Integration of new typologies in design and analysis

The structural system chosen when designing a building highly influences its cost. This problem is even more important when the structure has some peculiarities. The following work focuses on finding a methodology for integrating new typologies in structural analysis and design. In particular, the attention was towards topology optimization, in order to understand and replicate the load path in the structure. In doing so, is possible to obtain a stiffer system by removing material. The methodology is divided into four main steps. Starting with a global topology optimization in the continuum, the load path is generally understood. Moving into a refined optimization, a more defined solution is obtained. Then the result is brought from continuum to discrete through its interpretation. During this step, the system is analyzed and the reliability of the result is verified. Once a discrete system is refined, the final step consists in optimizing the member sizes in order to accomplish the requirements of the codes. The procedure has been applied to two different case studies: a United States Courthouse and an Office Building, 111 Main Tower in Utah. The topology optimization has been used for finding a new typology for the roof truss on the top of the Federal Building, aiming to diminish the weight of the structure. On the office building instead, it has been used for finding a new typology for the lateral system, looking for a more efficient solution. At the end of these processes, the approach has proved to be consistent and successful. For both the studies, the new system met the requirements and the objective proposed at the beginning. Furthermore, the optimized structure for the Federal Courthouse was included into the Detail Design drawings, giving even more relevance to its efficiency. As conclusion of this work, including topology optimization into the design of a building can not only influence the structural system, but also help finding new architectural solutions that are at the same time beautiful and structurally efficient. It is suggested to use this approach for special buildings, in which a more classical system could be inefficient.

La scelta del sistema strutturale ha un impatto molto elevato nella valutazione dei costi di una struttura. Questa problematica è ancora più influente quando l’edificio in esame presenta peculiarità. Il seguente lavoro pone l’attenzione sulla determinazione di una metodologia che permetta di integrare all’interno del design di una struttura nuove tipologie. In particolare si è utilizzata l’ottimizzazione topologica per aver una conoscenza approfondita del percorso dei carichi. Con tale consapevolezza è possibile ottenere, mediante la rimozione di materiale, una struttura più rigida. Si sono definite quattro fasi. Innanzitutto l’ottimizzazione topologica nel continuo, mediante la quale è possibile avere una conoscenza generale del percorso dei carichi. Poi, mediante un’ottimizzazione più raffinata, si trova una soluzione ben definita. Vi è quindi una fase d’interpretazione dei risultati tramite il passaggio da continuo a discreto, verificando l’attendibilità della soluzione. Infine, si procede a una fase di ottimizzazione degli elementi strutturali, ai fini di rispettare le limitazioni delle normative. La procedura illustrata è stata applicata a due studi: una Corte Americana e un edificio in Utah, 111 Main Tower. Per quanto riguarda la corte federale, l’ottimizzazione è stata usata per trovare una nuova tipologia per la travatura reticolare che funge da copertura con l’obiettivo di diminuire il più possibile il peso. Su 111 Main Tower, tale metodo è stato applicato per trovare una nuova configurazione del sistema laterale. In conclusione, tale approccio è apparso replicabile ed efficiente, fornendo risultati soddisfacenti. Inoltre, la struttura ottenuta nello studio della corte federale è stata efficace al punto di esser inserita all’interno del detail design. Si ritiene infine che introdurre questa procedura nel design di un edificio possa esser molto utile, andando a influire non solo sul sistema strutturale, ma anche sull’architettura, aiutando a trovare nuove tipologie che siano al contempo belle ed efficienti. Si consiglia l’utilizzo soprattutto in caso di strutture complesse in cui un sistema strutturale classico possa essere molto inefficiente.