Seismic analysis of an industrial steel structure located in Chile

Seismic analysis is a critical aspect of structural design and can be categorized into linear or nonlinear types. Linear methods include equivalent static analysis, which involves applying static forces that are equivalent to the seismic inertia forces, and linear dynamic analysis, which identifies the vibrational modes of the structure and can be used to determine the effects of seismic actions for both dissipative and non-dissipative systems, depending on the structural factor utilized. While linear methods are relatively straightforward to implement, they often provide less realistic results, particularly for complex structures, which may exhibit nonlinear dynamic behavior. In terms of nonlinear analyses, there are nonlinear static analysis (Pushover) and nonlinear dynamic analysis. The Pushover analysis involves applying gravitational loads and a system of progressively increasing seismic forces until the ultimate conditions are reached. Nonlinear dynamic analysis, on the other hand, involves direct integration of the equations of motion. These nonlinear methods are capable of offering a more accurate and realistic depiction of structural behavior. This thesis aims to deepen the understanding and analysis of the seismic response of a special steel structure, specifically focusing on a steel structure within the BOCAMINA II power plant in Chile. This existing structure, designed by the firm DCRPROGETTI, is examined using comparative analysis methods. The primary focus is on the seismic analysis of the structure using the aforementioned approaches, with particular emphasis on nonlinear methods. Chile, known for its high seismic activity, requires that structural design accounts for the potential of numerous and intense earthquakes throughout the lifespan of buildings and infrastructure. Consequently, seismic design in Chile is particularly demanding compared to other design considerations. For the structure under study, it is important to note that the construction site is classified by Chilean standards as a high-risk area for seismic activity and tsunamis, with a maximum ground acceleration (PGA) of 0.4g for a 50-year return period. The area experienced an earthquake with a magnitude of 8.8 in February 2010, and the structure successfully withstood the event without sustaining damage. The document is divided into three parts. The first part provides a general description of the structure, including its geometry, original design choices, and expected responses. The second part aims to offer a theoretical foundation on key concepts of seismic analysis, finite element modeling of the structure, and a preliminary assessment of its seismic response through an initial comparison of equivalent static analysis and modal response spectrum analysis. Finally, a Pushover analysis is performed to determine the actual capacity and dissipative characteristics of the structure. The third part explores the dynamic behavior through nonlinear analysis, using accelerograms at the base of the structure to investigate its mechanisms under realistic seismic events.

L'analisi sismica è un aspetto critico della progettazione strutturale e può essere classificata in tipi lineari o non lineari. I metodi lineari includono l'analisi statica equivalente, che comporta l'applicazione di forze statiche equivalenti alle forze di inerzia sismica, e l'analisi dinamica lineare, che identifica le modalità vibrazionali della struttura e può essere utilizzata per determinare gli effetti delle azioni sismiche per sistemi sia dissipativi che non dissipativi, a seconda del fattore strutturale utilizzato. Mentre i metodi lineari sono relativamente semplici da implementare, spesso forniscono risultati meno realistici, in particolare per strutture complesse, che possono presentare un comportamento dinamico non lineare. In termini di analisi non lineari, ci sono l'analisi statica non lineare (Pushover) e l'analisi dinamica non lineare. L'analisi Pushover comporta l'applicazione di carichi gravitazionali e di un sistema di forze sismiche progressivamente crescenti fino al raggiungimento delle condizioni finali. L'analisi dinamica non lineare, d'altra parte, comporta l'integrazione diretta delle equazioni del moto. Questi metodi non lineari sono in grado di offrire una rappresentazione più accurata e realistica del comportamento strutturale. Questa tesi mira ad approfondire la comprensione e l'analisi della risposta sismica di una speciale struttura in acciaio, concentrandosi in particolare su una struttura in acciaio all'interno della centrale elettrica BOCAMINA II in Cile. Questa struttura esistente, progettata dallo studio DCRPROGETTI, viene esaminata utilizzando metodi di analisi comparativa. L'attenzione principale è rivolta all'analisi sismica della struttura utilizzando gli approcci sopra menzionati, con particolare enfasi sui metodi non lineari. Il Cile, noto per la sua elevata attività sismica, richiede che la progettazione strutturale tenga conto del potenziale di numerosi e intensi terremoti durante l'intera durata di vita di edifici e infrastrutture. Di conseguenza, la progettazione sismica in Cile è particolarmente esigente rispetto ad altre considerazioni progettuali. Per la struttura in esame, è importante notare che il cantiere è classificato dagli standard cileni come area ad alto rischio per attività sismica e tsunami, con un'accelerazione massima al suolo (PGA) di 0,4 g per un periodo di ritorno di 50 anni. L'area ha subito un terremoto di magnitudo 8,8 nel febbraio 2010 e la struttura ha resistito con successo all'evento senza subire danni. Il documento è diviso in tre parti. La prima parte fornisce una descrizione generale della struttura, inclusa la sua geometria, le scelte progettuali originali e le risposte previste. La seconda parte mira a offrire una base teorica sui concetti chiave dell'analisi sismica, la modellazione a elementi finiti della struttura e una valutazione preliminare della sua risposta sismica attraverso un confronto iniziale tra analisi statica equivalente e analisi dello spettro di risposta modale. Infine, viene eseguita un'analisi Pushover per determinare la capacità effettiva e le caratteristiche dissipative della struttura. La terza parte esplora il comportamento dinamico attraverso analisi non lineare, utilizzando accelerogrammi alla base della struttura per indagare i suoi meccanismi in caso di eventi sismici realistici.