Investigation of the effect of ground motion parameters on the seismic vulnerability of structures

Abstract

Pulse-like seismic records constitute a special category of ground motions due to their effect on the demand on structures. The pulses inherent in these motions are mainly produced by near-field directivity effects and. Up to now, the classification of a record as pulse-like has been based on the assumption that the pulse portion of the ground motion contains a significant amount of the total energy. Different approaches are presented and evaluated in this thesis based on the value of the recently introduced parameter CAD (Cumulative Absolute Displacement), defined as the integral of the absolute ground velocity, compared with the spectral displacement for zero damping SD0%(Tp), associated with the characteristic period Tp of the inherent pulse, and the cross correlation of the significant pulse and the original record. It is proven that, for pulse-like ground motions, the ratio SD0%(Tp)/CAD is around π/4, where for non pulse-like ground motions the value of the ratio is much lower. A second important pulse indicator PI for the characterization of seismic motions as pulse-like or non pulse-like is set equal to the cross correlation factor of the significant pulse and the original record. It is suggested that records for which PI is larger than 0.65 are characterized as pulse-like, while records with PI less than 0.55 are characterized as non pulse-like. The proposed classification was checked against the inelastic response of SDOF structures. To this end, the inelastic displacement of SDOF systems with period equal to half the pulse period and reduction factor R = 4 are computed for 124 records. Records having values of PI larger than 0.65, which are classified as pulse-like, produce larger ductility demands as the majority of ratio values are larger than 1.5. On the other hand, records having values of PI lower than 0.55, which are classified as non pulse-like, present ratios lower than 1.5 with an average value around unity.It is seen that the two previous methods ignore some records with large inelastic demands. As far as the strong ground motion content is equal to the integral of the absolute ground velocity of the record, for a time interval between the first and the last crossing of the threshold amplitude of 70% of peak ground velocity, the index given as CAD-70% was finally determined after various approximations.An example of the effect on the inelastic demand on structures is performed for a SDOF. An investigation is presented concerning the effect of the directivity pulses inherent in near-fault ground motions on the inelastic response of a curved RC bridge, specifically Bridge G7 of Egnatia Highway in Greece. The analyses were performed for a sample of 90 near-fault seismic records. From each record, the first six pulses were extracted and simplified ‘pulse records’ were defined, composed of one or more (up to six) pulses. The results show that the maximum inelastic deformations occur for the ground motions for which the elastic fundamental period of the bridge is close to one half of the period of the predominant pulse. Also, in most cases, the maximum response for the original record could be adequately estimated by the response for the ‘pulse record’ consisted of only two (and in few cases of three) pulses, especially when the fundamental period of the bridge was in between the periods of these pulses.It is obvious from the above that the determination of the strong directivity pulse should be determined. The normal-to-the fault component is assumed to contain the strongest directivity pulse, an assumption that in most cases is only approximately true, while there are cases in which the two directions diverge significantly. In this theses, the direction of the strong component of near fault ground motions is investigated with respect to the orientation of the fault, the fault type, the closest distance to the fault and the soil type. It is shown that the strong component can be determined by the maximum value of the energy content and that, in general, it does not coincide with the fault normal direction, also depending on the fault type. Finally, an attempt is made to determine the relation of a pulse period with seismic parameters. A statistical analysis of the pulse period in relation with several seismological parameters is performed herein. The set of records from the NGA database that have been characterized as pulse-like is used for a statistical investigation of the relation of the pulse period with three strong-motion parameters, namely the magnitude of the event, the closest distance to the fault and the soil type using the shear wave velocity, which resulted in a new empirical relationship for the estimation of the pulse period Tp.

Οι παλμικές κινήσεις αποτελούν θέμα μεγάλου ενδιαφέροντος στον τομέα της Τεχνικής σεισμολογίας, καθώς προκαλούν σημαντικές βλάβες στις κατασκευές και στα έργα των πολιτικών μηχανικών. Τα χαρακτηριστικά των εν λόγω εδαφικών κινήσεων διαφέρουνν από εκείνα των καταγραφών που βρίσκονται σε μια μεγάλη απόσταση από το ρήγμα. Η βασική διαφορά εντοπίζεται στην ύπαρξη ενός μεγάλου παλμού στη χρονοιστορϊα ταχύτητας, γνωστού ως παλμού κατευθυντικότητας. Ο χαρακτηρισμός μιας καταγραφής ως παλμικής ή μη είναι ιδιαίτερα σημαντικός καθώς επιτρέπει τον εντοπισμό των χαρακτηριστικών των παλμικών καταγραφών και την επεξεργασία τους προκειμένου να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα που αφορούν στην επίδρασή τους στις κατασκευές. Ο Baker (2007) πρότεινε έναν δείκτη ύπαρξης παλμού ο οποίος λαμβάνει υπόψη τον λόγο της μέγιστης εδαφικής ταχύτητας της αρχικής καταγραφής ως προς την μέγιστη εδαφική ταχύτητα της καταγραφής που απομένει μετά από την αφαίρεση του πρώτου σημαντικού παλμού, καθώς και τον λόγο των ενεργειών. Μια διαφορετική μέθοδος προτάθηκε από τους Zhai et al. (2013), η οποία χαρακτηρίζει μια σεισμική κίνηση ως παλμική όταν ο σημαντικός παλμός της χρονοιστορϊας ταχύτητας περιλαμβάνει μεγάλο ποσοστό της συνολικής ενέργειας. Σε συνέχεια της δουλειάς των Zhai et al. (2013), οι Chang et al. πρότειναν μια αντίστοιχη μέθοδο βασιζόμενοι στην ενέργεια της παλμικής κίνησης αλλάζοντας το όριο του δείκτη παλμικότητας. Προσσεγγιστικές μέθοδοι έχουν επίσης προταθεί, οι οποίες όμως δεν εκφράζουν το φυσικό φαινόμενο της κατευθυντικότητας και της επίδρασης στις κατασκευές (Zhai et al 2016). Με βάση επεξεργασμένες καταγραφές από παγκόσμια βάση δεδομένων προτάθηκε μια νέα μέθοδος για το χαρακτηρισμό μιας καταγραφής ως παλμικής ή μη. Συγκεκριμένα εξετάστηκε η συσχέτιση της φασματικής μετακίνησης που αντιστοιχεί στην περίοδο του παλμού με το ολοκλήρωμα της απόλυτης τιμής της εδαφικής ταχύτητας. Εφαρμογή της μεθόδου οδήγησε στο συμπέρασμα πως καταγραφές με λόγο φασματικής μετακίνησης ως προς το CAD μεγαλύτερο από 0.65 μπορούν να χαρακτηριστούν ως παλμικές. Στη συνέχεια εξετάστηκε η αποτελεσματικότητα του συντελεστή συσχέτισης του πρώτου παλμού από τη χρονοϊστορία ταχύτητας με τη συνολική καταγραφή. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος των Mavroieidis & Papageorgiou (2003), οι οποίοι προσαρμόζουν ένα κυματίδιο ημιτονικής μορφής στις καταγραφές. Τα αποτελέσματα των αναλύσεων οδήγησαν στο ασφαλές συμπέρασμα πως ο συντελεστή συσχέτισης του σημαντικού παλμού και της αρχικής καταγραφής δύναται να χρησιμοποιηθεί ως δείκτη ύπαρξης παλμού στην περίπτωση που η τιμή του είναι μεγαλύτερη του 65%. Επιπλέον πραγματοποιήθηκαν ανελαστικές αναλύσεις για μονοβάθμια συστήματα με περίοδο κατασκευής ίση με την μισή της περιόδου του παλμού της κάθε καταγραφής. Στις περιπτώσεις που ο δείκτης δίνει την ύπαρξη παλμικότητας, η απαίτηση πλαστιμότητας και άρα μετακίνησης είναι αρκετά μεγαλύτερη από την αναμενόμενη, αποδεικνύοντας τη σημαντικότητα του παλμού στην απόκριση των κατασκευών. Προκειμένου να εξεταστεί εάν κρύβεται κάποιος μη εμφανής παλμός στις προαναφερθείσες χρονοϊστορίες, το όριο για τον υπολογισμό του CAD προσδιορίστηκε στο ποσοστό της κίνησης που υπερβαίνει το 70% της μέγιστης εδαφικής επιτάχυνσης. Στη συνέχεια διερευνάται ο προσδιορισμός της διεύθυνσης της παλμικής κίνησης. Παρατηρήθηκε ότι η ισχυρότερη συνιστώσα μιας εδαφικής κίνησης είναι αυτή με το μεγαλύτερο ενεργειακό περιεχόμενο.. Επιπροσθέτως, διερευνάται η απαίτηση επιπλέον σημαντικών παλμών για την απόκριση των κατασκευών. Για τον σκοπό προσομοιώθηκε η γέφυρα Ε7 της Εγνατίας Οδού και υπολογίστηκε η απόκρισή της για παλμικές καταγραφές και για συνδυασμό των εξαγόμενων παλμών αυτών. Εξήχθη το συμπέρασμα πως παρά το γεγονός ότι ο πρώτος σημαντικός παλμός ευθύνεται για την έντονη απόκριση της κατασκευής, απαιτούνται οι δύο πρώτοι παλμοί για τον πλήρες υπολογισμό της ανελαστικής της συμπεριφοράς. Τέλος, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση σε ό,τι αφορά στα χαρακτηριστικά και στις παραμέτρους του κοντινού πεδίου. Για τις παλμικές καταγραφές κοντινού πεδίου έγινε στατιστική ανάλυση προκειμένου να εξεταστεί πιθανή συσχέτιση της περιόδου του παλμού με βασικά χαρακτηριστικά των κινήσεων. Το αποτέλεσμα της ανάλυσης έδειξε την ύπαρξη συσχέτισης της περιόδου του παλμού με το μέγεθος της σεισμική κίνησης, την κοντινότερη απόσταση από το ρήγμα και τον τύπο του εδάφους.