Seismic approaches to design steel braced frames

Braced frames are a classical system in steel structures for resisting horizontal forces. They provide a high lateral stiffness but a lower ductility, different from moment resisting frames which provide a higher ductility but a lower lateral stiffness. Bracing is very popular with an application in almost all steel structures. It transfers the horizontal forces, such as wind and seismic loading, to the foundation. The focus of this dissertation is on the seismic loads. European and Italian provisions suggest both linear and non-linear methods for analyzing structures under seismic loading: 1. Linear methods: Lateral force method of analysis Modal response spectrum analysis 2. Non-linear methods: Non-linear static analysis (Pushover) Non-linear time history analysis In the general engineering practice, linear methods are used far more than nonlinear methods. Non-linear methods are more accurate but the application of linear methods is much simpler, making them very popular among engineers. In order to study those methods, different earthquake effects in several regions of Italy have been used. Response of structures under seismic loading is depended in many factors. For this reason it is difficult to describe their behavior. Eurocode 8 (EN 1998- 1) suggests that for regular structures, as it will be shown later on, it is possible to consider 2D models. The structure that will be analyzed and designed is a pipe rack structure. In the transversal direction it consists of moment resisting frames, whereas in the longitudinal direction the horizontal forces will be transfered through bracings. The focus will be on the frame containing the bracing, considering the equivalent mass transfered from the whole structure. The calculations will be performed with the finite element software SAP2000. After performing the calculations, the post-processing of the results will be carried out with Microsoft Excel. The aim of this thesis is to investigate the differences between the aforementioned approaches. Most important aspects that will be studied are internal actions, inter-story drift and safety index (SI). The obtained results and conclusions will be presented for each structure separately.

I telai rinforzati sono un sistema classico in strutture di acciaio per resistere alle forze orizzontali. Offrono un'elevata rigidità laterale ma una duttilità inferiore, diversa dai telai resistenti al momento che forniscono una maggiore duttilità ma una rigidità laterale inferiore. Il rinforzo è molto popolare con un'applicazione in quasi tutte le strutture in acciaio. Trasferisce le forze orizzontali, come il vento e il carico sismico, alle fondamenta. Il focus di questa tesi è sui carichi sismici. Le disposizioni europee e italiane suggeriscono metodi sia lineari che non lineari per analizzare le strutture sotto carico sismico: 1. Metodi lineari:    - Metodo di analisi della forza laterale    - Analisi dello spettro di risposta modale 2. Metodi non lineari:    - Analisi statica non lineare (pushover)    - Analisi della storia temporale non lineare Nella pratica ingegneristica generale, i metodi lineari sono usati molto più dei metodi non lineari. I metodi non lineari sono più accurati ma l'applicazione di metodi lineari è molto più semplice, rendendoli molto popolari tra gli ingegneri. Per studiare questi metodi sono stati usati diversi effetti sismici in diverse regioni d'Italia. La risposta delle strutture sotto carico sismico dipende da molti fattori. Per questo motivo è difficile descrivere il loro comportamento. L'Eurocodice 8 (EN 1998-1) suggerisce che per le strutture regolari, come verrà mostrato in seguito, è possibile prendere in considerazione i modelli 2D. La struttura che verrà analizzata e progettata è una struttura a rack di tubi. Nella direzione trasversale è costituito da telai resistenti al momento, mentre nella direzione longitudinale le forze orizzontali saranno trasferite attraverso controventi. Il focus sarà sul frame contenente il rinforzo, considerando la massa equivalente trasferita dall'intera struttura. I calcoli verranno eseguiti con il software agli elementi finiti SAP2000. Dopo aver eseguito i calcoli, la post-elaborazione dei risultati verrà eseguita con Microsoft Excel. Lo scopo di questa tesi è quello di investigare le differenze tra i suddetti approcci. Gli aspetti più importanti che verranno studiati sono le azioni interne, la deriva tra le storie e l'indice di sicurezza (SI). I risultati ottenuti e le conclusioni saranno presentati separatamente per ciascuna struttura.