Ductile seismic design, performance assessment and taxonomic characterization of steel racking systems

Abstract

Steel racking systems are Civil Engineering structures used to store the goods and materials of a warehousing unit. In order to facilitate the construction process and to minimize the weight of the steel members, racks are characterized by a number of peculiarities that distinguish them from ordinary buildings. Due to their loose connections and lightness, racks are flexible structures, characterized by significant geometric nonlinearities and local buckling phenomena that significantly deteriorate their lateral-loading response. Indeed, past earthquake events have revealed the vulnerability of racks against strong ground motions, underlining the need for novel design approaches in order to increase their resilience.Research so far has focused on understanding the cyclic behaviour of members and joints that belong to the most common rack configuration, namely adjustable pallet racking systems. However, in order to serve different logistic needs, a variety of rack typologies with different uses and salient characteristics has evolved over time. As a result, racks can range from large independent buildings in the form of the automated rack supported warehouses (ARSWs), down to compact sub-structures. Along these lines, the macro-characteristics of various rack typologies are discussed for the first time, identifying their idiosyncrasies and commonalities to other systems, which are then summarized in a flexible and collapsible taxonomy.In view of better understanding the behaviour of ARSWs to earthquake excitations, a comprehensive seismic assessment is conducted on five multi-depth case studies, designed by professional engineers according to the current European standards. The impact of the design assumptions on the definition of the seismic loads is highlighted and aggregated in a cumulative seismic load multiplier. Consequently, a series of linear response history analyses is performed, in order to assess the vulnerability of the ARSWs to non-ductile failure modes and to define a hierarchy of criticalities for each case study.Following the current tendency in the earthquake engineering community for resilient infrastructure, a ductile seismic design framework is proposed for the cross-aisle direction of racks, so-called plastic ovalization strategy (POS). POS relies on the bearing deformation of the diagonal bolt hole to introduce ductility and reduce seismic demands, employing capacity design to avoid non-ductile failure modes. Analytical equations and finite element models are used to determine the key factors that influence the ductility of the connection and to calibrate the uniaxial springs in a beam element model. Finally, to assess the performance of POS, two ARSWs are examined. To achieve frugal performance assessment of racking systems, a reduced-order modelling approach is proposed that replaces the entire cross-aisle frame with a single/double built-up column, equivalent Timoshenko beams or link elements. The resulting model can support 2D/3D elastic and inelastic analyses, allowing rapid structural analysis of massive racking systems.Finally, the dissertation attempts to fill a gap in the problem of content-structure-sliding interaction (CSSI), a multi-faceted phenomenon that offers both detrimental and beneficial effects to the racking structure. Three approaches are investigated to capture CSSI, each characterized by its own modelling needs and level of accuracy. Simplified alternatives are calibrated using single degree of freedom systems and realistic rack case studies, offering a reliable tool for structural engineers to (a) accurately determine the expected pallet sliding displacements, and (b) correctly reduce the design seismic loads thanks the seismic isolation mechanism offered by CSSI.

Τα μεταλλικά συστήματα ραφιών αποτελούν κατασκευές Πολιτικού Μηχανικού που χρησιμοποιούνται στην αποθήκευση προϊόντων και υλικών μιας αποθηκευτικής μονάδας. Προκειμένου να μειωθεί το κόστος και ο χρόνος κατασκευής, τα ράφια χαρακτηρίζονται από μια πληθώρα ιδιαιτεροτήτων που τα ξεχωρίζει από τα συμβατικά κτήρια. Η απόκρισή τους σε πλευρικά φορτία επηρεάζεται από τις εύκαμπτες συνδέσεις μεταξύ των μελών και τη χρήση λεπτότοιχων διατομών, οδηγώντας σε σημαντικές γεωμετρικές μη γραμμικότητες και φαινόμενα τοπικού λυγισμού. Πράγματι, παλαιότερες καταγραφές έχουν δείξει την τρωτότητα των συστημάτων αυτών σε έντονες σεισμικές διεγέρσεις, κάνοντας επιτακτική την ανάγκη για αναζήτηση καινοτόμων σχεδιαστικών προσεγγίσεων με σκοπό την αύξηση της αναταξιμότητάς τους.Η ερεύνα έως τώρα έχει επικεντρωθεί στην κατανόηση της ανακυκλιζόμενης συμπεριφοράς μελών και κόμβων που ανήκουν στον πιο συνήθη τύπο ραφιών, τα προσαρμοσμένα συστήματα παλετόραφων. Ωστόσο, προκειμένου να εξυπηρετηθούν διαφορετικές υλικοτεχνικές ανάγκες, έχουν αναπτυχθεί στο πέρασμα του χρόνου ποικίλες τυπολογίες ραφιών με διαφορετικές χρήσεις και βασικά χαρακτηριστικά. Ως αποτέλεσμα, τα ράφια μπορεί να κυμαίνονται από μεγάλα ανεξάρτητα κτήρια στη μορφή των αυτοματοποιημένων ραφοϊστάμενων αποθηκών (ΑΡΑ) μέχρι συμπαγείς υπο-κατασκευές. Για το λόγο αυτό πραγματοποιείται για πρώτη φορά ένας ολοκληρωμένος σχολιασμός των μακρο-χαρακτηριστικών διάφορων τυπολογιών ραφιών, εντοπίζοντας τις ιδιοσυγκρασίες αλλά και τις ομοιότητές τους με άλλα συστήματα, τα οποία στη συνέχεια συνοψίζονται σε μια ευέλικτη και πτυσσόμενη ταξινομία.Ενόψει της καλύτερης κατανόησης της συμπεριφοράς των ΑΡΑ σε σεισμικές διεγέρσεις, πραγματοποιείται μια ολιστική σεισμική αποτίμηση σε πέντε παραδείγματα σχεδιασμού ραφιών πολλαπλού βάθους, σχεδιασμένα από επαγγελματίες μηχανικούς σύμφωνα με τα τρέχοντα Ευρωπαϊκά πρότυπα. Υπογραμμίζεται η επίπτωση των σχεδιαστικών υποθέσεων κατά τον προσδιορισμό των σεισμικών φορτίων, οι οποίοι στη συνέχεια συγκεντρώνονται σε έναν σωρευτικό πολλαπλασιαστή σεισμικών δυνάμεων. Έπειτα πραγματοποιείται μια σειρά γραμμικών αναλύσεων χρονοϊστορίας προκειμένου να εκτιμηθεί η τρωτότητα των ΑΡΑ σε ψαθυρούς μηχανισμούς αστοχίας και να προσδιοριστεί η ιεραρχία κρισιμοτήτων για κάθε παράδειγμα σχεδιασμού.Ακολουθώντας την τρέχουσα τάση της κοινότητας αντισεισμικής μηχανικής για ανατάξιμες υποδομές, προτείνεται μια πλάστιμη σεισμική σχεδίαση κατά την εγκάρσια διεύθυνση των ραφιών, η λεγόμενη στρατηγική πλαστικής οβαλοποίησης (ΣΠΟ). Η ΣΠΟ βασίζεται στην παραμόρφωση λόγω σύνθλιψης άντυγας της οπής της διαγωνίου ώστε να εξασφαλιστεί επαρκής πλαστιμότητα και να μειωθούν οι σεισμικές απαιτήσεις, εισάγοντας έναν ικανοτικό σχεδιασμό για να αποφευχθούν μη πλάστιμες μορφές αστοχίας. Στη συνέχεια γίνεται χρήση αναλυτικών εξισώσεων και μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων ώστε να προσδιοριστούν οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την πλαστιμότητα της σύνδεσης και να βαθμονομηθούν τα μονοαξονικά ελατήρια που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση του φαινομένου σε γραμμικά μοντέλα δοκού. Τέλος, προκειμένου να εκτιμηθεί η επίδοση της ΣΠΟ, εξετάζονται δύο παραδείγματα σχεδιασμού ΑΡΑ.Για την επίτευξη μιας φειδωλής αποτίμησης επιτελεστικότητας συστημάτων ραφιών, προτείνεται μια μεθοδολογία απλοποίησης του αριθμητικού μοντέλου η οποία αντικαθιστά ολόκληρο το πλαίσιο της εγκάρσιας διεύθυνσης είτε με ένα μονό/διπλό σύνθετο υποστύλωμα, είτε με ισοδύναμες δοκούς Timoshenko, είτε με στοιχεία συνδέσμου κόμβων. Το μοντέλο που προκύπτει μπορεί να υποστηρίξει 2Δ/3Δ ελαστικές και ανελαστικές αναλύσεις, επιτρέποντας την ταχεία δομική ανάλυση μεγάλων και πολύπλοκων συστημάτων ραφιών.Τέλος, η διατριβή επιχειρεί να καλύψει κενά στο πρόβλημα της αλληλεπίδρασης περιεχομένων-κατασκευής λόγω ολίσθησης (ΑΠΚΟ), ένα πολύπλευρο φαινόμενο που έχει επιζήμιες αλλά και ευεργετικές επιδράσεις σε ένα σύστημα ραφιών. Τρεις προσεγγίσεις εξετάζονται για να ληφθεί υπόψη η ΑΠΚΟ, καθεμία χαρακτηριζόμενη από τις δικές της απαιτήσεις μοντελοποιήσης και επίπεδο ακρίβειας. Οι απλοποιημένες εναλλακτικές βαθμονομούνται χρησιμοποιώντας μονοβάθμια συστήματα και πραγματικά παραδείγματα ραφιών, προσφέροντας ένα αξιόπιστο εργαλείο στους δομοστατικούς μηχανικούς προκειμένου (α) να προσδιορίσουν με ακρίβεια τις αναμενόμενες μετατοπίσεις των παλετών λόγω ολίσθησης, και (β) να απομειώσουν κατάλληλα τα σεισμικά φορτία σχεδιασμού χάρη στο μηχανισμό σεισμικής μόνωσης που προσφέρει η ΑΠΚΟ.