Industrial steel storage pallet racks under monotonic and seismic load and critical issues associated with base settlements

The research activities of the PhD are focused on the steel framed structures used for storing goods and products (i.e. pallet racks, cladding racks, drive- racks, shelving racks) under monotonic and seismic load, with attention also to the problem of the influence of the base settlements on the reduction of the load carrying capacity. Thesis activities are based mainly on numerical activities and experimental in-vestigations have been performed mainly for characterize the behavior of rack components. The main idea of the research is that the structural analysis of frames characterized by an extensive use of mono-symmetric members must be executed with advanced finite element formulation, and if beam element is considered, the 7th degree of freedom beam element must be used. In all chapters of the thesis are high-lighted the differences between classical analysis with 6DOFs beam element and the 7DOFs one. In detail, the first part is related to the monotonic load actions and a comparison between the design proce-dures prescribed by the European (EU) and United Stated (US) Standards is made. In particular, an ex-tensive parametric analysis on configuration of interest for the routine design of racks is presented by comparing 4 EU and 2 US approaches in terms of load carrying capacity of the frames. Furthermore, on the same racks configurations also the influence of base settlements on the load carrying capacity have been investigated. It has been assumed that racks are located in the second floor of a building and also for this investigation a parametric analysis have been performed by varying the position of the rack on the slab and the length of the slab. Moreover, if seismic analysis is considered, the Modal Response Analysis method and the use of the behavior (q) factor is deeply discussed and a more reliable innovative approach based on the Non-Linear Time History analysis is proposed paying the attention also to the problem of the low cycle fatigue (LCF) of the joints. The results lead from these two approaches, in term of load carrying capacity, are discussed and compared one another. Finallu Appendix A and B propose two complete and detailed benchmarks in order to permit the valida-tion of the beam formulation and of the monotonic and seismic design procedures.

Le attività di ricerca riassunte in questa tesi di Dottorato, sono incentrate sulle strutture metalliche utilizzate per lo stoccaggio di merci e prodotti (scaffalature porta-pallet, autoportanti, drive-in ....) sotto carico statico e sismico, con particolare attenzione anche al problema dell'influenza dei cedimenti di base sulla riduzione della capacità portante. Le attività sintetizzate e riportate sono principalmente di tipo numerico, tuttavia, sono state condotte indagini sperimentali negli anni di ricerca, volte a caratterizzare il comportamento delle principali componenti di queste strutture. Il filo conduttore della ricerca è che l'analisi strutturale di strutture caratterizzate da un ampio uso di elementi mono-simmetrici deve essere necessariamente eseguita con una formulazione agli elementi finiti avanzata e, se si considera l'elemento di tipo trave, si deve utilizzare l'elemento avente 7 gradi di libertà (GDL) per nodo. In tutti i capitoli della tesi sono evidenziate le differenze tra l'analisi classica con l'elemento trave a 6GDL e quello a 7GDL. In dettaglio, la prima parte della tesi è relativa alle azioni di carico in campo statico e viene effettuato un confronto tra le procedure di progettazione prescritte dalle norme europee (EU) e da quelle in vigore negli Stati Uniti d'America (US). In particolare, viene presentata una estesa analisi parametrica su configurazioni di interesse per la progettazione, confrontando la capacità portante ottenuta applicando 4 approcci prescritti nella normativa EU e 2 presenti nella norma US. Questi confronti hanno permesso di indagare l'influenza della lunghezza libera di inflessione sulla capacità portante di strutture non controventate. Inoltre, sulle stesse configurazioni di scaffalature è stata studiata anche l'influenza dei cedimenti di base sulla capacità portante. A tal scopo è stato ipotizzato che le scaffalature siano situate al secondo piano di un edificio industriale e si è eseguita un'analisi parametrica variando, tra le altre cose, anche la posizione degli scaffali sul solaio e la lunghezza del solaio stesso. Infine, se si considera l'analisi sismica, il metodo della Analisi Modale a Spettro di Risposta abbinato all'uso del fattore di struttura (q) viene illustrato in dettaglio e applicato, confrontando i risultati ottenuti, in termini di capacità portante dei telai, con un approccio innovativo e affidabile, basato sul metodo dell'analisi non lineare nel tempo, prestando attenzione anche al problema della fatica a basso numero di cicli delle connessioni. Infine le Appendici A e B propongono due benchmark completi e dettagliati al fine di consentire la validazione della formulazione dell'elemento trave utilizzato nel lavoro e delle procedure proposte di progettazione sia in campo statico che sismico.