Seismic analysis and design of innovative steel and concrete hybrid coupled wall systems

The concept of structural fuse applied to earthquake resistant systems has led to the development of several seismic-resistant structural solutions, including interesting steel and concrete hybrid systems. These systems are obtained through a combination in series of steel elements and reinforced concrete elements with the aim of exploiting at their best the potentialities of each material. In this work the seismic behaviour of an innovative hybrid coupled shear wall (HCSW) system, developed in the European research project INNO-HYCO (INNOvative HYbrid and COmposite steel-concrete structural solutions for building in seismic area), is investigated. The earthquake resistant solution is composed by a reinforced concrete wall coupled to steel side columns by means of easily replaceable steel links with the objective to exploit both the stiffness of reinforced concrete wall, necessary to limit building damage under low-intensity earthquakes, and the ductility of steel links, necessary to dissipate energy under medium- and high-intensity earthquakes. The seismic behaviour of the system is assessed through nonlinear static (pushover) analysis and multi-record nonlinear incremental dynamic analysis (IDA). For this purpose, firstly a set of realistic case studies is designed, then a finite element model is developed into the platform Opensees and validated through comparisons against experimental tests including local and global responses quantities. A selection of results including global and local response quantities is shown in order to highlight the potentialities of the proposed innovative HCSW systems and the actual possibility to develop a ductile behaviour where plastic deformation are attained in the steel links before yielding in the reinforced concrete wall. The final results permit to provide a support for the identification of optimal solutions that could be competitive against existing seismic resistant structural systems.

L’applicazione del concetto di fusibile strutturale nei sistemi sismo-resistenti ha portato allo sviluppo di diverse soluzioni strutturali, tra queste sono compresi i promettenti sistemi ibridi acciaio calcestruzzo. Questi sistemi sono ottenuti tramite una combinazione in serie di elementi in acciaio e in calcestruzzo armato con l’obiettivo di sfruttare al loro meglio le potenzialità di ciascun materiale. In questo lavoro viene indagato il comportamento sismico del sistema innovativo ibrido a parete accoppiata (HCSW), sviluppato nel progetto di ricerca europeo INNO-HYCO (INNOvative HYbrid and COmposite steel-concrete structural solutions for building in seismic area). La soluzione sismo-resistente è composta da una parete in calcestruzzo armato accoppiata a colonne laterali di acciaio tramite link sostituibili con l’obiettivo di sfruttare sia la rigidezza della parete, necessaria a limitare il danneggiamento della costruzione sotto l’azione di terremoti di bassa intensità, che la duttilità dei link di acciaio, necessaria a dissipare l’energia dei sismi di medio-alta intensità. Il comportamento sismico del sistema viene valutato tramite analisi statiche non lineari (pushover) e analisi dinamiche non lineari incrementali (IDA). Per questi scopi, inizialmente è stato progettato un insieme di casi studio realistici, poi è stato sviluppato un modello agli elementi finiti a fibre, validato successivamente tramite confronti con risultati sperimentali comprendendo quantità di risposta locali e globali. Infine, viene mostrata una selezione dei risultati ottenuti, includendo parametri di risposta locale e globale, per mettere in luce le potenzialità dei sistemi innovativi proposti e la concreta possibilità di sviluppare un comportamento duttile nel quale le deformazioni plastiche nei link sono attese prima dello snervamento della parete. Inoltre, i risultati finali permettono di fornire un supporto per l’identificazione delle soluzioni ottimali che potrebbero risultare competitive rispetto a sistemi esistenti.