Time Domain Non-Gaussian Optimization of Wind Excited Tall Buildings under Vulnerability Constraints

Spence, Seymour Milton John

The need to better understand the behavior of tall buildings with complex geometric forms and coupled dynamic systems constituted the first objective of this thesis. The other was the development of automatic design procedures that guarantee both reliability and optimality. The first stage of this work involved wind tunnel tests using simultaneously measured pressure taps on two tall building models characterized by their geometric form. These were used to estimate the forcing functions of two equivalent dynamic systems characterized by their coupled and uncoupled dynamic nature. A complete characterization of the dynamic response was then carried out. In particular the importance of considering higher modes when estimating the root mean square response of coupled systems with complex geometric forms was clearly shown. The assumption that the response of tall buildings is gaussian was then investigated. The results showed in an unequivocal fashion that this hypostasis is not true. Strong non-gaussian features were seen for both systems. This stage concluded with the demonstration of the important role played by the background response of coupled tall buildings with irregular profiles. The second stage of this thesis concerned two main points. Firstly the definition of appropriate models for the rigorous combination of the directional aerodynamics and wind climatological information was investigated. In particular a specific component-wise reliability model was developed. The resolution of this last yields rigorous estimates of the component response levels with specified Mean Recurrence Intervals. Secondly a Reliability-Based Design Optimization procedure for the member size optimization of tall frameworks subject to probabilistic constraints on the member capacity and inter-story drift ratios was developed. The procedure is based on the concept of decoupling the optimization loop from the reliability assessment therefore guaranteeing extreme efficiency.

Das erste Ziel dieser Arbeit ist das Verhalten von hohen Gebäuden mit komplexen geometrischen Formen und gekoppelten dynamischen Systemen besser zu verstehen. Darauf aufbauend werden automatische Entwurfsmethoden entwickelt, die sowohl Zuverlässigkeit als auch Optimalität gewährleisten. Hierfür wurden in Windkanaltests durch simultane Druckmessbohrungen Drücke an zwei geometrisch verschiedenen Gebäudemodellen gemessen. Diese wurden verwendet, um die Kräftefunktionen zweier äquivalenter dynamischer Systeme zu schätzen, die sich durch ihre gekoppelte und entkoppelte dynamische Verhaltensweise auszeichnen. Dann wurde die dynamische Antwort vollständig charakterisiert. Hier wurde die Wichtigkeit aufgezeigt, bei der Schätzung der mittleren quadratischen Antwort von gekoppelten Systemen mit komplexer geometrischer Struktur auch höhere Schwingungsmodi mit einzubeziehen. Die Normalverteilungsannahme der Antwort wurde im Anschluss untersucht. Die Ergebnisse zeigten eindeutig, dass die Hypothese nicht gestützt werden kann. Stark nicht-normalverteilte Verhaltensweisen konnten für beide Systeme beobachtet werden. Schließlich wurde die zentrale Rolle der quasistatischen Antwort für hohe gekoppelte Gebäude mit irregulärem Profil demonstriert. Im zweiten Teil wurde nach der Definition geeigneter Modelle gesucht, die direktionelle Aerodynamik und klimatologische Windinformation kombinieren. Speziell wurde hierfür ein spezifisches komponentenweises Zuverlässigkeitsmodell entwickelt, das Schätzungen der Komponentenantworten mit speziellen mittleren Wiederkehrperioden liefert. Zum Anderen wurde eine zuverlässigkeitsbasierte Entwurfsmethode zur Optimierung von Elementgrößen großer Rahmenkonstruktionen entwickelt, die probabilistische Nebenbedingungen bezüglich der Elementkapazitäten und relativen Stockwerksverschiebung erfüllen müssen. Letztere basiert auf dem Konzept, die Optimierungsschleife von der Zuverlässigkeitsbemessung zu entkoppeln und somit eine hohe Effizienz zu garantieren.

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Spence, Seymour Milton John: Time Domain Non-Gaussian Optimization of Wind Excited Tall Buildings under Vulnerability Constraints. 2009.

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