Life-cycle cost-based design of wind excited tall buildingsLife-Cycle-Kosten-basiertes Design von Wind erregten hohen Gebäuden

Ierimonti, Laura

In this thesis a practical design tool based on Life-Cycle Cost Analysis (LCCA) is proposed for wind-sensitive structures. A cost-based approach can broaden the perspective of managers and stakeholders in order to choose the best design solution on the basis of the monetary losses expected during the structure lifetime. In this context, an automated and computationally efficient procedure named Life-Cycle Cost Wind Design (LCCWD) is developed for the design of tall structures. All the key aspects related to wind engineering are considered: the characterization of the wind load and of the aerodynamic structural response uncertainty, the probabilistic analysis of non-structural damages, the choice of an effective control system considering technical and economic aspects. The efficiency of the LCCWD approach is demonstrated by making use of a case study of a 180-m high tall building, for which wind tunnel load data are available. The control system consists in a bidirectional TMD, located at the top floor of the building. The structural analysis is carried out in the frequency domain and considers power-law function mode shapes and torsional response. Costs related to both drift-sensitive and acceleration-sensitive non-structural components are evaluated and the beneficial contribution of the TMD in reducing both types of damage is assessed in a Life-Cycle Cost perspective. The main results of the numerical application consist in: 1) to establish the best orientation of the building for the specific geographic area; 2) to determine most appropriate types of nonstructural elements by comparing different cost-based solutions; 3) to provide indications about the possible use of the interior spaces within the height of the building in relation to the distribution of nonstructural components; 4) to estimate the time, called Break-Even Time (BET), after which the initial costs associated with the installation of the control system are recovered, with a consequent significant lifetime costs reduction. The LCCWD is effective and easily adaptable to real applications in order to choose the best cost-based design solution on the basis of different alternatives that will simultaneously meet the need of customers and designers. With the LCCWD it is possible to accept or reject design alternatives and select 'optimal' and technically valid systems or decide for a particular structural control device that meets specific cost-based technical performance.

In dieser Arbeit wird ein praktisches Design-Tool basierend auf Lebenszykluskostenanalyse (LCCA) für windempfindliche Strukturen vorgeschlagen.Ein kostenbasierter Ansatz kann die Perspektive von Managern und Stakeholdern erweitern, um die beste Designlösung auf der Grundlage der monetären Verluste auszuwählen, die während der Strukturlebensdauer erwartet werden. In diesem Zusammenhang wird ein automatisiertes und rechnerisch effizientes Verfahren namens Life-Cycle-Cost-Wind-Design (LCCWD) für das Design von Hochbauten entwickelt.Alle wichtigen Aspekte der Windtechnik werden berücksichtigt: die Charakterisierung der Windlast und der strukturellen Antwortunsicherheit, die probabilistische Analyse von nichttragenden Schäden, die Wahl eines effektiven Kontrollsystems unter Berücksichtigung technischer und wirtschaftlicher Aspekte. Die Effizienz des LCCWD-Ansatzes zeigt eine Fallstudie eines 180 m hohen Gebäudes, für das Windlastdaten zur Verfügung stehen. Das Kontrollsystem besteht aus einem bidirektionalen TMD, das sich im obersten Stockwerk des Gebäudes befindet. Die Strukturanalyse wird im Frequenzbereich durchgeführt und berücksichtigt Power-law-Funktionsformen und Torsionsverhalten. Kosten in Bezug auf driftsensitive und beschleunigungssensitive nicht-strukturelle Komponenten werden bewertet und der nutzbringende Beitrag der TMD zur Reduzierung beider Arten von Schäden wird in einer Lebenszykluskostenperspektive bewertet. Die Hauptergebnisse bestehen darin: 1) die beste Orientierung des Gebäudes für das spezifische geografische Gebiet zu ermitteln;2) Ermittlung der am besten geeigneten Arten von nichtstrukturellen Elementen durch Vergleich verschiedener kostenbasierter Lösungen; 3) Hinweise auf die mögliche Nutzung der Innenräume in Bezug auf die Verteilung von nichttragenden Bauteilen geben; 4) um die Zeit zu schätzen, Break-Even-Time (BET) genannt, nach der die anfänglichen Kosten im Zusammenhang mit der Installation des Steuersystems zurückgewonnen werden. Der LCCWD ist effektiv und leicht an reale Fälle anpassbar, um die beste kostenbasierte Designlösung auf der Basis verschiedener Alternativen auszuwählen, die gleichzeitig die Bedürfnisse von Kunden und Designern erfüllen. Mit dem LCCWD ist es möglich, Designalternativen zu akzeptieren oder abzulehnen und "optimale" und technisch gültige Systeme auszuwählen oder sich für ein bestimmtes Struktursteuergerät zu entscheiden, das eine spezifische kostenbasierte technische Leistung erfüllt.

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Ierimonti, Laura: Life-cycle cost-based design of wind excited tall buildingsLife-Cycle-Kosten-basiertes Design von Wind erregten hohen Gebäuden. 2018.

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