Seismic retrofitting of precast frame structures by monolateral dissipative bracing

Precast concrete frame structures are widely used across the globe due to their large number of benefits. Although newly built precast structures are designed according to seismic codes requirements, most of the built stock in Italy and in other countries was not designed and detailed considering the seismic action effects. In recent earthquakes, it has been observed a poor structural performance of existing precast frame buildings causing human and economic losses. Thus, their seismic retrofit is a main challenge for the Engineering Community. In this research, an innovative seismic retrofitting technique based on ‘tension-only’ dissipative bracings is introduced. These devices dissipate energy through friction or plasticization in tension only, while they allow free deformation in compression. This feature makes them particularly suitable for precast industrial buildings, needing long-span bracings, which would make the application of alternative dissipative bracing techniques impossible or economically unviable due to buckling. This work is aimed at investigating the structural efficacy of such innovative devices on the seismic performance of the retrofitted structure. However, their structural behavior is highly non-linear since small displacements. Thus, traditional design approaches based on equivalent linear dynamic analysis can hardly been employed, since there is no information about the behavior factor which could correspond to the retrofitted structural assembly. Also, since the behavior is highly non-linear, a linear approach introduces relevant inaccuracies in the determination of the seismic response. Given non-linear static analysis (Pushover) is not useful for the direct determination of the seismic structural performance, nonlinear dynamic analysis (Time-History) appears to be the only viable approach. However, this type of analysis is complex and time-consuming, which suggests its use for check rather than design. The simplified ‘Capacity Spectrum Method’ (CSM) has been employed in this work for the global framing of the structural behavior of the highly nonlinear innovative structures under seismic actions. CSM was selected since the seismic performance is directly evaluable without the need of calibration of codified factors, which makes this method general. A numerical tool has been set to automatically apply the CSM based on the definition of few parameters which govern the seismic response of precast frame structures: (a) height of column, (b) size of the column, (c) steel ratio, (d) grid size, (e) PGA, and (f) device threshold capacity. This method is straight forwarding and can immediately provide response of a highly nonlinear structure in terms of maximum displacement and maximum shear force. The efficacy of the CSM is first critically analyzed through the comparison of the method outcomes against the results of a set of nonlinear dynamic analyses. After partial validation, a wide parametric investigation is carried out considering the effects of each of the above-cited influencing parameters over the seismic performance of precast frame structures, identifying which are crucial. A smart simplified design process aimed at framing the most efficient threshold slip/yield load of the device given an existing structural configuration is presented with the application of the CSM through the identification of the most efficient performance indicator related to either displacement, shear force, equivalent dissipation of energy or a combination of them.

Le strutture prefabbricate in calcestruzzo sono ampiamente utilizzate in tutto il mondo a causa di numerosi vantaggi. Sebbene le strutture prefabbricate di nuova costruzione siano progettate in base ai requisiti dei codici sismici, la maggior parte degli edifici presenti in Italia e in altri paesi non è stata progettata e dettagliata tenendo in conto gli effetti dell'azione sismica. Negli ultimi terremoti sono stati osservati comportamenti strutturali inadeguati di alcuni edifici prefabbricati esistenti che hanno causato perdite umane ed economiche. Pertanto, il loro adeguamento sismico è una sfida di fondamentale importanza per la comunità ingegneristica. In questa ricerca, viene introdotta un'innovativa tecnica di adeguamento/miglioramento sismico basata su controventi dissipativi monolateri. Questi dispositivi dissipano energia per attrito o plasticizzazione solo in trazione, mentre consentono libera deformazione in compressione. Questa caratteristica li rende particolarmente adatti per edifici industriali prefabbricati, che necessitano di controventi di luce rilevante, il che renderebbe impossibile l'applicazione di tecniche di controventatura dissipativa "tradizionale" come BRB. Questo lavoro ha lo scopo di studiare l'efficacia strutturale di tali dispositivi innovativi sulle prestazioni sismiche della struttura adeguata. Tuttavia, il loro comportamento strutturale è altamente non lineare sin da piccoli spostamenti. Pertanto, difficilmente possono essere impiegati approcci di progettazione tradizionali basati su analisi dinamiche lineari equivalenti, poiché non vi sono informazioni sul fattore di comportamento da associare all'assieme strutturale adeguato. Inoltre, un approccio lineare introduce inesattezze rilevanti nella determinazione della risposta sismica di sistemi che si comportano in modo fortemente non lineare. Dato che l'analisi statica non lineare (Pushover) non è utile per la determinazione diretta della prestazione sismica strutturale, l'analisi dinamica non lineare al passo appare l'unico approccio praticabile. Tuttavia, questo tipo di analisi è complessa e richiede tempo, il che suggerisce il suo utilizzo per la verifica strutturale piuttosto che per la progettazione. Il "Metodo dello spettro di capacità" (CSM) semplificato è stato impiegato in questo lavoro per la definizione globale del comportamento strutturale delle strutture innovative altamente non lineari sotto azioni sismiche. Il CSM è stato selezionato poiché le prestazioni sismiche sono direttamente valutabili senza la necessità di calibrazione, il che rende questo metodo generale. È stato impostato uno strumento numerico per applicare automaticamente il CSM in base alla definizione di alcuni parametri che regolano la risposta sismica delle strutture prefabbricate del telaio: (a) altezza della colonna, (b) dimensione della colonna, (c) rapporto dell'acciaio (d) dimensione della griglia, (e) PGA e (f) capacità soglia del dispositivo. Questo metodo semplificato è diretto e può fornire immediatamente la risposta di una struttura altamente non lineare in termini di spostamento massimo e forza di taglio massima. L'efficacia del CSM viene prima analizzata criticamente attraverso il confronto dei risultati del metodo con quelli di una serie di analisi dinamiche non lineari. Dopo una parziale convalida, viene condotta un'ampia indagine parametrica considerando gli effetti di ciascuno dei parametri di influenza sopra citati sulle prestazioni sismiche delle strutture prefabbricate del telaio, identificando quali sono cruciali. Un metodo di progettazione semplificata volto a inquadrare il più efficiente carico di scorrimento / snervamento del dispositivo data una configurazione strutturale esistente viene quindi presentato con l'applicazione del CSM attraverso la minimizzazione di indicatori di prestazione correlati a spostamento, forza di taglio, dissipazione equivalente di energia o una loro combinazione.