Seismic actions and response of steel storage pallet racks - A numerical investigation

Abstract

The present dissertation intends to convey the overall situation of steel storage pallet racking systems that are placed in areas of high seismicity. The seismic design of racks reaches nowadays a high level of reliability, but the theoretical background around that is not abundant. Thus, this dissertation comes to judge some provisions of the modern European norms and to note significant proposals for the amendment of the racks’ seismic response. The first chapter is a rough presentation of the racking systems that are not yet commonly known to all engineers, stating at the same time the existing research that is referring to the different specialties and peculiarities of such systems as well as to an efficient design against earthquake loading. The second chapter presents the application of nonlinear static analyses, known as Pushover, to racking systems. The aim of this work is to predict and evaluate the seismic response of the systems. Nine real case studies, provided by the industrial partners of the European research program SEISRACKS2, are simulated in a conventional manner. Then, capacity curves for all the systems and for both main directions of the system are produced, calculating the available ductility of the systems and as a result proposing appropriate values of the behavior factor that could be used for this kind of configurations.The third chapter is moving towards more reliable and advanced methods. Nonlinear dynamic analyses are performed for the developed models applying the methodology of FEMA p695 that is based on the Incremental Dynamic Analysis. Two of the models of the previous chapter are subjected to nonlinear dynamic analyses in the down aisle direction and four of them to the cross aisle direction. The objective of the chapter is once again to evaluate the used values of the behavior factor during the design procedure and to figure out the dynamic racks’ behavior that is not yet extensively numerically investigated. The fourth chapter has a different point of view. It focuses locally on the seismic design of the pallet beams investigating the interaction between pallet and pallet beams. During an earthquake the pallet beams face severe horizontal forces that are in this dissertation analytically determined, differently to the provisions of the corresponding norm. This norm considers that the examined interaction could have also a positive effect on the bending of the pallet beams and their buckling length out-of-plane; however, it is found that these specific provisions of the norm are deemed to be neither realistic nor conservative. The fifth chapter states the main conclusions of this thesis and notes some ideas for further investigation and future research. At the end of the thesis, in Appendix, experimental results that took place at the rest universities of the SEISRACKS2 project are used to calibrate the numerical models of the previous main chapters of the dissertation.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εκπονήθηκε με σκοπό να διερευνήσει και να εξηγήσει την τρέχουσα ερευνητική κατάσταση των ραφιών αποθήκευσης παλετών που είναι τοποθετημένα σε σεισμογενείς περιοχές. Αν και ο σχεδιασμός αυτού του είδους κατασκευών είναι πλέον σε αρκετά υψηλό επίπεδο, το θεωρητικό υπόβαθρο του είναι περιορισμένο. Έτσι η παρούσα διατριβή έρχεται να εξετάσει και να εντοπίσει τα προβλήματα των κατασκευών αυτών, αλλά και των αντίστοιχων ισχυόντων ευρωπαϊκών κανονισμών. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια παρουσίαση των μεταλλικών ραφιών, αφού αυτά δεν είναι ακόμα ευρύτατα γνωστά στην κοινότητα των μηχανικών. Ακόμα, παρουσιάζονται οι ιδιαιτερότητες τους και τα προβλήματα που έχουν εντοπιστεί έως σήμερα, μέσα από την διεθνή βιβλιογραφία. Το δεύτερο κεφάλαιο περιγράφει την διαδικασία που πρέπει να ακολουθηθεί για τη διενέργεια στατικών υπερωθητικών αναλύσεων σε μεταλλικά ράφια. Εννέα ράφια που σχεδιαστήκαν στο πλαίσιο του ερευνητικού προγράμματος SEISRACKS2 προσομοιώνονται και εξετάζονται με την παραπάνω μέθοδο ώστε να εκτιμηθεί η συνολική πλαστιμότητα που διαθέτουν. Απώτερος σκοπός είναι να γίνει μια εκτίμηση του συντελεστή συμπεριφοράς που δύναται να χρησιμοποιηθεί με βάση τις ρεαλιστικές τιμές που προκύπτουν από αριθμητικές αναλύσεις.Στο τρίτο κεφάλαιο ο σκοπός παραμένει η εύρεση του κατάλληλου συντελεστή συμπεριφοράς για τέτοιου είδους κατασκευές, χρησιμοποιώντας όμως δυναμικές αναλύσεις που θεωρούνται σήμερα περισσότερο αξιόπιστες. Για την επίτευξη του στόχου αυτού χρησιμοποιείται η μέθοδος που περιγράφει ο FEMA p695 και η όποια βασίζεται στην δυναμική επαυξητική μέθοδο (Incremental Dynamic Analysis). Το τέταρτο κεφάλαιο αφήνει την συνολική σεισμική συμπεριφορά των ραφιών και εστιάζει στις δράσεις που αναπτύσσονται επί των δοκών κατά τη διάρκεια μιας σεισμικής διέγερσης. Με αφορμή τις διατάξεις του κανονισμού που θεώρει ότι μεταξύ των παλετών και των δοκών υπάρχει αλληλεπίδραση λόγω της αναπτυσσόμενης τριβής, υπολογίζονται , διαφορετικά από ότι στον κανονισμό, οι μέγιστες οριζόντιες δυνάμεις που αναπτύσσονται στις δοκούς όταν οι παλέτες ολισθαίνουν. Ακόμα, αντίθετα στις προβλέψεις του κανονισμού, με χρήση αριθμητικών μοντέλων συμπεραίνεται ότι η ύπαρξη των παλετών δεν προσφέρει πλήρη διαφραγματική λειτουργιά στο σύστημα. Έτσι το μήκος λυγισμού των δοκών και η κάμψη που αναπτύσσεται στις δοκούς εκτός του επίπεδου τους, πρέπει να υπολογίζονται χωρίς την χρήση μειωτικών συντελεστών, ακόμα και σε περίπτωση ύπαρξης παλετών. Στο πέμπτο κεφάλαιο γίνεται μια περιληπτική παρουσίαση των συμπερασμάτων της παρούσας διατριβής και παρατίθενται κάποιες προτάσεις για περαιτέρω έρευνα. Στο τέλος παρατίθεται υπόμνημα, όπου παρουσιάζεται η βαθμονόμηση των αριθμητικών μοντέλων, που χρησιμοποιήθηκαν στην διατριβή, με χρήση των πειραματικών αποτελεσμάτων που έλαβαν μέρος κατά την διάρκεια του ερευνητικού προγράμματος SEISRACKS2 στα άλλα συνεργαζόμενα πανεπιστήμια.