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POLITesi - Archivio digitale delle tesi di laurea e di dottorato

The present work develops tools for the seismic retrofit of reinforced concrete (RC) structures provided with energy dissipation devices. This aim is pursued by means of different subgoals, namely (i) assessment of reliable concentrated plasticity models for dynamic non-linear analyses of RC framed buildings; (ii) experimental investigation of a novel damper proposed for retrofitting RC structures; (iii) formulation of an effective and affordable displacement-based design procedure for proportioning the damping system in RC buildings; and (iv) assessment of the proposed method. The first part of the thesis presents a critical review of current material modelling for ductile RC frame structures, in the context of non-linear time-history analyses, focusing on concentrated plasticity. Four RC frames with increasing number of stories (2, 4, 8 and 12) subjected to a set of seven spectrum-compatible input ground motions are examined numerically and the structural response is evaluated in terms of engineering demand parameters like base reactions (shear force and moment), inter-story drift and peak floor accelerations. Results of analyses conducted by adopting a distributed plasticity model are used as benchmark, and the implications of adopting different modelling assumptions to implement concentrated plasticity models in non-linear time-history analyses of ductile RC frame buildings are eventually highlighted and discussed. In the second part of the work, a novel Lead Damper (LED) is experimentally investigated. The device provides a resistive force by the friction created between a lead core and a shaft. This damper is expected to incorporate several desirable characteristics, namely high stiffness and damping capability in a compact design and low manufacturing cost, which make it suitable for social housing. A modelling procedure is suggested to represent the non-linear behavior of the LED in both static and dynamic analyses. In particular, for dynamic analyses, a finite element object of the LED is formulated in the structural software program OpenSees. Then, an effective and computationally affordable displacement-based design procedure for seismic retrofit of RC framed structures equipped with hysteretic dampers, characterized by an elastic-perfectly plastic behavior, is proposed. The method aims at proportioning damped braces to attain a target performance level (for a specific level of seismic intensity), controlling the maximum inter-story drifts of the structure and, if needed, regularizing the stiffness and the strength of the building along its elevation. In order to demonstrate its effectiveness, the procedure is applied to the retrofit of two existing reinforced concrete buildings. For the validation of the design method, the seismic performance of the retrofitted structures is assessed in both static and dynamic non-linear analyses. In particular, for the dynamic analyses, structural models are formulated in the OpenSees finite element framework by adopting a concentrated plasticity approach, based on the results of Chapter 1. In the last part of the study, the two RC structures are examined and retrofitted with the LED following the design procedure explained at Chapter 3. Two different design targets are considered: in the first case, the structure is retrofitted in order to maintain an elastic behavior, with no plastic hinges, during the earthquake, while in the second case, a partial dissipative behavior of the structure is allowed, with formation of plastic hinges limited to a repairable limit state. Non-linear dynamic analyses are carried out in OpenSees, considering a suite of artificial ground motions whose response spectra match on average the target spectra according to NTC 2018 for the life-safety limit state. The results of the numerical study demonstrate both the effectiveness of the LED device and the viability of the design procedure.

Lo studio si propone di fornire indicazioni semplici ed efficaci per l’adeguamento sismico di edifici a telaio attraverso l’uso di dispositivi dissipativi a comportamento non-lineare dipendente dallo spostamento. Questo obiettivo è raggiunto attraverso le seguenti fasi operative: (i) in una prima fase, viene approfondito l’aspetto della modellazione strutturale di edifici in calcestruzzo armato (CA) per l’esecuzione di analisi dinamiche non-lineari; (ii) è stata successivamente condotta una campagna sperimentale su un nuovo dispositivo di dissipazione di energia, che viene proposto per l’adeguamento sismico di strutture in CA; (iii) viene quindi presentato un metodo semplice e diretto per la progettazione del sistema di controventi dissipativi; (iv) infine, viene validato il metodo e vengono presentati alcuni casi studio. La prima parte della tesi contiene un approfondito stato dell’arte relativo alla modellazione di strutture in CA, con particolare attenzione rivolta ai modelli a plasticità concentrata. È stato condotto uno studio parametrico su quattro strutture a telaio in CA, con numero crescente di piani (2, 4, 8 e 12), descritte operando diverse scelte modellistiche relative alla lunghezza di cerniera plastica e al momento di inerzia della sezione di calcestruzzo fessurata e sottoposte ad una serie di accelerogrammi naturali spettrocompatibili, secondo le indicazioni della normativa italiana. La risposta strutturale è stata valutata in termini di spostamenti di interpiano, accelerazioni di piano e reazioni alla base (forza di taglio e momento), utilizzando come benchmark le risposte fornite da modelli a plasticità distribuita, ed evidenziando le implicazioni delle diverse scelte nel caso dei modelli a plasticità concentrata. Nella seconda parte del lavoro è stata condotta una campagna sperimentale su un nuovo dispositivo, il Lead Damper (LED), capace di dissipare energia attraverso l’attrito sviluppato tra un nucleo in piombo ed uno stelo in acciaio. Il dispositivo presenta alcune caratteristiche distintive che lo rendono particolarmente competitivo sul mercato, tra cui l’elevata capacità dissipativa combinata a geometrie compatte e bassi costi di produzione. È stata quindi proposta una formulazione modellistica per il comportamento non-lineare del LED per le analisi non-lineari; in particolare, in riferimento alle analisi dinamiche non-lineari, viene proposto un elemento per rappresentare il LED all’interno del programma OpenSees. Si passa poi a presentare una procedura progettuale semplice e diretta utilizzabile per l’adeguamento sismico di edifici a telaio attraverso dispositivi dissipativi a comportamento non-lineare dipendente dallo spostamento. Lo schema progettuale è sviluppato in modo da assistere il progettista nel dimensionamento del sistema di dissipazione di energia in modo da perseguire un livello di prestazione sismica desiderato, in funzione degli stati limite considerati. Secondo la procedura, il comportamento del sistema strutturale costituito da edificio e dissipatori sismici viene modellato attraverso un sistema equivalente a un grado di libertà che viene caratterizzato attraverso la rigidezza elastica e il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente. Entrambi questi parametri sono definiti in relazione a un “punto di prestazione” che è assegnato sulla base del danno strutturale permesso e del primo modo deformativo della struttura originale; la loro determinazione permette di definire le caratteristiche globali del sistema dissipativo (dissipatore equivalente). La rigidezza e la resistenza del dissipatore equivalente a un grado di libertà determinati nella prima fase del metodo vengono quindi ripartiti ai piani dell’edificio in modo da ottenere sotto sisma, per la struttura rinforzata, spostamenti orizzontali ai piani proporzionali al modo fondamentale della struttura esistente. Vengono quindi presentati due casi studio relativi a strutture a telaio in CA, al fine di dimostrare l’efficacia della procedura proposta. Infine, nell’ultima parte della tesi, le due strutture in CA studiate in precedenza, vengono adeguate sismicamente utilizzando il dispositivo LED e considerando due diversi “punti di prestazione”: nel primo caso, la struttura viene adeguata affinché rimanga in campo elastico durante il terremoto, mentre nel secondo caso, viene concepita una escursione controllata in campo plastico. Vengono quindi condotte analisi statiche e dinamiche non-lineari per confermare la affidabilità della procedura e l’efficacia del sistema di dissipazione.

Seismic retrofit of RC framed buildings with supplementary energy dissipation: modelling and application of a novel Lead Damper

Bruschi, Eleonora
2021/2022

Abstract

The present work develops tools for the seismic retrofit of reinforced concrete (RC) structures provided with energy dissipation devices. This aim is pursued by means of different subgoals, namely (i) assessment of reliable concentrated plasticity models for dynamic non-linear analyses of RC framed buildings; (ii) experimental investigation of a novel damper proposed for retrofitting RC structures; (iii) formulation of an effective and affordable displacement-based design procedure for proportioning the damping system in RC buildings; and (iv) assessment of the proposed method. The first part of the thesis presents a critical review of current material modelling for ductile RC frame structures, in the context of non-linear time-history analyses, focusing on concentrated plasticity. Four RC frames with increasing number of stories (2, 4, 8 and 12) subjected to a set of seven spectrum-compatible input ground motions are examined numerically and the structural response is evaluated in terms of engineering demand parameters like base reactions (shear force and moment), inter-story drift and peak floor accelerations. Results of analyses conducted by adopting a distributed plasticity model are used as benchmark, and the implications of adopting different modelling assumptions to implement concentrated plasticity models in non-linear time-history analyses of ductile RC frame buildings are eventually highlighted and discussed. In the second part of the work, a novel Lead Damper (LED) is experimentally investigated. The device provides a resistive force by the friction created between a lead core and a shaft. This damper is expected to incorporate several desirable characteristics, namely high stiffness and damping capability in a compact design and low manufacturing cost, which make it suitable for social housing. A modelling procedure is suggested to represent the non-linear behavior of the LED in both static and dynamic analyses. In particular, for dynamic analyses, a finite element object of the LED is formulated in the structural software program OpenSees. Then, an effective and computationally affordable displacement-based design procedure for seismic retrofit of RC framed structures equipped with hysteretic dampers, characterized by an elastic-perfectly plastic behavior, is proposed. The method aims at proportioning damped braces to attain a target performance level (for a specific level of seismic intensity), controlling the maximum inter-story drifts of the structure and, if needed, regularizing the stiffness and the strength of the building along its elevation. In order to demonstrate its effectiveness, the procedure is applied to the retrofit of two existing reinforced concrete buildings. For the validation of the design method, the seismic performance of the retrofitted structures is assessed in both static and dynamic non-linear analyses. In particular, for the dynamic analyses, structural models are formulated in the OpenSees finite element framework by adopting a concentrated plasticity approach, based on the results of Chapter 1. In the last part of the study, the two RC structures are examined and retrofitted with the LED following the design procedure explained at Chapter 3. Two different design targets are considered: in the first case, the structure is retrofitted in order to maintain an elastic behavior, with no plastic hinges, during the earthquake, while in the second case, a partial dissipative behavior of the structure is allowed, with formation of plastic hinges limited to a repairable limit state. Non-linear dynamic analyses are carried out in OpenSees, considering a suite of artificial ground motions whose response spectra match on average the target spectra according to NTC 2018 for the life-safety limit state. The results of the numerical study demonstrate both the effectiveness of the LED device and the viability of the design procedure.
SCAIONI, MARCO
CATTANEO, SARA
17-dic-2021
Lo studio si propone di fornire indicazioni semplici ed efficaci per l’adeguamento sismico di edifici a telaio attraverso l’uso di dispositivi dissipativi a comportamento non-lineare dipendente dallo spostamento. Questo obiettivo è raggiunto attraverso le seguenti fasi operative: (i) in una prima fase, viene approfondito l’aspetto della modellazione strutturale di edifici in calcestruzzo armato (CA) per l’esecuzione di analisi dinamiche non-lineari; (ii) è stata successivamente condotta una campagna sperimentale su un nuovo dispositivo di dissipazione di energia, che viene proposto per l’adeguamento sismico di strutture in CA; (iii) viene quindi presentato un metodo semplice e diretto per la progettazione del sistema di controventi dissipativi; (iv) infine, viene validato il metodo e vengono presentati alcuni casi studio. La prima parte della tesi contiene un approfondito stato dell’arte relativo alla modellazione di strutture in CA, con particolare attenzione rivolta ai modelli a plasticità concentrata. È stato condotto uno studio parametrico su quattro strutture a telaio in CA, con numero crescente di piani (2, 4, 8 e 12), descritte operando diverse scelte modellistiche relative alla lunghezza di cerniera plastica e al momento di inerzia della sezione di calcestruzzo fessurata e sottoposte ad una serie di accelerogrammi naturali spettrocompatibili, secondo le indicazioni della normativa italiana. La risposta strutturale è stata valutata in termini di spostamenti di interpiano, accelerazioni di piano e reazioni alla base (forza di taglio e momento), utilizzando come benchmark le risposte fornite da modelli a plasticità distribuita, ed evidenziando le implicazioni delle diverse scelte nel caso dei modelli a plasticità concentrata. Nella seconda parte del lavoro è stata condotta una campagna sperimentale su un nuovo dispositivo, il Lead Damper (LED), capace di dissipare energia attraverso l’attrito sviluppato tra un nucleo in piombo ed uno stelo in acciaio. Il dispositivo presenta alcune caratteristiche distintive che lo rendono particolarmente competitivo sul mercato, tra cui l’elevata capacità dissipativa combinata a geometrie compatte e bassi costi di produzione. È stata quindi proposta una formulazione modellistica per il comportamento non-lineare del LED per le analisi non-lineari; in particolare, in riferimento alle analisi dinamiche non-lineari, viene proposto un elemento per rappresentare il LED all’interno del programma OpenSees. Si passa poi a presentare una procedura progettuale semplice e diretta utilizzabile per l’adeguamento sismico di edifici a telaio attraverso dispositivi dissipativi a comportamento non-lineare dipendente dallo spostamento. Lo schema progettuale è sviluppato in modo da assistere il progettista nel dimensionamento del sistema di dissipazione di energia in modo da perseguire un livello di prestazione sismica desiderato, in funzione degli stati limite considerati. Secondo la procedura, il comportamento del sistema strutturale costituito da edificio e dissipatori sismici viene modellato attraverso un sistema equivalente a un grado di libertà che viene caratterizzato attraverso la rigidezza elastica e il coefficiente di smorzamento viscoso equivalente. Entrambi questi parametri sono definiti in relazione a un “punto di prestazione” che è assegnato sulla base del danno strutturale permesso e del primo modo deformativo della struttura originale; la loro determinazione permette di definire le caratteristiche globali del sistema dissipativo (dissipatore equivalente). La rigidezza e la resistenza del dissipatore equivalente a un grado di libertà determinati nella prima fase del metodo vengono quindi ripartiti ai piani dell’edificio in modo da ottenere sotto sisma, per la struttura rinforzata, spostamenti orizzontali ai piani proporzionali al modo fondamentale della struttura esistente. Vengono quindi presentati due casi studio relativi a strutture a telaio in CA, al fine di dimostrare l’efficacia della procedura proposta. Infine, nell’ultima parte della tesi, le due strutture in CA studiate in precedenza, vengono adeguate sismicamente utilizzando il dispositivo LED e considerando due diversi “punti di prestazione”: nel primo caso, la struttura viene adeguata affinché rimanga in campo elastico durante il terremoto, mentre nel secondo caso, viene concepita una escursione controllata in campo plastico. Vengono quindi condotte analisi statiche e dinamiche non-lineari per confermare la affidabilità della procedura e l’efficacia del sistema di dissipazione.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/180312