Optimum position of steel outrigger system for high rise composite buildings subjected to wind loads

The responses of composite buildings under wind loads clearly become more critical as the building becomes taller, less stiff and more lightweight. When the composite building increases in height, the stiffness of the structure becomes more important factor and introduction to belt truss and outrigger system is often used to provide sufficient lateral stiffness to the structure. Most of the research works to date is limited to reinforced concrete building with outrigger system of concrete structure, simple building plan layout, single height of a building, one direction wind and single level of outrigger arrangement. There is a scarcity in research works about the effective position of outrigger level on composite buildings under lateral wind loadings when the building plan layout, height and outrigger arrangement are varied. The aim of this paper is to determine the optimum location of steel belt and outrigger systems by using different arrangement of single and double level outrigger for different size, shape and height of composite building. In this study a comprehensive finite element modelling of composite building prototypes is carried out, with three different layouts (Rectangular, Octagonal and L shaped) and for three different storey (28, 42 and 57-storey). Models are analysed for dynamic cyclonic wind loads with various combination of steel belt and outrigger bracings. It is concluded that the effectiveness of the single and double level steel belt and outrigger bracing are varied based on their positions for different size, shape and height of composite building.

Pseudo-time marching schemes for inverse problems in structural health assessment and medical imaging

We propose a self-regularized pseudo-time marching strategy for ill-posed, nonlinear inverse problems involving recovery of system parameters given partial and noisy measurements of system response. While various regularized Newton methods are popularly employed to solve these problems, resulting solutions are known to sensitively depend upon the noise intensity in the data and on regularization parameters, an optimal choice for which remains a tricky issue. Through limited numerical experiments on a couple of parameter re-construction problems, one involving the identification of a truss bridge and the other related to imaging soft-tissue organs for early detection of cancer, we demonstrate the superior features of the pseudo-time marching schemes.

A Kalman filter based strategy for linear structural system identification based on multiple static and dynamic test data

The problem of identification of stiffness, mass and damping properties of linear structural systems, based on multiple sets of measurement data originating from static and dynamic tests is considered. A strategy, within the framework of Kalman filter based dynamic state estimation, is proposed to tackle this problem. The static tests consists of measurement of response of the structure to slowly moving loads, and to static loads whose magnitude are varied incrementally; the dynamic tests involve measurement of a few elements of the frequency response function (FRF) matrix. These measurements are taken to be contaminated by additive Gaussian noise. An artificial independent variable τ, that simultaneously parameterizes the point of application of the moving load, the magnitude of the incrementally varied static load and the driving frequency in the FRFs, is introduced. The state vector is taken to consist of system parameters to be identified. The fact that these parameters are independent of the variable τ is taken to constitute the set of ‘process’ equations. The measurement equations are derived based on the mechanics of the problem and, quantities, such as displacements and/or strains, are taken to be measured. A recursive algorithm that employs a linearization strategy based on Neumann’s expansion of structural static and dynamic stiffness matrices, and, which provides posterior estimates of the mean and covariance of the unknown system parameters, is developed. The satisfactory performance of the proposed approach is illustrated by considering the problem of the identification of the dynamic properties of an inhomogeneous beam and the axial rigidities of members of a truss structure.

Simultaneous material selection and geometry design of statically determinate trusses using continuous optimization

In this work, we explore simultaneous geometry design and material selection for statically determinate trusses by posing it as a continuous optimization problem. The underlying principles of our approach are structural optimization and Ashby’s procedure for material selection from a database. For simplicity and ease of initial implementation, only static loads are considered in this work with the intent of maximum stiffness, minimum weight/cost, and safety against failure. Safety of tensile and compression members in the truss is treated differently to prevent yield and buckling failures, respectively. Geometry variables such as lengths and orientations of members are taken to be the design variables in an assumed layout. Areas of cross-section of the members are determined to satisfy the failure constraints in each member. Along the lines of Ashby’s material indices, a new design index is derived for trusses. The design index helps in choosing the most suitable material for any geometry of the truss. Using the design index, both the design space and the material database are searched simultaneously using gradient-based optimization algorithms. The important feature of our approach is that the formulated optimization problem is continuous, although the material selection from a database is an inherently discrete problem. A few illustrative examples are included. It is observed that the method is capable of determining the optimal topology in addition to optimal geometry when the assumed layout contains more links than are necessary for optimality.

Performance of the generalized delta rule in structural damage detection

The paper examines the suitability of the generalized data rule in training artificial neural networks (ANN) for damage identification in structures. Several multilayer perceptron architectures are investigated for a typical bridge truss structure with simulated damage stares generated randomly. The training samples have been generated in terms of measurable structural parameters (displacements and strains) at suitable selected locations in the structure. Issues related to the performance of the network with reference to hidden layers and hidden. neurons are examined. Some heuristics are proposed for the design of neural networks for damage identification in structures. These are further supported by an investigation conducted on five other bridge truss configurations.

Modified lattice model for mode-I fracture analysis of notched plain concrete beam using probabilistic approach

A modified lattice model using finite element method has been developed to study the mode-I fracture analysis of heterogeneous materials like concrete. In this model, the truss members always join at points where aggregates are located which are modeled as plane stress triangular elements. The truss members are given the properties of cement mortar matrix randomly, so as to represent the randomness of strength in concrete. It is widely accepted that the fracture of concrete structures should not be based on strength criterion alone, but should be coupled with energy criterion. Here, by incorporating the strain softening through a parameter ‘α’, the energy concept is introduced. The softening branch of load-displacement curves was successfully obtained. From the sensitivity study, it was observed that the maximum load of a beam is most sensitive to the tensile strength of mortar. It is seen that by varying the values of properties of mortar according to a normal random distribution, better results can be obtained for load-displacement diagram.

Probabilistic robust control : theory and applications

In this work, the development of a probabilistic approach to robust control is motivated by structural control applications in civil engineering. Often in civil structural applications, a system's performance is specified in terms of its reliability. In addition, the model and input uncertainty for the system may be described most appropriately using probabilistic or "soft" bounds on the model and input sets. The probabilistic robust control methodology contrasts with existing H∞/μ robust control methodologies that do not use probability information for the model and input uncertainty sets, yielding only the guaranteed (i.e., "worst-case") system performance, and no information about the system's probable performance which would be of interest to civil engineers.

The design objective for the probabilistic robust controller is to maximize the reliability of the uncertain structure/controller system for a probabilistically-described uncertain excitation. The robust performance is computed for a set of possible models by weighting the conditional performance probability for a particular model by the probability of that model, then integrating over the set of possible models. This integration is accomplished efficiently using an asymptotic approximation. The probable performance can be optimized numerically over the class of allowable controllers to find the optimal controller. Also, if structural response data becomes available from a controlled structure, its probable performance can easily be updated using Bayes's Theorem to update the probability distribution over the set of possible models. An updated optimal controller can then be produced, if desired, by following the original procedure. Thus, the probabilistic framework integrates system identification and robust control in a natural manner.

The probabilistic robust control methodology is applied to two systems in this thesis. The first is a high-fidelity computer model of a benchmark structural control laboratory experiment. For this application, uncertainty in the input model only is considered. The probabilistic control design minimizes the failure probability of the benchmark system while remaining robust with respect to the input model uncertainty. The performance of an optimal low-order controller compares favorably with higher-order controllers for the same benchmark system which are based on other approaches. The second application is to the Caltech Flexible Structure, which is a light-weight aluminum truss structure actuated by three voice coil actuators. A controller is designed to minimize the failure probability for a nominal model of this system. Furthermore, the method for updating the model-based performance calculation given new response data from the system is illustrated.

Optimal design of building structures using genetic algorithms

A general framework for multi-criteria optimal design is presented which is well-suited for automated design of structural systems. A systematic computer-aided optimal design decision process is developed which allows the designer to rapidly evaluate and improve a proposed design by taking into account the major factors of interest related to different aspects such as design, construction, and operation.

The proposed optimal design process requires the selection of the most promising choice of design parameters taken from a large design space, based on an evaluation using specified criteria. The design parameters specify a particular design, and so they relate to member sizes, structural configuration, etc. The evaluation of the design uses performance parameters which may include structural response parameters, risks due to uncertain loads and modeling errors, construction and operating costs, etc. Preference functions are used to implement the design criteria in a "soft" form. These preference functions give a measure of the degree of satisfaction of each design criterion. The overall evaluation measure for a design is built up from the individual measures for each criterion through a preference combination rule. The goal of the optimal design process is to obtain a design that has the highest overall evaluation measure - an optimization problem.

Genetic algorithms are stochastic optimization methods that are based on evolutionary theory. They provide the exploration power necessary to explore high-dimensional search spaces to seek these optimal solutions. Two special genetic algorithms, hGA and vGA, are presented here for continuous and discrete optimization problems, respectively.

The methodology is demonstrated with several examples involving the design of truss and frame systems. These examples are solved by using the proposed hGA and vGA.

Comportamento estrutural de ligações tubulares T e KT.

Os perfis tubulares sem costura são largamente utilizados em diversos países, porém, no Brasil, o uso desses perfis era bastante limitado, restringindo-se praticamente a coberturas espaciais. A situação do mercado brasileiro começou a se alterar em razão da maior oferta desses perfis proporcionada pelo início da produção pela V&M do BRASIL no ano de 2000, sendo assim diante da novidade da tecnologia, impõe-se a necessidade de divulgação e implementação do uso desse tipo de perfil, além de uma ampliação do número de trabalhos de pesquisa para melhor compreensão de seu comportamento estrutural. O presente trabalho apresenta uma análise paramétrica de ligações tipo KT e T, através da determinação da resistência última da ligação obtida pelo critério de deformação limite proposto por diversos pesquisadores, comparando os resultados com as prescrições do Eurocode 3, do Projeto de Norma Brasileira e do CIDECT. Adicionalmente procedeu-se na comparação do comportamento numérico global do nó de uma treliça, com a análise do comportamento numérico do nó isolado. As ligações objeto deste estudo são compostas por perfil tubular retangular (RHS) no banzo e perfis circulares (CHS) nas diagonais e montantes. Os modelos em elementos finitos, foram desenvolvidos no programa Ansys 12.0, as não-linearidades físicas e geométricas foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. Concluiu-se entre outras coisas que. para o nó da treliça em estudo neste trabalho, o carregamento de projeto máximo permitido através do dimensionamento pelas normas fica a favor da segurança quando comparado com o critério de deformação limite.

Estudio comparativo de diferentes soluciones de unión en estructuras de madera.

[ES]El encargado como redactor del estudio de este proyecto es el alumno de la Escuela Técnica Superior de Ingeniería de Bilbao, Pello Intxausti Rodriguez. Dicho proyecto, se encargará del análisis de diferentes tipos de juntas de madera laminada disponibles para una misma dificultad. Para ello, se diseñará una cercha tipo Warren (Figura 3) con el fin de hacer un estudio de esfuerzos del sistema y posteriormente se diseñarán distintas uniones para poder adoptar la solución más adecuada. Se empezará por la descripción del conflicto. La situación de la cercha en cuestión, el estudio climatológico y topográfico forman parte de este apartado. Se continuará con el estudio de diferentes soluciones de unión adoptables y la metodología que se va a seguir en el curso del proyecto, con objeto de poder encontrar una solución satisfactoria.

Análise da resposta dinâmica experimental de uma passarela tubular mista, aço-concreto, submetida ao caminhar humano.

Este trabalho de pesquisa apresenta como objetivo principal o desenvolvimento de investigação experimental dinâmica sobre estrutura real de uma passarela tubular mista aço-concreto. O sistema estrutural objeto deste trabalho corresponde a uma passarela composta por três vãos (32,5m, 17,5m e 20,0m, respectivamente) e dois balanços (7,50m e 5,0m, respectivamente), com comprimento total de 82,5m. A passarela com estrutura contínua de aço com as ligações soldadas se apoia em quatro pórticos também de aço. Estruturalmente está constituída por duas treliças planas que se interligam através de contraventamentos horizontais fixados na corda superior e inferior da treliça e lajes de concreto, formando um sistema misto com interação completa. A estrutura está submetida correntemente à travessia de pedestres e ciclistas. Testes experimentais foram realizados sobre o sistema estrutural e confrontados com resultados numéricos. Para a modelagem numérica do sistema são empregadas técnicas usuais de discretização, via método dos elementos finitos (MEF), por meio do programa ANSYS. Os resultados experimentais são analisados de acordo com a metodologia desenvolvida, sendo realizada análise modal experimental para a determinação das propriedades dinâmicas: freqüências, modos e taxa de amortecimento, enquanto que os resultados da estrutura, em termos de aceleração de pico, são comparados com os valores limites propostos por diversos autores, normas e recomendações de projeto, para uma avaliação do desempenho da estrutura em relação a vibração quando solicitada pelo caminhar dos pedestres no que diz respeito a critério para conforto humano.

Modelagem do comportamento estrutural de sistemas treliçados espaciais para escoramentos de estruturas de aço, concreto e mistas (aço-concreto).

A utilização de treliças para o escoramento de elementos estruturais de concreto armado e aço é considerada uma solução eficaz para o atual sistema de construção de engenharia civil. Uma mudança de atitude no processo de construção, associado com a redução dos custos causou um aumento considerável na utilização de treliças tridimensionais em aço com maior capacidade de carga. Infelizmente, o desenho destes sistemas estruturais baseia-se em cálculos muito simplificados relacionadas com vigas de uma dimensão, com propriedades de inércia constantes. Tal modelagem, muito simplificada, não pode representar adequadamente a resposta real dos modelos estruturais e pode levar a inviabilidade econômica ou mesmo inseguro desenho estrutural. Por outro lado, estas estruturas treliçadas estão relacionadas com modelos de geometria complexa e são desenhados para suportar níveis de cargas muito elevadas. Portanto, este trabalho de investigação propôs modelos de elementos finitos que representam o caráter tridimensional real do sistema de escoramento, avaliando o comportamento estático e dinâmico estrutural com mais confiabilidade e segurança. O modelo computacional proposto, desenvolvido para o sistema estrutural não linear de análise estática e dinâmica, aprovou as habituais técnicas de refinamento de malha presentes em simulações do método de elementos finitos, com base no programa ANSYS [1]. O presente estudo analisou os resultados de análises linear-elástica e não linear geométrica para ações de serviço, físicos e geométricos para as ações finais. Os resultados do presente estudo foram obtidas, com base na análise linear-elástica e não linearidade geométrica e física, e comparados com os fornecidos pela metodologia simplificada tradicional de cálculo e com os limites recomendadas por normas de concepção.

Avaliação de ligações K e T entre perfis estruturais tubulares circulares.

O difundido uso de perfis estruturais tubulares, principalmente devido às vantagens associadas ao comportamento estrutural e estético, levou a uma intensa utilização nos países da Europa, Sudeste Asiático, América do Norte e na Austrália. Países como Canadá, Inglaterra, Alemanha e Holanda fazem uso intensivo dessas estruturas e contam com uma produção corrente, industrializada e contínua com alto grau de desenvolvimento tecnológico. O aumento da oferta deste tipo de perfis, aliado a recentes pesquisas nesta área, leva o Brasil a se inserir neste cenário mundial. Entretanto, as normas brasileiras que regem o dimensionamento destes perfis ainda não se encontram atualizadas, principalmente no que tange ao dimensionamento de ligações de perfis tubulares. Considerando esta perspectiva, este trabalho apresenta uma análise de ligações tipo K e T com perfis tubulares circulares (CHS). Propõe-se estabelecer um quadro comparativo entre as formulações analíticas de dimensionamento proposta pelo Eurocode 3 Parte 1.8, 2 edição do guia de projeto de ligações tubulares do CIDECT, projeto de norma brasileira PN 02.125.03-004 e critérios de deformação limite. Para cada um dos tipos de ligações analisadas, desenvolveu-se um modelo em elementos finitos no programa Ansys, calibrado e validado com resultados experimentais e numéricos existentes na literatura. As não-linearidades física e geométrica foram incorporadas aos modelos, a fim de se mobilizar totalmente a capacidade resistente da ligação. A não-linearidade do material foi considerada através do critério de plastificação de Von Mises através de uma lei constitutiva tensão versus deformação bilinear. A não-linearidade geométrica foi introduzida no modelo através da Formulação de Lagrange Atualizado considerando-se a previsão de grandes deformações de forma a permitir a redistribuição de carregamento na ligação após o escoamento inicial. Esta dissertação propõe ainda, a modelagem de uma treliça planar constituída de perfis tubulares, objetivando estabelecer uma comparação entre um nó isolado e um nó da treliça planar.

Avaliação do comportamento estrutural de subestações de energia elétrica com o uso do aço inoxidável.

A crescente utilização do aço inoxidável como elemento estrutural despertou o interesse de clientes, arquitetos e engenheiros nos últimos anos. Apesar do custo ainda elevado, a sua aplicação na construção civil vem substituindo outros elementos estruturais. Seja por sua alta resistência à corrosão, aumentando a relação custo benefício; sua estética, proporcionando formas cada vez mais ousadas ou; seu apelo ambiental, gerando menos resíduos no meio ambiente. As subestações representam um papel importante no fornecimento de energia. Como possuem grande complexidade para manutenção, foi escolhida a estrutura suporte de seu barramento, para o dimensionamento em aço inoxidável. Desta forma, minimizando as paradas para realização de manutenções das estruturas, possibilitando maior qualidade no fornecimento de energia elétrica. Para fins comparativos foi escolhido o projeto de uma SE existente, cuja estrutura de suporte do barramento, foi construída por treliças formadas por cantoneiras de aço carbono galvanizado. Inicialmente, o dimensionamento foi desenvolvido utilizando perfis H e I funcionando como viga-coluna para os dois tipos de aço. Num segundo momento, a estrutura foi dimensionada como treliças planas. Todos os dimensionamentos foram realizados de acordo com as prescrições normativas do EUROCODE 3. Após realização dos dimensionamentos, foram apresentadas as análises comparativas dos custos envolvidos para os tipos de aço. Abordando o investimento inicial, os gastos com manutenção ao longo da vida e os custos elétricos agregados à redução das paradas para manutenção.

Identificação de danos estruturais utilizando técnicas de otimização.

Sistemas estruturais em suas variadas aplicações incluindo-se veículos espaciais, automóveis e estruturas de engenharia civil tais como prédios, pontes e plataformas off-shore, acumulam dano durante suas vidas úteis. Em muitas situações, tal dano pode não ser visualmente observado. Do ponto de vista da segurança e da performance da estrutura, é desejável monitorar esta possível ocorrência, localizá-la e quantificá-la. Métodos de identificação de sistemas, que em geral, são classificados numa categoria de Técnicas de Avaliação Não-Destrutivas, podem ser utilizados para esta finalidade. Usando dados experimentais tais como frequências naturais, modos de vibração e deslocamentos estáticos, e um modelo analítico estrutural, parâmetros da estrutura podem ser identificados. As propriedades estruturais do modelo analítico são modificadas de modo a minimizar a diferença entre os dados obtidos por aquele modelo e a resposta medida. Isto pode ser definido como um problema inverso onde os parâmetros da estrutura são identificados. O problema inverso, descrito acima, foi resolvido usando métodos globais de otimização devido à provável presença de inúmeros mínimos locais e a não convexidade do espaço de projeto. Neste trabalho o método da Evolução Diferencial (Differential Evolution, DE) foi utilizado como ferramenta principal de otimização. Trata-se de uma meta-heurística inspirada numa população de soluções sucessivamente atualizada por operações aritméticas como mutações, recombinações e critérios de seleção dos melhores indivíduos até que um critério de convergência seja alcançado. O método da Evolução Diferencial foi desenvolvido como uma heurística para minimizar funções não diferenciáveis e foi aplicado a estruturas planas de treliças com diferentes níveis de danos.