Design of an R.C. building according to static, dynamic and robustness approaches

Structural robustness is one of the hottest and challenging topics on which the scientific community is directing its interest and effort. Since the early ‘40s, interest on this topic starts to become real, but it is close to the ’70, because of the collapse of the Ronan Point Apartment Tower in London (1968), that the scientific community starts developing a proper movement of thought on this issue. Structural robustness of buildings is a desirable property of the structural system, to be achieved in order to face an accidental event, preventing its progressive and/or disproportionate collapse. This property can be seen as an ability of the structural system. In the last fifty years, especially from the beginning of the XXI century, the issue of progressive collapse has been largely studied, in particular about the progressive collapse in multi-storey buildings. Nevertheless, the actual state of the art is not at a so advanced stage to be able to provide guidelines based on a strong theoretical support, since the structural response on a localised failure, is not yet completely understood. For these reasons, nowadays codes contain provisions and recommendations, rather than indications based on a proper consciousness on the issue. Codes and guidelines, according to the actual state of the art, share in common some recognised deterministic method (Tying, Alternative Load Path, Key Elements) and some of them start to introduce some “risk-based approach”. According to European codes, EN1991-1-7 concept of “Notional Removal” is introduced. This approach is a design strategy based on the removal of a structural element at a time. After these removals, the structural system is allowed to suffer only localised failure, so the aim is to avoid the progressive and/or disproportionate collapse. But besides this method, that is, in any case, a widely recognised and effective approach, there is a lack of consciousness about how the structure can effectively act as robust. For this reason, the following work is focused on the analysis of structural redistribution. Currently, an effective solution is the so-called “tying”, that is nothing but the tying of the structural elements by mean of continuous reinforcement. The study of the actual contribute of the floor system in structural redistribution, is one of the challenging issues in this topic. According to this, the study here presented will be based on a structural system made by cast-in-situ RC slabs as horizontal structural elements and columns as vertical elements. This choice has been made in order to evaluate the role of the floor system in structural redistribution once the floor system is, in fact, the structural system itself. To consider the contribution of the floor system in post-failure behaviour require a large time for properly modelling the slabs and analyse them in a comprehensible way. In order to face these issues, has been decided to take advantage to one of the most advanced commercial software and, at the same time, widely used software in building engineering, called “Midas Gen”. By this choice, it will be interesting to appreciate which are the advantages and disadvantages in facing this issue with this software. The first aim is hence to reproduce a tri-dimensional structural model of a multi-storey RC building in the “Midas Gen” environment, subjected to static and seismic loading condition. This choice has been made based on the potential benefit of a seismic design on the design for robustness. The second aim is to understand how the designed structure is able to find alternative load paths and so, based on how the load are redistributed, if the design conditions is adequate to sustain such removals without promoting progressive collapse. For this purpose, “Notional removal” approach has been adopted as indicated by the codes. Creating one model for each notional removal of different key columns and adapting the loading condition, the structural redistribution has been analysed. Thanks to the possibility to extract several tabular data, from “Midas gen” has been also taken advantage to data manipulation in “Excel” ambient, in order to appreciate and quantify the structural redistribution. The third aim is to give a meaning to the analysed results, making judgements on the global response and identifying the different appreciated phenomenon, as the alternative load paths. Hereafter, comments about the pro and contra of this work and recommendations for future works will be proposed.

La robustezza strutturale è uno degli argomenti più attuali e stimolanti su cui la comunità scientifica sta orientando il proprio interesse ed il proprio impegno. Dall'inizio degli anni '40, l'interesse per questo argomento inizia a diventare reale, ma è vicino agli anni '70 che, a causa del crollo del famoso “Ronan Point Apartment Tower” di Londra (1968), che la comunità scientifica iniziò effettivamente a sviluppare un movimento di pensiero sul tema della robustezza strutturale. La robustezza strutturale degli edifici è una proprietà del sistema strutturale, che deve caratterizza l’edificio per affrontare un evento accidentale, in modo tale da prevenire il suo collasso progressivo e / o sproporzionato. Questa proprietà può essere vista anche come un'abilità del sistema strutturale. Negli ultimi cinquant'anni, soprattutto dall'inizio del XXI secolo, il tema del collasso progressivo è stato ampiamente studiato, in particolare sul collasso progressivo degli edifici a più piani, ma l'attuale stato dell'arte non è in una fase così avanzata da essere in grado di fornire linee guida basate su un adeguato supporto teorico, poiché la risposta strutturale a un cedimento localizzato, non è ancora del tutto chiara. Normative e linee guida, secondo lo stato dell'arte attuale, condividono in comune alcuni metodi deterministici riconosciuti come validi (legatura, percorso di carico alternativo, elementi chiave) e alcuni di essi iniziano a introdurre un approccio basato sul “rischio". Secondo gli Eurocodici, in EN1991-1-7 viene introdotto il concetto di "Rimozione fittizia" meglio conosciuta come “Notional Removal”. Questo approccio è una strategia di progettazione basata sulla rimozione di un elemento strutturale alla volta. Dopo queste rimozioni, il sistema strutturale può subire solo guasti localizzati, quindi l'obiettivo è evitare il collasso progressivo e / o sproporzionato. Questo metodo è un approccio ampiamente riconosciuto ed efficace, ma va riconosciuto che c'è una mancanza di chiarezza su come la struttura possa effettivamente agire come in termini di robustezza strutturale. Allo stato attuale, una soluzione efficace è la cosiddetta "legatura" (“Tying”). Non è altro che la legatura degli elementi strutturali mediante un’armatura continua e diffusa. Lo studio del contributo effettivo del sistema di solaio nella ridistribuzione strutturale è una delle problematiche più impegnative ed attuali in questo argomento. Sulla base di questo, lo studio qui presentato si baserà su un sistema strutturale costituito da piastre di solaio in c.a. e da colonne in c.a. Questa scelta è stata fatta per valutare il ruolo del sistema di solaio nella ridistribuzione strutturale quando il questo è in realtà il sistema strutturale stesso, anche in condizioni ordinarie. Considerare il contributo di solaio nel comportamento post-rimozione fittizia, richiede tempo per modellare adeguatamente le piastre e per analizzarne la risposta strutturale. Per far fronte a questi problemi, è stato deciso di sfruttare "Midas Gen", uno dei software commerciali più avanzato ed ampiamente utilizzato nell'ingegneria strutturale. Sarà altresì interessante apprezzarne vantaggi e svantaggi nell'affrontare questa tematica. Il primo obiettivo è quindi quello di riprodurre un modello strutturale tridimensionale di un edificio in c.a., a più piani, nell'ambiente "Midas Gen". Questo sarà progettato per condizioni di carico statico e sismico. Questa scelta è stata fatta sulla base del potenziale beneficio della progettazione sismica sulla progettazione per la robustezza. Il secondo obiettivo è capire come la struttura progettata è in grado di trovare percorsi di carico alternativi e, quindi, in base alla ridistribuzione del carico, se le condizioni di progetto sono adeguate per sostenere tali rimozioni senza favorire il collasso progressivo. A tal fine, è stato adottato l'approccio "Notional removal" come suggerito da normativa. Creando un modello per ogni rimozione fittizia, di diverse colonne chiave, ed adattando la condizione di carico Quasi-Permanente, la ridistribuzione strutturale è stata analizzata. Grazie alla possibilità di estrarre diversi dati tabulari da "Midas gen", è stato successivamente sfruttata la manipolazione dei dati in ambiente "Excel", al fine di apprezzare e quantificare la ridistribuzione strutturale. Il terzo obiettivo è quello di dare un significato ai risultati analizzati, esprimendo giudizi sulla risposta globale e identificando i fenomeni apprezzabili, come percorsi di carico alternativi. Infine, verranno proposte riflessioni sui possibili aspetti positivi e limiti di questo lavoro, aggiungendo raccomandazioni per eventuali sviluppi futuri.