Steel-concrete composite multi-storey buildings with dissipative devices

Earthquakes are catastrophic events that frequently cause severe consequences in terms of both human lives and structural damages. The project philosophy of Capacity Design, to which the modern seismic codes are based on, has the aim to avoid mechanisms of global collapse of the structures, thus preserving human lives, and to reduce the damages of the structural elements, but the repair work is often too expensive and difficult or sometimes impossible due to practical problems. This last need led to the FUSEIS and the INERD research projects that have introduced innovative types of dissipative devices for conventional moment resisting steel-concrete composite frames and for concentrically braced steel frames respectively. After strong seismic events, the inelastic deformations are concentrated mainly in these replaceable dissipative devices while the main structural elements show no significant damages. The seismic behaviour of these devices was assessed experimentally during the FUSEIS and INERD research projects and the results have satisfied the desired purposes; these represent the starting point for the creation of the numerical models presented in this study. Three steps can be distinguished: (1) the behaviour of the type-2 fuse device from FUSEIS project have been studied firstly by a nonlinear cyclic analysis of the numerical model reproducing the experimental frame test with dissipative devices; then a nonlinear dynamic analysis was conducted on a multilevel 2D steel-concrete composite frame both with and without dissipative fuses. (2) The performance of the pin type device from INERD project was assessed by mean of nonlinear cyclic analysis conducted on the numerical model of a concentrically braced steel frame experimentally tested. (3) The last step is concerning the investigation of the seismic behaviour of a 3D building model, which includes the previous 2D frames. Some nonlinear dynamic analysis were performed with artificial and original accelerograms. The results confirm that the dissipative devices play a fundamental role in preserving structural members, which remain mostly elastic, while they concentrate the inelastic deformations.

I terremoti sono eventi catastrofici che frequentemente determinano gravi conseguenze sia in termini di perdita di vite umane che di danno strutturale. La filosofia progettuale del Capacity Design, cui fanno riferimento le moderne normative sismiche, ha lo scopo di impedire il collasso dei sistemi strutturali, preservando quindi la sicurezza di coloro i quali ne usufruiscono, e di ridurne altresì il danneggiamento; tuttavia eventuali interventi strutturali di ripristino risultano spesso economicamente e operativamente onerosi se non addirittura impossibili. Quest’ultimo aspetto ha costituito l’ambito di ricerca dei progetti FUSEIS ed INERD, finalizzati allo sviluppo di nuovi dispositivi atti alla dissipazione dell’energia sismica, destinati rispettivamente a telai composti acciaio-calcestruzzo momento-resistenti e telai in acciaio con controventi concentrici. In caso di eventi sismici intensi, ci si aspetta che le deformazioni plastiche si concentrino in questi dispositivi e che gli elementi strutturali non presentino danni significativi. Il comportamento dei dispositivi è stato valutato sperimentalmente durante i progetti di ricerca FUSEIS e INERD i cui risultati hanno soddisfatto gli obiettivi prefissati. Tali risultati costituiscono il punto di partenza per i modelli numerici contenuti nel presente lavoro. Si distinguono tre fasi: (1) Studio del comportamento del dispositivo FUSEIS 2 attraverso analisi cicliche non lineari sul modello numerico del telaio sperimentale dotato di fusibili dissipativi e analisi dinamiche non lineari su telai composti acciaio-calcestruzzo multipiano con e senza fusibili. (2) Studio del comportamento del dispositivo INERD a perno mediante analisi cicliche non lineari sul modello numerico del telaio in acciaio con controventi concentrici testato sperimentalmente. (3) Studio del comportamento sismico del modello di un edificio 3D, costituito dai telai 2D di cui sopra, attraverso analisi dinamiche non lineari con accelerogrammi originali e artificiali. I risultati confermano che tali dispositivi assolvono una funzione fondamentale per la protezione sismica degli elementi strutturali, che rimangono essenzialmente in campo elastico.