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The present thesis aims to analyze the nonlinear dynamic behavior of high DiaGrid steel structures modeled within Opensees using the diagonal model calibrated with the "nonlinear beam-column elements" available in this program. To succeed in this intent, 3 structures have been established to test, with the same plant (60x60 m), the same structural geometry but with different heights, 117 m the 1st structure, 234 m the 2nd structure and 351 m the 3rd structure. Each structure is equipped with a DiaGrid module with a base height of 23.4 m consisting of a triangular mesh of diagonals and main beams made of square steel tubular sections that cross 6 floors, so that the structures to be analyzed are composed of 5, 10 and 15 modules respectively along the height. In order to proceed with the pre-sizing of the structures, the wind actions (ASCE / SEI 7-05) were obtained in a simplified manner assuming a basic speed of 37 m / s and a flat site in the suburban area, while for gravity loads are assumed 3 kN / m2 for the structural permanent load (including the own weight of the structural elements), 2 kN / m2 for the non-structural permanent load and 4 kN / m2 for the variable load. The basic idea was to ensure that the phenomenon governing the behavior of the structure was the compression instability of the diagonals considered then also the almost impossible to achieve the high tensile strength of these elements. For this reason, the choice of the dimensions of the plates at the ends of the diagonals followed a precise hierarchy of the resistances or that of being designed on the maximum axial action relative to the yielding of the braces in order to be sure that the breaking mechanism, if present, had shown himself inside the diagonals. From each of the analyzed structures an entire external frame was taken, in order to implement it in Opensees in 3 dimensions. The modeling was inspired by the connection model of the bracing to the column beam node proposed by Wijesundara (2009. The diagonals were discretized with 4 force-based fiber elements by assigning them the fatigue material (Uriz et al. [2005]) and subjected to an out-of-plane imperfection equal to 1/1000 of the entire length of the diagonal, in center line match. The beams connected to the braces have also been conceived as non-linear and modeled through fibers with 2 force-based elements while the floor beams resting on the diagonals are implemented with elastic elements. The material response of all nonlinear beam column elements was depicted using the Menegotto-Pinto steel model with isotropic hardening. The strength-hardening ratio was assumed equal to 0.8%, the value of the Young's modulus of steel was taken at 210 GPa while the yield stress was assumed equal to 275 MPa for beams and braces and 450 MPa for gusset plates. Determined the masses according to the combination of seismic load, the modal analyzes of the 3 frames in Opensees were performed, determining the main eigenvalues, periods and relative eigenvectors. The results obtained have been confirmed by the elastic models of the 3 frames created in SAP2000. The structures were then verified under the most severe static combination at SLU. At this point it was possible to proceed to time-history analysis of each frame subject to the seismic combination under the action of a set of real accelerograms selected so that the average was in agreement with the elastic response spectrum of Type 1 of the EC8 [CEN, 2007]. Both the results obtained on the same structure for different accelerograms and the responses of the 3 frames subjected to the same action were compared. In particular, the profiles of the compressive and tensile forces within the most stressed diagonals were obtained along the height of the buildings, the profiles of the maximum peaks of lateral displacement in time and the force-displacement responses in the plane and out of plane of the most significant diagonals.

La presente tesi si pone l’obiettivo di analizzare il comportamento dinamico non lineare di strutture in acciaio alte DiaGrid modellate all’interno di Opensees utilizzando il modello di diagonale calibrato con i “nonlinear beam-column elements” disponibili in tale programma. Si sono stabilite innanzitutto 3 strutture da testare, aventi la stessa pianta (60x60 m), la stessa geometria strutturale ma con altezze differenti, 117, 234 m e 351 m. Ogni struttura è dotata di un modulo DiaGrid di base alto 23,4 m composto da una maglia triangolare di diagonali e travi principali realizzati con sezioni tubolari quadrate in acciaio che attraversano 6 piani, in modo che le strutture da analizzare risultano composte da 5, 10 e 15 moduli rispettivamente lungo l’altezza. Si sono ricavate in maniera semplificata le azioni del vento (ASCE/SEI 7-05) ipotizzando una velocità di base pari a 37 m/s e sito pianeggiante in area suburbana, mentre per i carichi gravitazionali si sono assunti 3 kN/m2 per il carico permanente strutturale (includendo anche il peso proprio degli elementi strutturali), 2 kN/m2 per il carico permanente non strutturale e 4 kN/m2 per il carico variabile. L’idea di base era quella di garantire che il fenomeno governante il comportamento della struttura fosse l’instabilità a compressione dei diagonali. Per questo motivo la scelta delle dimensioni dei piatti agli estremi dei diagonali ha seguito una precisa gerarchia delle resistenze ovvero quella di essere progettati sul valore massimo dell’azione assiale relativa allo snervamento dei controventi. Dalle strutture analizzate si è prelevato un intero telaio esterno, al fine di implementarlo in Opensees in 3 dimensioni. La modellazione ha preso spunto dal modello di connessione dei controventi al nodo trave colonna proposto da Wijesundara (2009). I diagonali sono stati discretizzati con 4 elementi a fibre force-based assegnando loro il materiale a fatica (Uriz et al. [2008]) e soggetti ad un’imperfezione fuori piano pari a 1/1000 dell’intera lunghezza del diagonale stesso, in corrispondenza della mezzeria . Le travi collegate ai controventi sono state pensate anch’esse non lineari ovvero modellate a fibre con 2 elementi force-based mentre le travi di piano poggianti sui diagonali sono implementate con elementi elastici. La risposta del materiale di tutti i nonlinear beam column elements è stata rappresentata usando il modello di acciaio di Menegotto-Pinto con incrudimento isotropico. Il rapporto sforzo-incrumento è stato assunto pari allo 0,8%, il valore del modulo di Young dell’acciaio è stato preso pari a 210 GPa mentre la tensione di snervamento è stata assunta pari a 275 MPa per travi e diagonali e a 450 MPa per i fazzoletti dei nodi. Determinate le masse secondo la combinazione di carico sismica, si sono eseguite le analisi modali dei 3 telai in Opensees determinando i principali autovalori, periodi e relativi autovettori. I risultati ottenuti sono stati confermati dai modelli elastici dei 3 telai creati in SAP2000. Le strutture sono state poi verificate sotto la combinazione di carico gravitazionale più gravosa ovvero quella statica rara allo SLU. A questo punto si è potuto procedere alle analisi time-history di ciascun telaio soggetto alla combinazione di carico sismica sotto l’azione di un set di accelerogrammi reali selezionati in modo che la media fosse in accordo con lo spettro elastico di risposta di Tipo 1 dell’EC8. Si sono confrontati sia i risultati ottenuti sulla stessa struttura per accelerogrammi differenti che le risposte dei 3 telai assoggettati alla stessa azione. In particolare, si sono ottenuti i profili delle forze di compressione e trazione all’interno dei diagonali più sollecitati lungo l’altezza degli edifici, i profili dei picchi massimi di spostamento laterale nel tempo e le risposte forza-spostamento nel piano e fuori piano dei diagonali più significativi.

Analisi dinamiche non lineari di strutture alte DiaGrid in acciaio

CAPONE, ANTONIO
2016/2017

Abstract

The present thesis aims to analyze the nonlinear dynamic behavior of high DiaGrid steel structures modeled within Opensees using the diagonal model calibrated with the "nonlinear beam-column elements" available in this program. To succeed in this intent, 3 structures have been established to test, with the same plant (60x60 m), the same structural geometry but with different heights, 117 m the 1st structure, 234 m the 2nd structure and 351 m the 3rd structure. Each structure is equipped with a DiaGrid module with a base height of 23.4 m consisting of a triangular mesh of diagonals and main beams made of square steel tubular sections that cross 6 floors, so that the structures to be analyzed are composed of 5, 10 and 15 modules respectively along the height. In order to proceed with the pre-sizing of the structures, the wind actions (ASCE / SEI 7-05) were obtained in a simplified manner assuming a basic speed of 37 m / s and a flat site in the suburban area, while for gravity loads are assumed 3 kN / m2 for the structural permanent load (including the own weight of the structural elements), 2 kN / m2 for the non-structural permanent load and 4 kN / m2 for the variable load. The basic idea was to ensure that the phenomenon governing the behavior of the structure was the compression instability of the diagonals considered then also the almost impossible to achieve the high tensile strength of these elements. For this reason, the choice of the dimensions of the plates at the ends of the diagonals followed a precise hierarchy of the resistances or that of being designed on the maximum axial action relative to the yielding of the braces in order to be sure that the breaking mechanism, if present, had shown himself inside the diagonals. From each of the analyzed structures an entire external frame was taken, in order to implement it in Opensees in 3 dimensions. The modeling was inspired by the connection model of the bracing to the column beam node proposed by Wijesundara (2009. The diagonals were discretized with 4 force-based fiber elements by assigning them the fatigue material (Uriz et al. [2005]) and subjected to an out-of-plane imperfection equal to 1/1000 of the entire length of the diagonal, in center line match. The beams connected to the braces have also been conceived as non-linear and modeled through fibers with 2 force-based elements while the floor beams resting on the diagonals are implemented with elastic elements. The material response of all nonlinear beam column elements was depicted using the Menegotto-Pinto steel model with isotropic hardening. The strength-hardening ratio was assumed equal to 0.8%, the value of the Young's modulus of steel was taken at 210 GPa while the yield stress was assumed equal to 275 MPa for beams and braces and 450 MPa for gusset plates. Determined the masses according to the combination of seismic load, the modal analyzes of the 3 frames in Opensees were performed, determining the main eigenvalues, periods and relative eigenvectors. The results obtained have been confirmed by the elastic models of the 3 frames created in SAP2000. The structures were then verified under the most severe static combination at SLU. At this point it was possible to proceed to time-history analysis of each frame subject to the seismic combination under the action of a set of real accelerograms selected so that the average was in agreement with the elastic response spectrum of Type 1 of the EC8 [CEN, 2007]. Both the results obtained on the same structure for different accelerograms and the responses of the 3 frames subjected to the same action were compared. In particular, the profiles of the compressive and tensile forces within the most stressed diagonals were obtained along the height of the buildings, the profiles of the maximum peaks of lateral displacement in time and the force-displacement responses in the plane and out of plane of the most significant diagonals.
INGEGNERIA CIVILE [06408]
2016
Non-linear Time-History Analysis of high DiaGrid steel structures
La presente tesi si pone l’obiettivo di analizzare il comportamento dinamico non lineare di strutture in acciaio alte DiaGrid modellate all’interno di Opensees utilizzando il modello di diagonale calibrato con i “nonlinear beam-column elements” disponibili in tale programma. Si sono stabilite innanzitutto 3 strutture da testare, aventi la stessa pianta (60x60 m), la stessa geometria strutturale ma con altezze differenti, 117, 234 m e 351 m. Ogni struttura è dotata di un modulo DiaGrid di base alto 23,4 m composto da una maglia triangolare di diagonali e travi principali realizzati con sezioni tubolari quadrate in acciaio che attraversano 6 piani, in modo che le strutture da analizzare risultano composte da 5, 10 e 15 moduli rispettivamente lungo l’altezza. Si sono ricavate in maniera semplificata le azioni del vento (ASCE/SEI 7-05) ipotizzando una velocità di base pari a 37 m/s e sito pianeggiante in area suburbana, mentre per i carichi gravitazionali si sono assunti 3 kN/m2 per il carico permanente strutturale (includendo anche il peso proprio degli elementi strutturali), 2 kN/m2 per il carico permanente non strutturale e 4 kN/m2 per il carico variabile. L’idea di base era quella di garantire che il fenomeno governante il comportamento della struttura fosse l’instabilità a compressione dei diagonali. Per questo motivo la scelta delle dimensioni dei piatti agli estremi dei diagonali ha seguito una precisa gerarchia delle resistenze ovvero quella di essere progettati sul valore massimo dell’azione assiale relativa allo snervamento dei controventi. Dalle strutture analizzate si è prelevato un intero telaio esterno, al fine di implementarlo in Opensees in 3 dimensioni. La modellazione ha preso spunto dal modello di connessione dei controventi al nodo trave colonna proposto da Wijesundara (2009). I diagonali sono stati discretizzati con 4 elementi a fibre force-based assegnando loro il materiale a fatica (Uriz et al. [2008]) e soggetti ad un’imperfezione fuori piano pari a 1/1000 dell’intera lunghezza del diagonale stesso, in corrispondenza della mezzeria . Le travi collegate ai controventi sono state pensate anch’esse non lineari ovvero modellate a fibre con 2 elementi force-based mentre le travi di piano poggianti sui diagonali sono implementate con elementi elastici. La risposta del materiale di tutti i nonlinear beam column elements è stata rappresentata usando il modello di acciaio di Menegotto-Pinto con incrudimento isotropico. Il rapporto sforzo-incrumento è stato assunto pari allo 0,8%, il valore del modulo di Young dell’acciaio è stato preso pari a 210 GPa mentre la tensione di snervamento è stata assunta pari a 275 MPa per travi e diagonali e a 450 MPa per i fazzoletti dei nodi. Determinate le masse secondo la combinazione di carico sismica, si sono eseguite le analisi modali dei 3 telai in Opensees determinando i principali autovalori, periodi e relativi autovettori. I risultati ottenuti sono stati confermati dai modelli elastici dei 3 telai creati in SAP2000. Le strutture sono state poi verificate sotto la combinazione di carico gravitazionale più gravosa ovvero quella statica rara allo SLU. A questo punto si è potuto procedere alle analisi time-history di ciascun telaio soggetto alla combinazione di carico sismica sotto l’azione di un set di accelerogrammi reali selezionati in modo che la media fosse in accordo con lo spettro elastico di risposta di Tipo 1 dell’EC8. Si sono confrontati sia i risultati ottenuti sulla stessa struttura per accelerogrammi differenti che le risposte dei 3 telai assoggettati alla stessa azione. In particolare, si sono ottenuti i profili delle forze di compressione e trazione all’interno dei diagonali più sollecitati lungo l’altezza degli edifici, i profili dei picchi massimi di spostamento laterale nel tempo e le risposte forza-spostamento nel piano e fuori piano dei diagonali più significativi.
BRUNESI, EMANUELE
Lauree Magistrali
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.14239/22557