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.

Non linear response of planar asymmetric systems

The seismic behaviour of one-storey asymmetric structures has been studied since 1970s by a number of researches studies which identified the coupled nature of the translational-to-torsional response of those class of systems leading to severe displacement magnifications at the perimeter frames and therefore to significant increase of local peak seismic demand to the structural elements with respect to those of equivalent not-eccentric systems (Kan and Chopra 1987). These studies identified the fundamental parameters (such as the fundamental period TL normalized eccentricity e and the torsional-to-lateral frequency ratio Ωϑ) governing the torsional behavior of in-plan asymmetric structures and trends of behavior. It has been clearly recognized that asymmetric structures characterized by Ωϑ >1, referred to as torsionally-stiff systems, behave quite different form structures with Ωϑ <1, referred to as torsionally-flexible systems. Previous research works by some of the authors proposed a simple closed-form estimation of the maximum torsional response of one-storey elastic systems (Trombetti et al. 2005 and Palermo et al. 2010) leading to the so called “Alpha-method” for the evaluation of the displacement magnification factors at the corner sides. The present paper provides an upgrade of the “Alpha Method” removing the assumption of linear elastic response of the system. The main objective is to evaluate how the excursion of the structural elements in the inelastic field (due to the reaching of yield strength) affects the displacement demand of one-storey in-plan asymmetric structures. The system proposed by Chopra and Goel in 2007, which is claimed to be able to capture the main features of the non-linear response of in-plan asymmetric system, is used to perform a large parametric analysis varying all the fundamental parameters of the system, including the inelastic demand by varying the force reduction factor from 2 to 5. Magnification factors for different force reduction factor are proposed and comparisons with the results obtained from linear analysis are provided.

Evolution of the structural and fracture design of the ISS payloads due to the new launchers, specifically applied to Biolab IEC-2 projects

The relatively young discipline of astronautics represents one of the scientifically most fascinating and technologically advanced achievements of our time. The human exploration in space does not offer only extraordinary research possibilities but also demands high requirements from man and technology. The space environment provides a lot of attractive experimental tools towards the understanding of fundamental mechanism in natural sciences. It has been shown that especially reduced gravity and elevated radiation, two distinctive factors in space, influence the behavior of biological systems significantly. For this reason one of the key objectives on board of an earth orbiting laboratory is the research in the field of life sciences, covering the broad range from botany, human physiology and crew health up to biotechnology. The Columbus Module is the only European low gravity platform that allows researchers to perform ambitious experiments in a continuous time frame up to several months. Biolab is part of the initial outfitting of the Columbus Laboratory; it is a multi-user facility supporting research in the field of biology, e.g. effect of microgravity and space radiation on cell cultures, micro-organisms, small plants and small invertebrates. The Biolab IEC are projects designed to work in the automatic part of Biolab. In this moment in the TO-53 department of Airbus Defence & Space (formerly Astrium) there are two experiments that are in phase C/D of the development and they are the subject of this thesis: CELLRAD and CYTOSKELETON. They will be launched in soft configuration, that means packed inside a block of foam that has the task to reduce the launch loads on the payload. Until 10 years ago the payloads which were launched in soft configuration were supposed to be structural safe by themselves and a specific structural analysis could be waived on them; with the opening of the launchers market to private companies (that are not under the direct control of the international space agencies), the requirements on the verifications of payloads are changed and they have become much more conservative. In 2012 a new random environment has been introduced due to the new Space-X launch specification that results to be particularly challenging for the soft launched payloads. The last ESA specification requires to perform structural analysis on the payload for combined loads (random vibration, quasi-steady acceleration and pressure). The aim of this thesis is to create FEM models able to reproduce the launch configuration and to verify that all the margins of safety are positive and to show how they change because of the new Space-X random environment. In case the results are negative, improved design solution are implemented. Based on the FEM result a study of the joins has been carried out and, when needed, a crack growth analysis has been performed.

A new method for continuous quality control of nsm cfrp systems

In the last decade the near-surface mounted (NSM) strengthening technique using carbon fibre reinforced polymers (CFRP) has been increasingly used to improve the load carrying capacity of concrete members. Compared to externally bonded reinforcement (EBR), the NSM system presents considerable advantages. This technique consists in the insertion of carbon fibre reinforced polymer laminate strips into pre-cut slits opened in the concrete cover of the elements to be strengthened. CFRP reinforcement is bonded to concrete with an appropriate groove filler, typically epoxy adhesive or cement grout. Up to now, research efforts have been mainly focused on several structural aspects, such as: bond behaviour, flexural and/or shear strengthening effectiveness, and energy dissipation capacity of beam-column joints. In such research works, as well as in field applications, the most widespread adhesives that are used to bond reinforcements to concrete are epoxy resins. It is largely accepted that the performance of the whole application of NSM systems strongly depends on the mechanical properties of the epoxy resins, for which proper curing conditions must be assured. Therefore, the existence of non-destructive methods that allow monitoring the curing process of epoxy resins in the NSM CFRP system is desirable, in view of obtaining continuous information that can provide indication in regard to the effectiveness of curing and the expectable bond behaviour of CFRP/adhesive/concrete systems. The experimental research was developed at the Laboratory of the Structural Division of the Civil Engineering Department of the University of Minho in Guimar\~aes, Portugal (LEST). The main objective was to develop and propose a new method for continuous quality control of the curing of epoxy resins applied in NSM CFRP strengthening systems. This objective is pursued through the adaptation of an existing technique, termed EMM-ARM (Elasticity Modulus Monitoring through Ambient Response Method) that has been developed for monitoring the early stiffness evolution of cement-based materials. The experimental program was composed of two parts: (i) direct pull-out tests on concrete specimens strengthened with NSM CFRP laminate strips were conducted to assess the evolution of bond behaviour between CFRP and concrete since early ages; and, (ii) EMM-ARM tests were carried out for monitoring the progressive stiffness development of the structural adhesive used in CFRP applications. In order to verify the capability of the proposed method for evaluating the elastic modulus of the epoxy, static E-Modulus was determined through tension tests. The results of the two series of tests were then combined and compared to evaluate the possibility of implementation of a new method for the continuous monitoring and quality control of NSM CFRP applications.

Structural verification of the ESEO spacecraft: from launch loads analysis to composite panels verification

The present thesis work was performed in the frame of ESEO (European Student Earth Orbiter) project. The activities that are described in this document were carried out in the Microsatellites and Space Micro systems Lab led by Professor Paolo Tortora and in ALMASpace company facilities. The thesis deals with ESEO structural analysis, at system and unit level, and verification: after determining the design limit loads to be applied to the spacecraft as an envelope of different launchers load profiles, a finite element structural analysis was performed on the model of the satellite in order to ensure the capability to withstand the loads encountered during the launch; all the analyses were performed according to ESA standards and using the software MSC NASTRAN SIMXPERT. Amplification factors were derived and used to determine loads to be considered at unit level. In particular structural analyses were carried out on the GPS unit, the payload developed for ESEO by students of University of Bologna and results were used in the preparation of GPS payload design definition file. As for the verification phase a study on the panels and inserts to be used in the spacecraft was performed: different designs were created exploiting methods to optimize weight and mechanical behavior. The configurations have been analyzed and results compared to select the final design.

Structural failures due to lack of bracing

The goal of the research is to provide an overview of those factors that play a major role in structural failures and also to focus on the importance that bracing has in construction accidents. A temporary bracing system is important to construction safety, yet it is often neglected. Structural collapses often occur due to the insufficient support of loads that are applied at the time of failure. The structural load is usually analyzed by conceiving the whole structure as a completed entity, and there is frequently a lack of design or proper implementation of systems that can provide stability during construction. Often, the specific provisions and requirements of temporary bracing systems are left to the workers on the job site that may not have the qualifications or expertise for proper execution. To effectively see if bracing design should get more attention in codes and standards, failures which could have been avoided with the presence and/or the correct design of a bracing system were searched and selected among a variety of cases existing in the engineering literature. Eleven major cases were found, which span in a time frame of almost 70 years, clearly showing that the topic should get more attention. The case studies are presented in chronological order and in a systematic way. The failed structure is described in its design components and the sequence of failure is reconstructed. Then, the causes and failure mechanism are presented. Advice on how to avoid similar failures from happening again and hypothetic solutions which could have prevented the collapses are identified. The findings shows that insufficient or nonexistent bracing mainly results from human negligence or miscalculation of the load analysis and show that time has come to fully acknowledge that temporary structures should be more accounted for in design and not left to contractors' means and methods of construction.

Finite Element Modeling of Spiral Frequency Steerable Acoustic Transducers (FSATs) for guided waves based Structural Health Monitoring of plate-like structures

Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging area of research associated to improvement of maintainability and the safety of aerospace, civil and mechanical infrastructures by means of monitoring and damage detection. Guided wave structural testing method is an approach for health monitoring of plate-like structures using smart material piezoelectric transducers. Among many kinds of transducers, the ones that have beam steering feature can perform more accurate surface interrogation. A frequency steerable acoustic transducer (FSATs) is capable of beam steering by varying the input frequency and consequently can detect and localize damage in structures. Guided wave inspection is typically performed through phased arrays which feature a large number of piezoelectric transducers, complexity and limitations. To overcome the weight penalty, the complex circuity and maintenance concern associated with wiring a large number of transducers, new FSATs are proposed that present inherent directional capabilities when generating and sensing elastic waves. The first generation of Spiral FSAT has two main limitations. First, waves are excited or sensed in one direction and in the opposite one (180 ̊ ambiguity) and second, just a relatively rude approximation of the desired directivity has been attained. Second generation of Spiral FSAT is proposed to overcome the first generation limitations. The importance of simulation tools becomes higher when a new idea is proposed and starts to be developed. The shaped transducer concept, especially the second generation of spiral FSAT is a novel idea in guided waves based of Structural Health Monitoring systems, hence finding a simulation tool is a necessity to develop various design aspects of this innovative transducer. In this work, the numerical simulation of the 1st and 2nd generations of Spiral FSAT has been conducted to prove the directional capability of excited guided waves through a plate-like structure.