ultimate Limit State (ULS) and Serviceability Limit State (SLS) and changing its dimensions iteratively until a reasonable pile geometry is found. Here it is recommended to start with an objective function based on the final cost of the piles and design a pile geometry with the help of numerical approaches that satisfies all the structural requirements. This thesis deals with the optimisation of three different materials for single piles: steel pile, concrete pile, and steel fibre reinforced concrete pile. A program has been developed with the use of interior point algorithm implemented in Matlab and an objective function based on the cost for each of the pile materials. As single piles have to be optimised, a first study of the literature has been done to proceed with the best design approach that can be applied to the optimisation problem. The study also evaluates the influence of the variation in soil parameters and loads applied, demonstrating that in some cases FRC piles would represent a better option from the point of view of economics.

L'uso dei pali è spesso necessario per supportare strutture di alta significatività come grattacieli, piattaforme offshore o ponti, e il suo costo è spesso alto. Pertanto diventa di grande interesse ridurre il costo dei pali con l'utilizzo de un problema di ottimizzazione. Gli approcci progettuali convenzionali per i pali valutano prima una verifica di una geometria prestabilita per gli stato limite ultimo e di esercizio e cambiano le sue dimensioni iterativamente fino a trovare una geometria del palo ragionevole. Qui si consiglia di iniziare con una funzione obiettivo basata sul costo finale dei pali e progettare una geometria del palo con l'aiuto di approcci numerici che soddisfino tutti i requisiti strutturali. Questa tesi si occupa dell'ottimizzazione di tre diversi materiali per pali singoli: pali in acciaio, pali in calcestruzzo e pali in calcestruzzo fibrorinforzato. È stato sviluppato un programma con l'uso dell'algoritmo del punto interno implementato in Matlab e una funzione obiettivo basata sul costo per ciascuno dei materiali del palo. Poichè i pali singoli devono essere ottimizzati, è stato fatto un primo studio della letteratura per procedere con il miglior approccio progettuale che potrebbe essere applicato al problema di ottimizzazione. Lo studio valuta anche l'influenza della variazione dei parametri del suolo e dei carichi applicati, dimostrando che in alcuni casi i pali di calcestruzzo fibrorinforzato rappresenterebbero un'opzione migliore dal punto di vista economico.