A novel 2D dissipative connection for the seismic retrofit of precast RC structures:conceptualization, prototyping, mechanical and numerical study

Precast RC structures are widely used in industrial and commercial buildings. However, precast RC buildings with poor connections have a significant seismic risk caused by a combination of high seismic vulnerability and exposure. The objectives of this thesis are the conceptualization, prototyping, mechanical and numerical definition of a 2D dissipative connection called Bidirectional Rotational Friction Damper (BRFD) for the seismic retrofit of precast RC structures. The conceptualisation study aims to define a simplified analytical BRFD model and evaluate its impact on a structure’s behaviour during a seismic event. Results show that introducing the BRFD improves the structural dynamic performance, reducing inter-storey drift and total base shear without damaging the structure. The prototyping study aims to identify proper coupling materials that develop a reliable and steady friction coefficient (COF) for the device by performing Pin-on-Disk (PoD) tests set to simulate its real use conditions. The main findings highlight that the interaction between steel and softer metals improves COF steadiness without significant surface damage. The mechanical study aims to assess the mechanical behaviour of the BRFD by performing two investigations: a preliminary one that focuses on the assessment of the selected friction interfaces, and a bidirectional one that focuses on the assessment of the BRFD and the interaction between its longitudinal and transversal components. The results show the promising bidirectional behaviour of the BRFD, both in terms of hysteresis steadiness and good damping capacity. The numerical study aims to validate the mechanical experimental results with FEM analysis by developing two friction-based numerical models that simulate the BRFD behaviour: a simple model for an easy implementation inside a frame structure, and a more refined model to be used as a Virtual Lab tool and that simulates the BRFD elements. The results highlight that the refined model well reproduces the overall behaviour of the BRFD and the interaction between its longitudinal and transversal components. The present study aims to prolong the service life and mitigate the seismic losses of precast RC structures designed for gravity loads only and located in earthquake-prone areas. This is a particularly sensitive topic that allows the pursuit of goals 11, 12 and 13 of the UN 2030 Agenda for Sustainable Development.

Le strutture prefabbricate in c.a. e c.a.p. sono spesso adottate per la realizzazione di edifici industriali e commerciali. Tuttavia, strutture prefabbricate con uno scarso grado di connettività possiedono un significativo rischio sismico a causa dell’effetto combinato di elevata vulnerabilità sismica ed esposizione. Gli obiettivi di questa tesi sono la concettualizzazione, prototipazione e definizione meccanica e numerica di una connessione dissipativa 2D, chiamata Bidirectional Rotational Friction Damper (BRFD), che adegua sismicamente le strutture prefabbricate in c.a. e c.a.p. Lo studio di concettualizzazione mira alla definizione di un modello analitico semplificato del BRFD e alla valutazione della sua influenza sul comportamento di una struttura durante un evento sismico. I risultati mostrano che l’introduzione del BRFD migliora la risposta dinamica della struttura, riducendo i drift d’interpiano e il tagliante alla base senza danneggiare la struttura. Lo studio di prototipazione mira alla selezione dell’accoppiamento di materiali più adatto per sviluppare un coefficiente d’attrito (COF) affidabile e stabile per il BRFD attraverso l’esecuzione di test Pin-on-Disk calibrati per simularne le condizioni d’uso reali. I risultati principali evidenziano come l’interazione tra acciaio e un metallo più morbido migliori la stabilità del COF senza danneggiare significativamente le superfici. Lo studio meccanico del BRFD è stato condotto attraverso due campagne sperimentali: una campagna preliminare focalizzata sulla valutazione delle interfacce attritive selezionate, ed una campagna bidirezionale focalizzata sulla valutazione del comportamento meccanico del BRFD e dell’interazione tra la componente longitudinale e trasversale. I risultati mostrano una comportamento promettente del BRFD, sia in termini di stabilità del ciclo d’isteresi, sia in termini di capacità dissipativa. Lo studio numerico mira alla validazione delle prove meccaniche con analisi FEM attraverso lo sviluppo di due modelli numerici che riproducano il comportamento complessivo del BRFD basati sull’attrito: un modello semplificato per una semplice implementazione all’interno di un telaio, ed un modello raffinato per essere usato come Virtual Lab e che riproduca gli elementi del BRFD. I risultati evidenziano come il modello raffinato riproduca fedelmente il comportamento del BRFD e l’interazione tra la componente longitudinale e trasversale. La presente tesi mira al prolungamento della vita utile e alla mitigazione delle perdite dovute al sisma di strutture prefabbricate in c.a. e c.a.p. progettate solo per carichi verticali e situate in aree a rischio sismico. Questo è un argomento particolarmente sensibile che permette di soddisfare gli obiettivi 11, 12 e 13 dell’agenda ONU 2023 per uno sviluppo sostenibile.