Seismic performance of precast structures with dissipative cladding panel connections

The inadequate seismic behaviour of the cladding panel connections of precast structures and the consequent failures occurred under recent earthquakes in Southern Europe showed that a revision of the technology and design philosophies adopted for this type of systems is necessary. To solve this problem, a general framework for the seismic design of precast structures based on innovative fastening systems of the cladding panels is proposed. In this framework, the stability of the cladding panels under seismic action is ensured by means of a dissipative system of connections in between the panels that allows to control the level of forces and to limit the displacements. The proposed connection systems consist of friction-based or plasticity-based devices inserted in between panels, that are connected to the structure through a statically determined arrangement. In this way, the panel-to-panel connections lead the cladding panels to become integral part of the whole façade, making it much stiffer up to the limit force associated with the friction threshold or yielding of the devices. Plasticity-based dissipative connectors to be inserted between columns and panels are also proposed and investigated. The technological aspects and design choices of materials and shapes leading to a stable hysteretic behaviour of the dissipative devices are discussed and subjected to experimental verification at Politecnico di Milano by means of monotonic and cyclic tests carried out on single devices, as well as on full scale two-panel structural sub-assemblies with dissipative connections. The silicone sealant, that is generally interposed in between the panels, is also mechanically characterised through experimental testing. Design guidelines for single devices are derived based on the interpretation of the experimental results. Capacity design procedures for structural sub-assemblies and systems are also developed based on the mechanical characteristics of the dissipative connectors. The efficiency of the proposed approach is demonstrated by means of non-linear dynamic analyses of typical precast frame-panel structural systems, as well as through a further experimental campaign carried out at ELSA Laboratory of the Joint Research Centre of the European Commission on a full-scale prototype of a precast building with cladding panels. This experimental program includes pseudo-dynamic and cyclic tests on structural assemblies provided with vertical and horizontal panels and different types of connection systems, including the friction-based panel-to-panel dissipative connections tested at Politecnico di Milano. Numerical simulation of the pseudo-dynamic and cyclic tests is performed to calibrate the modelling criteria provided in the design guidelines and to validate simplified procedures for the estimation of the maximum drift attained during a seismic event. The role of the diaphragm action on the efficiency of the proposed connection systems is finally investigated by means of dynamic nonlinear analyses carried out on a set of precast buildings with different plan geometry and distribution of the earthquake-resisting system. The results confirm the remarkable improvement of the seismic performance of precast structures based on the beneficial effects of dissipative cladding connections, which can provide suitable energy dissipation capacity and limit forces and displacements when the effectiveness of the horizontal diaphragms is ensured.

L’inadeguato comportamento sismico delle connessioni dei pannelli di parete delle strutture prefabbricate e i conseguenti fenomeni di collasso che si sono verificati durante recenti eventi sismici in Europa meridionale evidenziano la necessità di una revisione delle metodologie di progetto e delle tecnologie realizzative di tali sistemi. In questo lavoro si propone una soluzione del problema attraverso una nuova impostazione della progettazione sismica di strutture prefabbricate basata sull’impiego di sistemi innovativi di connessione dei pannelli di parete. In tale impostazione, la stabilità sotto sisma dei pannelli viene garantita mediante un sistema di connessioni dissipative che consente il controllo di forze e spostamenti. Si tratta di semplici dispositivi metallici con funzionamento ad attrito o a comportamento plastico da inserire nei giunti tra i pannelli, che sono vincolati alla struttura con un assetto isostatico. Con l’introduzione dei dispositivi si ottiene l’integrazione dei pannelli nel sistema sismo-resistente, che presenta quindi una elevata rigidezza fino al raggiungimento della soglia di attrito o del limite di snervamento dei dispositivi stessi. Nella tesi vengono inoltre proposte e studiate connessioni dissipative da inserire tra pannelli e pilastri. Si presentano le scelte tecnologiche di materiali e forme che assicurano un efficace comportamento isteretico dei dispositivi e si mostrano i risultati di una campagna sperimentale svolta presso il Politecnico di Milano con prove monotone e cicliche sia su singoli connettori, sia su sottoinsiemi strutturali costituiti da due pannelli in scala reale. Nell’ambito di tale campagna vengono svolte prove sperimentali anche per studiare le caratteristiche meccaniche dei sigillanti siliconici generalmente interposti tra i pannelli. Sulla base dei risultati sperimentali vengono quindi definite delle linee guida di progetto sia per i singoli dispositivi di connessione, sia per assiemi strutturali di pannelli mediante criteri di gerarchia delle resistenze. L’efficacia dell’approccio proposto viene mostrata sia con analisi dinamiche non lineari di strutture telaio-pannelli, sia con ulteriori prove sperimentali svolte presso il laboratorio ELSA del Centro Comune di Ricerca della Commissione Europea su un prototipo in scala reale di un edificio prefabbricato con pannelli di parete. Il programma sperimentale comprende prove pseudo-dinamiche e cicliche su assiemi strutturali con pannelli verticali e orizzontali e differenti sistemi di connessione dei pannelli, tra cui i connettori dissipativi ad attrito studiati al Politecnico di Milano. La simulazione numerica delle prove pseudo-dinamiche e cicliche consente inoltre di validare i criteri di modellazione proposti nelle linee guida e le procedure per la stima degli spostamenti massimi attesi. Il lavoro si conclude con lo studio del ruolo dei diaframmi di piano sull’efficienza del sistema di connessione proposto, svolto mediante analisi dinamiche non lineari di edifici prefabbricati con diversa geometria e distribuzione del sistema sismo-resistente. I risultati delle analisi confermano il significativo miglioramento delle prestazioni sismiche di strutture prefabbricate con sistemi di connessioni dissipative, che con una efficace azione diaframma possono conferire una elevata capacità di dissipazione e limitare in modo significativo l’entità di forze e spostamenti.