A procedure for the assessment of the behaviour factor for steel moment resisting frame systems based on pushover curves

The purpose of this dissertation was to calculate/obtain the behaviour factor for steel moment resisting frame systems by means of re-analysis of a pushover curve which can be conveniently applied in everyday practice due to its simplicity. Presently, FEMA P-695 provides a procedure for the definition of the behaviour factor by re-analysis of the push over curve. In Europe, such a method is not yet proposed by EC8 and only ECCS provides some recommendations. Furthermore, the reference parameters to obtain the behaviour factor are defined by each code in a different way which results in a wide variety of possible choices and resulting output. In order to overcome this kind of problem, first, all possible definitions of the reference overstrength and ductility parameters which may be used for all types of structures will be discussed in this research. Then, standard re-analysis procedure of the results of the pushover analysis will be introduced. The influence of different choices of such parameters in the assessment of the behaviour factor will be investigated in 102 case studies of different composite steel-concrete MRF buildings, each designed with increasing values of the behaviour factor from 2.0 to 7.0. The case studies employ 96 conventional steel-concrete MRF buildings and 6 non-conventional MRF structures. Nonlinear static analysis (PushOver) is conducted for each type of structure to provide an estimate of overstrength and the ductility factor based on different possible selection of the reference parameters defined in the current seismic codes. The re-analysis of the obtained results is presented and discussed. On the other hand, the current structural design procedure, however, doesn’t assure that the “actual” behaviour factor (= the actual ductility of the structure) will coincide with the “assumed” one (= behaviour factor given by the codes), so that most of the time results in over-designing the structures. As a result, design engineers never tend to optimize their design using more advanced procedures, due to the complexity of these methods. This might be overcome through the definition of a new step in the design scenario before seismic analysis in order to identify the real behaviour factor based on the proposed methodology. In the same way, the initial construction cost of a building has been always an important parameter. The design optimization objective is to minimize the initial structural cost/weight. It is evident that the lower the actions in a structure, the less need for materials required for a V strength based design of the structure. But, it is not always so, due to other factors, such as the limits imposed by the codes and allowable inter-storey drift, which will prevent reduction of member’s sizes and stiffness. The current research will present a novel strategy for an optimal design of steel structures in high seismic zones through balancing the initial cost and the lifetime seismic damage. The investigation will be performed in order to explore the relationship between the expected initial material cost and the design behaviour factor. Incremental Dynamic Analysis is subsequently performed to obtain a refined representation of response throughout the desired range of seismic intensity measure. The so-called average spectral acceleration is used to illustrate the severity of the ground motions. The dynamic analysis results for the considered modes of failure are conveniently summarised into fragility functions, which are further convoluted with the seismic hazard function in order to derive the associated mean annual frequency of exceedance. Further the Ballio-Setti’s methodology is investigated to approve the behaviour factor obtained by means of re-analysis of the pushover curve. The results introduce an optimal method to define a consistent behaviour factor for moment resisting frame systems based on the re-analysis of the pushover curves. The results are also approved by the incremental dynamic analysis. Finally, a novel strategy for an optimal design of steel structures in high seismic zones through balancing the initial cost and the lifetime seismic damage is presented. Keywords: Behaviour Factor, Pushover, Nonlinear Analysis, Incremental Dynamic Analysis, MRF Systems and Behaviour Factor Assessment

Scopo di questa tesi è la valutazione del fattore di struttura (q-factor) per strutture a telaio in acciaio mediante una rielaborazione della curva pushover che possa essere convenientemente applicata nella pratica quotidiana grazie alla sua semplicità. Ad oggi, solo la normativa FEMA P-695 fornisce una procedura per la definizione del fattore q basata sulla rielaborazione della curva pushover. In Europa, un metodo simile non è previsto dalll'EC8, mentre l’ECCS fornisce solo alcune raccomandazioni in merito. Inoltre, le varie Normative antisismiche più recenti definiscono in modo differente i parametri di riferimento per la valutazione del fattore di struttura. Questo si traduce in un'ampia varietà di scelte possibili, che vengono lasciate al progettista; conseguenza di ciò è che, nella pratica progettuale, il q-factor per una stessa struttura può essere attualmente stimato in modo differente da differenti professionisti, a seconda della Normativa adottata e della combinazione dei parametri di riferimento scelti. Per superare questo problema, in questa ricerca verranno discusse tutte le possibili definizioni dei parametri di sovra-resistenza e duttilità, proposti da varie Normative, che possono essere utilizzati per vari tipi di strutture. Quindi, verrà introdotta una procedura standard di rielaborazione dei risultati dell'analisi pushover. L'influenza delle diverse scelte di tali parametri nella valutazione del fattore di comportamento è stata studiata in 102 casi di studio di diversi edifici con struttura intelaiata tipo MRF composta acciaio-calcestruzzo, ciascuno progettato con valori crescenti del fattore di struttura, da 2.0 a 7.0. I casi studio analizzati comprendono 96 edifici MRF a struttura acciaio-calcestruzzo convenzionale e 6 strutture MRF non convenzionali con collegamenti dissipativi / fusibili strutturali. L'analisi statica non lineare (PushOver) è stata condotta per le varie strutture, ottenendo, in funzione delle diverse possibili combinazioni dei parametri di riferimento, una stima della sovraresistenza e del fattore di duttilità. D'altro canto, la pratica corrente non assicura che il fattore di comportamento "effettivo" (= la duttilità effettiva della struttura) coinciderà con quello "assunto" in fase di progetto (= fattore di comportamento derivato dalle indicazioni di normativa). VII Ciò crea una serie di incertezze in merito al dimensionamento delle strutture, che potrebbero essere superate solo a patto di adottare metodi di progettazione avanzati, che sono molte volte incompatibili con la normale pratica progettuale, e che sono adatti esclusivamente a scopo scientifico. La proposta sviluppata in questo lavoro di tesi mira al superamento di tale situazione mediante una stima dell’effettivo valore del coefficiente di struttura da effettuarsi mediante un’analisi di push-over sul modello strutturale, a valle del dimensionamento per carichi gravitazionali, ma prima di eseguire l’analisi sismica. Ovviamente, l’individuazione della “combinazione ottimale” dei parametri di riferimento può essere effettuata solo sulla base di un confronto (in termini di q-factor) tra i risultati ottenibili con l’analisi semplificata (push-over) e quello “effettivo” della struttura stessa. Quest’ultimo valore di confronto, in questa tesi è stato ottenuto mediante una serie di Analisi Dinamiche Incrementali (IDA), considerando i possibili effetti non-lineari, in termini di comportamento dei materiali e di geometria delle strutture in esame. Dal confronto tra i risultati ottenuti mediante analisi push-over e IDA è stato possibile identificare il metodo di combinazione dei parametri di riferimento che porta ad una minimizzazione dell’errore in termini di fattore di struttura. Infine, viene presentata una nuova strategia per una progettazione ottimale delle strutture in acciaio in zone sismiche attraverso un bilanciamento tra costo iniziale e danno conseguente ad eventi sismici. Il costo iniziale di costruzione di un edificio è sempre stato un parametro importante. L'obiettivo di ottimizzazione del progetto è la minimizzazione del costo / peso strutturale iniziale. È evidente che minore sono le azioni che impegnano una struttura, minore è la “richiesta” in termini di sezioni portanti (=peso dei materiali) necessari secondo una progettazione in termini di resistenza. Altri fattori, quali ad esempio le limitazioni imposte dalla normativa agli spostamenti di interpiano, impediscono una riduzione delle dimensioni e della rigidezza delle membrature. L’ultima parte di questa tesi presenta una nuova strategia per una progettazione ottimale delle strutture in acciaio in zone ad elevata sismicità, attraverso un bilanciamento del costo iniziale e del danno sismico nel corso della vita utile. L'indagine verrà condotta al fine di esplorare la relazione tra il costo del materiale iniziale previsto e il fattore di struttura adottato in fase di progetto.