Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE...

155
Advanced specific case of structural optimization (service / ultimate / extreme scenarios) Francesco Petrini StroNGER s.r.l. Corso di OTTIMIZZAZIONE Facolta’ di Ingegneria Civile e Industriale Sapienza Universita’ di Roma Roma, 21 Giugno 2014

description

Lezione su applicazioni dell'ottimizzazione strutturale a casi reali di strutture per l'ingegneria civile tenuta nell'ambito del corso di dottorato sull'ottimizzazione strutturale, Roma, 21 maggio 2015.

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Advanced specific case of structural

optimization

(service / ultimate / extreme scenarios)

Francesco PetriniStroNGER s.r.l.

Corso di OTTIMIZZAZIONEFacolta’ di Ingegneria Civile e Industriale

Sapienza Universita’ di Roma

Roma, 21 Giugno 2014

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Object of the course

• Introduction of basic and advanced ideas and

aspects of structural design without to much

stress on the analytical apparatus but with

some insigth on the computational

techniques.

2Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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Object of this lecture

• Examples of practical design cases where the

optimization has been conducted with respect

to specific performance requirements

– Offshore wind turbines (general)

– High rise buildings

• Regarding the behaviour under wind (service)

• Regarding the robustness under fire (ultimate)

3Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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INTRODUCTION

• Who I am

• Some basical concepts on optimization

4

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WHO I AM

5

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Oct

20

04

No

v 2

00

8

PhD StudentPG

Assistant

Ma

r 2

00

9A

pr

20

09

Jul

20

09

Au

g2

00

9

MS

c d

eg

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(la

ure

a)

Jan

20

07

Jan

20

09

P.E

.

Ma

r 2

00

5

No

v 2

00

5

Jan

20

05

Jan

20

06

Jan

20

08

(Sapienza University of Rome)

Jun

20

05

Ma

r 2

01

2

Ma

r 2

01

1

Associate Researcher

Ma

y 2

01

1

Jan

20

11

Ap

r2

01

2

Jan

20

13

Jan

20

12

Ph

D d

eg

ree

Jan

20

10

Post-Doc Research Associate

Ma

r 2

01

0

Au

g2

01

0

Research Spin-off

Company. Co-founder and Director

Structures of the Next Generation:

Energy harvesting and Resilience

(Sapienza

University

of Rome)

Jan

20

14

No

v2

01

2

(Sapienza University of Rome)

Spin-off company

Ma

r 2

01

4

Aerodynamics and Aeroelasticity

PBD for Wind

PBD for Wind, Earthquake, Fire, Blast

Resilience

Energy Harvesting

Education and Milestones (2005-2014)

Page 7: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

IABMAS’11

(Italy) – SS Chair

Oct

20

04

Oct

20

07

Ma

r 2

00

6

No

v 2

00

8

PhD StudentPG

Assistant

Ma

r 2

00

9A

pr

20

09

Jul

20

09

Au

g2

00

9

Design Consultant

(a long-span suspension

bridge)

Design Consultant

(precast connections)

Design Consultant

(offshore wind turbines)

Jan

20

07

Jan

20

09

Ma

r 2

00

5

No

v 2

00

5

Jan

20

05

Jan

20

06

Jun

20

07

Jan

20

08

(Sapienza University of Rome)

Ma

r 2

01

2

Ma

r 2

01

1

Associate Researcher

Ma

y 2

01

1

ICASP’11

(Swizerland) – MS ChairJun

20

11

Jan

20

11

Ag

o 2

01

1

Ap

r 2

01

2

Jan

20

13PMC’12 (USA) – SS Chair

Design Consultant

(critical infrastructure)

Jan

20

12

ASCE E&S ’10 (USA)

Jan

20

10

Post-Doc Research Associate

Ma

r 2

01

0

Au

g2

01

0

(Sapienza

University

of Rome)

Jun

20

13

Jan

20

14

ICOSSAR 2013

(USA) – MS Chair

Design Consultant

(tunnel construction)

People networking and design consulting (2005-2014)

(Sapienza University of Rome)

Spin-off company

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8

PAOLO E. SEBASTIANI (1985)

Ph.D. Student /Studente di

dottorato

PES

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SOME BASICAL CONCEPTS ON

OPTIMIZATION

9

Page 10: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Optimization problem

formulation

10

Page 11: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Objective

Funcrion

Optimization problem formulation

Unconstrained Design space

Constrains

Constrained Design space

We must find the minimum of a certain Objective Function f, depending on certain Design

Variables (DV) x1,…,xn subjected to a number of constrains and by bounding the values of a certain

number of state variables (SV)

nn11

n LSV,,LSV,RXx,0)x(g,0)x(hbeing)x(fmin ≤≤⊆∈≤= K

Constrains Design variables State variablesObjective Functions

Von Mises

stresses

11Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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First order Optimization method (FOOM)

One introduces the following unconstrained objective function:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

++++= ∑ ∑∑∑

= ===

2 31 m

1i

m

1i

iwih

m

1i

ig

n

1i

ix

0

wPhPgPqxPq,Qf

fx

( )λ2

ii

iig

αg

ggP

+=

λ is a large integer so that the function will be very large

when the constraint is violated and very small when it is not

Q is the dimensionless unconstrained objective function,

Px is the exterior penalty functions applied to the design variables,

Pg, Ph, and Pw are penalties applied to the constrained design and state variables,

f0 is the reference objective function value that is selected from the current group of design sets

q is the response surface parameter .

For each optimization iteration (j) a search direction vector d(j) is devised. The next iteration (j+1) is obtained from the

following equation:

( ) ( ) ( )jj

j1j s dxx +=+

( ) ( )( ) ( )1j

1jk

jj rq,Q −−+−∇= dxd

( )( ) ( )( )[ ] ( )( )( )( ) 2

1j

jT1jj

1j

q,Q

q,Qq,Qq,Qr

∇∇−∇=

x

xxx

where sj is the line search parameter, and

The key to the solution of the global minimization of Q relies on the sequential generation of the search directions and on

internal adjustments of the response surface parameter (q).

ANSYS Inc. (2008). ANSYS Theory reference

12Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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Sub-problem approximation method (SAM)

13Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

• Generazione delle funzioni approssimate

(((( )))) (((( )))) errorexfxf ++++==== ∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑==== ========

++++++++====n

1i

n

1j

jiij

n

1i

ii0xxbxaaf i coefficienti ai e bij si determinano con

una interpolazione ai minimi quadrati

(((( )))) (((( )))) (((( ))))(((( ))))2n

1j

jjj2d

ffΦE ∑∑∑∑====

−−−−==== i pesi Φ vengono associati ad ogni configurazione in base alla loro

ammissibilità o al valore della funzione obiettivo

• Minimizzazione del problema approssimato

Si introducono le funzioni barriera per eliminare i vincoli

(((( )))) (((( )))) (((( ))))

++++++++==== ∑∑∑∑∑∑∑∑

========

m

1i

i

n

1i

ik0k gGxXpffp,xF

Si determina il minimo imponendo le condizioni di stazionarietà

• Convergenza

ττττ, ρρρρ sono, rispettivamente, le tolleranze delle

variabili di progetto e della funzione obiettivo

(((( )))) (((( ))))

(((( )))) (((( )))) τff

τff

bj

1jj

≤≤≤≤−−−−

≤≤≤≤−−−− −−−− (((( )))) (((( ))))

(((( )))) (((( )))) n1,2,3,...iρxx

n1,2,3,...iρxx

i

b

i

j

i

i

1j

i

j

i

====≤≤≤≤−−−−

====≤≤≤≤−−−− −−−−

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14Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

StrumentiNon determinano una

configurazione ottima; il loro utilizzo consente di evitare i minimi locali e

aumentare la conoscenza dello spazio

di progetto

Analisi singola

I valori delle variabili sono introdotte dall’utente

Generazione fattoriale

Si generano 2n configurazioni con n numero delle variabili di progetto; ogni configurazione assume i valori degli

estremi dell’intervallo

“Sweep”

Si generano da 2 a 10 configurazioni per ogni variabile di progetto; si

suddivide l’intervallo rispetto ad una configurazione di riferimento scelta

dall’utente

Generazione casuale

Si generano m configurazioni all’interno dello spazio di progetto

Domain exploration

Page 15: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Optimization phases in the

structural design process

15

Page 16: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural design and structural optimization

Topological

Optimization

Design

Optimization

PBD

No

Structural check

Best design

config?

Refine

STOP

Pre sizing

Performance

requirements

Advanced

Model

Basic

Models

Conceptual

design

START

Refinement of the design

configuration with the goal of

obtaining satisfaction performances

in economical way

Shape optimization

(Options definition)

Parameters optimization

(Options refinement)

Feasible configuration selection

(Option selection)

Yes

Definition of the morphological

configuration of the object

Performance evaluations of the

candidate, feasible configurations

16Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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Performance-Based Design (PBD)

17

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18Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Fundamental requirements

(desired structural

attributes)

Non technical requirements,

expressing qualitatively a

fundamental goal

Set of criteria to assure that the

requirements are satisfied

Methods of evaluation to

measure the satisfaction of each

criterion

Commentary to explain the

rationale of each provision

- Safety

- Serviceability

- Integrity of subsystems

• mechanical

• electrical

• illumination

- Robustness

- Durability

e.g. building structures

remain stable under

extreme loads

e.g. design flexural strength

shall exceed the maximum

moment due to design loads

e.g. analysis and test

methods

Fundamental requirements

(desired structural

attributes)

Non technical requirements,

expressing qualitatively a

fundamental goal

Set of criteria to assure that the

requirements are satisfied

Methods of evaluation to

measure the satisfaction of each

criterion

Commentary to explain the

rationale of each provision

- Safety

- Serviceability

- Integrity of subsystems

• mechanical

• electrical

• illumination

- Robustness

- Durability

e.g. building structures

remain stable under

extreme loads

e.g. design flexural strength

shall exceed the maximum

moment due to design loads

e.g. analysis and test

methods

Il Performance-Based Engineering consiste in azioni quali la selezione dei siti, gli sviluppi concettuali,

predimensionamento e progetto, costruzione e manutenzione, dismissione e/o demolizione di una struttura, in modo

da assicurare che questa sia in grado di fornire prestazioni con un certo grado di affidabilità ed in maniera economica,

durante tutto il suo ciclo di vita.

Performance-Based Engineering (PBE)

Performance - Based Codes organization

Rosowski, D.V. and Ellingwood, B.R., (2002). “Performance-Based Engineering of wood frame housing: Fragility

Analysis methodology”, Journal of Structural Engineering, 128(1), 32-38.

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19Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Probabilistic approach to PBE

)θq( PDFs uncertain parameters

dRθ∈ Uncertain parameters vector

Mathematical models: θ( )θh

Probability Integral

θ)dθ)q(θh()]θE[h(J ∫==Expected value

( )θh

( )

θ)dθ)q(θ(Iθd)θq(P(F)Jd

R

F

θg

∫∫ ===≤0

Failure

Probability

= Stochastic = Deterministic

Failure

Failure

threshold

Input Output

(response r)

)q(θ1

1θ)q(θ2

P(M1)

P(M2)

P(Mk)

)q(r1

1r

b =

)q(r2

2r

),θq(θ mn

SYSTEM

Input Output

(response r)

)q(θ1

1θ)q(θ2

P(M1)

P(M2)

P(Mk)

)q(r1

1r

b =

)q(r2

2r

)q(r2

2r

),θq(θ mn

),θq(θ mn

SYSTEM

( ) ( )( )( )

∉==

θg if θ

θg if θθIθh F

1

0

Failure domain( )θg

1)(1

=∑=

k

i

iMP

Der Kiureghian, A., (2008). “Analysis of structural reliability under parameter uncertainties”, Probabilistic Engineering

Mechanics, 23, 351-358.

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20Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Fragility Curves and Intensity Measure (IM)

It is usual that inside the vector there is some parameter describing the Intensity Measure (IM) of the

stochastic loads acting on the structure (or system);

θ

∫∞

⋅>=0

1 dIM)IMY(P)LS( iiλ

It is desirable to express the LS by means of scalar threshold values (ri*) for opportune response

parameters (ri) and to describe the structural state by using of scalar demand-to-capacity ratios (e.g. for

the limit state LSi it is Yi= ri / ri* ).

Under these assumptions, the mean rate of failure for structure exposed to hazard can be expressed as

Where P(Yi>1|IM) is the conditional probability of failure given IM, which is know as the fragility

function.

The performance can be identified with an acceptable value of the occurrence l(LS) of exceeding a

certain Limit State (LS).

Page 21: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE)

2007 2008

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State of the art

dIMIMEDPEDPPLS ∫+∞

⋅>=0

)*()(λ)( IMEDPPfunctionfragility =

EDP

IM

Aug

usti

,G

.,C

iam

pol

i,M

.,(2

008)

,“P

erfo

rmance

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23

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08

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.(20

07).

“A

scala

rdam

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analy

sis

of

RC

fram

es”,

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thq

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ng.

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Str

uct.

Dyn.,

36:

2059-2

079.

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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λ(DV) = ∫∫∫ P(DV|DM)·P(DM|EDP)·P(EDP|IM)·g(IM)·dDM·dEDP·dIM

P(x|y) conditional probability of x with respect to y

g(IM*) occurrence IM*

IM Environmental action magnitude (Intensity Measure)

EDP Engineering Demand Parameter describing the response

DM Damage Measure (components condition in terms of functionality requirements)

DV Decision Variable, it is representative of the structural performance

1. Hazard analysis g(IM)

2. Structural analysis P(EDP|IM)

3. Damage analysis P(DM|EDP)

4. Loss analysis P(DV|DM)

Risk

analysis

PEER approach for the PBEE (I)

Identifying the performance with an acceptable value of the occurrence l(DV) of exceeding a threshold

value DV.

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O, D

g(IM|O,D)

g(IM)

p(EDP|IM)

P(EDP)

p(DM|EDP)

P(DM)

p(DV|DM)

P(DV)

Hazard analysis Struc’l analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

EDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, D

O: location

D: design

Facility

info

Decision-

making

λ(DV) = ∫∫∫ P(DV|DM)·P(DM|EDP)·P(EDP|IM)·g(IM)·dDM·dEDP·dIM

PEER approach for the PBEE (II)

Mitrani-Reiser, J. (2007). An ounce of prevention: probabilistic loss estimation for performance - based earthquake

engineering, Report EERL 2007-01, Pasadena, California, United States. Available on line at

http://peer.berkeley.edu/publications/peer_reports.html

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Page 25: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Performance-Based Optimization

25

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Structural design and structural optimization

Topological

Optimization

Design

Optimization

PBD

No

Structural check

Best design

config?

Refine

STOP

Pre sizing

Performance

requirements

Advanced

Model

Basic

Models

Conceptual

design

START

Feasible configuration selection

(Option selection)

Yes

Performance evaluations of the

candidate, feasible configurations

26Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

By focusing on a specific performance

requirement

Investigation on what is the best

configuration

Volume, and weight are checked but not

optimized

Probabilistic Deterministic

Page 27: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

OPTIMIZATION OF THE SUPPORT STRUCTURE OF OFFSHORE WIND TURBINES

• System design approach for complex structural systems optimization

• Substructure typology selection

• Parametric optimization

27

Page 28: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Motivations

1. Offshore wind farms are relatively new structural facilities located in challenging

environment, the preliminary design of the structural elements is usually very

conservative. A refinement is needed.

2. An offshore wind farm is formed by a number of wind turbines (50-200 elements)

and, consequently, a small individual reduction of structural material amount can

lead to significant saving of money if regarding the whole farm.

3. A new support structure is proposed here, and the correct sizing of its structural

parts is crucial in this phase.

28Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Page 29: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Nominal power of a single turbine 3.0÷5.0 MW

Number of turbines 105

Hub height 100 ÷ a.s.l.

Nominal power of a the farm 315 ÷ 525 MW

Minimum distance from the shore 10 Km

Surface of the farm area 67.20 Km2

Water depth 20-35 m

Life span 29 years

An offshore wind farm in central Italy

Key facts

2929

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Page 30: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Offshore wind farm site location (1)

3030

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Page 31: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Offshore wind farm site location (2)

3131

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Page 32: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

SYSTEM DESIGN APPROACH FOR

COMPLEX STRUCTURAL SYSTEMS

OPTIMIZATION

32

Page 33: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

A “Complex System”

x,x’

z’

y’

Waves

Current

P

(t)v P

(t)w P

(t)u P

Turbulent

windP

Mean

wind

Vm(zP)

z

yH

h

vw(z’)

Vcur(z’)

d

Terrain

33Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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NonLinearities

Uncertainty

Interactions

A “Complex System”

34Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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A System Engineering Approach

Since the structural behavior of offshore wind turbines is influenced by nonlinearities, uncertainties

or interactions, they can be defined as complex structural system

“a set of interrelated components which interact one with another in

an organized fashion toward a common purpose” (NASA, 1995)

Structure Structural system

“a device to channeling loads”

Decomposition

Structure

Actions

Performances

Structural

System

A fundamental task concerns the Structural System and Structural Performance decomposition

35Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Page 36: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Stuctural system

36

Page 37: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural decomposition

Macro - LevelDetail - Level

Structure

decomposition

Main

structure

(carrying loads)

Secondary

structure

Auxiliary

structure

Rotor-nacelle

assembly

Support structure

Energy

production

Energy transfer

Operation

Maintenance

Emergency

Substructure

Tower

Rotor

Nacelle

Blades

Foundations

Meso - Level

Junctions

Junctions

Micro - Level

37Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Structural decomposition (II)

38Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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platform

tower

support

structure

rotor-nacelle

foundation

sea floor

water mean

level

sub-

structure

Meso - Level

Main

structure

(carrying loads)

Substructure

Tower

Rotor

Nacelle

Blades

Foundations

Rotor-nacelle

assembly

Support structure

Page 39: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Loads

39

Page 40: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

( ) ( ) ( ) ( )( )nfexpnSnSnS jkuuuuuu kkjjkj−⋅=

( )( ) 2

t0

0

u

2

u u1.75)log(zarctan1.16(n)dnSσ ⋅+⋅−== ∫∞

5.0

0

uu2

x

u200

300(x)dxRu

1L

⋅== ∫

∞z

x

z

The mean velocity magnitude varies with the

height.

Mean c

ontr

ibution

Sto

chastic c

ontr

ibution ( )

( )[ ]5/3ju

ju2V

uu/z10,302fL1ω/2π

/zfL6,686σωS

jj +=

( )j

j

zV2π

ωzf = ( )

( )( ) ( )( )kj

2

kj

2

z

jkzVzV2π

zzCωωf

+

−=

Autospectrum

where:

α

=

hub

hubz

zUzU )(

0.14=αFor normal wind condition

( )( )

−−−

−=

2

5.0exp4

5

4

2

4

5exp

2

P

P

f

ff

Pf

ff

gfS

σγ

π

α

where f=2π/T is the frequency, fP=2π/TP is the peak

frequency, α is the equilibrium coefficient, g is gravity

acceleration, σ and γ parameters dependent from HS e

TP

−=

R

yearHTST

FHSR

11

1

1max,,,

Extreme events

analysis (Return

period TR).

71

,)(

+⋅=

d

zdUzU refc

x

z

d

water mean level

Wind Current and waves

JONSWAP spectrum

Design environment representation

Cross-

spectrum

40Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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ENVIRONMENT

Structure

Non

environmental

solicitations

STRUCTURE

Structural (non-environmental)

system

Site-specific environment

Wind site

basic

parameters

Other

environmental

agents

Waves site

basic

parameters

Wind, wave and current

actions

Aerodynamic and Aeroelastic

phenomena

Hydrodynamic phenomena

1. Aleatoric

2. Epistemic

3. Model

Types of uncertainties

1. Aleatoric

2. Epistemic

3. Model

1. Aleatoric

2. Epistemic

3. Model

Propagation Propagation

Interaction

parametersStructural parametersIntensity

Measure

( )IM ( )IP ( )SP

EXCHANGE ZONE

Interaction phenomena in the environmentWind-wave-current interaction

Aeolian-hydrodynamic interactions

)10(01.0 1 mzVVcurr hourwind =⋅=

Wind speed- wave

height correlation

Wind generated

currents

)164.00291.0221.0(2

110

2

10 +⋅−⋅= VVH s

Correlation data by Zaaijer, 2006, taking into account the

Italy Waves Atlas.

41Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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42Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Environment action model: Waves and Current

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) dztztztztzDctzD

ctzd nnnndni

+++= ,,,,

2

1,

4,

2

VvVvvF ρπρ

&

Inertia term Drag term

Morison equation for slender members (wave+current) since D/L<0.2

d

|z|

z

x

d+z

dF(z,t)dz

A A Sect. A-A

D

tw

( ) ( )[ ]( )

( )

( ) ( )[ ]( )

( )tkxkh

zhkHtzxw

tkxkh

zhkHtzxu

ωω

ωω

−+

=

−+

=

sinsinh

sinh

2,,

cossinh

cosh

2,,

( ) ( )[ ]( )

( )

( ) ( )[ ]( )

( )tkxkh

zhkHtzxw

tkxkh

zhkHtzxu

ωω

ωω

−+

−=

−+

=

cossinh

sinh

2,,

sinsinh

cosh

2,,

2

2

&

&

Linear wave theory (Airy)H

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43Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Wind force on moving member

( )

( ) RctUCtF

RctUCtF

arelariaDD

arelariaLL

)(2

1),(

)(2

1),(

2

2

ραα

ραα

=

=

2

2

1UACF airaeroD ρ=

Wind force on the tower

φφ cossin LDx FFF +=

ac

R

Picture from:

Hau Erich, Wind Turbines: Fundamentals, technologies, Application,

Economics, 2nd edition. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006.

xF

αc

Vortex Shedding displacements (across wind)

( )[ ]ct

across

SSD

r

⋅⋅⋅+=

2

max 243.01

29.1

π

2

4

D

mSc

⋅⋅=

ρ

υπ

Wind actions

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44Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Physics (I): Mean wind rotational sampling

( ) ( ) ( )12 ddd zFzFF iii S

X

S

X

S

X −=∆

z1

Ω

z2

Ω

Time t2Time t1

Vm(z1)

Vm(z2)

Tributary

area

S

Ω

dFXS

Angular

rotational

velocity

hub

( ) ( ) ( )tFFtF ii

hub

i SX

SX

SX ⋅⋅∆+= Ωcosd

2

1d

Additional peak in the wind force

spectra

1.E-15

1.E-11

1.E-07

1.E-03

1.E+01

1.E+05

0.00001 0.001 0.1 10

Frequency [Hz]

Forc

e S

pec

tra

SF

XF

X

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45Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Physics (II): Turbulent wind rotational sampling

Variation of the turbulent force spectra with the blade position during its rotational

motion

Halfpenny A. (1988). Dynamic Analysis of Both On and Offshore Wind Turbines in the Frequency Domain. Ph.D. thesis.

University College London..

Connell J.R. (1988). “A PRIMER OF TURBULENCE AT THE WIND TURBINE ROTOR”, Solar Energy, 41 (3), 281-293

The wind forces acing on the Beam Element (BE) implies two different contributions:

i) the fluctuating component due to the variation of mean wind experimented by the BE at different height

during its rotational motion, and

ii) the so called “rotational sampled turbulent wind”, that is the stochastic contribution due to the incoming

wind turbulence experimented by the rotating BE

Page 46: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

46Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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R

ΩΩΩΩ

Vm(r)r

Vm(zhub)

u(r,t)

XY

Z

Aerodynamic actions by the BEM theory

Wind velocities and reference systems

- Evaluate the relative angle of attack and the relative speed of the wind with respect to specific

blade portions (BEs) at different locations

Ω·r·(1+a’)

α

Y

X

DL

β

φφφφ

VmR(r)=

Vm(r)·(1-a)W

Rotor

plane

u(r,t)

v(r,t)

α’

FX= ½*ρ*Vm2 (cL·cosϕ+ cD·sinϕ)

aerodynamic force

reference system axis

wind velocity

Page 47: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Modeling strategy

47

Page 48: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural

system

modeling

Structure

Actions

Interactions

Modeling

levels

Systemic

Macro

Meso

Micro

Model level

Scale Detail level Type of Finite Elements

Systemic

levelwind farm

approximate shape of the structural

componentsBEAM elements

Macro

levelsingle turbine

approximate shape of the structural

components, correct geometrical

ratios between the components

BEAM elements

Meso

levelsingle turbine

detailed shape of the structural

componentsSHELL, BRICK elements

micro

levelindividual components

detailed shape of the connecting

partsSHELL, BRICK elements

Differentiation of the modeling levels

Bontempi F., Li H., Petrini F., Manenti S., (2008). Numerical modeling for the analysis and design of offshore wind turbines, Proceedings of

ASEM'08, Jeju, Korea, 26-28 May 2008

48Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Page 49: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

1°1°

Macro

Global response

Meso Micro

Levels of modeling and results detail level

Jacket - Tower

connection

Detailed global response and medium-detailed local response

Detailed local response and analysis of connections

49Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Page 50: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

SUBSTRUCTURE TYPOLOGY

SELECTION

50

Page 51: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural design and structural optimization

Topological

Optimization

Design

Optimization

PBD

No

Structural check

Best design

config?

Refine

STOP

Pre sizing

Performance

requirements

Advanced

Model

Basic

Models

Conceptual

design

START

Shape optimization

(Options definition)

Parameters optimization

(Options refinement)

Feasible configuration selection

(Option selection)

Yes

Definition of the morphological

configuration of the object

51Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

Page 52: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Classical and innovative support structure

Westgate, Z.J. and DeJong, J.T. (2005). Geotechnical considerations for offshore wind turbines.

Report for MTC OTC Project

Water depth (m) Foundation type

0-10 Gravity based

0-30 Mono-pile

>20 Tripod/Jacket

>50 FloatingBontempi, F. (2010). Advanced topics

for offshore wind turbines. Earth&Space

2010 Conference

Strutted Quadruped

Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D. 52

Others: Gravity-

based, Tension

leg

Page 53: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Monopile [m] Tripod [m] Jacket [m]

h a.s.l.=100

d=35

l found=40

D =5

tw=0,05

D found=6

h a.s.l. =100

d =35

l found =40

D =5

tw =0,05

D tripod =2,5

tw tripod =0,05

D found =2,5

h a.s.l. =100

d =35

l found =40

D =5

tw =0,05

Comparison of support structure typologies (Macro-Level models)

z

y x

Wind

Fluid-dynamic

Geotechnical

Foundation

Immersed

Emergent

d

l found

h a.s.l.

z

y x

z

y x

Wind

Fluid-dynamic

Geotechnical

Foundation

Immersed

Emergent

d

l found

h a.s.l.

D = tower diameter

D found =foundation piles diameters

tw= tower tubular thickness

h a.s.l.=100m

d=35m

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Page 54: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Modal analysis

1° 3°5°1° 3°5°

3° 5°1° 3° 5°1°

0

0,5

1

1,5

2

2,5

1 3 5

Modes

Fre

q. [H

z] monopile tripod jacket

3P

1P

Stiff-Stiff

Soft-Stiff

Soft-Soft

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Page 55: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Static extreme analysis

Wind on the

towerWind on the rotor-

nacelle assemblyCurrent and

wave

Design

Situation

D.L.C.

(GL, 2005)

Wind

Condition

(steady)

Marine

Condition

(regular)

Type of

Analysis

Load Factors γF

Environ. Grav. Inert.

Parked

(standstill or

idling)

6.1b Uhub=Ue100 H=Hred100

Ultimate

strength1.35 1.1 1.25

6.1c Uhub=Ured100 H=Hmax100

Ultimate

strength1.35 1.1 1.25

6.3b Uhub=Ue1 H=Hred100

Ultimate

strength1.35 1.1 1.25

Vento su torre-Monopila

0

20

40

60

80

100

120

0 2000 4000 6000 8000

Azione [N/m]

qu

ota

s.l

.m.

[m]

Comb 6.1b Comb 6.1cLoad Case 6.1b

Load Case 6.1c

Heig

ht

ab

ov

e m

ea

n s

ea

lev

el [m

]

Wind induced drag per unit length [N/m]

Vento su torre-Monopila

0

20

40

60

80

100

120

0 2000 4000 6000 8000

Azione [N/m]

qu

ota

s.l

.m.

[m]

Comb 6.1b Comb 6.1cLoad Case 6.1b

Load Case 6.1c

Heig

ht

ab

ov

e m

ea

n s

ea

lev

el [m

]

Wind induced drag per unit length [N/m]

Drag e Inerzia (corrente+onde)-

Monopila

0

5

10

15

20

25

30

0 20000 40000 60000 80000

Azione [N/m]

qu

ota

su

l fo

nd

ale

[m

]

Comb 6.1b Comb 6.1cLoad Case 6.1c

Heig

ht

ab

ov

e b

ott

om

[m

]

Wave-current induced force per

unit length [N/m]Drag e Inerzia (corrente+onde)-

Monopila

0

5

10

15

20

25

30

0 20000 40000 60000 80000

Azione [N/m]

qu

ota

su

l fo

nd

ale

[m

]

Comb 6.1b Comb 6.1cLoad Case 6.1c

Heig

ht

ab

ov

e b

ott

om

[m

]

Wave-current induced force per

unit length [N/m]

Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D. 55

Page 56: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Static extreme analysis – Performances comparison

Reazione totale taglio a terra [ton]

0

100

200

300

400

500

600

700

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3b

Resultant shear stress at the bottom [N]104

104 Momento ribaltante [ton*m]

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3bSpostamento navicella [m]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3b

Resultant overturning moment at the bottom [N*m]

Horizontal hub displacement [m]

104

Monopile Tripod Jacket

Reazione totale taglio a terra [ton]

0

100

200

300

400

500

600

700

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3b

Resultant shear stress at the bottom [N]104

104 Momento ribaltante [ton*m]

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3bSpostamento navicella [m]

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

Monopila Tripode Jacket

6.1b 6.1c 6.3b

Resultant overturning moment at the bottom [N*m]

Horizontal hub displacement [m]

104

Monopile Tripod Jacket

Combination 6.1b (GL 2005) Monopile Tripod Jacket

Action

Wind on rotor [ton] 166,3

166,3 166,3

Wind on tower [ton] 74

74 42,8

Wave and current [ton] 337,2

337,2 350

Overturning moment [ton*m] 35045,6

35045,6 33708,7

Reactions at mud

line

Shear reaction at mud line [ton] 577,5

577,5 559,1

Vertical reaction at mud line (no piles) [ton]

1071,41035,63

(max/pile=1501,8)

1376,8

(max/pile =992,9)

Structural checks

Maximum stress in the tower [N/mm2]

286230 151

Nacelle displacement [m] 4,66

3,72 1,82

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Page 57: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Comparison between classical support structures

Westgate, Z.J. and DeJong, J.T. (2005). Geotechnical considerations for offshore wind turbines.

Report for MTC OTC Project

Water depth (m) Foundation type

0-10 Gravity based

0-30 Mono-pile

>20 Tripod/Jacket

>50 Floating

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D. 57

peso monotubo 205.78 t

peso tripode 635.58 t

peso jacket 473.38 t

PESI SUPPORTO "E"

1057.8 t

735.58 t

Page 58: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

PARAMETRIC OPTIMIZATION

58

Page 59: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural design and structural optimization

Topological

Optimization

Design

Optimization

PBD

No

Structural check

Best design

config?

Refine

STOP

Pre sizing

Performance

requirements

Advanced

Model

Basic

Models

Conceptual

design

START

Refinement of the design

configuration with the goal of

obtaining satisfaction performances

in economical way

Shape optimization

(Options definition)

Parameters optimization

(Options refinement)

Feasible configuration selection

(Option selection)

Yes

59Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Page 60: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Jacket support

60

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GEOMETRIADimensioni in elevazione

Dimensioni in pianta

• Altezza totale: 180 m

• Altezza fuori terra: 140 m

• Altezza sopra il pelo libero: 105 m

61Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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MODELLAZIONE

2835 nodi

2910 elementi linearidi 11 tipologie

44 elementi piani

62Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Page 63: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Vincoli

Traslazione impedita

alla base dei pali

nelle tre direzioni

Traslazione

impedita nel

piano

orizzontale

a 10 m al di

sotto del fondale

marino

Azioni esterne

Totale carichi

orizzontali:

725,25 [t]

Peso proprio

della struttura:

1.165 [t] (navicella

inclusa)

Totale carichi

verticali:

1.515 [t]

Configurazioni

di carico

I CONFIGURAZIONE

II CONFIGURAZIONE

63Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Configurazioni

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105 Parametri

42 Potenziali variabili di progetto

8 relative alla “forma” della struttura

34 relative alle sezioni degli elementi

DESIGN OPTIMIZATION (D. O.)

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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• Variabili di progetto (Design variables DV’s): sono grandezze indipendenti e cambiando il loro valore si persegue l’ottimizzazione del problema;

• Variabili di stato (State variables SV’s): sono “grandezze dipendenti” in quantofunzioni delle variabili di progetto;

Elementi del problema

• Funzione obiettivo (Objective function OBJ) che si intende minimizzare. È unica e anch’essa è una grandezza dipendente;

Funzione obiettivo (OBJ): minimizzare il peso

MINIMIZZARE IL VOLUME (VO)

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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MOLTIPLICATORE CARICO CRITICO (BLF) ≥ 2,5

Variabili di stato (SV):

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D.

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MASSIMA TENSIONEDI TRAZIONE(LTS) ≥FYS = 355*106/1,15 N/m2

MASSIMA TENSIONE DICOMPRESSIONE (LTC) ≥ FYC = 355*106/1,7 N/m2

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Variabili di stato (SV):

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JORIZOD1

TW1]]]]

SOSTEGNO[[[[OD2

TW2

ORIZZ]]]]OD3

TW3

TUBO-02]]]]OD7

TW7

JVERT[[[[ OD5

TW5

JDIAG]]]]OD6

TW6

DIAG]]]]OD4

TW4

TUBO-1]]]]OD10

TW10

TUBO-2]]]]OD9

TW9

TUBO-0]]]]OD8

TW8

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Design variables

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Un

de

tect

ed

bu

ckli

ng

Ass

em

bla

ge

co

nst

rain

sAcceptable Unacceptable

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Special checks on unconsidered aspects

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In sintesi si ha:

• la necessariamente unica funzione obiettivo (OBJ ) MINIMIZZARE IL VOLUME (VO)

• le 3 variabili di stato (SV ), vincoli dell’ottimizzazione:[[[[[[[[

MASSIMA TENSIONEDI TRAZIONE(LTS)

MASSIMA TENSIONE DICOMPRESSIONE (LTC)

MOLTIPLICATORE CARICO CRITICO (BLF)

• le 20 variabili di progetto (DV ), grandezze su cui si opera:

DIAMETRI DEGLI ELEMENTI (OD)

[[[[ DIAMETRI DEGLI ELEMENTI (OD)

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Generazione casuale di configurazioni(OPTYPE,RAND)

INDAGINI DEL DOMINIO

Scansione globale dello spazio di progetto(OPTYPE,SWEEP)

Ad ogni ciclo genera valori casuali delle

variabili di progetto

Genera valori delle variabili di progetto

cambiando il valore di una variabile di

progetto per volta e mantenendo per le altre

il valore di riferimento scelto dall’utente

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ANALISITIPOLOGIE DI ANALISI SAM FOOM SAMFOOM SAMEU FOOMEU SAMFOOMEU

GENERAZIONE CASUALE

SCANSIONE GLOBALE SPAZIO DI PROGETTO

SELEZIONE SOLUZIONI AMMISSIBILI

METODO DEL PROBLEMA APPROSSIMATO

SELEZIONE DELLA SOLUZIONE MIGLIORE

OTTIMIZZAZIONE AL PRIMO ORDINE

0,8 * FYC

0,8 * FYC

1,2 * BLF

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SAM= sub-problem approximation method

FOOM= First-order optimization method

SAMFOOM=SAM+FOOM

----EU= --- + Heuristic assumptions

0.8*LTCmax

0.8*LTSmax

1.2*BLF

Page 73: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

RISULTATIControllo delle analisi

CONFIGURAZIONE I CONFIGURAZIONE II ANALISI Gerarchia

torre Diametri

(OD) Spessori

(TW) Gerarchia

(Torre) Diametri

(OD) Spessori

(TW) SAM

FOOM SAMFOOM

SAMEU FOOMEU

SAMFOOMEU

Gerarchia (Torre)

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Andamento normalizzato degli elementi del problema

CARICO ORIZZONTALE ORTOGONALE ALLE BASI DEL JACKET

SAMEU SAMFOOMFOOMEU SAMFOOMEU SAMFOOM

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

START

LTC/LTC*

BLF/BLF*

LTS/LTS*

VO/VO*

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CARICO ORIZZONTALE IN DIREZIONE DELLA DIAGONALE DELLA BASE DEL JACKET

SAMEU45 SAM45 FOOM45 FOOMEU45 SAMFOOMEU45SAMFOOM45

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

START

LTC/LTC*

BLF/BLF*

LTS/LTS*

VO/VO*

Andamento normalizzato degli elementi del problema

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SAMFOOM 45 OD1 0,59 TW1 0,014

OD2 0,99 TW2 0,016

OD3 0,80 TW3 0,014

OD4 0,60 TW4 0,014

OD5 1,30 TW5 0,016

OD6 0,50 TW6 0,014

OD7 4,16 TW7 0,050

OD8 4,64 TW8 0,055

OD9 3,86 TW9 0,046

OD10 3,40 TW10 0,041

LTC [N/m2] -3,470E+08 VO [m3] 129,03

BLF 8,21 LTCE 1162

LTS [N/m2] 2,809E+08 LTSE 950

Risultati per l’analisi SAMFOOM45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

RA

PP

OR

TO

[%

]

JORIZZ SOSTEGNO ORIZZ DIAG JVERT JDIAG TUBO 2 TUBO 0 TUBO 1 TUBO 2

SEZIONI

ODn/ODn*TWn/TWn*

0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

TW

[m

]

JORIZZ SOSTEGNO ORIZZ DIAG JVERT JDIAG TUBO 2 TUBO 0 TUBO 1 TUBO 2

SEZIONI

STARTSAMFOOM 45

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

OD

[m

]

JORIZZ SOSTEGNO ORIZZ DIAG JVERT JDIAG TUBO 2 TUBO 0 TUBO 1 TUBO 2

SEZIONI

STARTSAMFOOM 45

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16% DI RIDUZIONEDEL VOLUMETOTALE (VO)

24% DI RIDUZIONE DEL VOLUME DELLA TORRE

1% DI RIDUZIONEDEL VOLUMEDEL JACKET

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Results

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Controllo della frequenza naturale della strutturain relazione all’azione dinamica della turbina (movimento del rotore): eventuale accoppiamentodella frequenza della struttura con quella del vento e del moto ondoso.

Hz209636,0foptnat

====−−−−

Hz249565,0fnat ====

Controllo delle caratteristiche dinamiche

f1Pmin f1PMAX f3Pmin f3PMAX

Soft-

Soft

Soft-

Stiff

Stiff-

Stiff

Hz1150,060

9,6f

minP1========

Hz2017,060

1,12f

PMAX1========

Hz3450,0f3f minP1minP3 ====⋅⋅⋅⋅====

Hz6050,0f3fPMAX1PMAX3

====⋅⋅⋅⋅====

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Strutted innovative support

79

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Summary

x1

x2

• Structure and piles 180 m

• Structure height: 140 m

• Immersed: 35 m

• Over water level: 105 m

Local constraints:

• maximum Von Mises ideal stress equals to

300MPa (strength criterion);

• maximum compression stress equals to

200MPa (local instability criterion);

• maximum ratio diameter/thickness equals to

100 (local instability criterion);

Global constraints:

• Eulerian buckling multiplier greater that 5;

• maximum horizontal displacement permitted

4 m.

• Objective Function: TOTAL VOLUME

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Optimization problem algorithm

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Page 82: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Macro-level model: Design variables trend

Diameters Thicknesses

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Page 83: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Macro-level model: State variables trend

Compression stresses Von Mises stresses

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Page 84: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Macro-level model: Configuration evolution

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Page 85: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Macro-level model: Objective function

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Page 86: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Meso-level model

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Meso-level model: Effective buckling modes detection

Macro-level model Meso-level model

1° buckling mode load multipler = 9,08

1° buckling mode load

multipler = 10,12

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Optimal configuration

•VOLUME=116 [m3]

Diamet ers[m] Thicknesses[m] d/t

D1 2.25 T1 3.1E-02 72.5

D2 3.14 T2 4.2E-02 75.5

D3 4.03 T3 4.2E-02 96.9

D4 4.56 T4 4.2E-02 109.5

D5 5.09 T5 5.2E-02 97.5

D6 2.37 T6 3.3E-02 71.8

D7 5.09 T7 5.2E-02 97.5

D8 5.30 T8 5.4E-02 98.3

D9 5.05 T9 5.4E-02 93.7

D10 4.80 T10 5.4E-02 89.1

D11 4.55 T11 5.4E-02 84.5

D12 4.31 T12 4.4E-02 97.9

D13 3.84 T13 4.4E-02 87.3

D14 3.37 T14 4.4E-02 76.7

D15 2.91 T15 4.4E-02 66.0

D16 2.44 T16 3.8E-02 64.8

D17 1.52 T17 1.6E-02 95.9

D18 2.32 T18 2.3E-02 99.4

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Page 89: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Monopile-Quadruped comparison

Quadruped:• VOLUME = 116 [m3]• Weight = 904 [t]• D max = 5 [m]

Monopile:• VOLUME = 234 [m3]• Weight = 1057 [t]• D max = 9 [m]

peso monotubo 205.78 t

peso tripode 635.58 t

peso jacket 473.38 t

PESI SUPPORTO "E"

1057.8 t

735.58 t

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Page 90: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Considerations on OWTs optimization

1. The Design Optimization of Owts is a fundamental step in the design of Offshore

Wind Farms.

2. The Design Optimization of such a complex structural systems has been carried out by

assuming simplified models for the actions.

3. Multi level detail models are needed in order to capture the main physical aspects.

4. A new support structure is proposed here, the optimization produced good results in

terms of weight if compared with another feasible solution (a monopile support

structure).

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PERFORMANCE-BASED OPTIMIZATION OF AN HIGH-RISE BUILDING FOR WIND

• Performance-Based Wind Engineering (PBWE)

• Models for tall buildings and Occupant Comfort assessment

• Probabilistic Performance-Based analysis

• Probabilistic Performance-Based optimization by a TMD

91

Page 92: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Performance-Based Wind Engineering (PBWE) procedure

Page 93: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

The problem of risk assessment is disaggregated into the following elements:

- site and structure-specific hazard analyses, that is, the assessment of the probability density

functions f(IM), f(SP) and f(IP|IM, SP);

- structural analysis, aimed at assessing the probability density function of the structural response

f(EDP|IM,IP,SP) conditional on the parameters characterizing the environmental actions, the

wind-fluid-structure interaction and the structural properties;

- damage analysis, that gives the damage probability density function f(DM|EDP) conditional on

EDP;

- finally, loss analysis, that is the assessment of G(DV|DM), where G(·|·) is a conditional

complementary cumulative distribution function.

G(DV) = ∫…∫ G(DV|DM) · f(DM|EDP) · f(EDP|IM, IP, SP) · f(IP|IM,SP) ·

· f(IM) · f(SP) · dDM · dEDP · dIP · dIM · dSP

PBWE procedure

Interaction

Parameters

Structural

Parameters

Intensity

measureIM IP SP

Engineering

Demand

Parameters

EDPDamage

MeasureDM

Decision

VariableDV

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Page 94: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Petrini, F., Ciampoli M. (2011). “Performance-based wind design of tall buildings”, Structure & Infrastructure Engineering

- Maintenance, Management, Life-Cycle Design & Performance, i-first published 15 April 2011.

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parameters

EDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

Ciampoli M, Petrini, F., Augusti G., (2011). “Performance-Based Wind Engineering: toward a general procedure”,

Structural Safety, accepted for publication.

PBWE Flowchart

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Page 95: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Aerodynamic

analysisStruc’l analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity measure

IP: interaction

parameters

EDP: engineering

demand parameters

DM: damage measures DV: decision variables

Select

O, DO: location

D: design

Environment

info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural system

parameters

Structural

system info

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Aerodynamic

analysisStruc’l analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity measure

IP: interaction

parameters

EDP: engineering

demand parameters

DM: damage measures DV: decision variables

Select

O, DO: location

D: design

Environment

info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural system

parameters

Structural

system info

O, D

g(IM|O,D)

g(IM)

p(EDP|IM)

P(EDP)

p(DM|EDP)

P(DM)

p(DV|DM)

P(DV)

Hazard analysis Struc’l analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

EDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, D

O: location

D: design

Facility

info

Decision-

making

O, D

g(IM|O,D)

g(IM)

p(EDP|IM)

P(EDP)

p(DM|EDP)

P(DM)

p(DV|DM)

P(DV)

Hazard analysis Struc’l analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

EDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, D

O: location

D: design

Facility

info

Decision-

making

PB

WE

PB

EE

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Models for tall buildings and Occupant Comfort assessment

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Loss of serviceability

Loss

of

inte

gri

ty o

f

no

n-s

tru

ctu

ral

ele

me

nts

Mo

tio

n p

erc

ep

tio

n

by b

uild

ing

occ

up

an

ts

Tam

ura,

Y.

(200

9).

Win

dand

tall

buil

din

gs,

Pro

ceed

ings

of

the

Fif

thE

uro

pea

n&

Afr

ican

Co

nfe

rence

on

Win

dE

ngin

eeri

ng

(EA

CW

E5),

Flo

rence

,It

aly,

July

19-2

3,

2009..

w(t;z2)Vm(z2)

Vm (z1)

Vm (z3)

V(t;z2)

v(t;z2)u(t;z2)

X

Z

Y

θ

B1

B2

H

Dis

pla

cem

en

ts

Acc

ele

rati

on

s

Serviceability under Wind (I)

Discomfort level in terms of

perception thresholds1

Vibration frequency

Acc

ele

rati

on

th

resh

old

s

for

mo

tio

n p

erc

ep

tio

n

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Loss of serviceability

Loss

of

inte

gri

ty o

f

no

n-s

tru

ctu

ral

ele

me

nts

Mo

tio

n p

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ep

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n

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uild

ing

occ

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Bas

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R.

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.(2

007)

."P

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12

thIn

tern

atio

nal

Co

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ren

ceon

Win

d

En

gin

eeri

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1-6

July

,C

airn

s,A

ust

rali

a.A

vai

lable

on

line

athtt

p:/

/ww

w.n

d.e

du/~

nat

haz

/

[Acc

esse

d1

5Ju

ne

20

10

].

w(t;z2)Vm(z2)

Vm (z1)

Vm (z3)

V(t;z2)

v(t;z2)u(t;z2)

X

Z

Y

θ

B1

B2

H

Dis

pla

cem

en

ts

Acc

ele

rati

on

s

Discomfort level in terms of

perception thresholds

Usually Across wind vibration is

critical for comfort

The reference period for comfort

evaluation is 1 year

1

2

3 1st natural frequency is dominant4

1

10

100

0,1 1

a [

cm/s

2]

f [Hz]

Office Apartment

Italian Guidelines

f1

Sca

lar

thre

sho

ld

Serviceability under Wind (II)

Page 99: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Case study structure

Structure and FE model

Structure

Height H= 305 m

Lengths B1=B2= 50 m (square)

No of floors = 74

3d f

ram

e o

n t

he

exte

rnal

per

imet

er

centr

al c

ore

bracing system

A steel structure

Finite Element model

B1

B2

H

FE Model

About 10,000 Elements

About 4,000 Nodes

About 24,000 DOFs

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Prof.-Ing. Franco Bontempi, Ing. Francesco Petrini, Ph.D. 99

Page 100: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Experimental model of Actions

Spen

ceS.

M.J

.,G

ioff

rèM

.,G

usel

laV

.(20

08a)

.In

flu

ence

of

hig

her

mo

des

on

the

dy

nam

ic

re-s

po

nse

of

irre

gula

rand

regula

rta

llb

uil

din

gs,

Pro

c.6

thIn

tern

atio

nal

Co

lloq

uiu

mo

nB

luff

Bod

ies

Aer

od

ynam

ics

and

Ap

pli

cati

ons

(BB

AA

VI)

,M

ilan

o,

Ital

y,Ju

ly20-2

4,

2008.

Boundary Layer Wind Tunnel of

the CRIACIV in Prato, Italy

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

3000 3200 3400 3600 3800

F [KN]

t [s]

Along Across

1:5

00

S

cale

mo

de

l

Response time

history

Time domain structural analyses

(Experimental actions)

Time domain

analyses

Experimental

forces

Time domain analyses

-30

-20

-10

0

10

20

30

3500 3600 3700 3800 3900 4000

aL, aD

[cm/s2]

t [s]Along Across

Page 101: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

( )

( )

( ) )(),(

),,(exp1

),(),(

22

212

2

ωχωρ

ωξξ

ωρω

⋅⋅⋅⋅=

=⋅⋅−⋅

⋅⋅⋅⋅=

∫ ∫

hSVc

dAdAfA

hSVchS

uumxD

A A

uumxDDD tt

( )

)(),h(S

)(HVc

),h(S)(H),h(S

2

uu

22

mxD

DD

2

rr tttt

ωχω

ωρ

ωωω

⋅⋅

⋅⋅⋅⋅

=⋅=

⋅+

⋅⋅

=

2

0

2

2

2

0

2

2

0

2

2

41

1

1)(

ω

ων

ω

ω

ωω

mH

rrm

pgrr σ⋅+= rg

Wind action spectra

(analytical)

Response spectra

Peak response

Frequency domain response

Frequency domain analyses

Response Peak Factor

Analytical model of the buffeting forces

( ) ( ) ( ) ( )( )ωfexpωSωSωS jkuuuuuu kkjjkj−=

( )( )

( ) ( )( )kj

2

kj

2

z

jkzVzV2π

zzCωωf

+

−=

Cross-spectrum

5.0

0

uu2

x

u200

300(x)dxRu

1L

⋅== ∫

∞z

were:

( )( ) [ ]5/3

ju

jux2

u

uu/zLf10.3021ω/2π

/zLfσ6.686ωS

jj ⋅⋅+⋅

⋅⋅⋅=

( )( ) 2

fri0

0

u

2

u

u1.75)log(zarctan1.16

(n)dnSσ

⋅+⋅−=

== ∫∞

)z(V2π

zωf

jm

j

⋅=

Autospectrum

( )3ew(t)2ev(t)1eu(t))

j(zmV)

jz(t;

jV

rrrr

⋅+⋅+⋅+=

α

10m

10

zV(z)V

⋅=

Sola

ri,G

.Pic

card

o,G

.(20

01).

Pro

bab

ilis

tic

3-D

turb

ule

nce

mo

deli

ng

for

gust

bu

ffet

ing

of

stru

cture

s,P

robab

ilis

tic

Engin

eeri

ng

Mec

han

ics,

(16),

73

–8

6.

Turb

ule

nt w

ind

velo

city sp

ectra

(an

aly

tical)

Model of the Vortex shedding forces

(Varying with the angle of attack)

1.E+01

1.E+03

1.E+05

1.E+07

1.E+09

1.E+11

0.000 0.001 0.010 0.100 1.000

PS

D

n [Hz]

Total Force spectrum

Turbulence force spectrum

Vortex shedding force spectrum

Page 102: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Exp

erim

en

tal w

ind

force

spe

ctra

Extra

po

latio

n o

f an

an

aly

tical

Vo

rtex sh

ed

din

g fo

rce sp

ectra

Model of the Vortex shedding forces

n

Co

mp

atib

ility o

f an

aly

tical

an

d e

xpe

rime

nta

l spe

ctra

1.E+01

1.E+03

1.E+05

1.E+07

1.E+09

1.E+11

0.000 0.001 0.010 0.100 1.000

PS

D

n [Hz]

Total Force spectrum

Turbulent component

Vortex shedding component

Global force spectrum

Analytical wind spectra

n

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Page 103: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

1

10

100

0.1 1

aL

,Dp

[cm

/s2]

n [Hz]

Office Apartment aLp aD

p

f1

aL

,Dp

[cm

/s2]

n [Hz]

-30

-20

-10

0

10

20

30

3500 3600 3700 3800 3900 4000

aL, aD

[cm/s2]

t [s]Along Across

Structural response- max accelerations

Time domain: resultsStructural response – accelerations

Comfort evaluation

Across

Along

Reference mean

wind velocity:

Vm(H) = 35 m/s

(annual mean

recurrence)

Alongw(t;z2)Vm(z2)

Vm (z1)

Vm (z3)

V(t;z2)

v(t;z2)u(t;z2)

X

Z

Y

θ

B1

B2

H

Across

0

5

10

15

20

25

30

-20 0 20 40 60

aLp

[cm/s2]

θ [deg]

aLp

aDp

Due to

vortex

shedding

effect

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Page 104: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Probabilistic Performance-Based analysis

Page 105: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Hazard analysis

Aeolian risk assessment

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parameters

EDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

( ) ( )

θ−⋅

θ⋅

θ

θ=θ

θ−θ

θ

)(10

1)(10

10, exp)(

)(),(f

10

kk

Vc

V

c

V

c

kV

The roughness length z0 is characterized by a lognormal

PDF. The mean value μz0 and the standard deviation σz0

of z0 are expressed as function of θ (assuming a slight

difference between four sectors, i.e. a mean value of z0

varying between 0.08 m and 0.12 m and a COVz0 equal

to 0.30).

V10 and θ are described by their joint probability

distribution function

IM =

θ

V10

z0

Parameters c(θ) and k(θ) are derived from NIST® wind

speed database.

(Annual occurrence)

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Page 106: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Aeolian risk assessment

Page 107: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

rrm

pgrr σ⋅+= )T(log

.)T(log

winde

windegr ⋅η+⋅η=µ

2

57702 Davenport (1983)

Reliable results for

broad band processes

Corso di Dottorato: Introduzio ne all'o7mi zzazione struttural e Roma, 21 Giugno 2014

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Aeolian risk assessment

Page 108: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

- In the Davenport formulation the peak factor does not depend on the bandwidth of the stochastic process.

- Alternative formulations consider this dependence

rrm

pgrr σ⋅+= )T(log

.)T(log

winde

windegr ⋅η+⋅η=µ

2

57702 Davenport (1983)

( )

≤⋅η

>⋅η

⋅η+

−⋅η

+

+

+

+

122if650

122if46

213

45

2

21

.T.

.T.

)Tln(

.

)Tln(

.

windr,e

windr,e

windr,e

windr,e

gr

)ln(2

577.0)ln(2

,

,

windre

windreg

T

Tr

⋅η

+⋅η=µ+

+

Reliable results for

broad band processes

Vanmarcke (1975)

Aeolian risk assessment

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Page 109: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

- In the Davenport formulation the peak factor does not depend on the bandwidth of the stochastic process.

- Alternative formulations consider this dependence

rrm

pgrr σ⋅+= )T(log

.)T(log

winde

windegr ⋅η+⋅η=µ

2

57702 Davenport (1983)

rR12

rB2

rR22

n*Srr

n (Hz)

rR12

rB2

rR22

n*Srr

n (Hz)

Background

(broad band process)

Resonant

(narrow band

process)

Reliable results for

broad band processes

Lightly damped

buildings

Highly damped

buildings

( )

≤⋅η

>⋅η

⋅η+

−⋅η

+

+

+

+

122if650

122if46

213

45

2

21

.T.

.T.

)Tln(

.

)Tln(

.

windr,e

windr,e

windr,e

windr,e

gr

Vanmarcke (1975)

)ln(2

577.0)ln(2

,

,

windre

windreg

T

Tr

⋅η

+⋅η=µ+

+

Aeolian risk assessment

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Page 110: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

(Vanmarcke 1975)

Therefore, the bandwidth

parameter, and also the response

peak factor must depend on the

structural damping

rR12

rB2

rR22

n*Srr

n (Hz)

rR12

rB2

rR22

n*Srr

n (Hz)

Background

(broad band process)

Resonant

(narrow band

process)

Lightly damped

buildings

Highly damped

buildings

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Aeolian risk assessment

Page 111: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis IP =

gr

CD

CL

462.2507.1265.02 +ξ+ξ−=µ

rg

( )

≤⋅η

>⋅η

⋅η+

−⋅η

+

+

+

+

122if650

122if46

213

45

2

21

.T.

.T.

)Tln(

.

)Tln(

.

windr,e

windr,e

windr,e

windr,e

gr

( )

<≤

η

<≤

η−

=η +

+

+

1690if

690100if

380631 450

r

r

r

r

.

r

r,e

q.

.q.

.q.

r

rr σ

σ=+η &

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

Vanmarcke

(1975)

(Obtained from time-domain analyses)

The peak response factor gr is described by a Gaussian distribution function

g*r = -0.256ξ2 + 1.507ξ + 2.462

3.00

3.40

3.80

4.20

4.60

0.5 1 1.5 2 2.5

g*r

ξ [%]

rgµ

rgµ

Aeolian risk assessment

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Page 112: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Interaction analysis

The aerodynamic coefficients CD ,CL are described by Gaussian

distributions. Mean values are expressed as a function of θ, varying from

those corresponding to a square shape (for θ = 0°) to those corresponding

to a rhomboidal shape (for θ = 45°); the coefficient of variations of CL and

CD are taken equal to 0.07 and 0.05.

IP =

gr

CD

CL

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-90 -60 -30 0 30 60 90M

ean

aer

od

ynam

ic c

oef

fici

ents

µ µ

DCµ

60 90

θ [deg]

LCµ

462.2507.1265.02 +ξ+ξ−=µ

rg

( )

≤⋅η

>⋅η

⋅η+

−⋅η

+

+

+

+

122if650

122if46

213

45

2

21

.T.

.T.

)Tln(

.

)Tln(

.

windr,e

windr,e

windr,e

windr,e

gr

( )

<≤

η

<≤

η−

=η +

+

+

1690if

690100if

380631 450

r

r

r

r

.

r

r,e

q.

.q.

.q.

r

rr σ

σ=+η & Vanmarcke

(1975)

(Obtained from time-domain analyses)

The peak response factor gr is described by a Gaussian distribution function

g*r = -0.256ξ2 + 1.507ξ + 2.462

3.00

3.40

3.80

4.20

4.60

0.5 1 1.5 2 2.5

g*r

ξ [%]

rgµ

rgµ

Aeolian risk assessment

Page 113: Applications of Structural Optimization: Corso di dottorato INTRODUZIONE ALL'OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE / Petrini

Structural analysis EDP = aLp

O

f(IM|O)

f(IM)f(IP|IM,SP)

f(IP)

f(EDP|IM,IP,SP)

G(EDP)

f(DM|EDP)

G(DM)

f(DV|DM)

G(DV)

Hazard analysis

Interaction

analysisStructural analysis Damage analysis Loss analysis

IM: intensity

measure

IP: interaction

parametersEDP: engineering

demand param.DM: damage

measure

DV: decision

variable

Select

O, DO: location

D: design

Environme

nt info

Decision-

making

D

f(SP|D)

f(SP)

Structural

characterization

SP: structural

system parameters

Structural

system

info

G(EDP) = ∫…∫ G(EDP|IM, IP, SP) · f(IP|IM,SP) · f(IM) · f(SP) · dIP · dIM · dSPMonte Carlo sim

(5000 runs)

w(t;z2)Vm(z2)

Vm (z1)

Vm (z3)

V(t;z2)

v(t;z2)u(t;z2)

X

Z

Y

θ

B1

B2

H

aLp

Reduced

formulation

Aeolian risk assessment

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Risk Curve. EDP= aLp = peak acceleration in across wind direction

The annual probabilities of exceeding the human perception thresholds for

apartment and office building vibrations are 0.0576 and 0.0148 respectively.

w(t;z2)Vm(z2)

Vm (z1)

Vm (z3)

V(t;z2)

v(t;z2)u(t;z2)

X

Z

Y

θ

B1

B2

H

aLp

Ciampoli M, Petrini F. (2011). “Performance-Based Aeolian Risk assessment and reduction for tall buildings”,

Probabilistic Engineering Mechanics, accepted for publication.

Aeolian risk assessment

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Probabilistic Performance-Based optimization by a TMD

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TUNED MASS DAMPER (TMD)

C1

K1 CTMD

KTMD

M1

MTMD

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C1

K1 CTMD

KTMD

M1

MTMD

Sistema Principale(struttura)1 = massa 1 = 12 ∙ 1 = rigidezza 1 = 2 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 =

= smorzamento

TUNED MASS DAMPER (TMD)

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C1

K1 CTMD

KTMD

M1

MTMD

Sistema Principale(struttura)

Sistema Secondario(TMD) = 1 = rapporto tra le masse

= 1 = rapporto tra le pulsazioni

= 2 ∙ ∙ ∙ =

= smorzamento TMD

T M D T L D

1 = massa 1 = 12 ∙ 1 = rigidezza 1 = 2 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 =

= smorzamento

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TUNED MASS DAMPER (TMD)

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C1

K1 CTMD

KTMD

M1

MTMD

Sistema Principale(struttura) = 1 = rapporto tra le masse

= 1 = rapporto tra le pulsazioni

= 2 ∙ ∙ ∙ =

= smorzamento TMD

In cui:

= = pulsazione naturale

= = 2∙ ∙ = smorzamento percentuale

con i = 1, TMD T M D T L D

1 = massa 1 = 12 ∙ 1 = rigidezza 1 = 2 ∙ 1 ∙ 1 ∙ 1 =

= smorzamento

Sistema Secondario(TMD)

TUNED MASS DAMPER (TMD)

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= 000.56 0 < 10 1 ≤ 0 ≤ 20.5 ∙ 0 ∙ 0 0 ≥ 2"

0 = 6 #/%2 = per i piani adibiti ad uffici; (a) 0 = 4 #/%2 = per i piani adibiti ad abitazioni; (b) 0 = frequenza fondamentale dell’edificio.

Uffici

Abitazioni

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EFFETTO DEL TMD SULLA RISPOSTA STRUTTURALE

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= 000.56 0 < 10 1 ≤ 0 ≤ 20.5 ∙ 0 ∙ 0 0 ≥ 2"

0 = 6 #/%2 = per i piani adibiti ad uffici; (a) 0 = 4 #/%2 = per i piani adibiti ad abitazioni; (b) 0 = frequenza fondamentale dell’edificio.

Uffici

Abitazioni

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.00E-01

RP

SD

Frequenza (Hz)

Non controllata

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EFFETTO DEL TMD SULLA RISPOSTA STRUTTURALE

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= 000.56 0 < 10 1 ≤ 0 ≤ 20.5 ∙ 0 ∙ 0 0 ≥ 2"

0 = 6 #/%2 = per i piani adibiti ad uffici; (a) 0 = 4 #/%2 = per i piani adibiti ad abitazioni; (b) 0 = frequenza fondamentale dell’edificio.

Uffici

Abitazioni

1.E-04

1.E-03

1.E-02

1.E-01

1.00E-01

RP

SD

Frequenza (Hz)

Controllata

Non controllata

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EFFETTO DEL TMD SULLA RISPOSTA STRUTTURALE

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Optimization parameters

Design Parameters

γ = mTMD/mtot

β = ωTMD/ ω1

ξ* = damping of TMD

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C1

K1 CTMD

KTMD

M1

MTMD

EFFETTO DEL TMD SULLA RISPOSTA STRUTTURALE

305 m

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ANALISI PARAMETRICA CON TMD

= ##1 ; = 1 ; = smorzamento;

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TMD

Design Parameters

γ = mTMD/mtot

β = ωTMD/ ω1

ξ* = damping of TMD

Aeolian Risk reduction by TMD

90

0.125 0.145 0.165 0.185

β = 0.70 ; ξ* = 1% - 10% β = 0.80 ; ξ* = 1% - 10%

β = 0.90 ; ξ* = 1% - 10% β = 1.02 ; ξ* = 1% - 10%

β = 1.10 ; ξ* = 1% - 10% β = 1.20 ; ξ* = 1% - 10%

β = 1.30 ; ξ* = 1% - 10% Uncontrolled

Apartment Office

aL

p[m

m/s

2]

n [Hz]

β = ξ* =

β = ξ* =

β = ξ* =

β = ξ* =

β = ξ* =

β = ξ* =

β = ξ* =

Parametric analysis Effects on risk

γ = 1/150

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CONFIGURAZIONE OTTIMALE DEL TMD

= # # 1 = 1150 ⇒ # ≅ 568 *+

Realizzata con una sfera di acciaio

di raggio pari a circa 2.60 m

= 8%, per limitare gli spostamenti

sulla massa del TMD

= 1 =1, il che consente di

ottenere un risultato migliore

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INTRODUZIONE DI UN SECONDO TMD

Accelerazione di picco

Non controllata 15.6 cm/s2

TMD 1 10.6 cm/s2

TMD 2 9.63 cm/s2

γ β ξ Piano

TMD 1 1/300 1 0.05 74

TMD 2 1/300 1 0.05 38

305 m

160 m3

30

0.1 1

a (m/s2)

n0 (Hz)

Uffici

Residenze

Non controllata

1 TMD

2 TMD

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PERFORMANCE-BASED OPTIMIZATION OF AN HIGH-RISE BUILDING STRUCTURAL SYSTEM FOR RELIABILITY AGAINST PROGRESSIVE COLLAPSE

• Robustness of high-rise buildings in case of fire

• The role of the outrigger and of the lateral bracing

• Multi-hazard considerations

• Structural system optimization

129

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Robustness of high-rise buildings

in case of fire

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time

Tem

pera

ture

PREVENTION PROTECTION

Passive

Measures

Ignition

Flashover

Active

Measures

ROBUSTNESS

Ineffectiveness

of measures

Robustness role in case of fire

Joelma Building,

Sao Paulo (1974)

Mandarin Oriental

Hotel, Beijing (2009)

Windsor Tower,

Madrid (2005)

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Case study40 floors, 160 m heigth, 35 m x 35 m floor, office building

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RENDERING STRUCTURAL SYSTEM FEM MODEL

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Case study

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Outrigger

Bracing

System

Frame BFrame A

Frame B

Frame A

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The role of the outrigger and of

the lateral bracing

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Frame A Assumptions

- Collapse for displacement of 1 meter on the top

- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

Frame B

FIRE LOCATION 6th floor

t

T

Nominal

ISO 8344

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40 50 60

ISO 834

θ ipe 270

θ ipe 300

θ hem 260

θ hea 240

θ hem280

Progressive collapse assessment

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Progressive collapse assessment

Frame A Assumptions

- Collapse for displacement of 1 meter on the top

- Exposure to 180 minutes of ISO Curve

- 30 cases of fire changing initial fire location and number of

involved columns

Frame B

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1 Heated

Column

2 Heated

Columns

3 Heated

Columns

4 Heated

Columns

5 Heated

Columns

30 min - 696°C 30 min - 696°C 30 min - 696°C 30 min - 696°C 30 min - 696°C

Frame B - Worst case scenarios

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Progressive Collapse

1 Heated

Column

2 Heated

Columns

3 Heated

Columns

4 Heated

Columns

5 Heated

Columns

After 180 min After 107 min After 93 min After 102 min After 87 min

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Frame A - Worst case scenarios

1 Heated

Column

2 Heated

Columns

3 Heated

Columns

4 Heated

Columns

5 Heated

Columns

26 min - 640°C 28 min - 680°C 29 min - 690°C 30 min - 696°C 31 min - 705°C

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1 Heated

Column

2 Heated

Columns

3 Heated

Columns

4 Heated

Columns

5 Heated

Columns

After 180 min After 180 min After 126 min After 144 min After 100 min

Progressive Collapse

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Outrigger role

VMises Deformation

Without Fire

1 Heated

Column

2 Heated

Columns

3 Heated

Columns

4 Heated

Columns

5 Heated

Columns

195235 156 117 78 39 0 plastic elastic

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Frame BFrame A

SWAY COLLAPSE NO-SWAY COLLAPSE

Progressive Collapse

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Multi-hazard considerations

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Lateral Force: Dir. +Z

SCENARIO

Without Wind Wind Γ=0.5 Wind Γ=1.0 Wind Γ=1.5

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SCENARIO

Without Wind Wind Γ=0.5 Wind Γ=1.0 Wind Γ=1.5

Lateral Force: Dir. -Z

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Lateral Force: Dir. +Z

DEFORMED SHAPE

Without Wind Wind Γ=0.5 Wind Γ=1.0 Wind Γ=1.5

After 180 min After 140 min After 152 min After 82 min

88 minVertical

69 minOutwards

16 minOutwards

<10 minOutwards

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Structural system optimization

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Configurations: position of the outrigger

CONFIGURATIONS

G A B C

STEEL MASS [TON]

877 857 877 877

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Configurations: vertical brace system

CONFIGURATIONS

G D E F

STEEL MASS [TON]

877 817 994 939

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Multi-hazard analyses – 3 heated columns

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Multi-hazard analyses – 3 heated columns

Initial

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Multi-hazard analyses – 3 heated columns

Initial

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Multi-hazard analyses – 3 heated columns

Initial

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154

CONCLUSIONS

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1. Due to their nature complex, real structures requires advanced models, both for

actions and structural parts.

2. A suitable way to deal with the above is the adoption of a systemic approach, that is

the switching from the vision of a structure as an isolated entity to the vision of a

structure as “a set of interrelated components which interact one with another in an

organized fashion toward a common purpose”.

3. The systemic vision is particularly useful in presence of non-linear interactions (i.e.

between the structure and the environment), cascading effects, high level of

uncertainty.

4. Classical optimization algorithms are in general, not exhaustive for conducting the

optimization of such a structural systems, if not coupled with rational, heuristic

considerations from the designer.

5. One of the most rational way to deal with the design of complex structures is the

Performance-Based Design approach, that can be conducted both in deterministic

or in probabilistic terms.

6. The Performance-Based Optimization is an appropriate way to optimize complex

structural systems.