Interaction problems in outriggered structural systems subjected to torsion

Outrigger systems are increasingly becoming a more common choice for tall buildings worldwide. The use of this kind of structural system to provide lateral stiffness and lateral load resistance to tall buildings has become more and more popular in the past decades because of its effectiveness and wide-ranging adaptability to evolving architectural needs. The use of outrigger systems is generally confined to the increase of lateral stiffness under bending actions for roughly height-wise regular structures; nevertheless, in modern architecture, they are also used in very complex new shapes, particularly buildings possessing a variation of the plan distribution of the vertical elements along the height of the building. These particular structural shapes, which generally include inclined peripheral columns, give way to torsional effects also under vertical loads. Another interesting fact regards the torsional properties of the central cores: in some cases, they can be idealized as thin-walled elements with open cross-sections. This fact introduces an additional deformation component, that is warping, in the compatibility equations between the core, the outriggers and the peripheral columns. In the present work, these problems will be discussed in detail and the analysis of outrigger systems in defining the structural response of tall buildings subjected to torsional effects will be addressed. The Vlasov Theory will be recalled and generalized to account for the presence of a rigid arm connected to the core cross section, simulating the effect of outriggers on the structure. Both a theoretical and numerical approach will be applied to study different structural configurations characterized by the presence of one or two levels of outriggers and their interaction with transverse stiffeners, e.g. diaphragms and lintels. In these conditions, the effects of the delayed deformation of concrete are of paramount importance for the design of the outriggers, thus the long-term behaviour of the structure will be analysed in special limit cases. Finally, the interaction between flexural and torsional effects induced by an additional external eccentric volume will be investigated, as it represents an interesting case frequently present in modern tall buildings.

L’impiego dei sistemi outriggers sta diventando sempre più frequente nella realizzazione di edifici alti in tutto il mondo. Questo tipo di sistema strutturale fornisce infatti un’elevata rigidezza e resistenza ai carichi laterali oltre che adattabilità a necessità architettoniche in continua evoluzione. Sebbene gli outriggers siano generalmente impiegati in strutture pressoché regolari in altezza, nell’ambito dell’architettura moderna sono di comune utilizzo anche in forme più complesse, caratterizzate da una variazione lungo l’altezza della distribuzione in pianta degli elementi verticali. Queste particolari forme strutturali danno origine ad effetti torsionali anche sotto la sola azione di carichi verticali. Un aspetto di grande importanza connesso a tali effetti riguarda le proprietà dei nuclei centrali: in alcuni casi essi possono infatti essere idealizzati come elementi in parete sottile a sezione aperta. A seguito di ciò, nelle equazioni di congruenza tra nucleo, outriggers e colonne perimetrali viene ad aggiungersi una componente addizionale di deformazione: l’ingobbamento. Nel presente lavoro si analizza questo problema nel dettaglio focalizzando l’attenzione sulla risposta strutturale di sistemi nucleo-outriggers in edifici alti soggetti ad azioni torcenti. A tal proposito la teoria di Vlasov verrà richiamata e generalizzata per considerare la presenza di appendici rigide connesse alla sezione trasversale del nucleo, atte a simulare gli effetti degli outriggers. Mediante analisi teorica e numerica, si procederà ad analizzare una serie di configurazioni strutturali caratterizzate dalla presenza di uno o due livelli di outriggers e la loro interazione con altri elementi di irrigidimento, quali diaframmi e/o architravi. Data l’importanza degli effetti differiti del calcestruzzo, sarà analizzato il comportamento a lungo termine della struttura in casi limite significativi. Infine, si valuteranno gli effetti interattivi di flesso-torsionale indotti dalla presenza di volumi eccentrici, caso frequente nell’architettura moderna.