Seismic retrofit of steel framed buildings with supplementary energy dissipation

Supplementary energy dissipation has proved to be an effective way of protecting structures from the disastrous effects of earthquakes, and has been employed, in the last decades both for new constructions and for the retrofit of existing ones. In this regard, various procedure for the design of the seismic retrofit of buildings by supplementary energy dissipation have been formulated over the years, mainly focused on reinforced concrete constructions which represent the largest part of the existing building stock in many seismic-prone countries like Italy. The present thesis deals with the assessment of a displacement-based design procedure for proportioning the damping system recently proposed in the literature, with the goal of establishing a good practice for the application of the procedure to steel buildings. The thesis is organized into six chapters. In the first chapter, an overview of the structural typologies typically employed for steel buildings is presented. The second chapter introduces the energy dissipation devices, describing the basic mechanisms used for energy dissipation and the different types of the devices, with a focus on devices of hysteretic type. The third chapter deals with the numerical strategies employed to model the non-linear behaviour of steel structures and to insert the dissipative braces inside the frame, with a focus on models that are most computationally effective. The fourth chapter provides a practical guidance to the application of a displacement-based design procedure for seismic retrofit of framed structures by hysteretic dampers to steel structures. The procedure is directly applied to a building archetype consisting of a 4-story steel building taken from literature. The retrofit is performed by using chevron braces equipped with a damper characterized by an elastic-perfectly plastic behaviour. The method aims at proportioning the damped braces to attain a target performance level for a specific level of seismic intensity, reducing 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 the effectiveness of the design method, the seismic performance of the upgraded structure is assessed in both static and dynamic non-linear analyses. In chapter five the application of the procedure is further simplified, by considering, for the design of the hysteretic damper system of the 3D structure, the properties of a single 2D frame of the structure itself. The building presented in the previous chapter is therefore retrofitted by using the simplified approach and the results of the non-linear analyses of this upgraded structure are compared to the ones obtained in Chapter 4. Eventually, chapter six provides the conclusions of the work along with hints for future works.

La dissipazione di energia è un modo efficace per proteggere le strutture dai disastrosi effetti causati dai terremoti, ed è stata impiegata, negli scorsi decenni, sia per le nuove costruzioni che per l’adeguamento di quelle esistenti. A questo proposito negli anni sono state formulate varie procedure per la progettazione di dell’adeguamento sismico degli edifici tramite dissipazione di energia, esse sono incentrate sulle strutture in calcestruzzo armato che rappresentano una larga parte del matrimonio edilizio di molti paesi che presentano un elevato rischio sismico, come l’Italia. Il presente elaborato di tesi ha l’obbiettivo di valutare una procedura di progettazione per il dimensionamento dei sistemi di smorzamento, basata sugli spostamenti, che è stata recentemente proposta in letteratura, con l'obiettivo di stabilire una buona pratica per l'applicazione della procedura agli edifici in acciaio. La tesi è organizzata in sei capitoli. Nel primo capitolo viene presentata una panoramica delle tipologie strutturali tipicamente impiegate per gli edifici in acciaio. Il secondo capitolo introduce i dispositivi di dissipazione dell'energia, descrivendo i meccanismi di base utilizzati per la dissipazione dell'energia e le diverse tipologie di dispositivi, concentrando l’attenzione sui dispositivi di tipo isteretico. Il terzo capitolo tratta le strategie numeriche impiegate per modellare il comportamento non lineare delle strutture in acciaio e per inserire i controventi dissipativi all'interno del telaio, con particolare attenzione ai modelli computazionalmente più efficaci. Il quarto capitolo fornisce una guida pratica per l’applicazione di una procedura di progettazione, basata sullo spostamento, per l’adeguamento sismico di strutture intelaiate in acciaio mediante smorzatori isteretici. La procedura si applica direttamente ad un archetipo edilizio costituito da un edificio in acciaio di 4 piani tratto da letteratura. L’adeguamento viene eseguito utilizzando controventi di tipo chevron dotati di smorzatori, i quali sono caratterizzati da un comportamento elastico-perfettamente plastico. Il metodo mira a dimensionare i controventi smorzati per raggiungere un livello di prestazione per uno specifico livello di intensità sismica, riducendo gli spostamenti interpiano massimi e, se necessario, regolarizzando la rigidezza e la resistenza dell'edificio in elevazione. Al fine di dimostrare l'efficacia del metodo di progettazione, le prestazioni sismiche della struttura riqualificata vengono valutate tramite analisi non lineari sia statiche che dinamiche. Nel quinto capitolo l'applicazione della procedura viene ulteriormente semplificata, considerando, per la progettazione del sistema di smorzatori isteretici della struttura 3D, le proprietà di un unico telaio 2D della struttura stessa. L'edificio presentato nel capitolo precedente viene quindi adeguato sismicamente utilizzando l'approccio semplificato. I risultati delle analisi non lineari di tale struttura vengono confrontati con quelli ottenuti nel capitolo 4. In fine, il capitolo sei fornisce le conclusioni del lavoro insieme a suggerimenti per lavori futuri.