Braced ductile shear panel : a new dissipative seismic resistant framing system

This thesis concerns a new seismic load resisting steel framing system, which is composed by ductile shear panels and concentric X-braces. This system could be used to provide the needed stiffness and ductility into new constructions, as well as an upgrade for existing ones. The bracing system consists of a concentric X-type elastic bracing system, connected in series with a rectangular shear panel. Under the seismic load the braces are expected to remain in the elastic region, while the panel yields therefore dissipating energy. Hence the panel can be thought to be sacrificial and replaced after the seismic event. Since the panel will work in shear, an optimal design is sought which could ensure a stable hysteretic behavior. The first part of the study dealt with the local aspects of the system. Nonlinear three-dimensional finite element analyses have been carried out in order to understand which factors govern the local behavior of the single bracing system. Performed as displacement controlled tests under quasi-static loads, these analyses highlighted the key elements of the system. Several aspects have been taken into consideration such as post-elastic stiffness, in- and out-of-plane buckling, cyclic behavior. These results clearly outlined the requirements and limitations of the device in terms of cross-sections, dimensions, aspect ratios and available ductility. The analyses also showed that the system would be able to dissipate a good amount of energy with a very small degradation in stiffness when following the fore mentioned guidelines. Still these guidelines resulted flexible enough to assure the possibility to scale the system for several applications. The second part of the study takes on from the results of the local analyses and incorporates the obtained hysteretic behavior of the bracing system into a multi-story steel frame. The effect of the new device on different structures are evaluated using nonlinear dynamic analyses, where ground acceleration is used to load the structure. The optimal design and overall efficiency of the proposed system will be estimated taking into consideration several parameters: drift control, energy dissipation, and capability of avoiding plasticization outside the bracing system. When a good design is thought to have been achieved, the resulting inter-story drift history is used to load the previously defined local model so that the validity of the local-to-global translation can be double-checked. The studied bracing system is proven to be efficient in protecting other frame elements and preventing them from experiencing structural damages. The shear panel also provides superior drift control at cost of an increase in base shear.

La tesi è incentrata su un nuovo sistema di controventi in acciaio per edifici in zona sismica, composto da un pannello duttile che lavora a taglio e controventi concentrici a X. Questo sistema può essere utilizzato per soddisfare la richiesta di rigidezza e duttilità in nuove costruzioni, oppure come sistema di adeguamento di strutture esistenti. Il sistema è composto da controventi concentrici a X collegati in serie ad un pannello a taglio rettangolare. Sotto l’azione delle forze sismiche si vuole che i controventi restino in campo elastico, mentre il pannello superando il limite di snervamento dissipi energia plasticamente. Per questa ragione l’elemento centrale è anche pensato per essere un elemento sacrificale, sostituibile in caso ce ne fosse bisogno a seguito di un evento sismico. Dal momento che il pannello si prevede lavori in uno stato di quasi puro taglio, un progetto attento dello stesso dovrebbe garantire un comportamento isteretico stabile. La prima parte del lavoro affronta il problema del progetto e dimensionamento del sistema a livello locale. Analisi non lineari tridimensionali agli elementi finiti sono state utilizzate per capire quali sono i fattori che governano il comportamento del solo sistema di controventatura. Svolte utilizzando spostamenti imposti come carichi quasi-statici, queste analisi hanno evidenziato i parametri chiave del sistema. Diversi aspetti sono stati studiati, come la rigidezza prima e dopo lo snervamento, il problema dell’instabilità nel piano, fuori piano e locale, il comportamento sotto cicli di carico. I risultati hanno permesso di definire i requisiti e i limiti per il dimensionamento del dispositivo in termini di sezioni dei controventi, dimensioni e forma. Le analisi hanno anche mostrato che il sistema è in grado di dissipare significative quantità di energia a costo solo di una piccola progressiva perdita di rigidezza. La seconda parte della tesi, partendo dai risultati ottenuti dalle analisi locali, è volta ad introdurre il comportamento isteretico del dispositivo in un edificio a telaio in acciaio. Gli effetti del nuovo dispositivo in differenti strutture sono stati studiati utilizzando analisi dinamiche non lineari con accelerogramma. Il progetto ottimale e l’efficacia dei nuovi controventi sono valutate osservando diversi parametri: il controllo degli spostamenti laterali, la dissipazione di energia e la capacità di limitare e/o evitare plasticizzazioni al di fuori del sistema di controventi. Le analisi hanno dato prova che il dispositivo è in grado di proteggere e migliorare le prestazioni di edifici esistenti, siano essi stati originariamente progettati in zona sismica o meno. Come raccordo ulteriore tra le due parti del lavoro, quella di analisi locale del problema e quella globale, gli spostamenti ottenuti dalle analisi dinamiche sono reinseriti nel modello locale per confrontare la risposta dei due modelli.