Fiber beam-columns models with flexure-shear interaction for nonlinear analysis of reinforced concrete structures

The aim of this study was to develop a model capable to capture the different contributions which characterize the nonlinear behaviour of reinforced concrete structures. In particular, especially for non slender structures, the contribution to the nonlinear deformation due to bending may be not sufficient to determine the structural response. Two different models characterized by a fibre beam-column element are here proposed. These models can reproduce the flexure-shear interaction in the nonlinear range, with the purpose to improve the analysis in shear-critical structures. The first element discussed is based on flexibility formulation which is associated with the Modified Compression Field Theory as material constitutive law. The other model described in this thesis is based on a three-field variational formulation which is associated with a 3D generalized plastic-damage model as constitutive relationship. The first model proposed in this thesis was developed trying to combine a fibre beamcolumn element based on the flexibility formulation with the MCFT theory as constitutive relationship. The flexibility formulation, in fact, seems to be particularly effective for analysis in the nonlinear field. Just the coupling between the fibre element to model the structure and the shear panel to model the individual fibres allows to describe the nonlinear response associated to flexure and shear, and especially their interaction in the nonlinear field. The model was implemented in an original matlab® computer code, for describing the response of generic structures. The simulations carried out allowed to verify the field of working of the model. Comparisons with available experimental results related to reinforced concrete shears wall were performed in order to validate the model. These results are characterized by the peculiarity of distinguishing the different contributions due to flexure and shear separately. The presented simulations were carried out, in particular, for monotonic loading. The model was tested also through numerical comparisons with other computer programs. Finally it was applied for performing a numerical study on the influence of the nonlinear shear response for non slender reinforced concrete (RC) members. Another approach to the problem has been studied during a period of research at the University of California Berkeley. The beam formulation follows the assumptions of the Timoshenko shear beam theory for the displacement field, and uses a three-field variational formulation in the derivation of the element response. A generalized plasticity model is implemented for structural steel and a 3D plastic-damage model is used for the simulation of concrete. The transverse normal stress is used to satisfy the transverse equilibrium equations of at each control section, this criterion is also used for the condensation of degrees of freedom from the 3D constitutive material to a beam element. In this thesis is presented the beam formulation and the constitutive relationships, different analysis and comparisons are still carrying out between the two model presented.

Improved ground motion intensity measures for reliability-based demand analysis of structures

In Performance-Based Earthquake Engineering (PBEE), evaluating the seismic performance (or seismic risk) of a structure at a designed site has gained major attention, especially in the past decade. One of the objectives in PBEE is to quantify the seismic reliability of a structure (due to the future random earthquakes) at a site. For that purpose, Probabilistic Seismic Demand Analysis (PSDA) is utilized as a tool to estimate the Mean Annual Frequency (MAF) of exceeding a specified value of a structural Engineering Demand Parameter (EDP). This dissertation focuses mainly on applying an average of a certain number of spectral acceleration ordinates in a certain interval of periods, Sa,avg (T1,…,Tn), as scalar ground motion Intensity Measure (IM) when assessing the seismic performance of inelastic structures. Since the interval of periods where computing Sa,avg is related to the more or less influence of higher vibration modes on the inelastic response, it is appropriate to speak about improved IMs. The results using these improved IMs are compared with a conventional elastic-based scalar IMs (e.g., pseudo spectral acceleration, Sa ( T(¹)), or peak ground acceleration, PGA) and the advanced inelastic-based scalar IM (i.e., inelastic spectral displacement, Sdi). The advantages of applying improved IMs are: (i ) "computability" of the seismic hazard according to traditional Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA), because ground motion prediction models are already available for Sa (Ti), and hence it is possibile to employ existing models to assess hazard in terms of Sa,avg, and (ii ) "efficiency" or smaller variability of structural response, which was minimized to assess the optimal range to compute Sa,avg. More work is needed to assess also "sufficiency" and "scaling robustness" desirable properties, which are disregarded in this dissertation. However, for ordinary records (i.e., with no pulse like effects), using the improved IMs is found to be more accurate than using the elastic- and inelastic-based IMs. For structural demands that are dominated by the first mode of vibration, using Sa,avg can be negligible relative to the conventionally-used Sa (T(¹)) and the advanced Sdi. For structural demands with sign.cant higher-mode contribution, an improved scalar IM that incorporates higher modes needs to be utilized. In order to fully understand the influence of the IM on the seismis risk, a simplified closed-form expression for the probability of exceeding a limit state capacity was chosen as a reliability measure under seismic excitations and implemented for Reinforced Concrete (RC) frame structures. This closed-form expression is partuclarly useful for seismic assessment and design of structures, taking into account the uncertainty in the generic variables, structural "demand" and "capacity" as well as the uncertainty in seismic excitations. The assumed framework employs nonlinear Incremental Dynamic Analysis (IDA) procedures in order to estimate variability in the response of the structure (demand) to seismic excitations, conditioned to IM. The estimation of the seismic risk using the simplified closed-form expression is affected by IM, because the final seismic risk is not constant, but with the same order of magnitude. Possible reasons concern the non-linear model assumed, or the insufficiency of the selected IM. Since it is impossibile to state what is the "real" probability of exceeding a limit state looking the total risk, the only way is represented by the optimization of the desirable properties of an IM.

Strutture a pareti portanti in C. A. caratterizzate da elevate prestazioni sismiche

Per quanto riguarda le costruzioni in conglomerato cementizio armato gettato in opera, i sistemi strutturali più comunemente utilizzati sono quelli a telaio (con trasmissione di momento flettente), a setti portanti o una combinazione di entrambi. A partire dagli anni ’60, numerosissimi sono stati gli studi relativamente al comportamento sismico di strutture in c.a. a telaio. Lo stesso si può affermare per le costruzioni costituite da pareti miste a telai. In particolare, l’argomento della progettazione sismica di tali tipologie di edifici ha sempre riguardato soprattutto gli edifici alti nei quali, evidentemente, l’impiego delle pareti avveniva allo scopo di limitarne la elevata deformabilità. Il comportamento sismico di strutture realizzate interamente a pareti portanti in c.a. è stato meno studiato negli anni, nonostante si sia osservato che edifici realizzati mediante tali sistemi strutturali abbiano mostrato, in generale, pregevoli risorse di resistenza nei confronti di terremoti anche di elevata intensità. Negli ultimi 10 anni, l’ingegneria sismica si sta incentrando sull’approfondimento delle risorse di tipologie costruttive di cui si è sempre fatto largo uso in passato (tipicamente nei paesi dell’Europa continentale, in America latina, negli USA e anche in Italia), ma delle quali mancavano adeguate conoscenze scientifiche relativamente al loro comportamento in zona sismica. Tali tipologie riguardano sostanzialmente sistemi strutturali interamente costituiti da pareti portanti in c.a. per edifici di modesta altezza, usualmente utilizzati in un’edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione (fabbricati per abitazioni civili e/o uffici). Obiettivo “generale” del lavoro di ricerca qui presentato è lo studio del comportamento sismico di strutture realizzate interamente a setti portanti in c.a. e di modesta altezza (edilizia caratterizzata da ridotti costi di realizzazione). In particolare, le pareti che si intendono qui studiare sono caratterizzate da basse percentuali geometriche di armatura e sono realizzate secondo la tecnologia del cassero a perdere. A conoscenza dello scrivente, non sono mai stati realizzati, fino ad oggi, studi sperimentali ed analitici allo scopo di determinare il comportamento sismico di tali sistemi strutturali, mentre è ben noto il loro comportamento statico. In dettaglio, questo lavoro di ricerca ha il duplice scopo di: • ottenere un sistema strutturale caratterizzato da elevate prestazioni sismiche; • mettere a punto strumenti applicativi (congruenti e compatibili con le vigenti normative e dunque immediatamente utilizzabili dai progettisti) per la progettazione sismica dei pannelli portanti in c.a. oggetto del presente studio. Al fine di studiare il comportamento sismico e di individuare gli strumenti pratici per la progettazione, la ricerca è stata organizzata come segue: • identificazione delle caratteristiche delle strutture studiate, mediante lo sviluppo/specializzazione di opportune formulazioni analitiche; • progettazione, supervisione, ed interpretazione di una estesa campagna di prove sperimentali eseguita su pareti portanti in c.a. in vera grandezza, al fine di verificarne l’efficace comportamento sotto carico ciclico; • sviluppo di semplici indicazioni (regole) progettuali relativamente alle strutture a pareti in c.a. studiate, al fine di ottenere le caratteristiche prestazionali desiderate. I risultati delle prove sperimentali hanno mostrato di essere in accordo con le previsioni analitiche, a conferma della validità degli strumenti di predizione del comportamento di tali pannelli. Le elevatissime prestazioni riscontrate sia in termini di resistenza che in termini di duttilità hanno evidenziato come le strutture studiate, così messe a punto, abbiano manifestato un comportamento sismico più che soddisfacente.

Il deperimento dei geomateriali da costruzione: implicazioni sulla capacità sismica residua di edifici in CA e muratura ordinaria

This work is dedicated to the study of damaging phenomena involving reinforced concrete structures and masonry buildings and the consequences in terms of structural performances decay. In the Italian context there are many examples of structures that have already exceeded their service life, considering not only the ancient buildings but also infrastructures and R/C buildings that today are operating from more than 50th years. Climate change which is subject to the entire planet, with changing in seasonal weather and increasing in environmental pollution, is not excluded could have a harmful influence on the rate of building materials decay previously deemed as durables. If the aggressive input changes very fast, for example in a few decades, then it can also change the response of a construction material considered so far durable; in this way the knowledge about the art of good build, consolidated over the centuries, is thwarted. Hence this study is focused on the possibility to define the residual capacity for vertical or seismic loads for structures that are already at the limit of their service life, or for which is impossible to define a service life. The problem in an analysis of this kind, and that is what makes this research different from the main studies avaibles in the literature, is to keep in correlation – in a not so expensive computationally way – issues such as: - dangerous environmental inputs adequately simulated; - environmental conditions favorable to the spread of pollutants and development of the degradation reactions (decay’s speed); - link between environmental degradation and residual bearing capacity A more realistic assessment of materials residual performances that constitute the structure allows to leave the actual system for the residual load-bearing capacity estimation in which all factors are simply considered through the use of a safety factor on the materials properties.

Approccio agli spostamenti per la valutazione della vulnerabilità sismica di telai in conglomerato cementizio armato.

Il presente lavoro ha lo scopo di presentare gli studi e i risultati ottenuti durante l’attività di ricerca svolta sul Displacement-based Assessment (DBA) dei telai in cemento armato. Dopo alcune considerazioni iniziali sul tema della vulnerabilità sismica e sui metodi di analisi e verifica, si procede alla descrizione teorica del metodo. Sono stati analizzati tre casi studio di telai piani, progettati per soli carichi verticali e secondo normative non più in vigore che non prevedevano l’applicazione della gerarchia delle resistenze. I telai considerati, destinati ad abitazione civile, hanno diversa altezza e numero di piani, e diverso numero di campate. Si è proceduto all’applicazione del metodo, alla valutazione della vulnerabilità sismica in base alla domanda in termini di spostamento costituita da uno spettro elastico previsto dall’EC8 e alla validazione dei risultati ottenuti mediante analisi non lineari statiche e dinamiche e mediante l’applicazione dei teoremi dell’Analisi limite dei telai, proposta come procedura alternativa per la determinazione del meccanismo anelastico e della capacità in termini di taglio alla base. In ultimo si è applicata la procedura DBA per la valutazione della vulnerabilità sismica di un edificio scolastico, realizzato tra il 1969 e il 1975 in un sito caratterizzato da una accelerazione di picco orizzontale pari a 0,24g e una probabilità di superamento del 10% in 75 anni.

The effect of two-dimensional squat elements on the seismic behavior of building structures

This thesis reports a study on the seismic response of two-dimensional squat elements and their effect on the behavior of building structures. Part A is devoted to the study of unreinforced masonry infills, while part B is focused on reinforced concrete sandwich walls. Part A begins with a comprehensive review of modelling techniques and code provisions for infilled frame structures. Then state-of-the practice techniques are applied for a real case to test the ability of actual modeling techniques to reproduce observed behaviors. The first developments towards a seismic-resistant masonry infill system are presented. Preliminary design recommendations for the seismic design of the seismic-resistant masonry infill are finally provided. Part B is focused on the seismic behavior of a specific reinforced concrete sandwich panel system. First, the results of in-plane psuudostatic cyclic tests are described. Refinements to the conventional modified compression field theory are introduced in order to better simulate the monotonic envelope of the cyclic response. The refinements deal with the constitutive model for the shotcrete in tension and the embedded bars. Then the hysteretic response of the panels is studied according to a continuum damage model. Damage state limits are identified. Design recommendations for the seismic design of the studied reinforced concrete sandwich walls are finally provided.

Sistemi tecnologici innovativi di involucro per il recupero del patrimonio edilizio recente. L'edilizia scolastica nel Comune di Bologna

La ricerca è volta a presentare un nuovo approccio integrato, a supporto di operatori e progettisti, per la gestione dell’intero processo progettuale di interventi di riqualificazione energetica e architettonica del patrimonio edilizio recente, mediante l’impiego di soluzioni tecnologiche innovative di involucro edilizio. Lo studio richiede necessariamente l’acquisizione di un repertorio selezionato di sistemi costruttivi di involucro, come base di partenza per l’elaborazione di soluzioni progettuali di recupero delle scuole appartenenti al secondo dopoguerra, in conglomerato cementizio armato, prevalentemente prefabbricate. Il progetto individua procedimenti costruttivi ecocompatibili per la progettazione di componenti prefabbricati di involucro “attivo”, adattabile ed efficiente, da assemblare a secco, nel rispetto dei requisiti prestazionali richiesti dalle attuali normative. La ricerca è finalizzata alla gestione dell’intero processo, supportato da sistemi di rilevazione geometrica, collegati a software di programmazione parametrica per la modellazione di superfici adattabili alla morfologia dei fabbricati oggetto di intervento. Tali strumenti informatizzati CAD-CAM sono connessi a macchine a controllo numerico CNC per la produzione industrializzata degli elementi costruttivi “su misura”. A titolo esemplificativo dell’approccio innovativo proposto, si formulano due possibili soluzioni di involucro in linea con i paradigmi della ricerca, nel rispetto dei principi di sostenibilità, intesa come modularità, rapidità di posa, reversibilità, recupero e riciclo di materiali. In particolare, le soluzioni innovative sono accomunate dall’applicazione di una tecnica basata sull’assemblaggio di elementi prefabbricati, dall’adozione di una trama esagonale per la tassellazione della nuova superficie di facciata, e dall’utilizzo del medesimo materiale termico isolante, plastico e inorganico, riciclato ed ecosostenibile, a basso impatto ambientale (AAM - Alkali Activated Materials). Le soluzioni progettuali proposte, sviluppate presso le due sedi coinvolte nella cotutela (Università di Bologna, Université Paris-Est) sono affrontate secondo un protocollo scientifico che prevede: progettazione del sistema costruttivo, analisi meccanica e termica, sperimentazione costruttiva, verifica delle tecniche di messa in opera e dei requisiti prestazionali.

Soil-structure interaction during tunnelling in urban area: observations and 3D numerical modelling

This work illustrates a soil-tunnel-structure interaction study performed by an integrated,geotechnical and structural,approach based on 3D finite element analyses and validated against experimental observations.The study aims at analysing the response of reinforced concrete framed buildings on discrete foundations in interaction with metro lines.It refers to the case of the twin tunnels of the Milan (Italy) metro line 5,recently built in coarse grained materials using EPB machines,for which subsidence measurements collected along ground and building sections during tunnelling were available.Settlements measured under freefield conditions are firstly back interpreted using Gaussian empirical predictions. Then,the in situ measurements’ analysis is extended to include the evolving response of a 9 storey reinforced concrete building while being undercrossed by the metro line.In the finite element study,the soil mechanical behaviour is described using an advanced constitutive model. This latter,when combined with a proper simulation of the excavation process, proves to realistically reproduce the subsidence profiles under free field conditions and to capture the interaction phenomena occurring between the twin tunnels during the excavation. Furthermore, when the numerical model is extended to include the building, schematised in a detailed manner, the results are in good agreement with the monitoring data for different stages of the twin tunnelling. Thus, they indirectly confirm the satisfactory performance of the adopted numerical approach which also allows a direct evaluation of the structural response as an outcome of the analysis. Further analyses are also carried out modelling the building with different levels of detail. The results highlight that, in this case, the simplified approach based on the equivalent plate schematisation is inadequate to capture the real tunnelling induced displacement field. The overall behaviour of the system proves to be mainly influenced by the buried portion of the building which plays an essential role in the interaction mechanism, due to its high stiffness.