Probability-based Serviceability Assessment of Tall Building

Probability-based Serviceability Assessment of Tall Building
Structures due to Extreme Wind Loads
(Valutazione Probabilistica degli Stati Limite di Servizio di Edifici Alti Soggetti a
Carichi da Vento)
Luca Caracoglia
Department of Civil and Environmental Engineering,
Northeastern University, Boston, Massachusetts, USA
Abstract: Wind engineering analyzes the wind-induced response of slender structures such as
high-rise buildings. These are large-period and low-damping structural systems, sensitive to
wind excitation, dynamic vibration and fluid-structure interaction.
In recent years, the research activities have been dedicated to the derivation of
methodologies for predicting the wind-induced response of tall buildings by taking into
consideration modeling and experimental measurement “errors”. These “errors” are
unavoidable since the loading is often evaluated experimentally by wind tunnel tests. Even
though modern experimental techniques have attained adequate levels of statistical confidence
(and sophistication), uncertainty loading analysis is still relevant for real applications,
especially for the interpretation of discrepancies, sometimes observed, between actual
structural vibration and numerical predictions.
The proposed probabilistic simulation methods are both analytical (stochastic calculus)
and numerical (Monte Carlo). Loading uncertainty is expressed either in the form of a
parametric random noise, for example applied to the parameters describing the wind
turbulence, or in the form of a perturbation error to the aerodynamic coefficients of the wind
loads. Error propagation is modeled as a “filtered process” as to replicate the main features of
the fluid-structure interaction.
The presentation will analyze recent simulation and experimental results aimed at the
analysis of serviceability performance of a benchmark tall building. The talk will discuss both
dynamic vibration of the main structure and performance of the building envelope
(nonstructural elements on the building façade) due to extreme wind loads. Observations will
also be provided in relation to potential avenues for future studies.
Sommario: La disciplina “ingegneria del vento” studia la risposta indotta dal vento su
strutture snelle come ad esempio gli edifici alti. Questi sono sistemi strutturali di lungo
periodo e di basso smorzamento strutturale, sensibili alle azioni del vento, soggetti a
vibrazioni dinamiche ed ad interazione fluido-struttura.
Negli ultimi anni, le attività di ricerca sono state concentrate sulla derivazione di
metodologie e modelli per la valutazione della risposta indotta dal vento di edifici alti che
prendessero in considerazione gli “errori” di modellazione e di misura sperimentale. Tali
“errori” sono inevitabili all’interno della procedura di valutazione strutturale, poiché i carichi
sono spesso valutati sperimentalmente attraverso prove in galleria del vento. Sebbene le
moderne tecniche sperimentali abbiano raggiunto livelli adeguati di confidenza statistica (e di
sofisticazione), la problema di un’accurata analisi d’incertezza sui carichi è tutt’ora
importante, specialmente per l’interpretazione delle differenze, talvolta osservate, fra la
vibrazione della struttura reale e le previsioni numeriche.
I metodi di simulazione probabilistici proposti sono sia analitici (calcolo stocastico) sia
numerici (Monte Carlo). L’incertezza nelle azioni del vento è espressa o in termini di errore
parametrico aleatorio, per esempio applicato ai parametri che descrivono la turbolenza del
vento, oppure attraverso un “errore di perturbazione” applicato ai coefficienti aerodinamici
dei carichi da vento. La propagazione dell’errore è modellata come un “processo filtrate” in
modo da replicare le proprietà principali dell’interazione fluido-struttura.
La presentazione analizzerà recenti risultati numerici e sperimentali, volti all’analisi degli
stati di servizio di un edificio alto di riferimento. La discussione verterà sia sulle vibrazioni
dinamiche della struttura principale sia sulle prestazioni del facciata “inviluppo” strutturale
(elementi non-strutturali), causate da vento forte. Infine, le osservazioni generali serviranno
da stimolo per l’introduzione di possibili sviluppi futuri di studio.
Bio-sketch: Luca Caracoglia is an Associate Professor in the Department of Civil and Environmental
Engineering of Northeastern University, Boston, Massachusetts, USA. He joined Northeastern
University in 2005. Prior to this appointment, he was a post-doctoral fellow in the Department of Civil
Engineering at Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland (USA) in 2001-2002 and a postdoctoral research associate in the Department of Civil and Environmental Engineering at the
University of Illinois (Urbana-Champaign, USA) in 2002-2004. He received his Ph.D. in Structural
Engineering from the University of Trieste, Italy in 2001. His interests are in structural dynamics,
random vibration, wind engineering, fluid-structure interaction of civil engineering structures, linear
and nonlinear cable network dynamics and wind-based energy harvesting systems. Luca Caracoglia
received the NSF-CAREER Award in 2009.
Biografia: Luca Caracoglia è attualmente professore associato nel Dipartimento di Ingegneria Civile
ed Ambientale della Northeastern University di Boston, Massachusetts, USA. E’ docente presso la
Northeastern University dal 2005 dopo essere stato assegnista di ricerca (post-dottorato) nel
Dipartimento di Ingegneria Civile della Johns Hopkins University, Baltimore, Maryland (USA) nel
periodo 2001-2002 e, successivamente, nel dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale della
University of Illinois (Urbana-Champaign, USA) nel periodo 2002-2004. E’ Dottore Di Ricerca in
ingegneria strutturale dal 2001 (Università di Trieste). I suoi interessi di ricerca sono nell’ambito della
dinamica strutturale, vibrazioni aleatorie, ingegneria del vento, interazione fluido-struttura applicate
alle strutture civili, dinamica dei cavi lineare e nonlineare e sistemi-apparati per la conversione
dell’energia eolica. Luca Caracoglia è stato insignito del premio di ricerca “NSF-CAREER Award”
per giovani ricercatori nel 2009.

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