Performance-based seismic design of tall buildings by means of dynamic non-linear time-history analysis

This thesis aims at performing a non-linear time-history analysis on a tall building in the view of the Performance-Based Seismic Design. In a first phase, the dynamics theoretical background of such a complex structure has been studied as well as the different seismic design approaches. In a second phase, a non-linear modelling study has been made to understand which are the material and geometrical characteristics that would give rise to a non-linear behaviour of the structure. The constitutive laws have been included in the model, looking both at the single material constitutive laws and at the global hysteresis of the reinforced concrete as a whole. Moreover, two possibilities to model the material non-linearities have been examined: the Skeleton model with inelastic hinges and the Fibre model with a section fibre division. A specific research has been carried out to understand how the frequency content of the seismic excitation can influence the building response; in particular, three accelerograms have always been used to perform the time-history analysis and the maximum results among the three of them have been reported. A further in-depth study has been made to understand the expected damage mechanisms of a RC building so that the time-history outputs can be interpreted with a greater awareness. The tall building considered as the case study has been the tower of Palazzo Regione Lombardia, in Milan, of which plenty of information about the construction details and vibration tests were available. Both a linear and non-linear model have been implemented, carefully considering the geometries and reinforcement really present on the structure. In order to validate the linear model, a modal analysis has been performed and the results have been compared with the experimental ones. Later, the non-linear model of a Skeleton Type has been built, setting the hysteretic constitutive laws for the elements according to their dimensions and acting loads. Two scenarios have been considered for the THNL analysis, a low seismicity one related to Milan and a high seismicity one relative to Naples. The differences in the linear and non-linear behaviour of the structure respectively in the two cases have been highlighted, in terms of deformations and resistances. Moreover, in order to understand the pattern of deformations of the tall building at increasing seismic intensities a single-record Incremental Dynamic Analysis has been performed. In the end, the failure damages of the building have been distinguished and also the real behaviour factor q has been estimated, thanks to the IDA curve. Some critical observations on the regulation elastic approach has been made on the base of the results obtained with the non-linear approach. As last, specific verifications according to the PBSD have been carried out highlighting favourable and unfavourable behaviours of the structure related to construction details and human perception requirements.

Lo scopo di questa tesi è compiere uno studio sugli edifici alti mediante analisi non lineare nel tempo nell’ottica del Performance-Based Seismic Design. Vi è stata la necessità di sperimentare nuove metodologie, raccomandate dalle più aggiornate pubblicazioni specialistiche, e rilevarne le peculiarità. Lo studio si è svolto adottando come caso applicativo un edificio iconico del panorama milanese, la torre del Palazzo della Regione Lombardia. Le prerogative dell’analisi non lineare nel tempo sono state applicate su di essa per ottenere informazioni avanzate sulle sue caratteristiche. Il caso studio è stato scelto per le sue caratteristiche di regolarità e perché su di esso erano disponibili un gran numero di informazioni sulla sua geometria e la sua statica. Questa struttura, inoltre, è stata oggetto di specifiche sperimentazioni dinamiche che hanno dato informazioni sulle sue caratteristiche modali e dissipative. Di esso sono stati implementati un modello lineare e uno non lineare, sono state considerate le reali geometrie e resistenze della struttura, mentre le rigidezze sono state definite affinché il modello avesse frequenze rispondenti a quelle rilevate. Il documento è suddiviso in due parti. Nella prima è stata fornita una base teorica sui concetti complessi trattati riguardo la sismica, la dinamica, la meccanica e sugli approcci al problema. In particolare, vengono ben spiegate le caratteristiche della non linearità strutturale, del materiale e geometrica. La seconda parte si concentra sull’implementazione di questi concetti nella modellazione ad elementi finiti; sono state esaminate le peculiarità della modellazione a inelasticità concentrate e continue, mediante fibre. Una ricerca specifica è stata fatta sulla modellazione dell’eccitazione sismica, su come questa possa influenzare la risposta. Il modello è stato testato in diversi scenari di sismicità e con differenti approcci tra cui l’Incremental Dynamic Analysis mediante il quale è stato possibile identificare l’intensità di azione sismica che conduce l’edificio a danni strutturali e valutare il suo fattore di struttura. Osservazioni critiche sull’approccio elastico di progetto da normativa sono state presentate sulla base dei risultati ottenuti con l’approccio non lineare. In ultimo, verifiche specifiche in accordo con il Performance-Based Seismic Design sono state portate a termine evidenziando comportamenti della struttura favorevoli e non, nei confronti di limiti deformativi per salvaguardare elementi non strutturali e relativi alla percezione umana.