Comparison of earthquake-related consequences through loss analysis of different braced frame structural systems

Il presente elaborato di tesi tratta la valutazione di differenti sistemi di controventatura, sia dal punto di vista di risposta ad un evento sismico che in termini di perdite economiche legate al danneggiamento delle varie componenti. Tra di esse è presentata anche una nuova tipologia strutturale, ideata per ridurre il comportamento “soft-story” e “weak-story”, tipico delle strutture controventate convenzionali. In questo caso, è integrata alla struttura una trave reticolare metallica, che funge da supporto verticale ed è progettata per rimanere in campo elastico. Tale sostegno garantisce una distribuzione più uniforme degli sforzi lungo l’intera altezza della struttura, anziché concentrarli in un unico piano. La ricerca tratta lo studio della fattibilità economica di questa nuova tecnologia, rispetto alle precedenti soluzioni di controventatura adottate, confrontando le perdite economiche delle diverse soluzioni, applicate ad un unico prototipo di edificio collocato a Berkeley, CA. L’analisi sismica tiene in considerazione di tre diversi livelli di intensità, riferiti a un periodo di ritorno di 50 anni, corrispondente alla vita dell’edificio: questi sono caratterizzati dalla probabilità di ricorrenza, rispettivamente del 2%, 10% e 50% ogni 50 anni. L’ambito di ricerca presentato è estremamente innovativo e di primario interesse per lo sviluppo di uno studio sulla resilienza, che può essere adattato anche in un modello di urbanizzazione futura.

Procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati

La presente tesi riguarda lo studio di procedimenti di ottimizzazione di sistemi smorzati. In particolare, i sistemi studiati sono strutture shear-type soggette ad azioni di tipo sismico impresse alla base. Per effettuare l’ottimizzazione dei sistemi in oggetto si agisce sulle rigidezze di piano e sui coefficienti di smorzamento effettuando una ridistribuzione delle quantità suddette nei piani della struttura. È interessante effettuare l’ottimizzazione di sistemi smorzati nell’ottica della progettazione antisismica, in modo da ridurre la deformata della struttura e, conseguentemente, anche le sollecitazioni che agiscono su di essa. Il lavoro consta di sei capitoli nei quali vengono affrontate tre procedure numerico-analitiche per effettuare l’ottimizzazione di sistemi shear-type. Nel primo capitolo si studia l’ottimizzazione di sistemi shear-type agendo su funzioni di trasferimento opportunamente vincolate. In particolare, le variabili di progetto sono le rigidezze di piano, mentre i coefficienti di smorzamento e le masse di piano risultano quantità note e costanti durante tutto il procedimento di calcolo iterativo; per effettuare il controllo dinamico della struttura si cerca di ottenere una deformata pressoché rettilinea. Tale condizione viene raggiunta ponendo le ampiezze delle funzioni di trasferimento degli spostamenti di interpiano pari all’ampiezza della funzione di trasferimento del primo piano. Al termine della procedura si ottiene una ridistribuzione della rigidezza complessiva nei vari piani della struttura. In particolare, si evince un aumento della rigidezza nei piani più bassi che risultano essere quelli più sollecitati da una azione impressa alla base e, conseguentemente, si assiste ad una progressiva riduzione della variabile di progetto nei piani più alti. L’applicazione numerica di tale procedura viene effettuata nel secondo capitolo mediante l’ausilio di un programma di calcolo in linguaggio Matlab. In particolare, si effettua lo studio di sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. La seconda procedura numerico-analitica viene presentata nel terzo capitolo. Essa riguarda l’ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento e consta di due fasi. La prima fase ricerca il progetto ottimale della struttura per uno specifico valore della rigidezza complessiva e dello smorzamento totale, mentre la seconda fase esamina una serie di progetti ottimali in funzione di diversi valori della rigidezza e dello smorzamento totale. Nella prima fase, per ottenere il controllo dinamico della struttura, viene minimizzata la somma degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano. Le variabili di progetto, aggiornate dopo ogni iterazione, sono le rigidezze di piano ed i coefficienti di smorzamento. Si pone, inoltre, un vincolo sulla quantità totale di rigidezza e di smorzamento, e i valori delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento di ogni piano non devono superare un limite superiore posto all’inizio della procedura. Anche in questo caso viene effettuata una ridistribuzione delle rigidezze e dei coefficienti di smorzamento nei vari piani della struttura fino ad ottenere la minimizzazione della funzione obiettivo. La prima fase riduce la deformata della struttura minimizzando la somma degli scarti quadrarici medi degli spostamenti di interpiano, ma comporta un aumento dello scarto quadratico medio dell’accelerazione assoluta dell’ultimo piano. Per mantenere quest’ultima quantità entro limiti accettabili, si passa alla seconda fase in cui si effettua una riduzione dell’accelerazione attraverso l’aumento della quantità totale di smorzamento. La procedura di ottimizzazione di sistemi smorzati agendo simultaneamente sulla rigidezza e sullo smorzamento viene applicata numericamente, mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab, nel capitolo quattro. La procedura viene applicata a sistemi a due e a cinque gradi di libertà. L’ultima parte della tesi ha come oggetto la generalizzazione della procedura che viene applicata per un sistema dotato di isolatori alla base. Tale parte della tesi è riportata nel quinto capitolo. Per isolamento sismico di un edificio (sistema di controllo passivo) si intende l’inserimento tra la struttura e le sue fondazioni di opportuni dispositivi molto flessibili orizzontalmente, anche se rigidi in direzione verticale. Tali dispositivi consentono di ridurre la trasmissione del moto del suolo alla struttura in elevazione disaccoppiando il moto della sovrastruttura da quello del terreno. L’inserimento degli isolatori consente di ottenere un aumento del periodo proprio di vibrare della struttura per allontanarlo dalla zona dello spettro di risposta con maggiori accelerazioni. La principale peculiarità dell’isolamento alla base è la possibilità di eliminare completamente, o quantomeno ridurre sensibilmente, i danni a tutte le parti strutturali e non strutturali degli edifici. Quest’ultimo aspetto è importantissimo per gli edifici che devono rimanere operativi dopo un violento terremoto, quali ospedali e i centri operativi per la gestione delle emergenze. Nelle strutture isolate si osserva una sostanziale riduzione degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni relative. La procedura di ottimizzazione viene modificata considerando l’introduzione di isolatori alla base di tipo LRB. Essi sono costituiti da strati in elastomero (aventi la funzione di dissipare, disaccoppiare il moto e mantenere spostamenti accettabili) alternati a lamine in acciaio (aventi la funzione di mantenere una buona resistenza allo schiacciamento) che ne rendono trascurabile la deformabilità in direzione verticale. Gli strati in elastomero manifestano una bassa rigidezza nei confronti degli spostamenti orizzontali. La procedura di ottimizzazione viene applicata ad un telaio shear-type ad N gradi di libertà con smorzatori viscosi aggiunti. Con l’introduzione dell’isolatore alla base si passa da un sistema ad N gradi di libertà ad un sistema a N+1 gradi di libertà, in quanto l’isolatore viene modellato alla stregua di un piano della struttura considerando una rigidezza e uno smorzamento equivalente dell’isolatore. Nel caso di sistema sheat-type isolato alla base, poiché l’isolatore agisce sia sugli spostamenti di interpiano, sia sulle accelerazioni trasmesse alla struttura, si considera una nuova funzione obiettivo che minimizza la somma incrementata degli scarti quadratici medi degli spostamenti di interpiano e delle accelerazioni. Le quantità di progetto sono i coefficienti di smorzamento e le rigidezze di piano della sovrastruttura. Al termine della procedura si otterrà una nuova ridistribuzione delle variabili di progetto nei piani della struttura. In tal caso, però, la sovrastruttura risulterà molto meno sollecitata in quanto tutte le deformazioni vengono assorbite dal sistema di isolamento. Infine, viene effettuato un controllo sull’entità dello spostamento alla base dell’isolatore perché potrebbe raggiungere valori troppo elevati. Infatti, la normativa indica come valore limite dello spostamento alla base 25cm; valori più elevati dello spostamento creano dei problemi soprattutto per la realizzazione di adeguati giunti sismici. La procedura di ottimizzazione di sistemi isolati alla base viene applicata numericamente mediante l’utilizzo di un programma di calcolo in linguaggio Matlab nel sesto capitolo. La procedura viene applicata a sistemi a tre e a cinque gradi di libertà. Inoltre si effettua il controllo degli spostamenti alla base sollecitando la struttura con il sisma di El Centro e il sisma di Northridge. I risultati hanno mostrato che la procedura di calcolo è efficace e inoltre gli spostamenti alla base sono contenuti entro il limite posto dalla normativa. Giova rilevare che il sistema di isolamento riduce sensibilmente le grandezze che interessano la sovrastruttura, la quale si comporta come un corpo rigido al di sopra dell’isolatore. In futuro si potrà studiare il comportamento di strutture isolate considerando diverse tipologie di isolatori alla base e non solo dispositivi elastomerici. Si potrà, inoltre, modellare l’isolatore alla base con un modello isteretico bilineare ed effettuare un confronto con i risultati già ottenuti per il modello lineare.

Experimental Study on Friction between Saline Ice and Steel

Understanding the interaction of sea ice with offshore structures is of primary importance for the development of technology in cold climate regions. The rheological properties of sea ice (strength, creep, viscosity) as well as the roughness of the contact surface are the main factors influencing the type of interaction with a structure. A device was developed and designed and small scale laboratory experiments were carried out to study sea ice frictional interaction with steel material by means of a uniaxial compression rig. Sea-ice was artificially grown between a stainless steel piston (of circular cross section) and a hollow cylinder of the same material, coaxial to the former and of the same surface roughness. Three different values for the roughness were tested: 1.2, 10 and 30 μm Ry (maximum asperities height), chosen as representative values for typical surface conditions, from smooth to normally corroded steel. Creep tests (0.2, 0.3, 0.4 and 0.6 kN) were conducted at T = -10 ºC. By pushing the piston head towards the cylinder base, three different types of relative movement were observed: 1) the piston slid through the ice, 2) the piston slid through the ice and the ice slid on the surface of the outer cylinder, 3) the ice slid only on the cylinder surface. A cyclic stick-slip motion of the piston was detected with a representative frequency of 0.1 Hz. The ratio of the mean rate of axial displacement to the frequency of the stick-slip oscillations was found to be comparable to the roughness length (Sm). The roughness is the most influential parameter affecting the amplitude of the oscillations, while the load has a relevant influence on the their frequency. Guidelines for further investigations were recommended. Marco Nanetti - seloselo@virgilio.it

Application of the Equivalent Static Analysis method to the design of a steel frame structure with added viscous dampers

All the structures designed by engineers are vulnerable to natural disasters including floods and earthquakes. The energy released during strong ground motions should be dissipated by structural elements. Before 1990’s, this energy was expected to be dissipated through the beams and columns which at the same time were a part of gravity-load-resisting system. However, the main disadvantage of this idea was that gravity-resisting-frame was not repairable. Hence, during 1990’s, the idea of designing passive energy dissipation systems, including dampers, emerged. At the beginning, main problem was lack of guidelines for passive energy dissipation systems. Although till 2000 many guidelines and procedures where published, yet most of them were based on complicated analysis which was not so convenient for engineers and practitioners. In order to solve this problem recently some alternative design methods are proposed including 1. Lopez Garcia (2001) simple procedure for optimal damper configuration in MDOF structures 2. Christopoulos and Filiatrault (2006) trial and error procedure 3. Silvestri et al. (2010) Five-Step Method. 4. Palermo et al. (2015) Direct Five-Step Method. 5. Palermo et al. (2016) Simplified Equivalent Static Analysis (ESA). In this study, effectiveness and differences between last three alternative methods have been evaluated.