The structural pounding: a state-of-the-art review and development of analytical formulations for the evaluation of the phenomenon effects

Engineering research is able to predict and to study damage effects on new and existing buildings more and more every day. The phenomenon of structural pounding, often overlooked in the past, has shown how structures can be subjected to forces not foreseen at the design stage. Pounding occurs to adjacent buildings that are not spaced with a sufficient distance. Because of this phenomenon, various damages have been observed during past seismic events. Therefore, it is crucial to correctly predict the additional forces and the consequent shear stress generated during the collision between two buildings. A study on the pounding response of buildings is carried out in order to obtain analytical formulations able to describe the effects of such phenomenon. The purpose of this dissertation is to provide in a comprehensive and orderly manner the developments obtained from five previous thesis, in order to obtain a review of the results and to proceed with the writing of scientific articles on the topic of pounding. In particular, starting from a state-of-the-art review of the pounding main incidents and theories, the dimensionless pounding force and the maximum base shear stress are expressed. The analytical formulations are obtained considering two equivalent linear elastic oscillators with one degree of freedom and they are characterized by a simple product of factors. Different parameters are involved, which represent the variables with the highest level of interference during pounding (e.g., the gap between the structures and their characteristics, as their masses and periods of vibration). Then, validation analyses are reported in order to evaluate the reliability of the determined laws. Subsequently, the analysis are extended to more complex and realistic models (two- and three-dimensional models with single-storey configuration). Finally, multi-storey models are developed, thus switching from a SDOF to an MDOF system. Analyses are initially conducted only on models with the same geometry, and then considering the effects due to a different number of floors or possible torsional effects caused by geometric eccentricities. The results of the analyses demonstrated the general validity of the analytical formulations, obtaining acceptable percentage deviations between analytical and numerical values.

La ricerca in campo ingegneristico permette ogni giorno di più di prevedere e studiare gli effetti dovuti ai danni sugli edifici nuovi ed esistenti. Il fenomeno del martellamento strutturale, spesso trascurato in passato, ha dimostrato come le strutture possano essere soggette a forzanti non previste in fase di progettazione. Il martellamento si verifica su edifici adiacenti che non sono sufficientemente distanziati. A causa di questo fenomeno sono stati osservati molteplici danni durante eventi sismici passati. Appare quindi evidente la necessità di prevedere correttamente le forze aggiuntive, e le conseguenti sollecitazioni di taglio, generate durante la collisione tra due edifici. Viene di seguito presentato uno studio sulla risposta degli edifici al martellamento, al fine di ottenere delle formulazioni analitiche in grado di descrivere gli effetti di questo fenomeno. Questa dissertazione vuole fornire in maniera completa e ordinata gli sviluppi raggiunti da cinque precedenti lavori di tesi, in modo da ottenere una revisione dei risultati e per procedere alla stesura di due articoli scientifici sul tema del martellamento. In particolare, partendo da una revisione dello stato dell'arte dei principali incidenti e teorie sul martellamento, vengono espresse la forza di martellamento adimensionale e la massima sollecitazione di taglio alla base. Le formulazioni analitiche sono ottenute considerando due oscillatori elastici lineari equivalenti a un grado di libertà e sono caratterizzate da un semplice prodotto di fattori. I molteplici parametri coinvolti rappresentano le variabili che maggiormente interferiscono nel fenomeno (ad esempio, la distanza tra le strutture e le loro caratteristiche, come le masse e i periodi propri di vibrazione). Vengono riportate poi delle analisi di validazione per valutare l'affidabilità delle leggi determinate. Successivamente, le analisi vengono estese a modelli più complessi e realistici (modelli bidimensionali e tridimensionali con configurazione a singolo piano). Infine, vengono sviluppati modelli multipiano, passando così da un sistema SDOF a uno MDOF. Le analisi sono state condotte inizialmente solo su modelli caratterizzati dalla stessa geometria, per poi considerare gli effetti dovuti a un diverso numero di piani o a possibili effetti torsionali causati da eccentricità geometriche. I risultati ottenuti hanno dimostrato la validità generale delle formulazioni analitiche, ottenendo scostamenti percentuali accettabili tra i valori analitici e numerici.