Otimização multiobjetivo de outriggers em edifícios altos submetidos a cargas de vento

Abstract

Dentre os diversos sistemas estruturais empregados para mitigar a ação de cargas laterais em edifícios altos, o sistema conhecido como outrigger (OR) é um dos mais empregados e eficientes. O outrigger é um elemento horizontal rígido que possui a função de realizar a conexão entre o núcleo interno e as colunas perimetrais, acrescentando rigidez e capacidade de resistência lateral à estrutura. Outro elemento que pode ser adicionado a este sistema é o belt-truss (BT) que, ao unir as colunas perimetrais, auxilia a aumentar ainda mais ambos os aspectos citados. Em relação ao projeto de edifícios altos, existem dois critérios que são de extrema relevância à medida que a estrutura aumenta de altura: o máximo deslocamento lateral (MDL) e o momento na base do núcleo (MBN). A posição e a quantidade de ORs/ORs-BTs ao longo da altura afetam diretamente os critérios mencionados. Portanto, conhecer as localizações nas quais o sistema estrutural em estudo possui mais eficiência é uma maneira de contribuir ainda mais para a redução do MDL e do MBN. Ressalta-se que os dois critérios citados conduzem a resultados inversamente proporcionais, levando, assim, a serem objetivos conflitantes. Sendo assim, este trabalho tem por objetivo investigar uma metodologia para a determinação dos pavimentos ótimos ao implementar ORs/ORs-BTs ao longo da altura de um edifício alto para reduzir tanto o MDL da estrutura, quanto o MBN, de forma separada e conjunta. Além disso, analisa-se a influência destes elementos sobre outros critérios como, por exemplo, a máxima aceleração e as frequências naturais. Ao longo do trabalho: (a) verifica-se o comportamento da estrutura quando a relação de rigidez dos principais elementos do sistema de contraventamento (núcleo, colunas perimetrais, OR e BT) são variados; (b) são tratadas discussões sobre a programação com variáveis inteiras, robustez, custo computacional e as soluções ótimas obtidas. Para alcançar o objetivo, um modelo tridimensional de um edifício alto sob ação lateral de vento é analisado, empregando o método dos elementos finitos através do software comercial ANSYS. As otimizações mono e multiobjetivo foram resolvidas, respectivamente, pelo método Nelder-Mead modificado pelo autor e pela função de utilidade. Diante dos resultados, conclui-se que ao introduzir ORs/ORs-BTs em edifícios altos a influência na redução dos objetivos mencionados é extremamente relevante, podendo chegar a 68% para o MBN e 71% para o MDL, dependendo da quantidade que são empregados.

Among the several structural systems used to mitigate the action of lateral loads in tall buildings, the system known as outrigger (OR) is one of the most used and efficient. The outrigger is a rigid horizontal element that has the function of perform the connection between the inner core and the perimeter columns, adding stiffness and so lateral strength to the structure. Another element that can be added to this system is the belt-truss (BT) that, by uniting the perimeter columns, both aspects cited are improved. Regarding the design of tall buildings, there are two criteria that are extremely relevant as the structure height increases: maximum lateral drift (MLD) and core base moment (CBM). The position and number of ORs/ORs-BTs throughout the height directly affect both aforementioned criteria. Therefore, knowing the locations in which the structural system under study is most efficient is a way to minimize even more the MLD and CBM. On the other hand, each criterion can conduct to different OR optimal positions, thus leading to conflicting objectives. This work aims to investigate a methodology for determining the optimal ORs/ORs-BTs floors along the height of a tall building to reduce both the structure’s MLD and CBM, separately and jointly. In addition, the influence of these elements on other criteria, such as maximum acceleration and natural frequencies, is analyzed. Throughout the work: (a) the behavior of the structure is verified when the stiffness ratio of the main elements used in the bracing system (core, perimeter columns, OR and BT) are varied; (b) discussions on the integer programming, robustness, computational cost and obtained optimum solutions are dealt. In order to achieve this objective, a three-dimensional model of a tall building under lateral wind action is analyzed, using the finite element method through the commercial software ANSYS. The mono and multi-objective optimizations were solved, respectively, by Nelder-Mead method with author’s modifications and by utility function. Based on the results, it could be concluded that by introducing ORs/ORs-BTs in tall buildings, the influence on the reduction of the mentioned objectives is extremely relevant, reaching 68% for the MBN and 71% for the CDM, depending on the amount used.