Seismic performance of steel pallet racks

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έγινε στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών "Δομοστατικός Σχεδιασμός και Ανάλυση Κατασκευών" του ΕΜΠ. Ωστόσο ένα μεγάλο τμήμα της εκπονήθηκε στο Politecnico di Milano. Ο βασικός της στόχος είναι η διερεύνηση της σεισμικής απόκρισης χαλύβδινων βιομηχανικών ραφιών τα οποία κατά βάση αποτελούνται από λεπτότοιχα στοιχεία ψυχρής έλασης. Η σεισμική απόκριση αυτών των κατασκευών προσεγγίστηκε μέσω της προσομοίωσης με το λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Sap2000 (CSI) και τη μέθοδο της στατικής ανελαστικής ανάλυσης (pushover). Τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την περάτωση αυτής της εργασίας, αποκτήθηκαν στα πλαίσια του ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος "Seisracks 2". Το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί εισαγωγή στο υπό εξέταση πρόβλημα. Η σημασία του ζητήματος υπερτονίζεται υπό το πρίσμα της σύγχρονης αυξανόμενης διάδοσης της χρήσης των βιομηχανικών ραφιών τόσο σε αποθήκες όσο και σε χώρους ανοιχτούς στο κοινό όπως π.χ. καταστήματα. Κατ' επέκταση ο σχεδιασμός τους πρέπει να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις για υψηλή αντοχή, απλότητα και προσαρμοστικότητα στην εγκατάσταση, οικονομία και φυσικά, ασφάλεια τόσο των χρηστών όσο και των αποθηκευμένων αγαθών. Στη συνέχεια, περιγράφεται η τυπική διάταξη και διαμόρφωση ενός συστήματος βιομηχανικών ραφιών καθώς επίσης οι βασικές ιδιότητες των λεπτότοιχων μελών ψυχρής έλασης. Θα έπρεπε σε αυτό το σημείο να προστεθεί ότι μια ακόμη από τις ιδιαιτερότητες των κατασκευών αυτών είναι το γεγονός ότι φέρουν πολύ μεγάλα κινητά φορτία ενώ έχουν ελάχιστο ίδιο βάρος (συγκριτικά αμελητέο). Τέλος, αναφέρονται οι σχετικοί Κώδικες και Κανονισμοί καθώς επίσης και οι συνήθεις σεισμικές παράμετροι σχεδιασμού. Το δεύτερο κεφάλαιο επικεντρώνεται στην προηγούμενη έρευνα που έχει γίνει πάνω σε αυτό το θέμα και κυρίως στο ερευνητικό πρόγραμμα "SEISRACKS" τα βασικά αποτελέσματα του οποίου, πάνω σε ζητήματα πειραματικών ελέγχων μελών, προσομοιωμάτων ολίσθησης των παλετών και pushover αναλύσεων, παρουσιάζονται. Στο τρίτο κεφάλαιο, επεξηγείται η διαδικασία προσομοίωσης στο λογισμικό Sap2000. Η μεθοδολογία παρουσιάζεται με άξονες τη γενική διάταξη των προσομοιωμάτων, το κάθε τύπο μέλους χωριστά αλλά και τον κάθε τύπο σύνδεσης ή στήριξης. Η διαδικασία της στατικής ανελαστικής ανάλυσης στο Sap2000 παρουσιάζεται στη συνέχεια, καθώς επίσης και οι επιλογές που αφορούν τη μη γραμμικότητα των υλικών και της γεωμετρίας. Στο τέλος αυτής της ενότητας αναφέρονται τα προβλήματα που προέκυψαν και έπρεπε να επιλυθούν κατά την διάρκεια του σχεδιασμού της προσομοίωσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται οι κατασκευές που εξετάστηκαν. Συνολικά έξι προσομοιώματα φτιάχτηκαν, λαμβάνοντας δεδομένα από τρεις διαφορετικές εταιρείες. Κάθε εταιρεία παρείχε σχέδια και πειραματικά δεδομένα για δύο είδη συστημάτων ραφιών: έναν τύπο που προορίζεται για ζώνες χαμηλής ή μέσης σεισμικότητας και έναν τύπο σχεδιασμένο για υψηλή σεισμικότητα. Κάθε ένα από τα έξι προσομοιώματα εξετάστηκε χωριστά στις δύο κύριες διευθύνσεις του (κατά μήκος ή Χ και εγκάρσια ή Y). Στα επόμενα τρία κεφάλαια (από το πέμπτο μέχρι και το έβδομο), δίδονται πιο συγκεκριμένες πληροφορίες σχετικά με την προσομοίωση και την αξιοποίηση των πειραματικών δεδομένων από τις εταιρείες, κυρίως όσον αφορά τη διαχείριση των μη- γραμμικοτήτων. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων, με έμφαση στα αποτελέσματα των pushover αναλύσεων (ανελαστικές παραμορφώσεις, εντατικά μεγέθη μελών και καμπύλες τέμνουσας βάσης - μετατόπισης οροφής), για κάθε προσομοίωμα σε κάθε διεύθυνση. Το πέμπτο κεφάλαιο αναφέρεται στην εταιρεία Α, το έκτο κεφάλαιο στην εταιρεία B και το έβδομο στην εταιρεία C αντίστοιχα. Στο όγδοο κεφάλαιο διατυπώνονται κάποια ποιοτικά σχόλια και γίνεται η απόπειρα να διεξαχθούν κάποια συμπεράσματα. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται και οι καμπύλες pushover επαλληλίζονται γραφικά προς διευκόλυνση της σύγκρισης ανάμεσα στις τρεις εταιρείες. Η σημασία των φαινομένων δευτέρας τάξης (p-delta effects) επισημαίνεται μέσω των αποτελεσμάτων που προέκυψαν από τη γραμμική ανάλυση λυγισμού του λογισμικού και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων της pushover ανάλυσης με ή χωρίς γεωμετρική μη- γραμμικότητα. Επίσης παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της επιβολής διαφορετικού τύπου πλευρικού φορτίου κατά την ανάλυση pushover (ομοιόμορφο ή ανεστραμμένο τριγωνικό με βάση τις ιδιομορφές). Επιπλέον παρουσιάζονται για κάθε κατασκευή οι πλευρικές μετατοπίσεις ανά όροφο, στο σημείο επιτελεστικότητας (performance point κατά τον κανονισμό ATC 40). Τελικά, η πλαστιμότητα, η υπεραντοχή και ο συντελεστής συμπεριφοράς qcapacity υπολογίζονται για κάθε περίπτωση, με βάση τη διγραμμική προσομοίωση της εκάστοτε pushover καμπύλης. Συμπληρωματικά, γίνεται ο υπολογισμός ενός επιπλέον δείκτη συμπεριφοράς q με βάση τη στάθμη επιτελεστικότητας "Προστασία Ζωής" (σύμφωνα με τον FEMA 356) καθώς επίσης και ο υπολογισμός του δείκτη q στο σημείο επιτελεστικότητας. Καθώς το ευρωπαϊκό ερευνητικό πρόγραμμα "Seisracks 2" βρίσκεται σε εξέλιξη, τα παραπάνω σχόλια και συμπεράσματα μένει να επικαιροποιηθούν ή να διορθωθούν στο μέλλον. Τα πειράματα που θα διεξαχθούν (pushover σε πραγματική κλίμακα και επιπλέον έλεγχοι των μελών και των συνδέσεων) σε συνδυασμό με την αναλυτική επεξεργασία του προβλήματος με πιο εξειδικευμένο λογισμικό, αναμένεται να δώσουν πολύτιμες πληροφορίες σχετικά με τις ιδιότητες των κατασκευών, τη σεισμική τους απόκριση και κατ΄ επέκταση τον βέλτιστο σχεδιασμό τους.

The present thesis constitutes the final part of the author's studies in the MSc in Analysis and Design of Earthquake Resistant Structures (ADERS) in National Technical University of Athens. However, it was mostly carried out in Politecnico di Milano in the context of the Erasmus European exchange programme. The main objective of this dissertation was the investigation of the seismic performance of steel storage pallet racking systems that mainly consist of cold-formed, thin-walled members. The seismic response of these structures was approached through the use of a finite element software (Sap2000, CSI) and the application of various pushover analyses. The data used for the completion of this thesis were obtained in the context of a European research project called "Seisracks 2". The first chapter is an introduction to the problem that had to be examined. The importance of the subject is highlighted as the use of steel storage racks is increasingly widely spread in both warehouses and stores open to the public and therefore their design must meet the requirements for strength, simplicity and adaptability in installation, economy and of course safety of the users as well as of the stored goods. In addition to this, the typical pallet rack configuration is described (in terms of geometry and connections) along with the basic properties of members with thin-walled cold formed steel profiles. It should be noted that racks have the peculiarity of carrying very large live loads (pallet weights) while having insignificant self weight. In the end of this chapter, the relevant codes as well as the design parameters concerning the seismic analysis of this type of structures are presented. The second chapter focuses on the previous research that has been made on the subject and especially on the "SEISRACKS" research project. Its basic results are summarized regarding component tests, pallet sliding-friction models and pushover tests. In the third chapter, the simulation procedure in Sap2000 is explained. The methodology of the simulation is presented concerning the general configuration of the models, each member separately and each type of connection or support. The procedure of the nonlinear static analysis in Sap2000 is presented along with the options regarding material nonlinearity and geometric nonlinearity. Concluding this unit, the simulation problems, relative to the complexity of the specific structures that were encountered and had to be overcome, are mentioned. In chapter four, the structures examined are presented. In total six models were made, obtaining data from three different companies. Each company provided drawings and a few experimental data on two types of racks: one type designed for medium or low seismicity zones and another designed for high seismicity. Each of the six models was examined separately with regard to its two main directions (down-aisle or X and cross-aisle or Y). In the following three chapters (which means chapters five to seven), more specific information are given regarding the simulations and the interpretation of the experimental data provided by the companies (assignment of nonlinearities). The results of the analyses run are displayed, giving emphasis on the results of the pushover analyses (inelastic deformation, internal forces and capacity curves) in each direction. Chapter five refers to Company A, chapter six refers to Company B and chapter seven refers to Company C respectively. In the final chapter eight, some conclusions and comments on the results are attempted. The results are summarized and the graphs for each case are superimposed in order to enable the comparison of the responses between the three companies. Furthermore, the importance of p-delta effects is highlighted by providing the results of the linear buckling analyses in Sap2000 as well as the different pushover curves that occur by or without taking into account the geometric nonlinearity. The effects of the different types of pushover load cases (uniform lateral loads or modal pushover/inverse triangle distribution) are also mentioned. The inter-storey drifts at the performance point (according to ATC 40) are presented for each case and compared. Finally, ductility, overstrength and q capacity factors are calculated for each case based in a bilinear approach of the obtained capacity curves. An estimation of another q factor based on the Life Safety performance level (according to FEMA 356) and a q factor for the performance point is also presented. Since the "Seisracks 2" research project is now in progress, these comments and results remain to be updated or corrected in the future, as the experiments (full scale pushover tests and component/connection tests) along with the computational approach through a more sophisticated software, will provide valuable information both on the real properties of the structures as well as on their seismic responses.