Optimality criteria in hybrid damping design of structures

Mitigation of wind-induced motions of tall buildings is actually one of the main topics in researches on high-rise buildings design. Besides adopting particular structural systems or aerodynamic modifications, a way to improve the building response under wind excitations is certainly represented by the use of damping devices such as Viscous Dampers (VDs), Tuned Mass Dampers (TMDs) and Tuned Liquid Dampers (TLDs). Recently VDs and TLDs have been installed together inside tall buildings in order to achieve a hybrid damping system reducing the sway induced by wind. It has been proved how installing the two devices together sensibly improves the building response than adopting them singularly. The main topic of the present work is to investigate the response of a generic tall building subjected to an external dynamic excitation and modeled through a continuum Timoshenko’s beam, whether an hybrid damping system is adopted, consisting of a passive TMD on the top floor and a distribution of VDs along the structure. An initial briefing is presented on the continuum method consisting in studying tall buildings by equivalent continuum beam models. The Timoshenko’s beam model is finally used in order to represent the high-rise building considered. A FEM-based program is created permitting to evaluate the response of the tall building continuum model equipped with both VDs and TMD to any harmonic dynamic excitation. Firstly only a VDs distribution is applied on the tall building model, without any TMD, and the main optimality criteria in designing the VDs distribution will be investigated in order to improve the structure response. After that the only TMD is applied on the tall building model and after having validated its optimal tuning parameters through a comparison with an equivalent SDOF system, several discussions about the optimization of the Tuned Mass Damper efficiency are investigated. Finally the hybrid damping system is analyzed. Useful and practical abacuses are drawn for hybrid damping optimization and the sensitivity of hybrid damping systems both to variable frequencies of the external dynamic load and to structure shear stiffness is discussed.

Uno dei principali settori di studio relativo alla progettazione di edifici alti è attualmente rappresentato dalla attenuazione degli spostamenti indotti dall’azione del vento sulla struttura. Oltre all’adozione di particolari schemi strutturali o di modifiche aerodinamiche da apportare alla forma dell’edificio, un ulteriore metodo per migliorare la risposta della struttura soggetta all’azione del vento è certamente rappresentato dall’utilizzo di dispositivi smorzanti quali Dissipatori Viscosi (VDs), Smorzatori a Massa Accordata (TMDs) e Smorzatori Liquidi Accordati (TLDs) Recentemente VDs e TLDs sono stati installati insieme all’interno di edifici alti andando a costituire un sistema di smorzamento ibrido finalizzato alla riduzione degli spostamenti indotti dal vento sulla struttura. E’ stato provato come installando i due dispositivi insieme, la risposta della struttura sia sensibilmente migliore rispetto al caso in cui i due dispositivi vengano adottati singolarmente. L’argomento principale trattato nel presente elaborato consiste nello studio della risposta dinamica di un generico edificio alto, soggetto a un’azione dinamica esterna e modellato tramite una trave continua di Timoshenko, nel caso in cui venga installato all’interno della struttura un sistema di smorzamento ibrido caratterizzato da un TMD passivo posizionato all’ultimo piano dell’edificio e da una generica distribuzione di VDs lungo la struttura, piano per piano. Inizialmente viene presentata una rapida dissertazione relativa al “metodo continuo” che consiste nello studio della risposta dinamica di un edificio alto tramite l’analisi del comportamento di un suo equivalente modello di trave continua. Per lo studio dell’edificio alto preso in considerazione nel presente lavoro, si sceglie di utilizzare un modello di trave continua alla Timoshenko. Si è realizzato quindi un programma basato sul Metodo agli Elementi Finiti che consente di valutare la risposta dinamica del modello continuo di edificio alto nel caso in cui esso sia dotato sia di Dissipatori Viscosi (VDs) sia di Smorzatore a Massa Accordata (TMD) e soggetto a una generica eccitazione armonica. Inizialmente si applicherà al modello solamente una distribuzione di VDs, senza alcun TMD, e si studieranno i principali criteri di ottimizzazione di suddetta distribuzione in modo da migliorare la risposta della struttura. In secondo luogo il solo TMD sarà applicato al modello e, dopo aver validato i parametri di “optimal tuning” del dispositivo svolgendo un confronto con un equivalente modello a un grado di libertà, ne verranno approfonditi i principali criteri di ottimizzazione per la riduzione delle oscillazioni della struttura. Infine si svolgerà lo studio del sistema di smorzamento ibrido rappresentato dall’utilizzo contemporaneo dei due dispositivi appena analizzati singolarmente. Verranno disegnati, a valle di un sostanzioso quantitativo di analisi, pratici e intuitivi abachi finalizzati all’ottimizzazione dei parametri base che definiscono il sistema di smorzamento ibrido da adottare. Inoltre si studierà la sensibilità del sistema di smorzamento ibrido sia alla variabilità della frequenza propria dell’azione dinamica esterna, sia alla variabilità della rigidezza a taglio dell’edificio e della sua configurazione strutturale in generale.