Energy dissipative and self-centering fuseis devices for seismic-resistant steel column bases on a prototype building

This thesis investigates the performance of column bases in a simple moment resisting frame (MRF) steel structure case study compared to the same structure but with the use of partial-strength low-damage self-centring steel column base in a in order to avoid high damages to the column section and to reduce cost repair for owners and insurers after a seismic event. In the last years, developed technology in the steel systems have brought to overcome the problem of collapse in almost all (well designed) moment resisting frame (MRF) steel structure after a seismic event. Even though such technology provides great advantages in terms of lives saved, the same could not be said for the huge repair cost deriving by the failure of the structural connections and buckling of the profile sections. In fact, MRFs are designed to undergo significant inelastic deformations under strong earthquakes, that result in damage of structural members and residual inter-story drifts, which lead to high repair costs and disruption of the building use or occupation. That’s why in the last years has been highlighted the need for implementation of minimal-damage structures, which can reduce both repair costs and inactivity. These earthquake-resilient steel frames, such as self-centring frames (SC-MRFs) or frames with passive energy dissipation devices, have been extensively studied during the last years, focusing mainly on the beam-to-column connections, that are the designed points where the firsts plastic hinges are formed. Instead, our intent is to focus on the column bases, that are generally designed in seismic-resistant steel frames as full-strength to ensure that plastic hinges develop in the bottom end of the first-story columns. Alternatively, column bases may be designed as partial strength and dissipate energy through inelastic deformations in their main components (i.e., base plate, steel anchor rods, etc.). Both design philosophies result in difficult-to-repair damage and residual drifts. Moreover, the second design philosophy results in complex hysteretic behaviour with strength and stiffness deterioration.

Questa tesi analizza le prestazioni di una colonna di base danno in un caso studio in una semplice struttura d'acciaio a telaio resistente a momento (MRF) paragonata alla stessa struttura ma con l’utilizzo di colonne di base autocentranti a parziale ripristino e a basso danno al fine di evitare danni elevati alla sezione della colonna e di ridurre i costi di riparazione per i proprietari e assicuratori dopo un evento sismico. Negli ultimi anni, una sempre più sviluppata tecnologia negli edifici in acciaio ha portato a superare il problema del collasso in quasi tutte le strutture in acciaio (ben progettata) a telaio resistente a momento (MRF) dopo un evento sismico. Anche se tale tecnologia offre grandi vantaggi in termini di vite salvate, lo stesso non si può dire per l'enorme costo di riparazione derivante dal danneggiamento delle connessioni strutturali e dall'instabilizzazione delle sezioni dei profili in acciaio. In effetti, i telai resistenti a momento sono progettati per subire deformazioni inelastiche significative in seguito a forti terremoti, che provocano danni agli elementi strutturali e residui spostamenti interpiano, che comportano elevati costi di riparazione e interruzione dell'uso o dell'occupazione dell'edificio. Ecco perché negli ultimi anni è stata evidenziata la necessità di implementare strutture a danno minimo (se non nullo), che possono ridurre sia i costi di riparazione che i costi derivanti dall'inagibilità dell’edificio. Questi telai in acciaio resilienti ai terremoti, come i telai autocentranti (SC-MRF) o i telai con dispositivi passivi di dissipazione dell'energia, sono stati ampiamente studiati negli ultimi anni, concentrandosi principalmente sui nodi della trave-colonna, ovvero i punti designati dove si formano le prime cerniere plastiche. Invece, il nostro intento è di concentrarsi sulle basi delle colonne, che nei telai in acciaio resistenti al sisma sono generalmente progettate come connessioni a completo ripristino per garantire che le cerniere plastiche si sviluppino nella parte inferiore delle colonne del piano terra. In alternativa, le basi delle colonne possono essere progettate come connessioni a parziale ripristino e dissipare energia attraverso deformazioni inelastiche nei loro componenti principali (come la piastra di fondazione, le barre di ancoraggio in acciaio, ecc.). Entrambe le filosofie progettuali si traducono in danni difficili da riparare e residui spostamenti interpiano. Inoltre, la seconda filosofia progettuale si traduce in un comportamento isteretico complesso con il deterioramento della forza e della rigidità.