Analisi di fragilità sismica di strutture alte DiaGrid in acciaio

The diagrid structural steel system represents a structural solution for tall buildings that has been very widespread in recent years, thanks to its structural efficiency and its architectural potential. However, the seismic performances of this structural typology, with particular reference to an analysis of seismic fragility, have not yet been studied in detail. The present thesis aims to study the seismic vulnerability of three diagrid structures in steel through the use of non-linear incremental dynamic analysis (IDA), focusing on the derivation of seismic fragility functions for different damage states. The three structures in question were modeled in the OpenSees software, using the fatigue diagonal model, thanks to the availability, in this program, of the nonlinear beam - column elements. The three diagrids have the same architectural plan, the same structural geometry but different heights, in particular the first structure is 117 m high, the second 234 m and the third 351 m. This will allow to evaluate how the seismic vulnerability varies according to the height of the building. First, the geometry of the diagrid frames was defined, so that each structure is equipped with a basic module, 23.4 m high, composed of triangular meshes, which is repeated in height 5, 10 and 15 times respectively for the structure 1, 2 and 3; the pre-sizing criteria of the structural elements constituting the grid of diagonals have been illustrated, which respect, through an appropriate hierarchy of the resistances, the basic idea of the design of such structures, thet is the phenomenon governing the behavior of the structure is the instability of the compressed diagonals; the models of the three structures were realized, extrapolating an entire external frame, implemented in three dimensions in order to be able to study the out-of-plane behavior. Subsequently, dynamic incremental analyzes were performed using 21 natural ground motions scaled to different seismic intensities (IM). For each intensity target, average responses to 21 ground motions were evaluated, in terms of lateral displacements, inter-floor drift, peak accelerations and axial actions within the diagonals. After choosing an appropriate and useful damage measure (DM), the demands resulting from the analyzes were compared with the capacity values corresponding to different damage states (FEMA 356); starting from these results, the fragility functions associated to each limit state for the three case studies were constructed. The responses of the three diagrids were compared, trying to understand how they are influenced by the structural height. Finally, the acceleration floor spectra, at different levels of the structure, were estimated for a possible evaluation of accelerating demand on non-structural elements.

Il sistema strutturale diagrid in acciaio rappresenta una soluzione strutturale per gli edifici alti molto diffusa negli ultimi anni, grazie alla sua efficienza strutturale e al suo potenziale architettonico. Tuttavia le prestazioni sismiche di tale tipologia strutturale, con particolare riguardo ad un’analisi di fragilità sismica, non sono ancora state studiate in dettaglio. La presente tesi si pone l’obiettivo di studiare la vulnerabilità sismica di tre strutture diagrid in acciaio mediante l’utilizzo di analisi dinamiche incrementali (IDA) non lineari, focalizzandosi sulla derivazione delle funzioni di fragilità sismica per diversi stati di danno. Le tre strutture in questione sono state modellate all’interno del software OpenSees, utilizzando il modello di diagonale a fatica, grazie alla disponibilità, in tale programma, dei nonlinear beam - column elements. I tre diagrid presentano la stessa pianta architettonica, la stessa geometria strutturale ma diverse altezze, in particolare la prima struttura è alta 117 m, la seconda 234 m e la terza 351 m. Questo permetterà di valutare come varia la vulnerabilità sismica in funzione dell’altezza dell’edificio. In primo luogo è stata definita la geometria dei telai diagrid, in modo tale che ogni struttura sia dotata di un modulo di base, alto 23.4 m, composto da maglie triangolari, che si ripete in altezza 5, 10 e 15 volte rispettivamente per la struttura 1, 2 e 3; sono stati illustrati i criteri di predimensionamento degli elementi strutturali costituenti la grigia di diagonali, che rispettano, tramite un’opportuna gerarchia delle resistenze, l’idea di base di progettazione di tali strutture, ovvero che il fenomeno governante il comportamento della struttura sia l’instabilità delle aste compresse; sono stati realizzati i modelli delle tre strutture, estrapolando un intero telaio esterno, implementato in tre dimensioni al fine di poterne studiare il comportamento fuori piano. In seguito sono state eseguite le analisi incrementali dinamiche utilizzando 21 accelerogrammi naturali scalati a diverse intensità sismiche (IM). Per ogni target di intensità sono state valutate le risposte medie ai 21 accelerogrammi, in termini di spostamenti laterali, drift interpiano, accelerazioni di picco e azioni assiali all’interno dei diagonali. Dopo aver scelto un’opportuna e utile misura di danno (DM), le domande risultanti dalle analisi sono state confrontate con dei valori di capacità corrispondenti a diversi stati di danno (FEMA 356); a partire da tali risultati sono state costruite le funzioni di fragilità associate ad ogni stato limite per i tre casi studio. Sono state confrontate le risposte dei tre diagrid, cercando di capire come siano influenzate dall’altezza strutturale. Infine sono stati stimati gli spettri di piano in accelerazione, a diversi piani della struttura, per un’eventuale valutazione di domanda in accelerazione sugli elementi non strutturali.