Nonlinear hysteretic tuned mass dampers for seismic protection: design, optimization, and experimental validation for structural retrofitting [Smorzatori di massa accordati isteretici non lineari per la protezione sismica: progettazione, ottimizzazione e validazione sperimentale per il miglioramento strutturale]

This dissertation provides a comprehensive study of the design, optimization and validation of nonlinear Hysteretic Tuned Mass Dampers (HTMDs) for the purpose of seismic protection of civil structures. This research investigates the basic shortcomings of traditional linear tuned mass dampers with unique hysteretic energy dissipation devices that provide better response control under seismic excitation. The major advancement presented in this research is the development of a cost effective HTMD using conventional steel wire rope, and introducing the novel double sliding clamping mechanisms which produce the pinched hysteretic behaviour without the need for high cost shape memory alloys. The device has a modular frame to provide user flexibility in configuration and optimized design features with the ability to apply to any type of structure. Furthermore, the novel design avoids mechanical limitations of hybrid NiTiNOL-steel wire ropes while also providing nonlinear performance tolerated, which is essential for seismic mitigation. Significant experimental testing was conducted on a 5-story prototype structure, using earthquake ground motions according to the Italian Building Code standard design methodology. The experimental testing involved full characterization of the HTMD device with frequency response and force-displacement tests, then complete shaking table testing for various earthquake loads. The testing demonstrated an improvement of structural response to seismic excitation, achieving increased overall structural performance, with average reductions of 69% in RMS acceleration and 75% in peak acceleration for seismic loading periods, which is better than linear TMD system unique to this study. The research provides insights into practical applications, including a case study on protecting a reinforced concrete building. An advanced optimization process based on Differential Evolution algorithms is employed to optimize parameters for application-oriented goals. This process evaluates multiple, equally important performance measures, ensuring robust overall performance under varying seismic loading conditions. A new phenomenological model based on a modifying Bouc-Wen relation was developed that captured all experimental results of pinched hysteretic behavior. The model was capturing stiffness to some degree using an exponential displacement dependence, and results yielded a good correlation to experimental data. The validated model aids in providing simple numerical modeling for design optimization and performance prediction without the need for extensive mechanical modeling at the device or component level. Overall, the dissertation concludes with a generic methodology for the complete design life of a seismic mitigation device, including structural identification, numerical modeling, optimization, and experimental testing and protocols. In summary, the expansive creative field of passive vibration control is nurtured forward for active vibration control. The methodology offers a practical tool for engineers seeking to reduce potential seismic risk features of structural designs for new construction and retrofitting.

Questa tesi fornisce uno studio completo sulla progettazione, l'ottimizzazione e la validazione di Smorzatori di Massa Accordati Isteretici Non Lineari (HTMD) allo scopo di proteggere le strutture civili dagli effetti sismici. La ricerca investiga le carenze fondamentali degli smorzatori di massa accordati tradizionali, di tipo lineare, proponendo dispositivi unici di dissipazione di energia isteretica che garantiscono un migliore controllo della risposta sotto eccitazione sismica. Il progresso principale presentato in questa ricerca è lo sviluppo di un HTMD economicamente vantaggioso che utilizza convenzionali funi d'acciaio, introducendo i nuovi meccanismi di blocco a doppio scorrimento che producono il comportamento isteretico "pinched" senza la necessità di costose leghe a memoria di forma. Il dispositivo ha un telaio modulare che offre flessibilità di configurazione all'utente e caratteristiche di design ottimizzate, con la capacità di essere applicato a qualsiasi tipo di struttura. Inoltre, il design innovativo evita le limitazioni meccaniche delle funi ibride in NiTiNOL-acciaio, fornendo al contempo prestazioni non lineari adatte, essenziali per la mitigazione sismica. Sono state condotte prove sperimentali significative su una struttura prototipo di 5 piani, utilizzando movimenti sismici del terreno conformi alla metodologia di progettazione standard del Normativa Tecnica Italiana. Le prove sperimentali hanno coinvolto la caratterizzazione completa del dispositivo HTMD con test di risposta in frequenza e test forza-spostamento, seguiti da test completi su tavola vibratoria per vari carichi sismici. I test hanno dimostrato un miglioramento della risposta strutturale all'eccitazione sismica, raggiungendo un aumento delle prestazioni strutturali complessive, con riduzioni medie del 69% nell'accelerazione RMS e del 75% nell'accelerazione di picco per i periodi di carico sismico, risultati migliori rispetto al sistema TMD lineare, aspetto unico di questo studio. La ricerca fornisce approfondimenti sulle applicazioni pratiche, inclusa un caso studio sulla protezione di un edificio in cemento armato. Viene impiegato un processo di ottimizzazione avanzato basato su algoritmi di Evoluzione Differenziale per ottimizzare i parametri in base a obiettivi applicativi. Questo processo valuta multiple misure di prestazione, ugualmente importanti, garantendo una robusta performance complessiva sotto varie condizioni di carico sismico. È stato sviluppato un nuovo modello fenomenologico basato su una relazione modificata di Bouc-Wen che ha catturato tutti i risultati sperimentali del comportamento isteretico "pinched". Il modello rappresentava la rigidezza in una certa misura utilizzando una dipendenza esponenziale dallo spostamento, e i risultati hanno mostrato una buona correlazione con i dati sperimentali. Il modello validato aiuta a fornire una modellazione numerica semplice per l'ottimizzazione del progetto e la previsione delle prestazioni senza la necessità di un'estesa modellazione meccanica a livello di dispositivo o componente. In conclusione, la dissertazione propone una metodologia generica per l'intero ciclo di vita di progettazione di un dispositivo per la mitigazione sismica, includendo l'identificazione strutturale, la modellazione numerica, l'ottimizzazione, le prove sperimentali e i relativi protocolli. In sintesi, il vasto e creativo campo del controllo passivo delle vibrazioni viene fatto progredire verso il controllo attivo delle vibrazioni. La metodologia offre uno strumento pratico per gli ingegneri che intendono ridurre le potenziali criticità legate al rischio sismico nei progetti strutturali, sia per le nuove costruzioni che per gli interventi di adeguamento.