Seismic force redistribution in asymmetrical reinforced concrete buildings due to soil-structure interaction

Abstract

The present dissertation investigates the redistribution of internal forces among the vertical elements of reinforced concrete (R/C) simple low-rise asymmetrical structures under seismic loading considering Soil-Structure Interaction (SSI). A series of one-storey R/C plane frames with one, two and four spans, founded οn rigid, deformable soil through footings with connecting beams is analyzed dynamically. The seismic loading is simulated through synthetic accelerograms compatible with the EC8 design spectrum. Οne-storey and three-storey one-span R/C framed 3-D buildings founded οn rigid, deformable soil through footings with connecting beams and foundation mat are dynamically analyzed using real accelerograms. Asymmetry in the R/C 2-D and 3-D buildings considered is achieved by replacing one of the columns by a wall of variable width. The behavior of R/C elements is considered as elastic according to current design codes, as well as elastoplastic according to an elastoplastic mechanical fiber model. Both linear and nonlinear elastoplastic analyses are performed in the time domain. Linear analyses are done by taking into account reduced member stiffness due to concrete cracking. Nonlinear elastoplastic analyses are done with a concentrated plasticity model with stiffness reduction. Nonlinear response quantities include not only member moment and shear forces but also interstorey drift ratios and various damage indices at member and structure levels for four performance levels. Dimensionless ratios of internal absolute maximum forces and moments of vertical R/C elements are expressed in terms of their cross-section properties and compared for the cases of SSI and rigid soil for both elastic and elastoplastic analyses. Thus, the influence of SSI on the seismic response of the vertical elements and the whole structure is determined and discussed. All the analyses prove that SSI strongly affects the seismic response of R/C elements and simple R/C structures and its influence may be beneficial or detrimental in contrast to current codes considering only its positive effects.

Η παρούσα διατριβή διερευνά την ανακατανομή των εσωτερικών δυνάμεων μεταξύ των κατακόρυφων μελών οπλισμένου σκυροδέματος (Ο/Σ) απλών ασύμμετρων χαμηλών κατασκευών υπό σεισμική φόρτιση λαμβάνοντας υπόψη την δυναμική αλληλεπίδραση εδάφους-κατασκευής (ΔΑΕΚ). Μια σειρά μονώροφων επιπέδων πλαισίων Ο/Σ με ένα, δύο και τέσσερα ανοίγματα, εδραζόμενα επί απαραμόρφωτου ή παραμορφώσιμου εδάφους μέσω θεμελίων με συνδετήριες δοκούς αναλύεται δυναμικά. Η σεισμική φόρτιση προσομοιώνεται με συνθετικά επιταχυνσιογραφήματα συμβατά με το φάσμα σχεδιασμού του Ευρωκώδικα 8. Μονώροφα και τριώροφα 3-Δ κτιρίων Ο/Σ ενός ανοίγματος εδραζόμενα επί απαραμόρφωτου ή παραμορφώσιμου εδάφους μέσω θεμελίων με συνδετήριες δοκούς και γενικής κοιτόστρωσης, αναλύονται δυναμικά χρησιμοποιώντας πραγματικά επιταχυνσιογραφήματα.Η ασυμμετρία στα εξεταζόμενα 2-Δ και 3-Δ κτίρια Ο/Σ επιτυγχάνεται αντικαθιστώντας έναν στύλο από ένα τοίχωμα μεταβλητού πλάτους. Η συμπεριφορά των μελών Ο/Σ θεωρείται ελαστική σύμφωνα με τους ισχύοντες κανονισμούς σχεδιασμού, καθώς και ελαστοπλαστική σύμφωνα με ένα ελαστοπλαστικό μηχανικό μοντέλο ινών. Τόσο οι γραμμικές όσο και οι μη γραμμικές ελαστοπλαστικές αναλύσεις πραγματοποιούνται στο χρονικό πεδίο. Οι γραμμικές αναλύσεις γίνονται λαμβάνοντας υπόψη τη μειωμένη δυσκαμψία των μελών λόγω της ρηγμάτωσης του σκυροδέματος. Οι μη γραμμικές ελαστοπλαστικές αναλύσεις γίνονται με ένα μοντέλο συγκεντρωμένης μέσω μείωση της δυσκαμψίας. Οι μη γραμμικές ποσότητες απόκρισης περιλαμβάνουν όχι μόνο τις δυνάμεις ροπής και διάτμησης των μελών, αλλά και τις γωνιακές παραμορφώσεις ορόφων και διάφορους δείκτες βλάβης σε επίπεδα μέλους και κατασκευής για τέσσερα επίπεδα επιτελεστικότητας. Αδιάστατοι λόγοι των εσωτερικών απόλυτων μέγιστων δυνάμεων και ροπών των κατακόρυφων μελών Ο/Σ εκφράζονται ως προς τις ιδιότητες διατομής τους και συγκρίνονται για τις περιπτώσεις ΔΑΕΚ και απαραμόρφωτου εδάφους τόσο για τις ελαστικές όσο και για τις ελαστοπλαστικές αναλύσεις. Έτσι, προσδιορίζεται και συζητείται η επίδραση της ΔΑΕΚ στη σεισμική απόκριση των κατακόρυφων στοιχείων και ολόκληρης της κατασκευής. Όλες οι αναλύσεις αποδεικνύουν ότι η ΔΑΕΚ επηρεάζει έντονα τη σεισμική απόκριση μελών Ο/Σ και απλών κατασκευών Ο/Σ και η επιρροή της μπορεί να είναι ευεργετική ή επιζήμια σε αντίθεση με τους ισχύοντες κανονισμούς οι οποίοι θεωρούν μόνο τα θετικά αποτελέσματά της.