Analytical modelling of the cyclic behaviour of a replaceable dissipater device for damage resisting controlled rocking systems

The present document has the purpose to investigate the key aspects of the design and modeling of external mild steel dissipators. The first part of the thesis is focused on the design of dissipators and provides the information needed to carry out the forthcoming experimental tests. The development of a guide line for the design of dissipators is one of the objectives of the work. If not properly designed the devices can be subjected to instability; the dissipators are not able anymore to dissipate the same amount of energy as in compression as in tension. Considering the dissipation device is important to know the exact value of the onset of dissipation and so the value of displacement needed to reach the yielding load. The definition of an equivalent length that keeps into account the effect of the anchorage on the global response is introduced. The aim is to supply a value of length that have to be used for the determination of the strain in order to define the exact value of the beginning of dissipation. The modeling of the dissipators is carried out defining a new hysteresis loop (modified of Remennikov Hysteresis Loop) specific for Plug and Play dissipators. The behavior of the device depends on the global response of a bar restrained by a steel tube filled with grout or epoxy. The effect of the confinement provides an increasing of the critical load (or a decreasing of the effective length of the bar). Different ways to define the value of stiffness of the restrain have been carried out; as a result a general solution for the determination of the stiffness depending on the outer diameter of the tube and on the thickness of the filler material is determined. The final part of the work presents the results of a finite element analysis on a truss-walls system. The walls are realized using the Press Lam System with internal dissipators. The advantages of the use of the external dissipators are highlighted by the results of a parallel analysis with external dissipators in place of the internal ones that show no stiffness degradation. The crisis of the wall is due to the rupture, and not buckling, of the dissipator.

L’elaborato di tesi ha lo scopo di investigare gli aspetti fondamentali della progettazione e modellazione dei dissipatori esterni “Plug and Play”, sviluppati e testati all’“University of Canterbury” (New Zealand). La prima parte della tesi tratta il progetto dei dissipatori e fornisce le informazioni necessarie per l’esecuzione di prove sperimentali finalizzate a caratterizzarne il comportamento. Particolare attenzione richiede il design dei dissipatori poiché, se non correttamente pensato, può comportare l’instabilità dell’elemento. Se soggetti a instabilità i dissipatori non sono in grado di dissipare a compressione la stessa quantità di energia dissipata in trazione poiché il valore di snervamento non è raggiunto. La dissipazione isteretica può avere luogo solo con lo snervamento del metallo. E’ dunque rilevante conoscere l’effettivo spostamento che l’elemento dovrà raggiungere prima di attivarsi. In via approssimativa la soglia di attivazione può essere calcolata considerando che la deformazione avvenga solo nel fuso ma, in questo modo, l’effetto delle parti terminali più rigide è trascurato. Una lunghezza equivalente è introdotta nel calcolo ed è ponderata per tenere in conto l’aumento di rigidezza fornito dalle due estremità di diametro maggiore; considerando la deformazione in funzione di questa lunghezza si ottiene l’effettivo valore di spostamento necessario al dissipatore per iniziare a dissipare. La modellazione dei dissipatori esterni è effettuata introducendo una nuova curva isteretica specifica per i” Plug and Play”. Il comportamento del dissipatore dipende dalla risposta globale del sistema di barra di acciaio vincolata lateralmente per mezzo di un tubo di acciaio e colmando lo spazio tra barra e tubo con del materiale riempitivo. L’effetto del confinamento comporta un aumento del carico critico (o una diminuzione della lunghezza effettiva). La parte conclusiva del lavoro mostra i risultati di un’analisi su Ruaumoko 2D su un sistema di muri in legno che sostengono una trave reticolare anch’essa in legno. I muri sono realizzati secondo la tecnica del Press Lam.