Force-Based Seismic Design of Dual System RC Structures

Seismic design of standard structures is typically based on a force-based design approach. Over the years, this approach has proven to be robust and easy to apply by design engineers and – in combination with capacity design principles – it provided a good protection against premature structural failures. However, it is also known that the force-based design approach as it is implemented in the current generation of seismic design codes suffers from some shortcomings. One of these relates to the fact that the base shear is computed using a pre-defined force reduction factor, which is constant for a certain type of structural system. As a result of this, for the same design input, structures of the same type but different geometry are subjected to different ductility demands and show therefore a different performance during an earthquake. The objective of this research is to present an approach for computing force reduction factors using simple analytical models. These analytical models describe the deformed shape at yield and ultimate displacement of the structure and only require input data that are available when starting the design process, such as geometry and general material properties. The displacement profiles are obtained from section dimensions and section ductility capacities that can be estimated at the beginning of the design process. The so computed displacement ductility is taken as proxy of the force reduction factor. Such analytical models allow to link global to local ductility demands and therefore to compute an estimate of the force ductility reduction factors for wall and frame structures. Finally, this research develops an approach for frame-wall structures as combination of results obtained for wall and frame systems. The proposed method is applied to a set of frame-wall structures and validated by means of nonlinear time history analyses. Obtained results show that the proposed method yields a more accurate seismic performance than the current code design approach. The presented work therefore contributes to the development of revised force-based design guidelines for the next generation of seismic design codes.La progettazione sismica di strutture è tipicamente basato su un approccio progettuale basato sulle forze. Nel corso degli anni, questo approccio ha dimostrato di essere robusto e facile da applicare dai progettisti e, in combinazione con il principio di gerarchia delle resistenze, fornisce una buona protezione contro i meccanismi di collasso fragili. Tuttavia, è anche noto che l'approccio di progettazione in forze così come attuato nell’odierna generazione di normative soffre di alcune carenze. Uno di questi riguarda il fatto che il tagliante alla base è calcolato utilizzando un fattore di struttura predefinito, cioè costante per tipo di sistema strutturale. Di conseguenza, per lo stesso input di progettazione, strutture dello stesso tipo ma diversa geometria sono sottoposti ad una diversa domanda di duttilità e mostrano quindi una diversa prestazione durante un evento sismico. L'obiettivo di questo studio è quello di presentare un approccio per il calcolo fattori di struttura utilizzando modelli analitici semplici. Questi modelli analitici descrivono la deformata a snervamento e spostamento ultimo della struttura e richiedono solo dati di input disponibili all’inizio del processo di progettazione, quali dati geometrici e proprietà dei materiali. La deformata della struttura ottenuta dalle dimensioni delle sezioni e la capacità in termini di duttilità sezionale possono essere stimati all'inizio della progettazione. La duttilità è alla base della formulazione del fattore di struttura come proposto dai modelli analitici presentati. Tali modelli analitici permettono di collegare le duttilità sezionali alla duttilità strutturale e quindi calcolare una stima del fattore di struttura per struttura a pareti e a telaio. Infine, si sviluppa un approccio per strutture duali di tipo telaio-parete come combinazione di risultati ottenuti per i sistemi singoli. Il metodo proposto è applicato ad un insieme di strutture duali e validato con analisi dinamiche non lineari. Si dimostra che il metodo proposto produce una più accurata prestazione sismica rispetto all'approccio progettuale delle normative odierne. Il lavoro presentato contribuisce pertanto allo sviluppo di nuove linee guida per la progettazione sismica nella prossima generazione di normative