The behaviour of tall buildings under lateral loads : evaluation of deflection and vibrations

Tall buildings have become in the last century a common typology in the residential and commercial construction. There is no unique definition for what a tall building is. The prime characteristic that can be identified in high-rise buildings is the sensitiveness to lateral loads, such as wind and seismic loads. Thereafter, the design procedure for them differs in part from the classical one. The aim of this work is the analysis of the problems that can arise during the design of a tall building, particularly the ones related to the lateral loads, and of the possible response to them. In the first section, the subject is analyzed from a theoretical point of view. After a short review about tall building structures, diverse methods for calculating lateral loads are described. Particular attention is paid to the procedures for estimating the accelerations at the top of a building, as the development of tall buildings in the direction of lightness and slenderness generates the occurrence of problems related to the motion. The vibration at the top can cause discomfort to the inhabitants; in order to reduce it, damping systems can be used. During the years, different absorbers have been studied. Particularly, the attention is focused on the Tuned Liquid Damper (TLD), that is a tank filled of water that, being in antiphase respect to the building, generates an additional damping force. In the second section, an example of high-rise building is considered. The case study is the One Bloor East building, a 74-storey condominium to be realized in downtown Toronto, at the intersection of Yonge Avenue and Bloor Street. For this building, an ETABS model has been realized; the lateral loads calculated according to the discussion made in the first section have been applied. The displacement verification gives satisfactory results, while the building presents problems in relations to vibrations. For reducing the acceleration, a TLD is provided at the top of the building. In the third section, the design procedure for concrete elements is described and applied to the calculation of some members.

Gli edifici alti sono diventati nel corso dell’ultimo secolo una forma di costruzione diffusa sia nel campo commerciale che residenziale. Fin dalla loro nascita, dopo la Rivoluzione Industriale, essi sono stati simbolo di sviluppo e di modernità, celebrazione del progresso tecnologico. Ai giorni nostri, un nuovo stimolo promuove la diffusione dei grattacieli. Infatti, la crescita sempre maggiore delle grandi città ha portato a galla la necessità di aumentare la densità di quest’ultime, in modo da ridurre costi e dispendio di energia, rendere più efficace il trasporto pubblico e decongestionare il traffico. Toronto si trova ora al centro di questa sfida, con il più grande numero di edifici alti in costruzione del Nord America, la maggior parte dei quali a uso residenziale (www.emporis.com). Non è facile definire quando un edificio si possa ritenere alto oppure no. Di certo la caratteristica principale che si può ritrovare negli edifici cosiddetti alti è la sensibilità ai carichi laterali. Infatti, mentre i carichi verticali si può ritenere varino linearmente con l’altezza, il momento flettente generato dai carichi orizzontali è proporzionale al quadrato dell’altezza e lo spostamento addirittura alla potenza quarta. Questa peculiarità non può che richiedere un nuovo modo di concepire e progettare l’edificio. L’obiettivo di questo lavoro è l’analisi dei problemi che possono sorgere durante il progetto di un edificio alto, in particolare quelli correlati ai carichi laterali, e le loro possibili soluzioni. Per fare ciò si è fatto riferimento a un caso progettuale reale. Si tratta di One Bloor East, un edificio residenziale di 74 piani in calcestruzzo armato che è in costruzione a Toronto, ON Canada. Nel primo capitolo sono presentati gli edifici alti in generale e i diversi sistemi strutturali studiati per meglio resistere ai carichi laterali (Smith & Coull, 1991; Taranath, 2009). Vengono poi presentati i problemi ai quali possono essere facilmente soggetti, vale a dire problemi di deflessione e vibrazioni. Nel secondo capitolo vengono descritte diverse procedure per determinare i carichi laterali, vento e sisma. Per il calcolo del vento vengono messe a confronto la Procedura Dinamica descritta nel Ontario Building Code e la Procedura Sperimentale, che si serve di prove in galleria del vento per ottenere risultati più precisi. Vengono poi presi in considerazione gli effetti dinamici all’ultimo piano abitabile dell’edificio. Infatti, accelerazioni troppo elevate possono causare disagio psicologico ma anche fisico alle persone che ivi si trovano. Per ridurre le accelerazioni in cima agli edifici nel corso degli anni sono stati studiati vari sistemi di smorzamento. Essi sono presentati nel terzo capitolo, con una particolare attenzione al Tuned Sloshing Damper (TLD), che è il sistema che viene utilizzato nel caso di studio. Questo smorzatore è composto da una vasca di solito rettangolare riempita di liquido, abitualmente acqua. Il liquido oscillando in anti-fase con l’edifico genera una addizionale forza di inerzia che assorbe le vibrazioni. Nel quarto capitolo viene presentato il caso di studio. Come detto sopra, One Bloor East è un edificio in calcestruzzo armato, composto da una base più ampia di 7 piani sulla quale poggia una torre di 67 piani. Usando ETABS, un programma di calcolo a elementi finiti, è stato realizzato un modello della struttura. Si è verificato che dal punto di vista della deflessione l’edificio non presenta problemi. Per quanto riguarda gli effetti dinamici, invece, esso ha accelerazioni troppo elevate in cima, che hanno reso necessario il dimensionamento e l’applicazione di un TLD. Nel quinto capitolo è stato fatto un breve excursus sulla procedura progettuale per elementi in calcestruzzo armato e sul loro dimensionamento di alcuni elementi.