Composite Steel Truss and Concrete Beams and Beam-Column Joints for Seismic Resistant Frames: Modelling, numerical analysis and experimental verifications

The Composite Steel Truss and Concrete (CSTC) beams and beam column joints are the subject of the present work. The CSTC beam are composed by prefabricated steel trusses embedded in cast in place concrete. The main features of the steel trusses are that they can bear their own weight and the weight of the slabs without any provisional support during the first phase and then they can collaborate with the cast in place concrete. The recent Italian Code DMLLPP 14/01/2008 mentions the composite steel truss and concrete structures and establishes that the use of this typology requires the authorization of the Italian Superior Council of Public Works without any other specification. The CSTC type isn’t included in any other existing construction type of Italian or International Codes and it needs particular design rules. The research aims are the verification of their efficiency, the development of a reliable calculation method, the application of the composite steel truss beams for seismic resistant frame, the design and the verification of innovative joints with all the necessary good seismic performance requirements. Firstly it has been focused on the reinforced concrete seismic resistant frames in order to fully understand the solicitations, that they have to withstand, and to underscored all the characteristics that can determine their behaviour in terms of stiffness, strength and ductility. In the framework of continuum damage theory, a new two-parameter damage model for concrete has been proposed. In particular, a new concrete compressive damage evolution law has been developed to evaluate the effect of confining reinforcement in RC structure better. With the aim of describing, in a unitary approach, the steel behaviour, specific steel damage indexes have been formulated, taking into account the plastic strain development and the possibility of rebar buckling. A new methodology to estimate the critical buckling load has been formulated, which turned out to be in good agreement with experimental results. An improved and generalized definition of the global damage indexes has finally been proposed, in order to obtain powerful tools to estimate the performance and the state of a RC structure. The improved model has been implemented into a fibre research FEM code, which has been used to carry out nonlinear analyses of tests examples and of a RC concrete frame structure. In particular, the reliability of the model has been demonstrated by comparison with trusted experimental tests on RC column axially loaded and subjected to imposed transversal displacements, some of which had presented the rebar buckling. The static and dynamic nonlinear analyses of two RC frames, respectively one designed in high ductility class and one with weak-columns at the ground floor, have been carried out and the model has demonstrated its ability to describe the dynamic behaviour, the failure mechanism and the energy dissipation of both frames efficiently and accurately. The RC frames investigated with the fibre approach have been studied with a concentrated plastic hinge approach as suggested by FEMA 356. A clear correlation between the GDIs here proposed and the Performance Level proposed by FEMA has been demonstrated for the test examples. The CSTC beam mechanics have been analyzed and a new calculation method has been proposed in the Limit State assessment method framework. Every Ultimate and Serviceability Limit Sates have been defined and correlated to the beam performances. The hardening of the completion concrete cast distinguishes two phases in the life of the CSTC beam that are characterized by distinct resistant sections and different mechanics. During the first phase the beam behaves as a prefabricated steel truss. In the second phase the steel truss collaborates with the hardened concrete. The mechanics of the CSTC beam have been studied for the first and second phases. The developed method has been used to predict and analyze the experimental tests carried out in the Department of Construction and Transportation of the University of Padua. Three sets of experimental tests, conduced on composite steel truss and concrete beams, have been presented and their results analyzed. In particular eight REP?-NOR beams, six ECOTRAVE? RAFTILE? and two PREREP? beams have been designed and tested. The global deformability, the bending and the shear resistant mechanisms, the global ductility, the cracking phenomena have been studied. The results have been compared to those obtained by means of the calculation method presented. The beam mechanics have been confirmed and the method has demonstrated to be efficient and precise to assess the behaviour of the CSTC beams even with very different and innovative solutions. The experimental results have demonstrated the efficiency of the proposed design method and the interesting features of the studied structural type like its strength and ductility properties. The reinforced concrete joint mechanics have been exposed, recalling the main theory and their recent development. Two resistant mechanisms have been evaluated, the concrete strut one and the diagonal compressed field or truss one. Their contribution for the total joint shear strength has been investigated. The theory can then explain all the Code prescriptions and be applied to generalized joint problem. The Eurocode, similar to the Italian code, and ACI 318M code provisions have been compared and the main points have been underlined. A test structural joint element has been defined and designed according to the actual Italian and European Code in high seismicity region. The problem of the accurate numerical analysis of reinforced concrete has been faced. The validation examples have been carried out comparing the numerical results with the experimental ones. Using two dimensional and three dimensional models, it has been possible to evaluate efficiently and accurately the behaviour of the designed reinforced concrete test joint. The numerical analyses have shown all the features and the issues underlined by the theory. The numerical results have been compared qualitatively and quantitatively with the ones obtained by theoretical simplified schemes showing a good agreement. Starting from theoretical considerations a new CSTC joint has been proposed. The main aim is to reach an adequate stiffness, strength and ductility in sight of the application on seismic resistant frames. The similarity of the resisting mechanisms has permitted the extension of the RC theory to the joint shear resistant of the CSTC structural type. The calculation of the proposed joint started with the investigations of possible admissible stress distribution within the joint and it follows with their quantitative evaluations. By means of the numerical model studied and validated on the RC structures, the analysis of the designed joint have been carried out. Both two dimensional and three dimensional analysis results have been presented along with their comparison with the RC joint ones. The numerical analysis showed the achievement of important targets as the joint stiffness, the joint strength and the joint ductility. The capacity of dissipating energy has been also assessed and compared with the RC one. The results confirm the efficiency of the proposed CSTC joint. An innovative composite beam-column joint has been studied for applications in medium-low seismicity regions. The joint connects composite steel truss and concrete beams and concrete filled steel tube columns. The main concept of this joint is to conserve the continuity of the column steel tube between one storey and the following one by means of blind cold connection. Additional elements, which passes through the joint to restore the beam continuity, have been proposed. The proposed connections require little manpower work in the construction site reducing the number of operations and the working time. The resulting joint is a special kind of composite steel and concrete structure in which the steel and the concrete collaborate to sustain the solicitations. The assessment of the joint has been made using the Eurocode 3 and 4. The verification of the joint behaviour has been done by means of numerical analyses and a finite element method program has been used with different modelling solutions. The results confirmed the efficiency of the proposed composite beam-column joint.

L’oggetto della presente Tesi di Dottorato riguarda lo studio delle travi tralicciate composte acciaio e calcestruzzo e dei nodi trave pilastro ideati per l’impiego di tale tipologia strutturale. Le travi tralicciate composte sono costituite da tralicci di acciaio prefabbricati conglobati in getti di calcestruzzo comunemente realizzati in cantiere. Le principali caratteristiche dei tralicci di acciaio sono l’autoportanza nei confronti del peso proprio e di quello del solaio senza alcun ulteriore supporto provvisionale e la collaborazione con il getto di calcestruzzo quando esso indurisce. La recente norma italiana DMLLPP 14/01/2008 fa menzione della tipologia strutturale tralicciata composta e stabilisce che il suo impiego richiede la preventiva autorizzazione del Consiglio Superiore dei Lavori Pubblici senza fornire alcuna altra specifica. L’assenza quindi di normativa Italiana e Internazionale a riguardo richiede la formulazione di regole di progetto specifiche. Gli scopi della ricerca sono la verifica dell’efficienza di questo sistema strutturale, lo sviluppo di un metodo di calcolo attendibile, l’applicazione delle travi tralicciate composte in telai sismo resistenti, il progetto e la verifica di innovativi nodi trave-pilastro con adeguate prestazioni anti sismiche. Come primo obiettivo, si sono focalizzati i telai in cemento armato sismo resistenti per comprendere a pieno le sollecitazioni a cui sono soggetti e per analizzare tutte le caratteristiche che possono condizionare il loro comportamento in termini di rigidezza, resistenza e duttilità. Nel quadro della teoria del danno continuo, è stato proposto un nuovo modello di danno a due parametri per il calcestruzzo. In particolare è stata sviluppata una nuova legge di evoluzione del danno a compressione per il calcestruzzo per una migliore valutazione degli effetti delle armature di confinamento nelle strutture di cemento armato. Allo scopo di descrivere il comportamento dell’armatura in un approccio unitario, sono stati formulati specifici indici di danno per l’acciaio, prendendo in considerazione lo sviluppo della deformazione plastica e il fenomeno dell’instabilità delle barre compresse. È stata inoltre formulata una nuova metodologia per stimare il carico critico delle barre che risulta in ottimo accordo con i risultati sperimentali. Infine è stata proposta una migliore e generalizzata definizione degli indici di danno globali con lo scopo di ottenere strumenti efficaci nella caratterizzazione delle prestazioni di strutture in cemento armato. Il modello sviluppato è stato implementato in un codice di ricerca agli elementi finiti con modello a fibre, il quale è stato validato mediante la comparazione di analisi non lineari di strutture sottoposte a prove sperimentali. In particolare, è stata dimostrata l’affidabilità del modello mediante la comparazione con i risultati di esperimenti condotti in colonne di cemento armato alcune delle quali hanno presentato l’instabilità delle barre compresse. Sono state condotte analisi statiche e dinamiche non lineari di telai in cemento armato progettati con o senza i criteri di alta duttilità e il modello si è dimostrato in grado di descrivere in modo efficiente ed accurato il comportamento dinamico, i meccanismi di collasso e l’energia dissipata. Gli stessi telai sono stati poi studiati mediante un approccio a cerniere plastiche concentrate così come proposto dalla normativa Americana FEMA 356. È stata proposta e indagata una correlazione tra i livelli di prestazione contenuti nella normativa FEMA e gli indici di danno globali. La meccanica delle travi tralicciate composte è stata analizzata ed è stato proposto un innovativo metodo di calcolo nell’ambito del metodo Semiprobabilistico agli Stati Limite. Ogni Stato Limite Ultimo e di Esercizio è stato definito e correlato alle prestazioni delle travi. L’indurimento del getto di completamento distingue due fasi nella vita delle travi tralicciate che sono caratterizzate da differenti sezioni resistenti e conseguentemente da una meccanica differente. Durante la prima fase le travi si comportano come tralicci di acciaio prefabbricati, mentre nella seconda i tralicci di acciaio collaborano con il calcestruzzo indurito. Per entrambe le fasi sono stati proposti metodi di calcolo e verifica del comportamento delle travi. Il metodo così sviluppato è stato impiegato per predire e analizzare le prove sperimentali condotte presso il Laboratorio di Prove sui Materiali da Costruzione del Dipartimento di Costruzioni e Trasporti dell’Università di Padova. Sono presentate tre serie di prove sperimentali su travi tralicciate con le relative analisi dei risultati ottenuti. In particolare sono state progettate e sottoposte a prova: otto travi REP?-NOR, sei travi ECOTRAVE? RAFTILE? e due travi PREREP?.Sono stati studiati la deformabilità globale, i meccanismi resistenti a flessione e taglio e i fenomeni di fessurazione e decompressione. I risultati sono stati comparati con quelli ottenuti per mezzo del metodo di calcolo presentato. La meccanica delle travi è stata così confermata e il metodo di calcolo si è dimostrato efficiente e preciso nella valutazione del comportamento di travi tralicciate, alcune delle quali presentavano soluzioni costruttive distinte ed innovative. La meccanica del nodo trave pilastro in cemento armato è stata poi analizzata, richiamando le principali teorie e i loro recenti sviluppi. Sono stati valutati i due meccanismi di resistenza del nodo ovvero quello del puntone di calcestruzzo e quello a traliccio d’armatura. È stato investigato il loro contributo nell’assorbire il taglio totale che sollecita il nodo per effetto di azioni sismiche. Sono state così chiaramente esplicitate tutte le prescrizioni contenute nelle normative di merito in vista dell’applicazione a nodi di geometrie e caratteristiche distinte. Sono state quindi confrontate le prescrizioni dell’Eurocodice e della normativa Americana ACI 318M nei loro apsetti fondamentali. È stato poi definito un nodo trave-colonna da impiegarsi come struttura di riferimento ed è stato progettato in cemento armato secondo la vigente normativa Europea e Italiana. Si è affrontato di seguito il problema dell’analisi numerica accurata di tale nodo. I modelli numerici proposti sono stati validati tramite confronti con risultati sperimentali. Tramite l’impiego di analisi bi- e tri- dimensionali è stato possibile valutare in modo appropriato il comportamento del nodo progettato. Lo sviluppo teorico ha così trovato conferma nelle analisi numeriche sia qualitativamente che quantitativamente. Partendo da considerazioni teoriche, è stato proposto un innovativo nodo per travi tralicciate miste. Lo scopo principale è stato quello di raggiungere adeguate rigidezza, resistenza e duttilità in telai sismo-resistenti. La similarità dei meccanismi resistenti ha permesso di estendere la teoria dei nodi di cemento armato alla tipologia tralicciata mista. Il calcolo dei nodi proposti parte dallo studio di distribuzioni di tensioni staticamente ammissibili all’interno del nodo e segue con la loro valutazione quantitativa. Per mezzo degli strumenti di analisi numerica studiati e validati con le strutture di cemento armato, sono state eseguite le analisi dei nuovi nodi progettati. Anche in questo caso analisi bi- e tri- dimensionali sono presentate assieme al loro confronto con le corrispettive dei nodi in cemento armato. Le analisi numeriche mostrano il raggiungimento di obiettivi importanti quali la rigidezza del nodo, la sua resistenza e la sua duttilità. È stata altresì verificata la capacità del nodo di dissipare energia confrontandola con quella del nodo in cemento armato. I risultati confermano l’efficienza della soluzione di nodo in tipologia tralicciata mista proposta. Infine, è stato studiato un innovativo nodo di tipologia strutturale composta per applicazioni in zone a medio-bassa sismicità. Il nodo è stato pensato per connettere travi tralicciate composte e pilastri di calcestruzzo con camicia esterna di acciaio. Il principale spunto del nodo è quello di conservare la continuità della camicia di acciaio attraverso il nodo per mezzo di connessioni a freddo con bulloni ciechi. Sono stati quindi proposti elementi strutturali aggiuntivi, che oltrepassano la colonna in corrispondenza del nodo, con il compito di ripristinare la continuità. Le connessioni proposte richiedono un limitato impiego di manodopera in cantiere riducendo così il numero di lavorazioni e i tempi di costruzione. Il nodo risultante è un tipo speciale di struttura composta acciaio e calcestruzzo, collaborando l’acciaio con il calcestruzzo nel sostenere le sollecitazioni. Il progetto del nodo è stato condotto secondo le prescrizioni della vigente normativa Italiana ed Europea. La verifica del comportamento del nodo composto è stata eseguita per mezzo di analisi numeriche con programmi agli elementi finiti valutando differenti soluzioni di modellazione. I modelli numerici hanno tenuto conto della limitazione delle tensioni di trazione all’interfaccia tra camicia di acciaio e calcestruzzo delle travi. Grazie a tale accurata modellazione, i relativi risultati possono essere considerati affidabili e precisi. Le analisi hanno quindi confermato l’efficienza del nodo trave-pilastro proposto in struttura mista acciaio e calcestruzzo.