A new design approach for concentrically braced frames in moderate seismicity

Concentrically braced frame (CBF) configuration is very effective for resisting horizontal loads. Under earthquake actions, its high lateral strength and stiffness provide an abundant safety for steel buildings. In order to maximize the performance of CBF buildings under strong earthquakes, extensive research has already been conducted. Indeed, current European Codes have quite advanced ductility rules for CBF structures. However, although these structures are very popular in the moderate seismicity regions of Europe, in this context, the building codes do not provide specific design requirements. In the moderate seismicity context, engineers have to choose between a “non-dissipative” method neglecting all seismic provisions, and a “high-dissipative” one, applying its complex and expensive ductility requirements. Currently the preferred method is the former one, because of its simplicity. Such a choice may lead on one side to oversized profiles that are unduly expensive, on the other side to unsafe solutions with significant life-safety consequences due to the unpredictable nature of the regions characterized by moderate seismicity, where rare but strong earthquakes are foreseeable. On the other hand, enforcing engineers to apply strict “high-dissipative” rules seem too conservative for this case, which would result in over-safe, but uneconomic structures. Considering that CBF systems are the most common configurations in the European steel construction market, such a situation gives rise to the need of an optimized design, with specific rules more compatible with the buildings located in areas prone to moderate earthquakes. This thesis proposes a new approach for the moderate seismicity design of CBF structures, aiming to satisfy both economy and safety criteria. The proposed approach is based on the exploitation of the three features of CBF systems, whose knowledge is not yet sufficient to use them as reliable sources in the design: “frame action provided by gusset plates”, “contribution of compression diagonal and its post-buckling strength and stiffness”, and “energy dissipation capacity of non-ductile bracing joint connections”. The thesis investigates these aspects by means of full scale experimental tests, and numerical analysis with incremental dynamic analysis method. As a result of the experimental and numerical studies, it provides new design recommendations, and presents economic comparisons between the buildings designed with current Eurocode approach and the proposed one.

Le strutture a telaio con controventi concentrici (CBF) sono sistemi strutturali altamente efficaci per resistere alle forze orizzontali. Sotto azioni sismiche, la loro elevata resistenza e rigidezza possono fornire una adeguata sicurezza agli edifici con strutture in acciaio. Al fine di massimizzare le prestazioni di questa tipologia strutturale nelle regioni ad alta sismicità, sono state già condotte numerose ricerche. In effetti, sulla base dei risultati di queste ricerche, le attuali normative Europee hanno stabilito regole molto avanzate per la progettazione in capacità delle strutture CBF in zone ad alta sismicità. Tuttavia, anche se i CBF sono diffusamente utilizzati nelle regioni Europee a moderata sismicità, in tale contesto, le normative attuali non forniscono una linea guida specifica. Nel caso di moderata sismicità, le normative attuali forniscono essenzialmente due principi per la progettazione: il principio del comportamento strutturale poco dissipativo con il metodo di bassa duttilità (DCL) e una serie di regole semplificate, di fatto trascurando tutte le disposizioni anti-sismiche, oppure il principio del comportamento strutturale dissipativo con il metodo di media duttilità (DCM), applicando tutte le complesse e costose regole della progettazione in capacità. Attualmente il principio preferito dagli ingegneri è il primo, per via della sua semplicità. Tale scelta da un lato può portare ad un sistema strutturale con profili eccessivamente sovradimensionati, aumentando i costi della struttura, dall'altro lato può portare a soluzioni con una sicurezza ridotta e potenziali conseguenze catastrofiche in termini di perdita di vite umane a causa della natura imprevedibile delle azioni sismiche. Infatti anche in regioni caratterizzate da moderata sismicità, terremoti forti sono in realtà possibili. D'altra parte, costringere gli ingegneri ad applicare le regole di progettazione severe per tenere in conto il comportamento dissipativo delle strutture sarebbe troppo conservativo e potrebbe portare a strutture dimensionate a favore di sicurezza ma ancora non economiche. Considerando che i sistemi CBF sono le configurazioni più diffuse nel mercato Europeo delle strutture in acciaio, tale situazione richiede la necessità di un approccio ottimizzato, con regole specifiche compatibili con il comportamento strutturale degli edifici situati nelle zone a moderata sismicità. Questa tesi propone un nuovo approccio di progettazione per le strutture con controventi concentrici in zone a moderata sismicità, con l’obiettivo di ottimizzare i costi della struttura garantendo comunque un livello di sicurezza ottimale, allineato con quello richiesto dalle normative. L’approccio proposto nella tesi si basa sullo sfruttamento delle tre caratteristiche intrinseche dei sistemi CBF, la cui conoscenza non è stata finora considerata sufficiente per considerarle, a livello normativo quali risorse attendibili in fase di progetto: i) il contributo dei nodi del telaio e ii) quello delle diagonali compresse alla rigidezza e alla resistenza nelle fasi precedenti e successive allo snervamento, iii) la capacità dissipativa dei giunti di collegamento dei controventi non progettati secondo progettazione in capacità. Durante lo svolgimento della tesi, questi aspetti sono stati studiati mediante prove sperimentali su campioni in scala reale e analisi numeriche con il metodo dell’analisi dinamica incrementale. Infine la tesi propone delle regole di progettazione in zona a moderata sismicità e fornisce confronti economici tra le strutture progettate secondo le regole previste dalle norme attuali e quelle progettate secondo il nuovo approccio.